调幅发射与接收课程教学设计报告完结版.doc

.\ 信息学院高频电子线路三级项目 调幅发射机与接收机仿真设计 负 责 人：姜升殿 组 员：李林 黄品程 刘鹏 陈敏 左园叶 班 级：电子信息工程2班 指导老师：李英伟 日 期：2014.11.23 摘 要 随着现代社会的发展，通信已经成为人类社会必不可少的一环。我们常听到的广播，就是在发射机产生调制信号，通过天线向外发射电磁波，再由接收机解调制得到原信号。本项目探究的是调幅波的发射机与接收机的仿真设计。调幅发射机主要包括：主振模块、功率放大器模块、调幅调制模块、音频放大器模块、缓冲隔离模块。调幅接收机主要包括：高频小信号放大器模块、本振电路模块、混频器模块、中频放大器模块、包络检波器模块、低频功率放大器模块。最终可实现的功能是发射机发射6MHz载波的已调波信号；接收机接收处理已调幅6MHz的无线电信号。本项目使用multisim软件进行仿真。 关键字：调幅发射机 调幅接收机 检波器 AM调幅与解调 前 言 调频和调幅是目前应用最广泛两种无线电传播方式，其中调幅的发射与接收又尤为重要。过去的条幅发射机与接收机都采用复杂的机械结构而且需要人工操作，使得设备不仅所占空间巨大而且操作起来极为不便。而目前采用的方式工作稳定、灵敏度高、选择性好，同时失真度也比较小。 本项目的意义在于通过调幅发射机与接收机的制作，掌握multisim仿真软件的使用，加深对电路理论的理解，掌握通过文献查阅、上网查询等方式获取知识的能力，最终了解无线电信号调幅传播方式的整个过程，并学会将所学知识应用到实际生活中。 本项目最终将实现的功能是发射机发射6MHz载波的已调波信号；接收机接受处理已调幅6MHz的无线电信号，最终经过混频、检波和一系列放大还原出源信号。 项目组分工 发射机组： 姜升殿：调制模块制作和总体电路联调、PPT制作、项目报告书写 刘鹏：主振模块产生6MHz的高频载波和缓冲级模块的电路仿真设计 陈敏：音频放大模块和高频末级功放模块的电路仿真设计 接收机组： 李林：本地振荡器及混频器模块设计与仿真、书写项目报告、接收机PPT制作 黄品程：包络检波器设计与仿真、各模块连接后的仿真与整体调试、相关模块报告书写 左园叶：三个放大电路模块设计与仿真、相关模块报告书写 研究报告正文 1、 调幅发射机部分： 1.1 调幅发射机整体设计思想 本部分使用multisim软件进行所有电路设计与仿真。 整机电路由本地振荡器、音频放大器、振幅调制电路和功率放大电路组合而成。本地振荡器输出为6MHz载波信号，可通过本地振荡模块调节载波信号幅值；音频放大器输出为调制信号，两者通过振幅调制电路进行模拟相乘得到调制后的信号，即高频信号振幅随调制信号变化而变化，将调制信号由低频段搬移到高频段；然后再经过功率放大器进行功率放大，发射出去，从而达到远距离传输的目的。调幅发射机总体设计框图如图1-1-1所示： 图1-1-1调幅发射机总体设计框图 1.2主振级模块和缓冲级模块电路设计与仿真 本地振荡电路采用的是西勒振荡电路，调整R6可改变静态工作点，调节R5可改变输出波形振幅，调节C4、C3可调整振荡频率。另外，此模块还在振荡电路后面接一级缓冲级，由射极跟随器组成，可减小后级电路对振荡电路的影响。电路图如图1-2-1所示： 图1-2-1 本地振荡电路 振荡频率，其中L=L1=15，C=C3+C4=47pF，计算得，而实际调整电路结果为6.002MHz考虑到忽略参数较多，理论结果存在误差，因此可以此初步确定可变电容值，然后在进行微调即可得到想要结果。主振级加缓冲级输出波形如图1-2-2所示，产生的频率如图1-2-3所示： 图1-2-2 主振级和缓冲级输出波形 图1-2-3 主振级和缓冲级产生频率 1.3 音频放大模块电路设计与仿真 音频放大模块采用的是TDA2030音频放大芯片。TDA2030A是一种音频功放电路，该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。并具有内部保护电路。本音频放大模块采用的是功放芯片技术手册（详情见网址http://wenku.baidu.com/link?url=8Cgo8aKyRtTvtGjKybhXioh0gUlt3CwlXK 2szAuXKsDaJ5JPOnCkPe5hS52daH4_UA_B0mNKyafs6VBOaWj8P8iOqzJNWalBF4KeWPZyMgK）上的双电源供电方式，电路仿真设计如图1-3-1所示，音频测试信号、产生的波形如图1-3-2： 图1-3-1 TDA2030音频放大器电路 图1-3-2 音频测试信号及音频放大器产生的波形 1.4 调幅调制级电路的设计与仿真 振幅调制即用低频信号去控制高频信号，使输出的信号幅值随低频信号变化，实现将低频信号搬移到高频段，达到远距离传输的目的。