通信电子线路 基于multisim调幅接收课程设计

     现代通信发展十分迅速，信息传递是人类社会生活的重要内容，没有通信，人类社是不可想象的，从古到今的烽火到亟待的旗语，都是人们寻找快速远距离的通信手段。无线电广播，就是由发射机产生强大的经过调制的高频电流，通过发射天线，在天线周围产生电磁波向外传播。调幅制无线电广播分做长波、中波和短波三个大波段，我国只有中波和短波两个大波段的无线电广播。本次课程设计采用超外差式调幅接收机。超外差式调幅接收机主要包括：AM输入回路、谐振放大模块、本振电路模块、混频器模块、中频放大模块、检波电路模块、低频功率放大模块。本电路的功能是由直流电驱动，接收处理535~1625KHz的无线电波，将调制后的无线电信号还原成音频信号经扬声器播放收听。经过多方面比较，我们采用multisim 12进行仿真验证。本设计的特点是适合家用，干扰小，信号清晰、可靠，无明显杂波。

关键字：调幅接收机、检波电路、混频器、低频功率放大

一、前言

信息传递是人类社会生活的重要内容，没有通信，人类社是不可想象的，从古到今的烽火到亟待的旗语，都是人们寻找快速远距离的通信手段。

近年来，电子工业发展非常迅速，当然这些进步都成了人类生活不可缺少的东西，1937年莫尔斯有线电报开创了利用电传递信息的时代。1867年贝尔发明的电话已成为我们日常生活中通信的重要工具。1918年，调幅无线广播调幅接收机问世。1936年，商业电视广播开播。伴随着人类的文明、社会的进步和科学技术的发展，电信技术也是以一日千里的速度飞速发展，然而无线通信在现在的生活中更是重要，我们常用的手机，无线电话还有各种电器的遥控器等，大到航天工具，小到小孩的玩具都离不开发射和接收设备。调频和调幅是目前应用最广的两种发送和接收方式，随着社会的发展调幅方式越来越成为现代设备的必要工作方式之一。

研究关于调幅接收机的设计，以前全部的调谐系统都是人工操作，即采用机械调谐可变电容器或调整线圈中的磁心来获得所需的谐振频率。这种机械调谐的方法要求机器复杂的机械装置，而且在整个设备中占据相当大的空间。为解决此类问题，目前采用的调幅接收机都具有灵敏度高、工作稳定、选择性好及失真度小等优点。

本次课程设计的目的是提供一种可以便捷调幅，并巩固已学的理论知识，能够使我们建立无线电接收机的整机概念。使我们加强对通信电子线路的理解，掌握文献资料检索、设计方案论证比较，以及了解接收机整机各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算各个单元电路的参数设计、元器件选择、电路的装机与调试。进一步提高分析解决实际问题的能力，提高解决通信电子线路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力转化，通过典型电路的设计与仿真，加深对基本原理的了解，增强我们的实践能力，并初步掌握小型调幅波接收机的调整及测试方法。

二、技术指标

2、1 频率范围：535—1605KHz

2、2 中频频率：465KHz

2、3灵敏度：1mV/m

2、4选择性：20lg14dB

2、5 输出功率：最大不失真功率100mW

三、系统总述

3、1设计总体思路

本课程设计采用软件Multisim12进行仿真。无线电波是一种能量传播的形式。无线电广播，就是由发射机产生强大的经过调制的高频电流，通过发射天线，在天线周围产生电磁波向外传播。无线电波从频率上可划分为长、中、短波。本设计采用535kHz的中心频率，电压的幅值为50uV（选取的最小灵敏度值），即谐振输入的为535kHz的调幅波，然后此调幅波经过高频调谐放大，本地振荡电路产生一个1MHz的正弦波，再将535kHz和1MHz的正弦波进行二极管双平衡混频成为465kHz在的中频信号，并有谐振回路对465kHz的信号进行选择，再对465kHz信号进行中频放大、检波、滤波、音频放大后去驱动喇叭。本次总体设计有六大功能模块组成，分别是：谐振放大电路、本振电路产生模块、混频电路模块、中频放大电路、检波电路、音频放大电路（低频功率放大电路模块）。

