高频电子线路课程设计

高频电子线路课程设计
目录
高频电子线路课程设计 (1)
一问题重述与分析 (4)
1.1 调幅发射机分析 (4)
1.2 超外差接收机分析 (4)
二中波电台发射系统的设计与仿真 (5)
2.1正弦波振荡器及缓冲电路 (5)
2.1.1正弦波振荡器及缓冲电路设计 (5)
2.1.2正弦波振荡器及缓冲电路仿真 (7)
2.2高频小信号放大电路 (9)
2.2.1高频小信号放大电路设计 (9)
2.2.2高频小信号放大电路仿真 (10)
2.3振幅调制电路 (12)
2.3.1振幅调制电路设计 (12)
2.3.2振幅调制电路仿真 (13)
2.4联合仿真 (14)
三中波电台接收系统设计与仿真 (15)
3.1混频器电路 (15)
3.1.1混频器电路设计 (15)
3.1.2混频器电路仿真 (16)
3.2 检波电路 (17)
3.2.1检波电路设计 (17)
3.2.2检波电路仿真 (18)
3.3 低频功率放大器 (19)
3.3.1低频功率放大器设计 (19)
3.3.2低频功率放大器仿真 (20)
3.4联合仿真............................................................... .22 四心得与体会.. (22)
五参考文献 (23)
问题重述与分析
本次设计涉及到两个系统，第一个是中波电台发射系统，设计目的是要求掌握最基本的小功率调幅发射系统的设计与安装调试。

所以第一个系统是我们所说的调幅发射机。

第二个是中波电台接收系统，设计目的是要求掌握最基本的超外差接收机的设计与调试。

1.1调幅发射机系统
系统框图如下图
图一
其中输入在声电变换部分，输入声音信号后经该模块转换为电信号，经过处理成为调制信号。

输出部分在天线模块，将经过功率放大的调幅信号通过天线发射出去。

因为在计算时不计算天线指标，所以输出部分定为高频功率放大器的输出。

现在结合题目所给性能指标进行分析：
载波频率535-1605KHz ，载波频率稳定度不低于10-3：正弦波振荡器产生的正弦波信号
频率f 为535 KHz 到1605KHz ，当震荡波形不稳定时，最大波动频率f ∆与频率f 之比的数量级小于10-3 。

输出负载51Ω ：输出部分，即高频功率放大器的输出负载为51Ω。

总的输出功率50mW ：即高频功率放大器的输出功率，结合计算公式1cm c m P U I =⨯可进行分析，实现指标。

调幅指数30％~80％ ：设A 为调幅波形的峰峰值，B 为谷谷值，则由调幅指数计算公式有100%a A B m A B
-=⨯+。

在振幅调制电路中可通过更改调制信号振幅实现此指标。

调制频率500Hz~10kHz ：调制信号频率，由输入信号的频率来决定。

1.2 超外差调幅接收系统
系统框图如下
图二
天线接收到信号后输入到输入回路进行初步处理，此为输入部分。

输入信号与正弦波振荡器产生的等幅振荡信号经过混频器产生固定频率的中频信号。

经过一系列处理之后由扬声器输出声音。

实际计算中为方便将输出部分视为功率放大电路。

现在结合题目所给性能指标进行分析：
载波频率535-1605KHz ：正弦波振荡器产生波形的频率f 为535-1605KHz ，通过有关知
识设计电路即可。

中频频率465KHz ：混频器输出信号频率为465KHz ，混频器实际上是将两个输入信号频率进行相减，所以本性能指标说明良品率相减后得到频率为465KHz 的信号。

输出功率0.25W ：输出模块，即低频功率放大器输出功率为0.25W 。

负载电阻8Ω：输入模块的输出电阻，由电路相关知识进行计算可匹配该指标
灵敏度1mV ：灵敏度用来表征网络特性对元件参数变化的敏感程度，网络函数H 或网络响应R(统一用T 来表示) 对某元件相关参数p (p 可以是元件参数或影响元件参数的温度、湿度、压力等)变化率称为网络函数对该参数的绝对灵敏度，记作： T H p
∂=∂。