振幅调制功能采用模拟相乘器实现，MC1496模拟相乘器内部结构如图1-4-1所示，调幅调制级电路如图1-4-2所示，调幅调制级模块产生的波形如图1-4-3所示，调节滑动变阻器R7，可以获得不同调幅度Ma输出信号波形： 图1-4-1 MC1496模拟乘法器内部电路 图1-4-2 调幅调制仿真电路 图1-4-3 调制模块产生波形 1.5 末级功放模块设计与仿真 功率放大电路主要功能是进行能量转换，对前级送来的信号进行功率放大，使负载上获得满足要求的发射功率，为了给末级功放提供足够的功率，如果发射功率不大就很难把同频的载波信号发射出去，将前级送来的信号进行受调放大，使负载（天线）上获得满足要求的发射功率。如果要求整机效率较高，则应采用丙类功率放大器；若整机效率要求不高，若整机的工作效率小于50%，波形失真要小时，则可以采用甲类功率放大器。但是本设计要求工作效率不小于50%，故选用丙类功率放大器较好电路图如图1-5-1所示，由于模拟相乘器输出信号幅值较小，因此加一级激励放大电路，本次设计要求发射效率大于50%，所以采用丙类功率放大器。 图1-5-1 功率放大器模块仿真电路 1.6调幅发射机整体电路设计与仿真 图1-6-1 调幅发射机整机电路图 仿真结果如图1-6-2所示，从图中可以看出，仿真波形有失真，不太符合项目设计要求。 图1-6-2 调幅发射机输出波形 1.7 模块联调问题与分析 本振与缓冲联调时：在输出端应接负载电阻RL，RL应与下一级电路的等效输入阻抗相等。采用multisim的交流分析可以完成模块电路的输入阻抗的测量。方法是在测量加上探针，利用multisim中交流分析表达式mag(V(探针))/mag(I(探针))测量阻抗幅值，表达式ph(V(探针))-ph(I(探针))测量阻抗角度。图1-7-1为测量调制级的输入阻抗，电路的阻抗幅值为51.5980，相位为62.0194。 图1-7-1 模块阻抗测试 本振级、隔离放大级、音频放大级以及调制级联调时，经常会出现过调幅。可能是经发射极跟随器输出的本振电压Ｖ偏小或是话音放大级输出的调制电压V过大。调节使Vo=100mV～150mV，并测量调制器输出波形。调整话音放大级的增益，以满足要求。 本振缓冲级与调幅调制级联调时，出现低频调制、输出功率小、波形失真大等现象。我们选择在每一级单元电路的电源上加低、高频去耦合电路，以消除来自电源的串扰。 二、调幅接收机部分： 2.1 调幅接收机整体设计思想 本部分使用multisim软件进行所有电路设计与仿真。 调幅发射机调幅后的信号（频率6MHz、调制频率1kHz）输入高频小信号放大器，高频小信号放大器主要实现将所需6MHz信号放大和抑制其他干扰信号，然后输出放大后的调幅信号；本振电路用于产生6.465MHz正弦波信号；混频器将高频小信号放大器输出的6MHz信号和本地振荡器输出的6.465MHz信号混频后经选频网络输出465kHz中频信号，该信号与高频小信号放大器输出波形包络相同；中频放大器用于放大混频器输出的中频信号，供给下一级；包络检波器输入放大后的465kHz中频信号，经检波输出该信号的包络信号，即所需的源信号；低频功率放大器用于放大该信号的功率，经输出提供给喇叭。调幅接收机总体设计框图如图2-1-1： 图2-1-1 接收机总体设计框图 2.2高频小信号放大电路设计与仿真 图2-2-1 高频小信号放大器仿真图 图2-2-1是高频小信号放大器的仿真电路图。 输入信号为发射机发出的已调幅小信号，经过放大和选频，输出信号频率如图2-2-2： 图2-2-2 频率计读数 输入与输出电压值如图2-2-3所示： 图2-2-3 输入与输出电压表读数 此时电压增益为84。图2-2-4所示为输入与输出波形图： 图2-2-4 高频小信号放大器输入输出波形图 可以看出该高频小信号放大器实现了不改变频率的幅度放大功能。 2.3本振电路设计与仿真 图2-3-1 本振电路仿真图 图2-3-1所示为电容反馈式三端式振荡器电路，作为本振电路。它由C6、C7、C1、C2、L1构成振荡回路，因实际电路中电感不容易改变，所以并联可变电容C2用于改变C1、C2、L1构成的等效电感的值。 