3、2设计基本原理

本设计采用分立元件搭建的电路，该方法采用最基本的电子元件如电容、电阻、晶体管、电感等搭建超外差收音机电路。超外差式收音机：是指输入信号和本机振荡信号产生一个固定中频信号的过程。如果把收音机收到的广播电台的高频信号，都变换为一个固定的中频载波频率465KHz（仅是载波频率发生改变，而其信号包络仍然和原高频信号包络一样），然后再对此固定的中频进行放大，检波，再加上低放级，就成了超外差式收音机。和直接放大式相比较，超外差式收音机具有灵敏度高而工作稳定，选择性好而失真度小等优点，在实际生活中有着广泛的应用。它将所要收听的电台在调谐电路里调好以后，经过电路本身的作用，就变成另外一个预先确定好的频率（在我国为465KHz），然后再进行放大和检波。这个固定的频率，是由差频的作用产生的。在收音机内制造—个振荡电波(通常称为本机振荡)，使它和外来高频调幅信号同时送到一个晶体管内混频。由于晶体管的非线性作用导致混频的结果就会产生一个新的频率，这就是外差作用。采用了这种电路的收音机叫外差式收音机，混频和振荡的工作，合称变频。外差作用产生出来的差频，习惯上我们采用易于控制的一种频率，它比高频较低，但比音频高，这就是常说的中间频率，简称中频。任何电台的频率，由于都变成了中频，放大起来就能得到相同的放大量。调谐回路的输出，进入混频级的是高频调制信号，即载波与其携带的音频信号。经过混频，输出载波的波形变得很稀疏其频率降低了，但音频信号的形状没有变。这个过程就是变频。变频仅仅是载波频率变低了，并且无论输入信号频率如何变化最终都变为465KHz，而音频信号(包络线的形状)没变。混频器输出的携音频包络的中频信号由中频放大电路进行一级、两级甚至三级中频放大，从而使得到达二极管检波器的中频信号振幅足够大。二极管将中频信号振幅的包络检波出来，这个包络就是我们需要的音频信号。音频信号最后交给低放级放大到需要的电平强度，然后推动扬声器发出足够的音量。若要求超外差式收音机得到更高的灵敏度，在调谐回路与混频之间还可以加入高频放大级然后再去混频。

3、2、1  谐振放大电路模块是将接收到的微弱信号（载波频率为fs=535k~1605k）经过谐振放大器将有用信号进行放大，并抑制干扰信号；

3、2、2    混频模块是实现将放大的信号和本振电路模块产生的信号一起输入经过混频电路进行变频，并能选出中频信号465k的（fi=fo-fs）；

3、2、3   中频放大模块是将465k的调幅信号进行功率的放大；

3、2、4   检波电路模块即对AM信号进行解调，将信号变成低频音频调制信号；

3、2、5    低频功率放大电路模块该模块进行功率放大以实现对喇叭的驱动，即可在扬声器中听到声音。

3、3总体电路设计的框图

调幅接收机的总体设计的框图如下图1所示。本次课程设计是由五个同学一组共同完成此设计，我主要设计的核心电路是均值包络检波模块的设计，外围电路有：三点式振荡电路、中频谐振放大电路、二极管单、双平衡混频器电路模块的设计。

图1调幅接收机总体设计框图

四、单元电路与仿真

4、1本振电路模块

本振电路由电容三点式振荡电路构成，本地振荡器功能：为混频器产生fL，是可调的，并能跟踪fC，以实现变频功能。其电容三点式振荡器电路图如图2所示。

                     图2 电容三点式振荡器电路

4、1、1 正弦波振荡器的基本工作原理

振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置。正弦波振荡器在电子技术领域中有着广泛的应用。在信息传输系统的各种发射机中，就是把振荡器所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个本地振荡信号，送入混频器，才能将高频信号变为中频信号。

4、1、2 电容三点式LC振荡器

LC振荡器实质上是满足振荡条件的正反馈放大器。LC振荡器是指振荡回路是由LC元件组成的。从交流等效电路可知：由LC振荡回路引出三个端子，分别接振荡管的三个电极，而构成反馈式自激振荡器，因而又称为三点式振荡器。如果反馈电压取自分压电感，则称为电感反馈LC振荡器或电感三点式振荡器；如果反馈电压取自分压电容，则称为电容反馈LC振荡器或电容三点式振荡器。在几种基本高频振荡回路中，电容反馈LC振荡器具有较好的振荡波形和稳定度，电路形式简单，适于在较高的频段工作，尤其是以晶体管极间分布电容构成反馈支路时其振荡频率可高达几百MHz-GHz。

4、1、3 LC振荡器的起振条件、参数选择及频率稳定度

一个振荡器能否起振，主要取决于振荡电路自激振荡的两个基本条件，即：振幅起振平衡条件和相位平衡条件。当振荡器稳定工作时，振荡管工作在非线性状态，通常是依靠晶体管本身的非线性实现稳幅。振荡频率主要由L、C、C3决定，f=;反馈系数F不宜过大或过小，一般经验数据F0.1-0.5，F的选择由F决定。LC电容三点式振荡器的仿真波形如图3所示。

