高频电子线路课程设计实验报告

    课程设计报告

          班    级           

          姓    名            

          指导教师               

          日    期  

前言：

课程设计是电子技术课程的实践性教学环节，是对学生学习电子技术的综合性训练，该训练通过学生进行某一课题的设计、安装和调试来完成。学生通过动脑、动手解决若干个实际问题，巩固和运用在高频电子线路课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高设计能力和实验技能，为以后从事电子电路设计、研制电子产品打下基础。

本文设计了包括选频网络的设计、超外差技术的应用和三点式振荡器在内的基础设计以及振幅调制与解调电路的设计。

选频网络应用非常广泛，可以用作放大器的负载，具有阻抗变换、频率选择和滤波的功能；超外差技术是指利用本地产生的振荡波与输入信号混频，将输入信号频率变换为某个预定的频率的电路，主要指混频电路；三点式振荡器用于产生稳定的高频振荡波，在通信领域应用广泛；振幅调制解调都属于频谱的线性搬移电路，是通信系统及其它电子线路的重要部件。

在设计过程中查阅了大量相关资料，对所要设计的内容进行了初步系统的了解，并与老师和同学进行了充分的讨论与交流，最终通过思考，完成了对题目的设计。实验过程及报告的完成中存在的不足，希望老师给予纠正。

设计内容....................................................................................................5

设计要求....................................................................................................5

一、基础设计............................................................................................6

   1、选频网络的设计............................................................................6

   2、超外差技术的设计........................................................................9 

   3、三点式振荡器的设计...................................................................11        

心得体会..................................................................................................27

高频电子线路课程设计

摘要

本次课程设计主要任务是完成选频网络的设计、超外差技术的应用、三点式振荡器的设计这三个基础设计以及调幅解调电路的综合设计。

其中采用LC并联谐振回路实现谐振频率为8.2MHz,通频带为600KHZ的选频网络；对超外差技术原理进行了学习并针对其主要应用收音机进行详细的说明；对三点式振荡器的构造原则和主要类型进行简明扼要地介绍，采用电容串联改进型电容三点式振荡电路完成一定振荡频率的振荡器的设计；充分了解了调幅解调的原理并进行详细说明，在此基础上设计幅度调制和解调电路。

应用的主要软件为Protel99SE、Multisim10等。

关键字：选频、超外差、三点式振荡器、调幅解调

设计内容：

1.基础设计：

            (1) 设计一个选频网络(谐振频率3MHz+N*0.4MHz,其中N为  

                 学号。通频带600KHz)；

  (2)超外差技术的应用；

  (3)设计一个三点式振荡器（ ）。

2.综合设计：

              调幅解调电路的设计

设计要求：

  1.明确系统的设计任务要求，合理选择设计方案及参数计算；

2.利用multisim10进行仿真设计；

3.画出电路图、波形图、频率特性图。

一、基础设计：

1、选频网络设计：

          （1）设计要求：设计一个选频网络(谐振频率3MHz+N*0.4MHz, 

                         其中N为学号为13。通频带600KHz)；

          （2）设计方案：高频振荡回路时高频电路中应用最为广泛的无源网

                        络，也是构成高频放大器、振荡器以及各种滤波器

                        的主要部件，在电路中完成阻抗变换、信号选择与

                        滤波，相频转换和移相等功能，并可直接作为负载

                        使用。从电路的角度看，它总是有电感L和电容C

                        以串联和并联的形式过程回路。

             A）串联谐振回路：它是由电感与电容的简单串联形成的回路，

                它适合于电源内阻为低电阻的情况或者低阻抗的电路，电路

                如图1.1所示

      图1.1 串联谐振回路                   

                 B）并联谐振回路：有电感与电容简单并联而成，当频率不是非

                   常高时，并联谐振回路的应用最广。所以本实验采用并联谐振

                   回路设计谐振频率为8.2MHz的选频回路，具体设计如下：

    a.参数计算：

     谐振频率： ；

     假定电容C＝100 pF由已知参数得，

     品质因数QL＝8.2MHz÷600KHz=13.67；

     电感      = 3.7uH   

     电路图如图1.2所示         

        图1.2 并联谐振回路

      b.回路的频率响应

    回路的阻抗频率特性如图1.3所示，在谐振频率f0处，                                 电路为纯阻性在f＜f0处，电路呈电感性；在f＞f0处，电路呈电容性。Q 越大，谐振时Z0越大，振幅特性曲线越尖锐， 在f=f0附近相频特性变化越快，选频性能越好，频率的稳定性越好。

