中频调幅发射机、接收机的设计

Harbin Institute of Technology

高频电子线路

课程设计

题目：中波电台发射和接收系统的设计

目录

一相关背景知识概述

1.调幅发射机的相关知识

2.超外差接收机的相关知识二中波电台发射系统

1.任务要求及技术指标

2.功能框图及单元电路选择

3.单元电路设计及调试与仿真

4.总电路结构和仿真结果

三中波电台接收系统

1.任务要求及技术指标

2.功能框图及单元电路选择

3.单元电路设计及调试与仿真

4.总电路结构和仿真结果

四参考文献

一相关背景知识概述

1 调幅发射机的相关知识

由于调幅发射机实现调幅简便，调制所占的频带窄，并且与之对应的调幅接收设备简单，所以调幅发射机广泛地应用于广播发射。

所谓调幅，就是指，使振幅随调制信号的变化而变化，严格的讲，就是指载波振幅与调制信号的大小成线性关系，而它的频率和相位不变。振幅调制分为4中方式：AM（普通调幅）、DSB（抑制载波双边带调幅）、SSB（单边带条幅）、VSB （残余边带调幅）。本设计调幅发射机指的是AM调幅。

在设计调幅发射机时，主要遵循如下性能指标：

工作频率范围：调幅制一般适用于中、短波广播通信，其工作频率范围为300kHz~30MHz。

发射功率：一般是指发射机送到天线上的功率。只有当天线的长度与发射频率的波长可比拟时，天线才能有效地把载波发射出去。

调幅系数：调幅系数ma是调制信号控制载波电压振幅变化的系数，ma的取值范围为0~1，通常以百分数的形式表示，即0%~100%。

非线性失真（包络失真）：调制器的调制特性不能跟调制电压线性变化而引起已调波的包络失真为调幅发射机的非线性失真，一般要求小于10%。

2 调幅发射机的相关知识

在本次设计中，其目的是得到一个超外差调幅接收机机。超外差接收天线将广播电台播发的高频的调幅波接收下来，通过变频级把外来的各调幅波信号变换成一个低频和高攀之间的固定频率—465KHz（中频），然后进行放大，再由检波级检出音频信号，送入低频放大级放大，推动喇叭发声。整个电路的设计必须注意几个方面。选择性好的级，应尽可能靠近前面，因在干扰及信号都不大的地方把干扰抑制下去，效果最好。如干扰及信号很大，则由于晶体管的非线性，将产生严重的组合频率及其他非线性失真，这时滤除杂波比较困难。超外差式接收机，它具有灵敏度高、工作稳定、选择性好及失真度小等优点。所以我们选用的是超外差式调幅收音机。

二 中波电台发射系统

1 任务要求及技术指标

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。 技术指标：载波频率535-1605KHz ，载波频率稳定度不低于10-3，输出负载51Ω，总的输出功率50mW ，调幅指数30％~80％。调制频率500Hz~10kHz 。 2 功能框图及单元电路选择

调幅发射机的组成框图如图所示。各部分的作用和各个单元电路的选择：

（1）本地振荡器：

作用是产生频率为535-1605KHz 的中频载波。

晶体振荡器有考比兹电路、克拉泼电路等多种电路，在频率稳定度要求不高的情况下，可以采用这些电容反馈三点式振荡电路。但是由于要求载波频率稳定度不低于10-3

，要求比较高，故选择频率稳定度较高的西勒振荡电路以满足任务要求。

（2）射极跟随器：

相当于缓冲级，作用是使前后级的阻抗相互匹配。具体作用体现为将前后级（振荡级与调制级、语音信号与放大级）隔离，减小前后级的相互影响；将功率放大级与调制级隔离，减少功率放大级对调制级的影响。

（3）话音信号：

话音信号在频域上可以分解为不同的频率的正弦波分量，故在本设计中均采用正弦信号源来代替话音信号。

（4）小信号放大器：

其作用是将语音信号放大到调制器所需的电压。由于语音信号一般属于低频小信号，所以本级采用一般的三极管放大器进行放大。 本地振荡器

射极 跟随器 调制电路 话音信号 小信号

放大器

功率 放大器 射极

跟随器 射极 跟随器

（5）调制电路

其作用是将低频信号调制到载波上产生中频调幅信号。

低电平调幅电路输出功率小，适用于低功率系统。它的电路形式有多种，如斩波调幅器、平衡调幅器、模拟乘法器调幅等，比较常用的是采用模拟乘法器形式制成的集成调幅电路，即集成模拟乘法器调幅。这种集成电路的出现，使产生高质量调幅信号的过程变得极为简单，而且成本很低。

