调幅发射机的仿真设计

高频电子线路课程设计

题目：调幅发射模块设计

院（系、部）：机电工程学院

学生姓名：

指导教师：

2013年月日

学院教务处制

摘要

摘要

高频电子线路是通信系统，特别是无线通信系统的基础，是无线通信设备的重要组成部分，其研究对象是通信系统中的发送设备和接受设备的高频“功能”电路功能的基本组成和原理。调幅发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。本设计以高频电子线路为基础，完成了小功率调幅发射机的基本理论设计。本文详细的设计了系统的本地振荡器、低频放大器、调幅调制电路和功率放大电路，并用multisim软件对单元电路进行了仿真，以及部分电路理论的计算，并结合protel99se完成了总体电路的原理图及PCB设计。

关键词：高频；multisim；调幅发射；protel

目录

摘要.................................................... 错误！未定义书签。1设计任务及要求. (1)

1.1设计任务及技术指标 (1)

1.2设计要求 (1)

2 方案论证 (2)

2.1主振荡器模块 (2)

2.2振幅调制模块 (2)

2.3高频功率放大模块 (3)

2.4低频放大模块 (3)

3 单元电路设计 (3)

3.1主振荡器模块 (3)

3.2振幅调制模块 (6)

3.3高频功率放大模块 (8)

3.4低频放大模块 (9)

4 电路原理图及PCB版图 (9)

5 总结................................................... 错误！未定义书签。附录及参考文献........................................... 错误！未定义书签。

1 设计任务及要求

1.1 设计任务及技术指标

（1）学会multisim 等电子电路仿真软件分析电路、设计电路的方法和步骤；

（2）进一步掌握所学单元电路及在此基础培养自己分析、应用其他单元电路的能力；

（3）了解高频振荡器电路、高频放大器电路、调制器电路、音频放大电路的工作原

理；

（4） 输出功率P>10W ，发射效率 %50≥η ，工作频率f 0=11MHz ，调幅度m a >0.3，

电源电压12V ；

（5）画出调幅发射机原理图，方案的确定，晶体振荡器设计计算；

（6）完成PCB 版图的制作。

1.2 设计要求

本次设计要求我们通过查阅资料等独立完成任务，我们应该对自己所设计东西的原理

以及每个模块的设计思想有一定的理解，其次要求认真完成原理图的设计与仿真和报告。并且通过一个主振器产生一个高频振荡信号(11MHz)，经缓冲、放大作为高频载波电压。然后通过一个振幅调制器把低频电信号(1mV 、1000Hz)加载到高频载波电压上产生一个普通调幅波。最后要对能对调幅波进行功率放大。完成上述设计任务的基本功能。给出系统电路原理图（应用Multisim 或Protel 软件绘制）并完成主要单元电路的功能仿真。完成完整的课程设计报告。

2 方案论证

2.1主振荡器模块

方案一：RC 正弦波振荡器由电阻和电容组成，没有调谐回路，结构简单，易于实现，

但不能抑高制次谐波的产生，因此不适合用于高频电路。

方案二：LC 三点式振荡器，包括电容三点式振荡器和电感三点式振荡器。其中电容三

点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形好。为提高频率稳定度，可采用改进三点式振荡电路，如克拉波振荡电路、西勒振荡电路。

方案三：晶体振荡器，晶体振荡器频率稳定度高，振荡频率不易受外界因素（温度、

湿度、电压变化等）影响。

因此，RC振荡器不符合要求，可以采用西勒振荡器或者晶体振荡器，由于晶体振荡器不易受外界因素影响，故本设计选用晶体振荡器作为本振信号源。

2.2振幅调制模块

方案一：模拟乘法器调幅，模拟乘法器是对两个模拟信号（电压或电流）实现相乘功能的的有源非线性器件。主要功能是实现两个互不相关信号相乘，即输出信号与两输入信号相乘积成正比。采用模拟相乘器实现的调制方法是低电平调制，输出功率较小，必须使用高频功率放大器才能达到发射功率的要求。

