简易调幅发射机创新实验报告

2014学年2学期山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告实验项目名称简易发射机制作组长姓名学号联系电话E-mail成员姓名学号成员姓名学号成员姓名学号专业通信工程班级2012级指导教师及职称赵海涛2015年1月9日山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告一、实验摘要本设计所设计的简易调幅发射机是基于NI公司的Multisim仿真软件仿真的，主要有调幅信号源和高频高效功率放大器组成。其中调幅信号源由西勒振荡器产生10MHz左右的正弦载波，然后利用频谱的线性搬移进行调幅，电路是差分对频谱搬移电路。在对信号进行调幅之后，由于信号的幅值较小，需要进行放大，所以在后续部分又利用高频功率放大电路对已调幅信号进行了功率放大，然后再发射出去，完成对简易调幅发射机的制作。二、实验目的利用高频电子线路所学知识进行简易调幅发射机的制作，并利用multisim软件进行仿真，其中包括以下内容：1.设计调幅信号源，利用振荡器产生10MHz频率的载波；2.设计差分对电路，利用差分对对调制信号进行振幅调制；3.设计功率放大器，并对已调信号进行功率放大，以满足要求；完成上述任务，组装仿真调试，观察输出结果，然后进行修正，改进。三、实验场地及仪器、设备和材料：1.PC机一台2.Multisim仿真软件（version：11.0.278非此版本的可能无法仿真出结果）四、实验内容1、实验原理调幅发射机主要由高频振荡器、振幅调制电路、高频放大器、天线等组成。其系框图如下图(1)所示:天线一般的振幅调制电路主要由上面几部分构成，但是当主震级的输出达到实际需求时谐振放大部分可以省略，缓冲部分可减小后续部分对主震级的影响，减小误差。(1)主震级电路：为了使振荡器输出尽可能的稳定、准确的频率，以达到设计任务书所要求的目标，且符合实际设计情况，本设计选用了西勒振荡器作为调幅信号源的载波产生电路，产生10MHz左右的正弦波。西勒振荡器是改进的电容三点式振荡器，产生的波形频率比较稳定，其电路原理图如图(1)所示，交流等效电路如图(2)所示(见下页)，图中𝐶3≪𝐶1、𝐶2,因此晶体管与回路之间的耦合较弱，频率稳定度较高，与电感并联的可变电容是𝐶4用来改变振荡器的工作波段，而电容𝐶3是起微调频率作用，由图可知回路总电容为：𝐶∑=11𝐶1+1𝐶2+1𝐶3+𝐶4≈𝐶3+𝐶4振荡器的震荡频率为：主震级振幅调节电路功率放大电路调制信号缓冲级谐振放大山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告𝜔1≈𝜔0=1/√𝐿𝐶∑≈1/√𝐿(𝐶3+𝐶4频率的改变主要通过调整𝐶4来完成的，𝐶4的改变并不影响接入系数p，由振荡频率的计算公式来看，西勒振荡器适用较宽波段，而且振幅稳定，调频方便，所以本设计采用改进的西勒振荡器。在震荡器的技术指标中频率稳定度△𝑓𝑓0是一个不可忽略的一个，常用相对偏差来表示，其计算方法如下：△𝑓𝑓0=𝑓1−𝑓0𝑓0图(1)西勒振荡器图(2)交流等效电路(2)振幅调制电路调幅（振幅调制）是用低频调制信号去控制高频载波的振幅，使其振幅按调制信号的规律而变化，调制上一个非线形过程。从频谱结构来看，调幅又是一个对调制信号进行频谱搬移的过程，即把较低的频谱搬到较高频谱。现在来简介振幅调制的基本特点。设调幅电路输出高频载波信号为tVtvccmccos)(（4.2.1）基带信号为一单频低频信号ΩtVtvΩΩcos)(（4.2.2）其中：ccπ2f—载波角频率，cf—载波频率，Ω。将u输入调幅电路以改变式（4.2.1）所示高频信号的振幅，则可得到已调波信号的为：[cos()]cos()[1cos()]cos()ocmamccmacuukuttumtt（4.2.3）式中，amacmkumu称为调幅系数，它说明载波振幅受基带信号控制的程度。ak为由调制电路决定的常数。将式（4.2.3）用三角函数关系展开，则得：11cos()cos()cos()22ocmcacacmcuutmtmut（4.2.4）由式（4.2.4）可知，被单频低频信号调幅后的高频已调信号由振幅为cmu角频率为c的载波和两个振幅相同、角频率分别为c和c的高频波组成。频谱如图(3)。山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告图(3)频谱图本实验采用模拟乘法器对振幅进行调制，原理同上所述，其电路如图(4)所示图(4)乘法器在模拟乘法器的输入端X加入10MHz的正弦载波，在Y端口加入调制信号，由于乘法器输出可调，所以可以直接调节乘法器的输出，使振幅与调制度满足设计指标，在图中只是仿真所用的乘法器，实际电路中可以用MC1496来取代乘法器电路来进行振幅调制，其电路原理如图(5)所示，由于multisim仿真软件中不存在MC1496芯片，所以直接用乘法器去取代。在其中可以调节乘法器的各项参数来满足设计要求。