高电平调幅电路输出功率大，一般在系统末级直接产生满足发射要求的调幅波。它的电路形式主要有集电极调幅和基极调幅两种。集电极调幅电路的优点是效率高，晶体管获得充分的应用；缺点是需要大功率的调制信号源。基极调幅电路的优缺点正好与之相反，它的平均集电极效率不高，但所需的调制功率很小，有利于调幅发射系统整机的小型化。

本设计中，采用模拟乘法器MC1496构成调幅电路。

（6）功率放大器：

作用是使输出的调幅波达到规定的功率。

功率放大器主要有甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）、丙类功放，根据功放的输出功率和效率来确定选择哪一种。采用低电平调幅电路的系统，由于调制器输出信号为调幅波，其后的功率放大器必须是线性的（如甲类、甲乙类或乙类功放）；而采用高电平调幅电路的系统，则在末级直接产生达到输出功率要求的调幅波，多以丙类放大器作为此时的末级电路。

本设计采用模拟乘法器调幅，属于低电平调幅，所以可以采用普通的甲类三极管功放来实现功率的放大。

3 单元电路设计

（1）本地振荡器的设计与仿真：

本设计采用西勒振荡电路，电路图如图所示。

①振荡回路的确定：

电路的谐振由C4、C5、C7串联并与C8并联、再与电感L1并联构成，其等效电路如下图所示。为了满足谐振要求，C4、C5应大于

C7.

根据以上关系，结合参数选择载波频率535-1605KHz 的要求，可以确定满足条件的电容电感取值：

87

541111C C C C C +++=

pF pF 9.2902002001500125011=????

??????+++= 由此，可求得该振荡器的振荡频率为

MHz Hz LC f 32.1109.29010502121

1260=???

? ?????==--ππ ② 有源器件的静态工作点的设置及参数： 有源器件为三极管，为保证其正常工作，应使其工作于线性放大区。所以应合理地选择三极管的静态工作点。

若基极电压保证在1V 左右，则一定可以保证三极管工作于放大区。一般小功率振荡器集电极电流I CQ 大约在0.8-4mA 之间选取，故本实验电路中选

I CQ =1.5mA 左右,V BQ =1V,V BEQ =0.7V 。β足够大，则I EQ ≈I CQQ =2mA ，所以：

Ω=?-=-=20010005

.17.013CQ BEQ

BQ I U U R 为了保证较高的频率稳定度，一般取流过R2的电流为5-10I BQ ，若取

10I BQ 左右，因：

BQ BQ

I V R =2 7.0+=EQ BQ V V Ω==K V R 5.132

.07.22 所以取标称电阻为12K ?左右。因：

21R V V V R BQ BQ CC -=

则R1应在90K ?左右。

③其他参数： 高频扼流圈和旁路电容的作用是为了阻隔直流分量，故取得足够大即可。

④高频振荡电路的仿真：

由频率计可读数：

振荡频率

MHz f 605.10=，与理论计算值有偏差；

频偏MHz f 001.0=?，稳定度340101023.6--

震荡波形基本可认为是正弦波。

通过观察仿真结果，相应的对各个元件的参数进行调试，可以最终得出元件应取的参数都和理论值有偏差，但是相差不大，不影响结果。

（2）射极跟随器的设计与仿真：

射极跟随器电路的电路图如图所示。

①射极跟随器的设计：

通过查阅资料可知，射极跟随器应保证其输入阻抗很大，而输出阻抗很小才能有效阻隔前后级的相互影响。

输入信号为小信号，所以根据射极跟随器的基本电路图可以画出其小信号等效模型。因为对射极跟随器的要求不是很严格，根据查阅的三极管的参数，经粗略计算可以得到整个电路的输入阻抗和输出阻抗，只要保证输入阻抗为几千欧、

输出阻抗为几十欧即可。

②射极跟随器的仿真：

射极跟随器的仿真结果如图。通过对仿真波形的观察，对元件参数进行适当地调试，可以最终确定元件的参数。

（3）小信号放大器的设计与仿真：

小信号放大器电路的电路图如图所示。

①小信号放大器的设计：

三极管小信号放大器如果想对小信号进行放大，应工作于线性放大区，否则将会出现截止失真或是饱和失真，只要不出现失真，对三极管放大器的要求也不是很严格。

三极管放大器工作在线性区的关键就是静态工作点的设置，这与高频振荡电路中非线性器件的静态工作点设置的分析过程大致相同，这里不再赘述。通过查阅元器件手册，可知本电路使用的三极管放大倍数为220左右。

