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1、9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 9.1 三端式振荡器三端式振荡器 在电子线路中，需要在没有激励信号的情况下自行产生周期性振荡信号的电子线路，即振荡器。鉴于正弦波信号是应用最广泛的信号，本节利用Multisim的仿真仪器示波器来观测三端式正弦波振荡器的输出波形。三端式振荡器除了三极管外，还要有三个电抗器件，它们共同构成决定振荡器频率的并联振荡电路，同时也构成正反馈所需的反馈网络。从振荡器振荡原理可知，振荡器的平衡条件是KF=1，是一个复数形式，相位条件需满足射同它异的原则。下面就通过图9-1所示电路观察三端式振荡器的振荡过程。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 20
2、 kohm50 uF30 kohm0.01 uF0.01 uF20 VBJT_NPN_VIRTUAL2 kohmABTGVCC0.01mH图9-1 三端式振荡器电路原理图 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (1) 在Multisim仿真电路窗口创建图9-1所示电路。该电路是一个基极调谐的电容三端式振荡器，即考必兹电路。交流等效满足相位条件。LC回路构成选频网络。振荡中心频率为 LC1c9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (2) 运行仿真开关，双击示波器图标，可以得到仿真结果，如图9-2所示。 图9-2 三端式振荡器输出波形 9第9章 Multisim 在高频电路中的应
3、用 9.2 乘法器乘法器AM调幅调幅 调幅是调制的一种方式，它是用调制信号(例如声音、图像)去控制载波的振幅，使振幅随着调制信号瞬时值而线性地变化，而载波的频率和初相位则保持不变。若载波电压为Uc(t)Ucm U(t)= Um调制电压为 U(t)= Umcost，通常 。 根据 AM 调制的定义，已调信号的振幅随调制信号线性变化。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 在Multisim仿真电路窗口创建如图9-3所示电路，其中，V1为载波信号，V2为调制信号。载波信号参数设置为：电压幅值为1 V，频率为20 kHz。调制信号参数设置为：电压幅值为1 V，频率为1000 Hz。电压源V
4、CC为2 V，调幅指数取0.5。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 2 VVCCYXA1KXYR11 kohmV11 V0.71 V_rms20 kHz0 Deg1 V/V 0VV21 V0.71 V_rms1000 Hz0 DegXABTGXSC1图9-39第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (2) 运行仿真开关，双击示波器图标，可以得到仿真输出调幅波形，如图9-4所示。 图9-4 调幅电路输出波形 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 由图9-4的输出波形可以看出，高频载波信号的振幅随着调制信号的规律变化。 (3) 若将图9-3中电压源VCC改为1 V，调
5、幅指数变为1，则电路输出曲线恰好为调幅曲线，仿真结果如图9-5所示。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-5 调幅电路恰好调幅时的输出波形 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (4) 利用频谱分析仪可以观察调幅电路的频谱分布。方法是：分别将图9-3所示电路中的输入V1和乘法器输出连接到频谱分析仪的IN端和OUT端，双击频谱分析仪图标，合理设置面板参数，得到如图9-6所示仿真结果。 由频谱分析仪面板右下方可以看到，图9-6中指针当前所处频率为20 kHz，中心频率幅度为2 V，20 kHz载波分量幅值最大。移动指针，可以观察到在21 kHz和19 kHz有两个上下边
6、频分量，幅度为MUC/2=0.5 V，所以说载波分量不携带消息。频率的搬移是线性搬移。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-6 调幅电路输出频谱 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 9.3 二极管平衡调幅二极管平衡调幅 振幅调制是调制的一种方式，也是频谱的线性搬移电路。实现频谱的线性搬移的电路形式很多。9.2节我们利用了乘法器电路实现了AM调制，本节将采用另一种非线性电路二极管平衡调制电路来实现AM调制。在该电路中，两个性能完全一样的二极管与变压器组成平衡电路，可以减少一些不必要的频率分量。仿真过程如下： (1) 在Multisim仿真电路窗口创建电路，如图9-7
7、所示。其中，V1是高频载波信号， V2是低频恢复载波信号。V1参数设置为幅值4.5 V，频率为16 kHz；V2参数设置幅值为0.3 V，频率500 Hz。输出端有RC滤波电路。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-7 平衡调制原理电路 ABTGXSC1V1V2D1DIODE_VIRTUALD2DIODE_VIRTUALR11 ohmR21 ohmR32.5 kohmC10.1 uFL11 mHT1 2T24.5 V3.18 V_rms15.84 kHz0 Deg0.3 V0.21 V_rms500 Hz0 Deg 29第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (2) 运