在仿真软件中有灵敏度测试，可以直接使用对电路进行分析。

一、 中波电台发射系统的设计 2.1正弦波振荡器及缓冲电路
2.1.1正弦波振荡器及缓冲电路设计
正弦波振荡器可以将直流输入转换为正弦波信号，常见的有三点式电容电路，克拉泼电路，西勒电路。

考虑到频率稳定度的因素本次设计采用西勒振荡电路，因为本次设计要求振荡频率较高，所以三极管电路采用共基极放大电路设计，其西勒振荡电路高频等效电路如下：
图三
缓冲电路采用射极跟随器，特点为输入阻抗高，输出阻抗低，因而从信号源索取的电流小而且带负载能力强。

用它连接两电路，可以减少电路间直接相连所带来的影响，起到缓冲作用。

电路如下图。

图四
参数计算：
先选择合适的三极管，该三极管应当满足如下条件：
（1） 特征频率0(3~10)T f f >。

（2） 最大管耗大于输出功率的5~20倍。

（3） 管子跨导要很大便于起振。

本次试验为仿真时调节方便快捷，采用理想晶体管，并将相关参数设为T f ≥1100MHz ，40CM P mW ≥，50CM I mA =，()15BR CEO U V =，BEQ U =0.75V ，β=100。

直流偏置电路参数：假设电源CC U 为12V ，为了防止电源直接接入电路，因为突变对电路安全及稳定性产生影响，并联一100uF 的电解电容。

振荡器的工作状态与静态工作点的选择和正负反馈强弱相关，如静态工作点较低，正反馈较强则管子容易进入乙类，丙类放大状态。

静态工作点较高，正反馈够大时，则会在振荡部分周期内进入饱和区，产生凹陷失真，稳定度下降。

为此，我们将静态工作点设置在远离饱和区，靠近截止区的位置。

而偏置电路采用分压式电流反馈偏置电路，使得静态工作点更稳定。

又因为想跳出尽量小的信号，静态工作点尽量低，不妨设取CEQ U =9V ，CQ I =0.4mA 。

由公式（2.1）可计算得12C e e R R R ++=7.5K Ω。

12CC CEQ
CQ C e e U U I R R R -=++ （2.1）
12()BQ CQ e e BEQ U I R R U =⨯++ （2.2）
112
b BQ CC b b R U U R R ≈•+ （2.3） 为获得较大反馈，发射极电阻应尽量大，取C R =3K Ω，1e R =47Ω，2e R =3K Ω。

由（2.2）计算得BQ U =1.95V 。

由公式（2.3）可知112
b b b R R R +=0.16。

不妨设1b R =20 K Ω，2b R =105 K Ω。

为方便调节，将之拆为一个60K Ω串联一个100 K Ω的可调电阻。

基极旁路电容取0.01 F μ。

为防止振荡信号由集电极进入直流电源电路，在集电极串联一560 H μ的电感。

西勒电路振荡参数：LC 参数的选择要满足振荡频率的要求，由（2.5）求得LC 的值，当L 越大，C 越小，品质因数越高，对提高频率稳定度和减小失真更有利，同时可以增大输出幅度，但C 减小时，晶体管极间电容影响增大，又会影响稳定度。

对于本次实验，不妨取0 1.24f MHz =，56L H μ=，则296C pF ∑=。

不妨设1C =470pF ，2C =1000pF ，
3C =270pF ，4C =150pF （为方便调节参数，将之拆为100pF 固定电容与100pF 可调电容并联）。