图2-3-2和图2-3-3为输出波形及放大波形图： 图2-3-2 输出频率和输出电压读数 图2-3-3 本振电路输出波形图 可以看出，本地振荡器输出1V、6.465MHz失真较小的正弦波，该波形基本符合下一级混频器对本振信号要求。 2.4混频器电路设计与仿真 图2-4-1 混频器电路仿真图 图2-4-1为混频器电路图，V3为高频小信号放大器输出的放大后的6MHz调幅信号，V2为本地振荡器输出的6.465MHz、1V正弦波。此时输出频率及输入输出波形如图2-4-2和图2-4-3所示： 图2-4-2 输出频率读数 图2-4-3 混频器输入与输出波形图 可见，混频器实现了将本振信号与已调幅信号混频的功能，最终得到所需的465kHz的中频信号，输出波形与输入波形的包络相同。 2.5中频放大电路设计与仿真 图2-5-1 中频放大电路仿真图 图2-5-1为中频放大器电路图。其原理与高频小信号放大器基本一致，输入经一系列处理后的465kHz中频调幅波。输入与输出电压见图2-5-2： 图2-5-2 输入输出电压读数 电压增益为100。输出频率及波形如图2-5-3和图2-5-4所示： 图2-5-3 输出频率读数 图2-5-4 中频放大器输入与输出波形图 可得，中频放大器实现了频率不变的幅度放大功能。 2.6检波电路设计与仿真 图2-6-1 检波器仿真图 图2-6-1为包络检波器电路图。输入由上一级中频放大器提供。输入输出波形如图2-6-2所示： 图2-6-2 包络检波器输入与输出波形 可得，包络检波器实现了检波功能，成功得出输入信号的包络波形，即已经基本完成对源信号的还原。 2.7 低频功率放大电路设计与仿真 图2-7-1 低频功率放大器仿真图 图2-7-1所示为低频功率放大器电路图，输入为上一级包络检波器输出信号。低频功率放大器为调幅接收机最后一级，用于将前面已经处理过的信号最后进行功率放大提供给喇叭。 两个功率表读数如图2-7-2所示： 图2-7-2 输入与输出功率表读数 功率增益为106。输出波形见图2-7-3所示： 图2-7-3 低频功率放大器输入与输出波形图 2.8整机电路图 见附录一 2.9整机输出波形图 图2-9-1 接收机未连接低频功率放大器时的输出波形 注：该波形为未链接低频功率放大器时的输出波形。 结 论 主要工作： 本项目全称为“调幅发射机与接收机的仿真设计”，项目的主要工作是利用multisim软件，进行调幅发射机和接收机的电路设计，电路设计完成后，利用该软件的仿真功能对电路进行仿真分析，并对仿真结果进行评价并得出相关结论。调幅发射机所要实现的功能是发射6MHz载波的已调波信号；调幅接收机要实现的功能是接收发射机发射出的符合接收机接收条件的已调幅信号、对已调幅信号进行还原得出所需源信号，并在最后对该信号进行功率放大提供给喇叭。前者进行信号源调制便于传播，后者接收调制信号进行解调制还原信号源。 主要结果： 调幅发射机基本上可以实现发射6MHz载波的已调幅信号。 调幅接收机由于技术原因，在未连接最后一级低频功率放大器时，可正常输出波形；但链接低频功率放大器后无法正常工作。 心得感受： 项目开展至结束，短短一周左右，收获颇丰。 这次我们采用分组方式来开展我们的课题，合理的分组是成功的一半，两个合理的分组则是本次项目的圆满成功。我们分成了发射机组和接收机组，每组都配备两名男生和一名女生，所谓“男女搭配干活不累”，在这次分组开展的研究中体现的淋漓尽致。男生热爱钻研，冲劲十足，是小组攻坚的信心来源和决断力来源；女生心思细腻，做事谨慎，在发现问题、解决问题以及后期材料整理方面贡献了重要力量。 活动期间，我们进行了两次讨论。第一次是分组讨论，这次讨论安排在研究初期，主要讨论内容为整体电路设计思路以及模块分工；第二次是全体讨论，各分组先单独汇总分组结果，然后两组合在一起互相讲解自己分组的内容。 几次讨论课加上这次的三级项目让我们基本上已经可以熟练地使用multisim软件进行电路仿真设计，并掌握了常用的分析方法。除此之外，讨论的过程让我们学到了别人知道但自己还不是很熟悉的知识，还纠正了一些理论知识学习中自己没有发现的错误。最重要的是，由于这次的项目是一个完整的发射接收系统的设计，我们得以完整地了解了信号调幅传播方式的工作过程。 参考文献： 1.《高频电子线路》（第五版）， 张肃文，高等教育出版社，2009。 2.《Multisim 9计算机仿真在电子电路设计中的应用》，聂典，电子工业出版社，2007. 附录一：接收机整机电路图