                   图 3  电容三点式振荡器仿真波形

4、2 混频器模块    

混频电路是超外差式接收机的重要组成部分，其作用是将天线上感生的输入高频信号变换为频率固定的中频信号。混频电路靠近接收天线，它的性能直接影响接收机动态范围等性能。

   4、2、1 混频器的基本工作原理

在通信系统中，经常需要将信号自某一频率变换为另一频率，一般用的较多的是把一个已调的高频信号比啊换成另一个较低频率的同类已调信号，完成这种频率变换的电路称为混频器。在超外差式接收机中的混频器的作用是使波段工作的高频信号，通过与本机振荡信号想混，得到一个固定不变的中频信号。

混频器常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。本地振荡器用于产生一个等幅的高频信号，并与输入信号Us经混频后所产生的差频信号经带通滤波器滤出，这个差频通常叫中频。输出的中频信号Ui与输入信号Us载波振幅的包络形状完全相同，唯一差别是信号载波频率变换成中频频率。

混频器的电路模型如图4所示。

图4 混频器电路模型

4、2、2二极管双平衡混频器

本设计的混频器模块采用二极管双平衡混频器实现相关功能。其电路图如图5所示。二极管D1、D2在本振信号的正半轴导通，二极管D3、D4在UL的负半轴导通。而且二极管上线工作频率高，可达100GHz。其优点是：动态范围大，组合频率干扰小；噪声小，不存在本地辐射。其缺点是：无变频增益。

图5 二极管双平衡混频电路

二极管双平衡混频器的仿真波形如图6所示。

                   图6二极管双平衡混频仿真波形

4、3中频放大电路模块

中频放大电路是接收机的重要组成部分，是决定接收机灵敏度及选择性的关键电路。中频放大器位于混频之后，检波之前，是专门对固定中频信号信号放大的，中频放大和高频放大都是谐振放大器，它们有许多共同点，由于中频放大器的工作频率是固定的，而且频率一般都较低，因而有其特殊之处。

   4、3、1中频放大电路的作用与要求

中频放大器作用：

（1）进一步放大信号接收机的增益，主要是中频放大器的增益。由于中放工作频率较低，因而容易获得较高而又稳定的增益。

（2）进一步选择信号，抑制邻道干扰接收机的选择性主要由中频放大器的选择性来保证，因为高放及输入回路工作频率较高，因而通带较宽，中放工作频率较低，且为固定，因而可采用较复杂的谐振回路或带通滤波器，将通带做的较窄，使谐振曲线接近于理想矩形，所以中放的选择性较好，对邻道干扰有较强的抑制。

中频放大器的要求：

（1）增益要高，一般都采用多级中频放大器；

（2）工作要稳定，不允许出现自激；

（3）选择性要好，对有用信号应能不失真地通过，对无用信号和干扰应有很大的抑制。

4、3、2 中频放大器的分类及工作过程

中频放大器按照负载回路的构成可分为单调谐中频放大器和双调谐中频放大器，按照三极管的接法可分为共发射极、共基极和共集电极等中频放大器。中频放大器和高频放大器的工作过程相同，它们都是小信号放大器，工作在甲类状态，它们都采用谐振回路作负载。

4、3、3中频放大电路的组成及原理

输入电台信号与本振信号差出的中频信号fI恒为某一固定值8MHz ，它可以在中频“通道”中畅通无阻，并被逐级放大，即将这个频率固定的中频信号用固定调谐的中频放大器进行放大。而不需要的邻近电台信号和一些干扰信号与本振信号所产生的差频不是预定的中频，便被“拒之门外”，因此，接收机的选择性也大为提高。其工作电路图如图7所示，仿真波形如图8所示。

                        图 7中频谐振放大电路图

图8中频谐振放大仿真波形

4、4检波电路模块

调幅接收机的核心电路模块是检波电路模块，我主要负责均值包络检波的设计。

  4、4、1 均值包络检波原理

均值包络检波先对输入信号作半波整流，再由低通滤波器取得其均值分量，即可得到调制信号。其原理如图9所示。

图9 均值包络检波原理

设,经半波整流后，输出电流为中的频谱成分包含：、，其中低频部分为,经低通滤波后，设低通滤波器的截止频率增益为R，输出电压为与输入的AM信号包络成正比，即取出了AM信号的包络，从而得到了调制信号，由于与输入信号的均值有关，故为均值包络检波。

4、4、2均值包络检波电路

如图10所示为均值包络检波电路，图中U1、U2为集成运算放大器，U1组成半波检波电路，U2组成低通滤波器。

当输入信号(t)为正半周时，经U1反相放大，使D1导通，D2截止，此时U1的增益为。当(t)为负半周时，D1截止，D2导通，使D1的输出为零，从而提供给D2的半波整流电压。当第二级反馈网络满足R4时，D2仅放大输入半波电压中的平均分量，而滤掉载波分量及其谐波组合，保留低频分量作为输出。用集成运算放大器代替晶体三极管，可避免由于晶体三极管包络检波引起的非线性失真。