      由此得阻抗特性和辐角特性如图1.4所示：

   图1,4 阻抗特性和辐角特性

频率为8.2MHz时的multisim10仿真频谱图如图1.5所示：

图1.5频率为8.2MHz时的multisim10仿真频谱图

输入为15MHz与原8.2MHz的信号进行混频，混频后频谱图如图1.6所示

               图1.6 混频的频谱图

2、超外差技术的应用

 所谓超外差是指利用本地产生的振荡波与输入信号混频，将输入信号频率变换为某个预定的频率的电路。其主要特点是对接收信号的选择放大作用主要由频率固定的中频放大器来完成，当信号频率改变时，只要相应地改变本地振荡信号即可。

超外差原理如图2.1所示。本地振荡器产生频率为f1的等幅正弦信号，输入信号是一中心频率为fc的已调制频带有限信号,通常f1＞fc。这两个信号在混频器中变频,输出为差频分量,称为中频信号,fi=f1－fc为中频频率。图2.2表示输入为调幅信号的频谱和波形图。输出的中频信号除中心频率由fc变换到fi外，其频谱结构与输入信号相同。因此，中频信号保留了输入信号的全部有用信息。

图2.2 超外差原理的频谱与波形

超外差原理的典型应用是超外差式接收机（如图2.3所示）。从天线接收的信号经高频放大器放大，与本地振荡器产生的信号一起加入混频器变频，得到中频信号，再经中频放大、检波和低频放大，然后送给用户。接收机的工作频率范围往往很宽，在接收不同频率的输入信号时，可以用改变本地振荡频率f1的方法使混频后的中频fi保持为固定的数值。

3、三点式振荡器的设计

（1）要求：设计一个的三点式振荡器

A)、三点式振荡器构成原则:（射同余异）

与发射极相连的电抗元件必须是是同性质的（即同是电容或电感），不与射极相连的另一个电抗与它们的性质相反（即若同性抗为电容，则异性抗为电感；或同性抗为电感，异性抗为电容），简称为“射同余异”。对于场效应管则为“源同余异”。

B)、三点式振荡器类型 

电容反馈振荡器：与射极相连同为电容，不与射极相连是电感（又称考必兹振荡器）。原理图如图3.1所示：

 图3.1电容反馈振荡器

电感反馈振荡器：与射极相连同为电感，不与射极相连是电容（又称哈特莱振荡器）。原理图如图3.2所示：

 图3.2 电感反馈振荡器

(2)电路分析：在实验中为了减小晶体管极间的影响可采用改进型电容三点式振荡电路，即在振荡回路电感支路中增加一个电容C6，其值比较小，要求C6<          1/C总=1/C4+1/C5+1/C6=1/C6,即C总=C6

因此振荡频率为

   经过这样的改变后，C4,C5对振荡频率的影响显著减小，与其并联相连的晶体管极间电容影响也减小了。但由于振荡回路介入C6,晶体管最小负载会减小、放大器放大倍数减小、振荡器输入幅度减小，若C6过小，振荡器会因不满足起振条件而停止振荡。因此，在添加C6的时候一定要选择合适的值，不能为了减小极间电容的影响而使振荡器不能振动！

(3)原理图及Multisim10软件仿真

 A）交流电路仿真如下： 

                  图3.3 交流电路

B)按照上述原理，总电路图如下3.4所示：

             图3.4 电容反馈振荡器总电路图

C)仿真结果如下图3.5所示：

              图3.5 总电路仿真结果

     由图可知，正弦波的周期350243.24ns,振幅约为4.2V，则振荡频率约为28.6KHz。

二 、综合设计 ：调幅解调电路的设计

    所谓调制，就是用调制信号去控制载波某个参数的过程。解调则是调制的逆过程，是将载于高频振荡信号上的调制信号恢复出来的过程。

1、调幅电路的设计：

调制原理：振幅调制是由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化，严格地说，是使高频振荡的振幅与调制信号成线性关系，其他参数（频率、相位）不变。这是使高频振荡的振幅再有消息的调制方法。调幅电路是把调制信号和载波信号同时加在一个非线性元件上（例如晶体二极管或三极管）经非线性变换成新的频率分量，再利用谐振回路选出所需的频率成分。它保持着高频载波的频率特性，调幅波振幅的包络变化规律与调制信号的变化规律一致。 当输入的调制信号有直流分量时，称为AM调制；没有直流分量时，称为双边带调制（DSB调制）。