②小信号放大器的仿真：

射极跟随器的仿真结果如图。通过对仿真波形的观察，对元件参数进行适当地调试，可以最终确定元件的参数。由示波器可知，三极管放大倍数在200倍左右。

（4）调制电路的设计与仿真：

本设计采用模拟乘法器MC1496构成调幅电路，电路图如上图所示。模拟乘法器MC1496的内部电路图如下图所示。

①调制电路的设计：

查阅资料，可得出一般的模拟乘法器调制电路如上面给出的电路所示。乘法器调制的原理是利用高频载波和低频正弦波相乘最终得出AM 信号，输出已调波的表达式是：

t t U U t

t m U t U c m cm c a cm o ωωcos cos cos )cos 1()(Ω+=Ω+=Ω

由上式可知，调幅指数m a 的大小与Ucm 和U Ωm 的相对大小有关，所以为了得到理想的调幅指数可以调节二者的相对大小。除此之外，调节滑动变阻器也可以调整电路的调幅指数。

②调制电路的仿真：

经过对滑动变阻器的调试，可得出如图的模拟乘法器调制电路的仿真结果。

由图中可得出以下信息：峰-峰值为5.444V,谷-谷值为2.642V,经计算，调幅指数m a=0.347，满足调幅指数在30％到80％之间的要求。

（5）功率放大器的设计与仿真：

功率放大级电路的电路图如图所示。

①功率放大器的设计：

本设计采用模拟乘法器调幅，属于低电平调幅，所以可以采用普通的甲类三极管功放来实现功率的放大。功率放大器如果想起到不失真的功率放大作用，应工作于线性放大区，而工作在线性区的关键就是静态工作点的设置，这与高频振荡电路中非线性器件的静态工作点设置的分析过程大致相同，这里不再赘述。

②功率放大电路的仿真：

功率放大器的仿真结果如图，功率放大器基本上可以达到无失真放大。通过对仿真波形的观察，对元件参数进行适当地调试，可以最终确定元件的参数。

由示波器可知，功率放大器的放大倍数在25倍左右，满足输出功率为50mW 的技术指标要求。

3 总电路结构及仿真结果

总的电路结构如图所示，各单元电路调试完毕后，将各个电路进行封装和连接，并且用仿真软件运行，最终得出以下仿真波形：

由该仿真波形可知，电路各部分均符合技术指标要求。

三中波电台发射系统

1 任务要求及技术指标

本课题的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。

任务：AM调幅接收系统设计主要技术指标：载波频率535-1605KHz，中频频率465KHz，输出功率0.25W，负载电阻8Ω，灵敏度1mV。

2 功能框图及单元电路选择

调幅发射机的组成框图如图所示。各部分的作用和各个单元电路的选择：

（1）本机振荡器和混频器：

作用是将高频调幅波变成频率为465KHz 的中频调幅波。

混频的实质就是频谱的线性搬移，与AM 调幅的实质相同，都可以通过模拟乘法器来实现，所以混频器依然采用MC1496模拟乘法器电路来构成混频器，但是二者的区别在意乘法器末端的选频网络，混频器末端的选频网络应选出465KHZ 的中频信号。本设计中均采用50mV 、1MHZ 的理想AM 信号源来模拟输入混频器的调幅信号。

本地振荡器的作用是产生高频的正弦波，使其频率和高频载波的频率之差为465KHZ 。接收系统中的振荡电路和发射系统中的振荡电路的设计、参数选择等完全相同，只是将电路的谐振频率改变，所以在接下来的单元单路设计中将不再赘述。由于AM 信号选定1MHZ ，所以这里将以400mV 、1.465MHZ 的理想正弦波来模拟本地振荡器产生的高频正弦波。

（2）中频放大器：

作用是将混频器输出的信号放大到检波电路所需的电压。本级可以采用一般的三极管放大器加上一个选频网络来实现。

（3）检波器：

作用是将中频调幅波的包络提取出来，去除中频分量，仅留下语音信号的低频分量，实现解调功能。本设计采用二极管大信号包络检波器进行解调。

（4）低频电压放大器：

作用是将检波器输出的信号放大到输入下一级电路所需的电压。

由于输出的低频信号一般属于低频小信号，所以本级可以采用一般的三极 混频器 中频 放大器 检波器 低频功率 放大器

本地 振荡器 低频电压放大器

管放大器进行放大，这与调幅波发射系统中对语音信号进行放大的小信号放大器完全相同，所以在接下来的单元电路设计中将不再赘述。

（5）低频功率放大器：

作用是将低频小信号的功率放大到足够人们听见以便于输出。

由于输入的信号为低频小信号，所以本级同中频放大级一样，都可以采用普通的三极管放大网络来进行功率放大，只是两个电路选频网络的输入信号频率和谐振网络的谐振频率有所不同，稍作调整即可。