方案二：高电平调幅，采用集电极调幅实现的调制方法属于高电平调制，输出功率基本能够满足发射功率要求。

本次设计采用集电极调幅实现的调制方法，与低电平调制相比，高电平调制电路的优点是不必采用效率较低的线性功率大器，直接产生满足发射机输出功率要求的已调波，多采用丙类谐振功率放大器。集电极调制电路工作在过压状态，用调制信号来改变高频功率放大器的集电极直流电源电压，实现调幅。它具有调制线性好，集电极效率高，效率不变等优点；但是调制信号功率大。基极调制电路工作在欠压状态，用调制信号来改变高频功率放大器的基极偏压，以实现调幅。它的缺点调制过程中效率有变化，平均集电极的效率不是很高；但它的优点在于调制功率很小。

2.3高频功率放大模块

功率放大模块有缓冲级、激励级和功率放大级组成。因为本次设计要求发射效率η，所以采用丙类功率放大器。

≥

50

%

2.4低频放大模块

低频放大是对输入的调制信号进行放大，本设计中采用甲类共射极放大电路作为低频放大部分。

3单元电路设计

3.1主振荡器模块

3.1.1基本原理及参数选择

主振荡器采用石英晶体振荡器，本设计中主振电路由两部分组成：并联型c-b型（皮尔斯）晶体振荡电路；三极管缓冲放大电路。

c-b型并联晶体振荡器的典型电路如图3-1所示，振荡管的基极对高频接地，晶体接集电极与基极之间，C2和C3位于回路的另外两个电抗元件，振荡器的回路等效电路如图3-2所示，它类似于克拉泼振荡器，由于Cq非常小，因此，晶体振荡器的谐振回路与振荡管之间的耦合电容非常弱，从而使频率稳定度大大提高。由于晶体的品质因数很高，故其并联谐振阻抗也很高，虽然接入系数很小，但等效到晶体管CE两端的阻抗仍很高，因此放大器的增益高，电路容易满足振幅起振条件。

图3-1 c-b型并联晶体振荡器实际线路图图3-2 c-b型并联晶体振荡器等效线路

静态工作点的选择：

选I CQ =2mA V CEQ =6V β=60，则有 Ω==-=+K I U U R R CQ CEQ

CC 32

643 为提高电路的稳定性R E 值适当增大，取R 4=1K Ω则R 3=2K Ω

则 V R I U E CQ EQ 212=?=?=

mA I I CQ CQ 301==β

取流过R 2的电流为10I BQ

则()

K I V V R BQ ON BE E 8.710)(2=+=（取)(ON BE V =0.6V ） 取R2=5.1K ，则 30.9K R21011=-=+BQ CC I U W R

取R 1=10K ， W 1为50K 的可调电阻。确定主振回路元器件LC f π21

0=

当为LC 振荡时， f 0=11MHz 设L =2.2μH

则 PF L

f C 100)2(120==π 则取C6=100P ，C2=200P 而对于晶体振荡，只并联一可调电容进行微调即可。

3.1.2电路仿真及结果分析

图3-3振荡器电路原理图

通过调节示波器可以观察到振荡器起振时波形如图3-4所示：

图3-4起振时波形

达到振幅稳定时波形如图3-5所示：

图3-5振幅稳定时波形

用频率计测量振荡频率为10.815MHz

图3-6频率计示数

3.2振幅调制模块

3.2.1 集电极调幅的工作原理

集电极调幅是利用低频调制电压去控制晶体管的集电极电压，通过集电极电压

的变化，使集电极高频电流的基波分量随调制电压的规律变化，从而实现调幅。实际上，

它是一个集电极电源受调制信号控制的谐振功率放大器，属高电平调幅。调幅管处于丙

类工作状态。

设基极激励信号电压（即载波电压）为：t V 000

cos ωυ=。则加在基射极间的瞬时电压为t V V BE B

00cos ωυ+-=。调制信号电压υΩ 加在集电极电路中，与集电极直流电压VCC 串联，因此，集电极有效电源电压为()t m V t V V V V a CC CC CC C Ω+=+=+=ΩΩcos 1cos 0ωυ

式中，VCC 为集电极固定电源电压； CC a V V m Ω=为调幅指数。

3.2.2设计仿真及结果分析

图3-7集电极调幅电路原理图

用示波器观察仿真效果如图3-8所示：

图3-8调幅波输出波形

为了便于分析计算，调节示波器，使输出波形如下,计算可得：

调幅度m a=1/2*(Vmax-Vmin)/Vo=46%.