（1）AM调制

AM调幅指的是用需要传送的信息（低频调制信号）去控制高频载波的振幅，使其随调制信号线性变化。其原理如图4.1所示，

若设载波为uC (t)=UC cosωCt，

调制信号为单频信号，即uΩ(t)=UΩcosΩt,，

则普通调幅信号为：uAM(t) = Uc(1+m cos Ωt)cosωct，

其中m=kaUΩ/Uc为调幅指数（调幅度），ka为比例系数，一般由调制电路确定，故又称为调制灵敏度。普通调幅波的波形和频谱图如图4.2所示：

     由图可知，频率的中心分量就是载波分量，他与调制信号无关，不含消息，而两边分量则以载频为中心对称分布，两个边频幅度相等并与调制信号幅度成正比，边频相对于载频的位置取决于调制信号的频率，这说明调制信号的幅度及频率消息只包含于边频分量中，所以

为了减小不必要的功率浪费，可以只发射上下边频，而不发射载波。

   （2）双边带调制

设载波为uC(t)=Ucosωct，单频调制信号为uΩ(t)=UΩcosΩt (Ω〈〈ωc)，则双边带调幅信号为:

uDSB(t)=kuΩ(t)uc(t)=kUΩcosΩtcosωct 

             =［cos (ωc+Ω)t+cos (ωc-Ω)t］， 

其中k为比例系数。

可见双边带调幅信号中仅包含两个边频, 无载频分量, 其频带宽度仍为调制信带宽的两倍。图4.3显示了单频调制双边带调幅信号的有关波形与频谱图。

    需要注意的是, 双边带调幅信号不仅其包络已不再反映调制信号波形的变化, 而且在调制信号波形过零点处的高频相位有180°的突变。可以看出, 在调制信号正半周, cosΩt为正值, 双边带调幅信号uDSB(t)与载波信号uc(t)同相；在调制信号负半周, cosΩt为负值, uDSB(t)与uc(t)反相。 所以, 在正负半周交界处, uDSB(t)有180°相位突变。另外，双边带调幅波和普通调幅波所占有的频谱宽度是相同的，为2Fmax。

因为双边带信号不包含载波，所以发送的全部功率都载有信息，功率有效利用率高。

综上所述，在此设计中选择DSB调幅。

（３）电路设计

                      图4.4 DSB调制电路

     （5）电路经频谱分析仪和示波器的仿真如下：

             图4.7调制电路仿真图

2、解调电路的设计

(１)解调原理

调幅信号的解调是振幅调制的相反过程，是从已调高频信号中恢复调制信号的过程，又称为检波。完成这种解调的电路称为振幅检波器，它的实质上是高频信号搬移到低频端。搬移是线性搬移，故所有的线性搬移电路均可用于解调。检波电路有包络检波和同步检波。包络检波是指解调器输出电压与输入已调波的包络成正比的检波方式，由于AM信号的包络与调制信号成线性关系，因此包络检波指使用于AM波。ＤＳＢ信号不同于调制信号，不能让那个应包络检波，必须用同步检波。同步检波的恢复载波应与调制器的载波电压完全同步。同步检波又分为乘积型和叠加型。本设计采用同步检波方式。双边带调幅波中不含载波分量，用相乘器进行检波时，需要在接收端产生一个载波。其原理如图4.7所示，

设输入为单频调制的双边带信号

uDSB(t)= UscosΩtcosωct   (Ω〈〈ωc)

并假设本机载波信号与原载波信号同频不同相，即有相差φ，则

ur(t)= Urcos(ωct+φ)，

相乘器的输出信号

u'o(t)=KmUsUrcosΩtcosωctcos(ωct+φ)

            =0.5KmUsUｒ cosΩt[cosφ+ cos(2ωct+φ)]，

有用分量为      u'1(t)=0.5KmUsULcosφcosΩt，

无用分量为     

u''1(t)=0.5KmUsUｒcosΩt cos(2ωct+φ)

=0.5KmUsUｒcos[（2ωc－Ω）t+φ]