8、行仿真开关，双击示波器图标，可以得到仿真输出调幅波波形，如图9-8所示。观察图9-8所示波形，可知该波形是双平衡电路实现的AM调制波形。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-8 输出调幅波波形 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (3) 利用频谱分析仪观察已调波频谱，得到仿真结果，如图9-9所示。 观察该频谱可以看出，在16 kHz频率点，载波分量幅值最大，为1.662 V；在15.5 kHz和16.5 kHz有两个上下边频分量。在图9-7所示电路中，如果将两个输入信号的位置进行变换，则得到DSB调制。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-9 平
9、衡调制AM调制输出频谱图 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 9.4 DSB信号的乘法器调制与解调信号的乘法器调制与解调 从高频已调信号中恢复出调制信号的过程称为解调，也称检波。解调是调制的逆过程。DSB信号是抑制了载波的双边带信号，发送时，不发送载波信号，对于DSB信号，其包络的变化反映了调制信号绝对值的变化情况，当调制信号过零点时，有相位的突变。DSB的解调就是从它的幅度变化上提取调制信号的过程。本节将利用Multisim的仿真仪器示波器来观测DSB调幅波的调制与解调波波形、频谱情况，步骤如下： 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (1) 在Multisim仿真电路
10、窗口创建如图9-10所示电路。该电路中，A1是非线性乘法器电路；V1是幅度为1 V、频率为10 kHz的高频载波；V2是幅度为1 V、频率为1000 Hz的调制信号，V1和V2经A1相乘，输出双边带信号，该信号再经乘法器A2进行解调；V3是恢复载波信号。信号源V1、V2、V3分别加至非线性电路A1和A2的输入端。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-10 DSB乘法器调制解调原理 ABTGXSC11V/V 0VA11V/V 30VV11 V0.71 V_rms10 kHz0 DegV21 V0.71 V_rms10 kHz0 DegR11 kohmC11 uFYKXYX1 V
11、0.71 V_rms1000 Hz0 DegA2YKXYX9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (2) 运行仿真开关，双击示波器图标，可以得到仿真输出调幅波波形，如图9-11所示。 图9-11 DSB乘法器调制与解调波形 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (3) 利用频谱分析仪可以观察双边带信号的频谱分布情况。将频谱分析仪接入电路，合理设置面板参数，得仿真结果如图9-12所示。 由图9-12可以看到，中间10 kHz的高频载波分量被抑制，其幅值仅为4.677 nV，近乎为0；频率为9 kHz和11 kHz的两个边频分量幅值最大。 9第9章 Multisim 在高频电路中
12、的应用 图9-12 DSB信号的频谱图 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 9.5 高频功率放大器高频功率放大器 在高频电路中，为了使含有有用信息的高频信号有足够的能量发射出去，必须要对信号进行功率放大。本节将利用Multisim的仿真仪器示波器来观测高频功率放大器(简称高频功放)对输入信号的选频放大作用。在输入为大信号的高频电路中，三极管工作在非线性状态。为了提高高频功率放大器的工作效率，通常选用C类工作状态，即集电极电流导通角要小于90。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 高频功放电路仿真过程如下：(1) 在Multisim仿真电路窗口创建图9-13所示电路。该电
13、路中V1是基极偏置，使功率管工作在C类状态；V2是集电极馈电，提供能量；V3是输入正弦波信号。根据高频功放原理，功率管集电极电流是含有丰富频率成分的脉冲波形，经选频电路以后，负载上得到的电压是单一频率的信号。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-13 高频功率放大器原理图 ABTGXSC1V1V2D1DIODE_VIRTUALD2DIODE_VIRTUALR11 ohmR21 ohmR32.5 kohmC10.1 uFL11 mHT1 2T24.5 V3.18 V_rms15.84 kHz0 Deg0.3 V0.21 V_rms500 Hz0 Deg 29第9章 Multis
14、im 在高频电路中的应用 (2) 运行仿真开关，双击示波器图标，可以得到仿真输出调幅波波形，如图9-14所示。由图9-14可以看出，输出信号是单一频率的信号。(3) 根据功放原理，当电路工作在临界状态时，输出功率最大。下面我们通过改变电路外参数来改变电路的工作状态。在图9-13所示电路中，增加输入信号，增加基极偏压，增加负载值或减小EC，都可使电路从临界状态进入到过压状态，使集电极电流顶部出现凹陷。仿真结果如图9-15所示。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-14 高频功率放大器输出波形 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-15 高频功率放大器过压状态集电