1234121323
C C C C C C C C C C C ∑=+++ （2.4）
01
2f LC π∑
= （2.5）
缓冲电路参数：取9CEQ U V =，取CQ I =2.8mA 。

由（2.6）可计算得22x e R R +=1.07 K Ω。

不妨取2x R 为1 K Ω变阻器，2e R 为560Ω电阻。

22
CC CEQ
CQ x e U
U I R R -=+ （2.6）
结合（2.2）与（2.3），不妨设2B R =11K Ω，1B R =4.7 K Ω。

综上振荡器电路设计如图五。

图五
2.1.2正弦波振荡器及缓冲电路仿真
利用multisim 自带软件队实验电路进行仿真，在输出端接入示波器，点击运行可以得到仿真波形。

未得到电压电流及频率值，在输出端接一个测量探针与频率计，具体电路如下图所示：
图六 点击运行即可得到输出的波形和电压电流值。

结果如下：
图七
波形无明显失真，满足实验需要。

图八
灵敏度为1mV ，频率为1.24MHz ，频率稳定度为42.410f f
-∆=⨯。

满足技术指标。

由测量探针可知，电压有效值值为81.198mV ，电流有效值为0.18mA ，电压值小，需要接高频小
信号放大器放大以满足实验需求。

2.2 高频小信号放大电路
2.2 .1高频小信号放大电路设计
设计高频小信号放大器，需要确定中心频率0f ，品质因数Q ，不妨设谐振电感为理想电感，大小为56H μ，三极管选用理想晶体管，放大倍数β=100，共发射极输入电容ie C =0 ，共发射极输出电容oe C =0。

由上一模块仿真结果，现取EQ U =250mV ，CQ I =0.137mA ，可以使静态工作点接近截止区取得更好的放大效果。

所以5233 1.70.137EQ
CQ U mV R K I mA
===Ω 则5BQ CQ BEQ U R I U =⨯+=0.98V 。

由（2.3）可知，若1R =5K Ω，则B R =61 K Ω。

为方便调节，将其拆为10 K Ω电阻与70K Ω可调电阻串联。

由中心频率0f =1.24MHz ，结合公式（2.5）可知，L=56H μ，C ∑=300pF ，为方便调节将C ∑拆为两个电容并联，其中固定容值电容3100C pF =，可调电容4350C pF =。

现在计算放大倍数：
0.137 5.272626EQ
fe m I mA y g mS mV mV
==== （2.7） 0oe L g g g g ∑=++ (2.8) 其中oe g 为三极管输出电导，理想三极管条件下为零。

L g 为负载电导，等于115K Ω，即0.067mS ，0g 为电感电导，等于120K Ω
，即0.05mS 。

故g ∑=0.117mS 。

0fe
u y A g ∑= （2.9）
由（2.9），放大增益0u A =20lg 45=33dB 。

整体电路如图六所示
图九
2.2 .2高频小信号放大电路仿真
对于高频谐振放大器进行仿真时，根据上一级的仿真结果在输入端接入一个交流电源，电压设为731mV，频率设为1.24MHz。

连接示波器测量输出波形并与输入波形进行比较。

连接波特仪（扫频仪）测量幅频特性与相频特性。

总体设计原理图如下：
图十
运行后观测示波器波形如下
图十一
可以看到波形进行了反向放大，并且并无明显失真，通过频率及测量后发现灵敏度与频率并无太大改变，符合设计要求。

波特仪显示幅频特性及相频特性如下：
图十二
可以看到本电路可以实现在1.24MHz附近时最大放大，增益为29.543dB，与计算结果相近。

通过万用表可以测量输出波形电压电流的有效值，通过测量得到，输出电压为1.342V，输出电流为0.214mA。

2.3 振幅调制电路
2.3.1振幅调制电路设计
常见振幅调制有集电极调制，基极调制，模拟乘法器等方式，本次设计采用乘法器仿真。

为了获得简单的电路，采用双平衡四象限式乘法器，其内部结构如下：
图十三
其中,x y V V 为输入，0V 为输出，上下接直流电源。

令x V 为载波信号输入（连接高频小信号输出），y V 为调制信号输入（外加输入）。

0V 为调幅信号输出。

设计AM 振幅调制电路如下：
图十四
经过上述乘法器后得到的信号为：()(1cos )cos cm a c u t U m t t ω=+Ω。

cm U 为载波信号
幅度，c ω为载波信号频率，Ω为调制信号频率，有题设可知，Ω在500Hz 到1KHz 之间。

结合题目性能指标，要求调制指数a m 在30%到80%之间，相关公式为（2.10）
a A B m A B
-=+ (2.10) 其中A 为调幅信号的峰峰值，B 为调幅信号的谷谷值。