+ 0.5KmUsUｒcos[（2ωc+Ω）t+φ]，

由上式可知，相乘器输出的无用分量的频率为2ωc±Ω，故滤波器对有用频率分量的传输系数应尽可能大，对无用频率分量2ωc±Ω的传输系数应尽可能小。设滤波器对有用品频率分量Ω的传输系数为Kf,则整个检波器输出的有用信号为

          uo(t) =KFu'1(t)=0.5KfKmUsUｒcosφcosΩt，

uo(t)与us(t)的幅度之比，即为检波器传输系数Kd。且由以上公式可得

Kd＝0.5KfKmUｒcosφ ．

由上式可以看出，为了增大检波器的传输系数，对恢复的载波，也称本机振荡电压的要求是：

（1）幅度UL应尽可能大，但不应超过相乘器的最大容许输入电压。

（2）本机振荡电压不但应与原载波电压同频，而且应同相。因为φ＝0时，cosφ＝1，达最大值，相应地Kd也达到最大的可能值。故此种相乘检波又称同步检波或相干检波。低通滤波器的上截至频率应低于2倍高频载波频率，而高于最高调制频率。

（2)电路设计

本设计采用模拟乘法器来构成同步检波器。其Protel99SE电路图如图4.8所示：

图4.8  同步检波器（解调）电路图

    其中U为同步信号或恢复载波信号, U为已调波信号。输出端接有由R11与C6、C7组成的低通滤波器及隔直电容C8，所以该电路对有载波调幅信号和抑制载波的调幅信号均可实现解调。

电路的解调操作过程如下:首先令已调信号U=0，先输入恢复载波信号U,其，。调节平衡电位器R,使输出,即为平衡状态。再输入已调信号U（U为有载波的已调信号）,其中有，，，调制度，此时乘法器的输出经低通滤波器后输出设定为，经隔直电容后的输出设定为。调节电位器R可使输出波形的幅度增大，波形失真减小。若输入U为抑制载波的已调信号，经MC1496同步检波后的输出波形设定为。各波形图如下图4.9所示：

图4.9解调波形示意图

    （3）只要将上述调制器的调幅输出信号接至解调器的已调信号U端便可构成一个调幅解调电路。

（4）电路仿真如下

         图4.8 解调电路仿真图

    由上图可知，解调过程中存在着一定的检波器的失真，即惰性失真。在二极管截止期间，电容C两端电压下降的速度取决于RC的时常数。如RC数值很大，则下降速度很慢，将会使得输入电压的下一个正峰值到来时仍小于Uc，也就是说，输入ＡＭ信号包络下降速度大于电容器两端的电压下降速度，因而造成二极管负偏压大于信号电压，致使二极管在其后的若干高频周期内不导通。因此，检波器的输出电压就按RC放电规律变化，输出波形不随包络形状而变化，产生了失真。

    为了避免这种失真，必须在任何一个敢拼周期内，使电容C通过Ｒ放电的速度大于或等于包络的下降速度。

结束语

以上就是此次课程设计的成果，经过这段时间查阅资料，与老师同学的交流，我对选频网络的设计、超外差技术的应用、三点式振荡器的设计这三个基础设计以及调幅解调电路的综合设计有了一定的了解,据此得到了以上的实验成果，实验中存在的不足，希望老师给予纠正，谢谢。

参考文献：

1.《电子线路》谢嘉奎编著，北京：高等教育出版社

2.《高频电子电路》张肃文编著，北京：高等教育出版社

3.《电子通信系统（第四版）》[美]Wayne Tomasi，北京：电子工业出版社

4.《高频电子线路学习与解题指导》阳昌汉编著，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社

5.《Multisim7电路设计及仿真应用》熊伟等编著，北京：清华大学出版社

心得体会：

经过两周的学习，终于成功完成了此次课程设计，非常感谢学校为我们提供这样的学习与实践相接合的机会，让我们使学到的知识能够走出课本，应用到实际生活当中。在这次课设中我受益匪浅，学到了很多东西。

首先，我能够将学到的知识运用到书本之外，在一定程度上让我明白了学习不仅仅是来应对考试的，还可以用来解决实际问题。

其次，通过动脑、动手和思考解决实际问题，巩固和运用在高频电子线路课程中所学的理论知识和实验技能，增强了理论联系实际的能力，对一些简单的电路设计有了一定的了解，有利于对课本知识的理解。

再次，是自己思考的能力有了一定的提高，使自己的动手能力也有所加强，也使自己能够充分的利用所学的知识和所拥有的资源。所以我很珍惜这样的机会。

最后，通过这次课程设计，让我对高频电子电路有了更深层次的掌握，并且对仿真技术有了一定的了解。

在此次课程设计中我也遇到了不少的问题，集中体现在个软件的用运不熟悉，浪费了很多时间。但是我会吃一堑长一智的，以后遇到类似的问题解决起来就容易多了。

另外非常感谢老师平时的指导和此次课程设计中老师同学的帮助，让这次课设取得了成功，谢谢！