15、极电流波形 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 9.6 振振 幅幅 鉴鉴 频频 器器 调频波的载波频率随调制信号而变，但由于它是一个等幅波，如果仅用幅度检波器是无法将它的调制信号分离出来的，故通过两步完成鉴频： 用频-幅变换器将调频波转变成调幅波，使其幅度的变化正比于调频波频率的变化，至于它的载波则仍然是调频波，因此实际上是一个调幅的调频波要对调频波进行检波，即鉴频，以获得原来调制的音频信号； 用一般的幅度检波器(如包络检波器)检出波形的幅度变化部分，即其包络，这就是我们需要的并与原来调频波频率变化成正比的音频信号。仿真过程如下： 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (
16、1) 在Multisim仿真电路窗口创建图9-16所示电路。该电路中，V1是输入调频波，其参数设置为：幅值为10 V，中心频率为1.1 kHz，调制信号频率为100 Hz；L1、C1是频-幅变换电路；D1、R4、R3、C2组成包络检波电路。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-16 振幅鉴频器原理图 ABTGXSC1V15V 1.1kHz 100HzFMR11 ohmR21 kohmC1100 uFL1100 uHR310 kohmR42 kohmC21 uFC30.1 uFD1DIODE_VIRTUAL9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-17 振幅鉴频器输
17、出波形图 (2) 运行仿真开关，双击示波器图标，可以得到解调波波形，如图9-17所示。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 9.7 双调谐放大器双调谐放大器 在高频电子电路中，也需要对高频小信号进行放大。本节将利用Multisim的仿真仪器示波器来观测双调谐放大器的选频放大作用。放大的核心元件仍然为三极管。但是在高频情况下，必须考虑到极间的电容效应，所以放大时不仅要有直流偏置，还应有调谐电路。调谐电路是主要由电感、电容等电抗元件组成的并联谐振回路，实施选频放大。仿真过程如下： 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (1) 在Multisim 仿真电路窗口创建图9-18所示
18、电路。该电路中，输入正弦小信号由函数发生器XFG1产生，参数设置为：幅值为10 mV，频率为60 kHz，直流偏置电源电压为12 V。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-18 双调谐放大器原理图 ABTGXSC1XFG1Q1BJT_NPN_VIRTUALR21 kohmR32 kohmR410 kohmC10.007 uFL11 mH12VVCCC220 uFC31 uFC41 uFR110 kohm9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (2) 运行仿真开关，双击示波器图标，可以得到调谐放大波形，如图9-19所示。 图9-19 双调谐放大器输出波形 9第9章 Mu
19、ltisim 在高频电路中的应用 9.8 混混 频频 电电 路路 在超外差式接收机中，经常需要对信号进行混频，这也是一种频率的线性搬移。本节将利用Multisim的仿真仪器示波器以及频谱分析仪来观测混频器的工作过程和频谱搬移。非线性电路都可以完成混频，本例采用二极管双平衡电路来完成。 (1) 在Multisim仿真电路窗口创建图9-20所示电路。该电路中，V1是已调AM波，载波频率为200 kHz，调制信号频率为10 kHz；V2是本振信号，频率是260 kHz。在向下的混频中，输出中心频率应为200 kHz。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-20 二极管混频电路 ABT
20、GXSC1V2D1DIODE_VIRTUALD2DIODE_VIRTUALR11 ohmR21 ohmR32 kohmC10.01 uFL10.7 mH2V11 V 200 kHz 10 kHzAMT14 V2.83 V_rms260 kHz0 Deg2T29第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (2) 运行仿真开关，双击示波器图标，得到混频前后波形，如图9-21所示。 图9-21 混频输出波形 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (3) 利用频谱分析仪可以观察混频输出端频谱。连接频谱分析仪，合理设置面板参数，即可得仿真输出波形，如图9-22所示。 原已调波(AM波)的中心
21、频率是200 kHz，本振信号频率是260 kHz。从频谱分析仪可以看到，混频输出将原已调波的中心频率搬至60 kHz，但频谱的结构没有发生变化。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-22 混频后频谱 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 9.9 二极管包络检波电路二极管包络检波电路 在高频电子电路中，包络检波器是一种很常用的电路。本节将利用Multisim的仿真仪器示波器来观测包络检波器的检波作用和失真情况。二极管包络检波器主要由二极管和RC低通滤波电路组成。二极管导通时，输入信号向C充电，充电时常数为RdC，充电快；二极管截止时，C向R放电，放电快。在输入信号作