3 单元电路设计

（1）混频器的设计与仿真：

功率放大级电路的电路图如图所示。

①混频器的参数选定：

本设计中采用MC1496模拟乘法器电路来构成混频器，其主要功能是完成频谱的线性搬移和后续的选频工作，其电路组成和调幅信号发射系统中的调制电路基本相同，这里不再赘述，仅说明两者的不同之处（输入信号和选频网络）。

由于输入的AM信号的频率是1MHz，为了使频谱搬移至465KHz处，

应选择频率为1.465MHz的本地载波信号，然后将二者一同输入乘法器。

乘法器输出的信号包含465KHz和2.465MHz两种频率分量，为了选出

中频信号，谐振网络应谐振于465KHz 左右。故

31021C L f π=

。若L1选定为400uH ，

经计算C3应在290PF 左右。

②混频器的仿真：

混频器的仿真输出波形如图所示。

经调试，C3取200PF 时的输出波形最好，这与理论计算值存在一定的偏差。经测试输出频率为505.3kHz ，基本满足中频调幅波465kHz 的要求。

（2）中频放大器的设计与仿真：

中频放大电路的电路图如图所示。

①中频放大器的设计：

中频放大器的作用是对输入的信号进行放大并进行选频。本级采用普

通功放，其放大倍数可以通过查询三极管参数得知。选频网络应调谐与465kHz ，其电容和电感的参数可以根据

11021C L f π=

求得。

②混频器的仿真：

通过对电容和电感的参数适当地调节，可以得到如图所示的中频放大电路的仿真输出波形。由波形图可知电路的放大倍数在400倍左右。

（3）检波器的设计与仿真：

本设计的检波器采用的是二极管大信号包络检波器，检波器电路结构如图所示。

①C1参数的确定：

查阅资料可得，R1取100Ω左右时RC 回路的时间常数较为合理，计算中认为R1是100Ω。电路中取理想AM 电压源的调幅指数m a =0.3，调制频率Ω为1kHz 。

为了不产生惰性失真，R1、C1和调制信号频率Ω应满足以下关系：

11211≤-Ωa a

m m C R 。将R1=100Ω、m a =0.3、Ω=1kHz 代入式中，可得：C1≤4uF ，

故C1应取在4uF 左右，其最佳取值还需通过观察仿真来确定。

②R 2、R L 参数的确定：

为了保证输出波形不产生负峰切割失真，同时还要保证R1、R2分压过后输出电压足够大，通过查阅资料可知R1应在（0.1~0.2）R2内取值。这里取R1=0.2R2=100Ω，则R2取值应在500Ω左右。

若要求电路不产生负峰切割失真，则应满足以下条件：R R m a Ω≤,其中21R R R +=，3

2321R R R R R R ++=Ω。将m a =0.3、R1=100Ω、R2=500Ω代入式中，可得：R3≥95.2Ω，故R3应在90Ω左右进行取值。

③二极管大信号检波器的仿真：

通过对电路中各元器件参数的调整，可以得到比较好的检波电路的仿真输出波形如图所示。最终得到的元器件参数值和理论计算值存在一定的偏差。

（4）低频功率放大器的设计与仿真：

低频功率放大电路的电路组成如图所示。

①低频功率放大电路的设计：

本级电路的作用是将输入的信号功率进行放大，并进行进一步的选频。

输入的信号为低频小信号，所以本级同中频放大级一样，都可以采用普通的三极管放大网络来进行功率放大，电路结构基本相同，虽然由于两个电路选频网络的输入信号频率不同造成两者谐振网络的谐振频率有所不同，但是谐振频率的设置、计算方法和电容电感参数设置方法完全相同，这里将不再赘述。

②低频功率放大电路的仿真：

低频功放的输出仿真波形如图所示。由波形可知，低频功放的放大倍数在4倍左右。

3 总电路结构及仿真结果

总的电路结构如图所示，各单元电路调试完毕后，将各个电路进行封装和连接，并且用仿真软件运行，最终得出以下仿真波形：

总电路输出仿真波形如图所示。虽然各级电路均调试完毕，但是级联之后还是会不可避免地产生前后级的相互影响，最终造成一定的失真。

五参考文献

《高频电路设计与制作》何中庸译，出版社：科学出版社

《模拟电子线路》Ⅱ主编：谢沅清出版社：成都电子科大

《高频电子线路》第三版主编：张肃文出版社：高教出版社

《高频电子线路辅导》主编：曾兴雯陈健刘乃安出版社：西安电子科大《Radio Frequency Circuit Desigh Theory and Aplication》，主编：Reinhold Ladwig，出版社：Prentice Hall Inc，2001