在本电路中
41123
a CC U V m V V Ω=
== >30% 符合性能要求。

2.3.2振幅调制电路仿真
乘法器电路采用了模拟乘法器，高效便捷，在输出端接示波器显示调幅波形，为方便测量a m 的值，利用安捷伦示波器来测量。

用两个交流电源代替载波和调制波形，参数定义如图八。

输出端电阻的目的是为了联调时为获得技术指标中的功率电阻值而设置的。

整体设计如下：
图十五
通过cursor 按钮测量峰峰值A 和谷谷值B ，峰峰值如下图第一张为A==4.26V 。

谷谷值如下图第二章，B=2.17V 。

图十六
m为33%，与计算结果相近。

输出波形良好并且符合技术指标。

由公式（2.10）可知
a
并且载波功率达到49.8mW。

符合技术指标，可以直接进行输出不进行功率放大。

2.4 联合仿真
将所有电路连接，最后接一安捷伦示波器。

如下图所示
图十七
输出波形如下
图十八
波形良好，通过测量符合性能指标。

利用万用表和测量探针测量输出电压和电流，微调乘法器输出端电阻可以得输出电压为1.623V，输出电流为30.8mA。

凭此可使得输出电阻为51 ，输出功率为50mW。

三、 中波电台接收系统的设计
3.1混频器电路
3.1.1混频器电路设计
混频，是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。

具有这种功能的电路称为混频器。

混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，相关公式为：
[cos()cos()]cos cos 2
αβαβαβ++-= （3.1） 可以这样理解，α为调幅信号频率量，β为本振频率量，产生和差频。

当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。

检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。

由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。

当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。

为方便实现，混频器采用三极管变频器来实现，混频原理图如下：
中频465KHz
中频调幅波
图十九
输入部分有两块，第一部分是AM 信号，假设信号在传输中并无失真，载波幅度依旧
1.342V ，载波频率为1.24MHz ，调制信号频率为1KHz ，调制指数为33%。

本机振荡信号的振荡机原理与发射机相近，故不再设计，直接加一个交流信号来模拟，频率定为1705KHz 。

参数计算：静态工作点依旧取接近截止区，三极管为理想晶体管，假设CEQ U =11V ，CQ I =0.5mA ，则由（
2.1）可知121120.5e V V R K mA
-==Ω，故而BQ U =1.75V ，112b b b R R R +=0.15。

据此可知，若1b R =10K Ω，则2b R =50K Ω，将其拆为一个5K Ω电阻与80K Ω可变电阻并联。

为防止交流信号进入直流电源，在集电极处接一电感。

输出端需要一个谐振选频网络，已知所需频率为465KHz ，则令电感L=234H μ，电容C=500pF 。

整体原理图如下：
图二十
3.1.2 混频器电路仿真
在输出端接示波器和频率计来观测输出波形，输出频率及灵敏度，设计原理图如下：
图二十一
示波器波形如下，左图为调幅信号波形，频率为465KHz。

右图为将时间轴拉开以后的波形，可以看到波形并无失真，并与前期理论分析所要求的波形一致。

图二十二
3.2检波电路
3.2.1 检波电路设计
考虑到设计要求的技术指标中功率与电阻的关系，可以发现输出所需的电压值和电流值并不大，所以中间省略掉中频放大的环节直接进行峰值检波。

本次设计采用的检波电路为二极管峰值检波电路。

二极管峰值检波（又称包络检波）是一种应用十分广泛，而且工作频率高的电路，而且电路简单，易于实现。

因为二极管只是在输入信号正半周的峰值附近一部分时间导电，在二极管导电期间，电容被充电，其点电位逐渐升高；在二极管截止期间，电容对电阻放电，电容上电位逐渐下降。

于是在电阻和电容的两端形成正弦波波形。

对于二极管峰值检波需要防止其失真，任何瞬间都不产生惰性失真的条件为：
2
a a 1-m RC ≤ （3.2）
而0.33a m =， 调制频率3022 3.141000 6.2810f rad s πΩ==⨯⨯=⨯。