22、用下，二极管导通和截止不断重复，直到充放电达到平衡后，输出信号跟踪了输入信号的包络。如果参数选择不当，二极管包络检波器会产生惰性失真和负峰切割失真。惰性失真是由于RC过大而造成的，负峰切割失真主要是由于交直流等效电阻不同造成的。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 下面利用Multisim观察包络检波器的检波和失真。 (1) 在Multisim 仿真电路窗口创建图9-23所示电路。该电路中，V1是幅度为1 V、频率为20 kHz的高频载波信号；V2是幅度为1 V、频率为1 kHz的低频调制信号。经乘法器A1后，得到AM调制信号，该调制信号再经过包络检波器检波输出。 9第9章 Mul
23、tisim 在高频电路中的应用 图9-23 包络检波器电路 ABTGXSC13 VVCC2 V/V 0VA1R11 kohmV11 V0.71 V_rms20 kHz0 DegV2D1DIODE_VIRTUALC10.02 uFR210 kohmC250 uFR320 kohm1 V0.71 V_rms1 kHz0 DegYKXYX9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (2) 运行仿真开关，双击示波器图标，可获得AM波形以及解调波形，如图9-24所示。由图9-24可以看出，输出信号跟踪了输入信号包络的变化情况。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-24 包络检波器输
24、出波形 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 (3) 适当改变电阻R1的大小和输入信号调幅度，从示波器可观察到惰性失真输出波形，如图9-25所示。 图9-25 包络检波器惰性失真波形 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 9.10 高频电路综合设计高频电路综合设计高频宽带功率放大器高频宽带功率放大器 宽带放大器与窄带放大器没有本质区别，晶体管的工作状态以及集电极电路、偏置电路是完全一致的，只是输入、输出电路和级间的匹配电路不同。1 1任务要求任务要求设计一个高频宽带功率放大器，输出功率50 W。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 2 2高频宽带功率放大器的基本
25、工作原理高频宽带功率放大器的基本工作原理1) 馈电电路 对于集电极电源电路，考虑到对信噪比的要求，供电电路中要分开直流回路与基波回路，晶体管要采用并联馈电法，如图9-26所示，其中L和C分别用来抑制射频和去耦合，使集电极电源的直流分量只通过晶体管。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 图9-26 馈电电路 L1C1C2V19第9章 Multisim 在高频电路中的应用 2) 偏置电路 功率放大器的偏置电路一般不用独立的偏置电路，而是采用自偏压。最常用的方法是：利用集电极电流的直流分量在偏置电阻R1上产生偏压，而改变R1的值可改变导通角的大小。偏置电路如图9-27所示。 9第9章 M
26、ultisim 在高频电路中的应用 图9-27 偏置电路 C1R19第9章 Multisim 在高频电路中的应用 3) 输出滤波电路 在窄带放大器中，输出电路常采用谐振电路，而在宽带放大器中，滤除谐波要由谐波滤波器来实现。现在一般采用低通滤波器，它是宽带的。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 4) 输入、输出回路和极间匹配电路 输入、输出回路和极间匹配电路都是阻抗变换及匹配电路。为了增加带宽，经常采用多级L型匹配网络，使每一级的变化缓慢来换取带宽特性。图9-28所示电路即是一个三级变换，其变换阻值为50 ohm19 ohm7.5 ohm3 ohm。 9第9章 Multisim 在
27、高频电路中的应用 图9-28 匹配电路 R150 ohmC152 pFL10.0049 uHL20.0018 uHC2133 uFC3335 uF0.007 uHR33 kohmL39第9章 Multisim 在高频电路中的应用 5) 5) 画出原理总图画出原理总图原理总图如图9-29所示。 图9-29 原理总图 C152 pFC2133 pFC3335 pFR150 ohmL10.047 uHL20.018 uHL30.007 uHC41000 pFL51 mHL61 mHC5100 uFC61000 pFC775 pFL70.0021 uHC8196 pFL80.008 uHC9252 p
28、FC100.01 uFL910 mHC11100 uFC120.01 uFL100.0031 uHLb21 mHRb21 kohmL1110 mH20 VVDDC131000 pFL120.0068 uH157 pF0.018 uFC1673 pFC170.0038 uFC1834 pFR350 ohmC15C149第9章 Multisim 在高频电路中的应用 3 3元器件元器件3DA825C(10W)功率管一个；BLW78(50W)功率管一个；扼流圈，电阻，电容若干。 9第9章 Multisim 在高频电路中的应用 习习 题题 1. 用非线性器件乘法器组成AM调制电路。适当改变参数，观察恰调幅和过调幅波形；观察频谱分布情况。2. 用二极管电路组成振幅调制电路，观察输出波形及频谱。交换调制信号和载波信号位置，再观察结果变化情况，说明原因。3. 用二极管电路实现混频，分别在示波器和频谱分析仪上观察输出波形和频谱分布情况。要求输入AM已调波，采用向上的混频。4. 在包络检波器电路中更改电路元件参数，观察惰性失真和负峰切割失真。