图3-9调幅波输出

3.3高频功率放大模块

3.3.1 谐振功率放大器的工作原理

LC谐振网络为放大器的并联谐振网络。谐振网络的谐振频率为信号的中心频率。作用：滤波、匹配。VBB:基极直流电压作用:保证三极管工作在丙类状态。VBB的值应小于放大管的导通电压Uon；通常取VBB≤0。VCC：集电极直流电压作用：给放大管合理的静态偏置，提供直流能量。

功率关系：直流功率：PV=VCCICO；输出功率：PO= Icm1Ucm；放大管功耗：PT=PV-PO；效率：η= PO/PV

3.2.2仿真设计及结果分析

仿真电路图：

图3-10高频功放电路原理图用扫频仪观察谐振曲线如图3-11所示：

图3-11谐振曲线

使用示波器观察到输入输出波形分别如下：

图3-12输入输出波形

使用功率表分别测得输入小信号，直流输入功率，输出功率如下：

图3-13功率表示数

有仿真结果可以计算得以下参数：

输出功率：Po=11.604W 。直流输入功率：P ==14.734W . 集电极损耗功率为：Pc=P =—

Po=3.13W 。效率：%75≥η。通频带：MHz MHz f BW 866.1)461.9327.11(27.0=-=?=。

相对通频带：△f 0.7/f 0=1.866/11=0.17。

3.4低频放大模块

低频放大模块选择甲类放大电路。

3.4.1静态工作点选择

晶体管Q1组成甲类功率放大器，工作在线性放大状态。其中RB1、RB2为基极偏

置电阻；RE1为直流负反馈电阻，以稳定电路的静态工作点。RF1为交流负反馈电阻，

可以提高放大器的输入阻抗，稳定增益。

电路的静态工作点由下列关系式确定：

()111E CQ E F EQ EQ R I R R I U ≈+= 式中，RF1一般为几欧至几十欧。

图3-14静态等效图

3.4.4仿真电路如下：

图3-15甲类放大电路原理图

3.4.5仿真结果如下：

由仿真结果知电压增益为A=41。图3-16输入输出波形

4 电路原理图及PCB版图

4.1电路原理图

图4-1电路原理图

4.2 PCB版图

图4-2 PCB版图

5总结

5.1技术总结

这次对高频电子线路的课程设计基本上完成了设计任务与要求，但是本设计中还存在很多缺陷与不足。在振荡器的设计中我发现运用multisim实现晶体振荡器时起振过程很慢，振荡频率较设计要求还存在偏差：在谐振功放的设计中，谐振电路的中心频率也是存在一定偏差。在以后的学习或实践中我应该结合实际去思考问题产生的原因，并给出合理解释。

5.2心得体会

通过这次的高频电子线路的课程设计，我深刻的明白了实际设计电路与理论的区别，也清楚的认识到自己所学知识的局限性。因此在这次课程设计的过程中我们遇到了很多问题。最后在同组同学和老师的帮助下，我们不断的翻阅有关资料，才能够顺利的

解决这次的课程设计，通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正解决实际问题，从而提高自己的实际动手能力和分析解决问题的能力。

参考文献

[1]李哲英，骆丽. 模拟电子线路分析与multisim仿真. 北京：机械工业出版社，2007.

[2]胡烨. Protel99se原理图与PCB设计教程,. 北京：机械工业出版社，2005.

[3]全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编. 北京：北京理工大学出版社，2004.

[4]汤琳宝，何平. 电子技术实验教程. 北京：清华大学出版社，2008.

[5]陶国彬，张秀艳，刘红梅. 使用电子技术. 北京：北京科学出版社，2008.

[6]张肃文，高频电子线路. 北京：高等教育出版社，2004.