所以
2
3310.330.456100.33 6.2810
RC --≤=⨯⨯⨯ （3.3）不妨取15R K =Ω，125C nF =。

任何瞬间都不产生削底失真的条件为：a m AC DC
R R ≤，其中 12//AC R R R = (3.4) 1DC R R = （3.5） 又1R =5K Ω，因此取2R =10K Ω。

取隔直电容2C =10F μ。

整体电路设计结果如下：
图二十三
3.2.1 检波电路仿真
将示波器A端接输入，B端接输出进行对比，电路图如下：
图二十四
得输出波形如下，白色为调制信号，红色为包络检波输出。

可以看到保真性良好。

图二十五
根据仿真结果发现输出波形起点并不在横轴，因此在输出端加一个直流电源进行调整，根据仿真结果，电流值定位-0.6V。

此值在最后联合仿真时根据实际情况继续调整。

故而最后图形如下：
图二十六
用万用表可以测得输出电压为190mV，需要进行电压放大才可以符合技术指标。

3.3低频电压放大电路
3.3.1 低频电压放大电路设计
此时得到的波形已经是一个频率为1KHz的正弦波信号，而设计要求中要求输出功率0.25W，负载电阻8Ω，通过二者可以算出输出的电压值和电流值应为U=1.4V，I=177mA。

本模块设计参照模拟电子电路设计可知，只需用一个共射极三极管放大电路即可实现。

但通过仿真后发现电流无法达到要求值，所以采用集成运算放大器来实现。

仿真集成运算放大器型号为TDA2030，查阅网上的技术手册，可知其典型电路如下：
图二十七
按照上图搭建运算电路，根据参考资料更改部分参数得如下电路：
图二十八
R，变化范围在0到100 之为了使输出电压电流可调节在输出端加入一个可调电阻
5
间。

输出用正弦信号代替，频率为1KHz。

3.3.2 低频电压放大电路仿真
在输出端连接示波器观察波形是否失真，利用波特仪观察幅频特性等值，并测量频率，电压电流，电路图如下：
图二十九
下图中第一张为示波器波形，第二张为幅频特性，第三张为相频特性。

图三十
电压电流值如下图所示:
图三十一
满足题设技术指标，通过频率计测量，频率为1KHz，灵敏度1mV，满足题目要求。

3.4联合仿真
将所有三个模块串联，得到如下电路
图三十二
检波电压值微调为0.65V，输出波形如左图，频率及灵敏度见右图：
初步实现技术指标。

四、心得体会
过本次课程设计，我对通信电子电路以及Multisim仿真软件的相关知识有了较深的理解。

对本课题涉及的振荡器，高频谐振放大器，AM调制电路，调幅电路的解调、检波变频器等知识有了更深入的认识，通过查资料和自己设计，提高了自己的自学能力，了解了理论与实际的联系与区别，深知了实践是检验真理的唯一标准，为今后的学习方法和学习方向提供了参考。

作为电子信息类的大学生，我希望学校在今后的教学过程中能增加此类实践性的环节，多加强我们的实践能力，加强我们把理论应用于实践的能力，另外，
对于这次课设，我希望能有更多的时间，来设计更加完善的电路，甚至将电路用硬件实现。

五、参考文献
[1]闵锐,徐勇. 电子线路基础.2版.西安电子科技大学出版社,2010
[2]阳昌汉.高频电子线路.高等教育出版社,2005
[3]王连英.multisim7仿真与设计.江西高校出版社,2007
[4]无名.超外差接收机解调部分设计.武汉理工大学
[5]无名.调幅发射机设计.武汉理工大学
[6]董永孟.小功率调幅发射机
[7]无名.无线调幅发射机设计.河南工业大学。