图10 均值包络检波电路图

均值包络检波的仿真波形如图11所示：

图 11均值包络检波仿真波形

4、5低频功率放大电路

在调幅接收系统中，低频功率放大电路的特性直接决定了负载的工作状态。它是为负载提供功率的放大电路。其电路12所示。

                     图12 低频功率放大电路图

低频功率放大器是对解调出来的单音频信号进行功率放大，以驱动负载工作。其仿真波形如图13所示。如图所示，上面的波形为低频功率放大后的信号波形，明显比下面的波形幅值大。因为其工作在丙类状态，工作效率高。

 图13 低频功率放大仿真波形

4、6 谐振放大模块

在无线电技术中，经常会遇到所接收到的信号很弱的问题，而这样的信号又往往与干扰信号同时进入接收机。我们希望将有用信号放大，把其他无用信号干扰掉。借助于选频放大器，便可达到此目的。高频小信号放大器便是这样一种最常用的选频放大器，即有选择地对某一频率的信号进行放大的放大器。高频小信号放大器的作用是放大信道中的高频小信号。

4、6、1高频谐振放大器的工作原理

高频谐振放大器用于对载波和已调波进行放大，是各种无线发射机的主要组成部分。高频谐振放大器的工作频率很高，但相对频频带很窄。高频谐振放大器一般都采用选频网络作为负载回路，如LC谐振回路。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带、高频谐振放大器。他不采用射频网络作为负载，这样它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不重新调谐。

高频谐振放大器主要由放大器和调谐回路两部分组成。因此，调谐放大器不仅具有放大作用，而且还有选频作用。对其主要指标要求是：有足够的增益，满足通频带和选择性要求，工作稳定等。要求它除具有放大功能外还应具有低噪声性能的特性。其电路图如图14所示。其仿真波形如图15所示。

图14   高频谐振放大电路图

                       图 15 高频谐振放大仿真波形

五、整机电路设计图

调幅接收机的整机电路图包括：谐振放大电路、本振电路、混频器、中频放大电路、检波电路、低频功率放大电路几个模块。其电路图如图16所示。

图16 调幅接收机总体电路图

六、高频实验平台整机联调

下图为整机联调后的输出波形：

图17 谐振放大波形

图18 LC振荡波形

图19 中频放大波形

七、设计总结

紧张而又繁忙的高频电子线路课程设计终于接近尾声，通过这两周的课程设计学习，我感到前所未有过的满足与充实。这次课设实验，我突然发觉团队的力量是如此伟大。我们这五个人的团队在接受调幅接收机的课题之后，大家都十分积极地为了我们共同的课题而不断努力着准备着。这次课设我主要负责的核心电路是均值包络检波的设计，外围电路有电容三点式振荡器，中、高频调谐放大电路。在这次课设当中，我和团队中的同学讨论很多，也上网查找了不少资料，还在老师的指导下，对课设有了个整体概念。经过试验，我们最后决定用Multisim12.0来仿真我们的电路，通过对参数的不断调整，终于得到最后相对满意的结果来作为课设的截图与设计。两周的课设实训一眨眼就过去啦！在这苦中有甜的日子里，我们学到很多书本上没有的知识。我发现只有将理论与实际恰当的结合才能获得最满意的答案。

设计电子线路最重要的一个方面就是要认真；其次是要有耐心，勇于克服困难，不断解决问题，面对困难要永不退缩，迎难而上；再次是要有清晰的思维，能够理清各个器件之间的关系，明确各个器件的功能；最后还要和同学多交流合作，多参考书籍。通过这次高频电子线路课程设计，我了解并发现了很多设计电路的方法，而且懂得了如何处理错误的方法。拥有足够的耐力和信心，对课程设计每一步的顺利进行极其重要。在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。许多的问题不是很明白，随着以后的学习，希望能把我的疑惑给消除掉，虽然是个不是很完美的完成这个课程设计，但是我觉得我付出了，我得到了许多知识，也解决了许多以前的疑问。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

八、参考文献

[1]Multisim12  电路设计及仿真应用清华大学出版社   2012.7

 [2]高频电路原理与分析西安电子科技大学出版社曾兴雯 2006.7

 [3]通信电子线路清华大学出版社侯丽敏   2008.12

 [4]电子线路设计、实验、测试华中理工大学出版社谢自美

 [5]高频电子线路实验平台说明书南京润众科技有限公司

 [6]高频电子线路高等教育出版社张肃文2008.8

 [7]模拟电子技术基础高等教育出版社童诗白,华成英2008.5

 [8]高频电子线路电子工业出版社高吉祥2007.6