图(5)MC1496构成的振幅调制器电路(3)高频功率放大电路高频功率放大电路不同于低频的是其负载为选频网络，它是无线电发射极中的重要组成部分，其原理图如图(6)所示：CIN+8CIN-10SININ+1SININ-4NC7NC9BIAS5GNADJ2GNADJ3+OUT6-OUT12NC13NC11VEE14MC1496R11KR924KR4R2510R106.8KR513KR7510R6510R81KR116.8KC1100pC2100pC4100pC30.1uR31KPartPartPart2VeeR121KVCC山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告图(6)高频功率放大器原理图按照电流导通角的大小可以将其分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。导通角越小，放大器的效率就越高，当导通角小于900时，功放效率可达80%。在此处由于指标要求功放效率需要达到50%以上，所以选择丙类功率放大器。由于激励信号源的幅值随时间变化，进而对丙类放大器的工作状态产生了影响，可将产生后的状态分为欠压，临界，过压三种状态，为了获得较高的输出功率，需要丙类放大器工作在临界状态。2、实验内容(1)西勒振荡器参数选择：1．静态工作点的确定振荡器的静态工作点取Icq=1mA，晶体管的β=60，通常取Vc为（0.6~1）Vcc,这里取Vc=10V，由此得出Rc=𝑉𝐶𝐶−𝑉𝐶𝐼𝑐𝑄=2kRe+Rc=𝑉𝑐𝑐−𝑈𝑐𝑒𝑄𝐼𝑐𝑄=3k得Re=1k为保证Vb基本不变可以取𝐼𝑅=10𝐼𝑏𝑄因为Vb=𝑉𝑒𝑄+0.6=2.6𝑉𝐼𝑏𝑄=𝐼𝑐𝑄𝛽=0.0167𝑚𝐴所以(𝐼𝑅-𝐼𝑏𝑄)Rb2=VbRb2=15.6k取标称值Rb2=15k；又Vb=𝑅𝑏2𝑅𝑏1+𝑅𝑏2∗𝑉𝐶𝐶得Rb1=54k取标称值Rb1=50K，使用可调电阻。旁路电容Cb取经验值0.01uF2.震荡回路元件值：振荡器的震荡频率为f0f0=√1𝐿(𝐶3+𝐶4)若取𝐶3为80pF由，𝐶4为51pF计算可知L=2.2uH,又若𝐶1取200pF,由F取1/8~1/2知𝐶2可取510pF。(2)模拟乘法器电路：调制信号选用1.5v，10KHz的正弦波信号，为达到调幅输出Vp-p=1±0.1v，调制度m=30%，设置模拟加法器如图(8)所示：山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告图(7)模拟乘法器设置(3)高频功率放大器参数设置：为兼顾大功率和高效率，通常选丙类且要求在临界工作状态,其电流流通角c=600~900范围。现设c=700，查表得：集电极电流余弦脉冲直流ICO分解系数00(70)0.25，极电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数01(70)0.44。设功放的输出功率为0.5W，三极管的饱和管压降为𝑈𝐶𝐸𝑆=0.6V,由此可计算最佳负载为：𝑅𝑃=(𝑉𝐶𝐶−𝑈𝐶𝐸𝑆)22𝑃0=129.96Ω≈130Ω集电极基波电流振幅为：𝐼𝐶𝑀1=√2𝑃0/𝑅𝑃=87.706𝑚𝐴集电极电流脉冲的最大振幅为:𝐼𝑐𝑚𝑎𝑥=𝐼𝑐𝑚1𝛼1(𝜃𝑐)=199.331mA集电极电流脉冲的直流分量为：𝐼𝐶0=𝐼𝑐𝑚𝑎𝑥∗𝛼0(𝜃𝑐)=49.8mW电源提供的直流功率为：𝑃𝐷=𝑉𝐶𝐶𝐼𝐶0=0.598𝑊集电极的耗散功率为:𝑃𝐶=𝑃𝐷−𝑃0=0.098𝑊集电极的效率为:η=𝑃0𝑃𝐷=0.50.598=83%若取回路并联电容为C=10nF由谐振频率为10MHz可求得L=0.02uH静态工作点取经验值即可；3、实验步骤（1）连线：按照所计算的个元件值进行连线各个部分电路连线如图所示；（注意：实际电路与所计算的元件的值可能有出入，这些都是基于实际情况而做出的改动，使仿真结果跟趋向于合理化与精确。）（2）调试：进行各个部分子电路的调试。在各个电路的输入端加上合适的激励源，进行形仿真，并进行元器件值的小幅度修改，使电路在理想情况下精确稳定。以保证在正常工作时误差不会太大。（3）组装调试：将所有子电路连接，进行调试。连接所有子电路，检验输出结果是否合适，否则进行检验修改。（4）撰写实验报告，记录实验数据。山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告图(8)西勒振荡器实际电路图(9)模拟乘法器电路图(10)高频功率放大器实际电山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告图(11)组装后的实际电路山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告五、实验结果与分析1、实验现象、数据记录仿真结果如下：图(12)西勒振荡器的输出波形图(13)不同时刻的西勒振荡器震荡频率图(14)模拟乘法器输出图(15)模拟乘法器输出频率山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告图(16)功率放大器输入与输出波形图(17)放大前激励电压图(18)放大后激励电压图(19)经过调幅与放大后的输出结果2、对实验现象、数据及观察结果的分析与讨论：对乘法器的输出电压进行车量，最大值为Vmax=463.573mv最小值位Vmin=250.453mv，调制度m=Vmax-Vmin/Vmax+Vmin=30.2%符合设计指标当接50纯阻性负载时，功放效率到达62.3%满足设计指标已调波输出电压最大值为463.573mv满足Vp-p=1+0.1V载波频率稳定度由于测频器只显示5位，但是前5位一直保持不变，因此无法得值频率稳定度。3、关键点：1.振荡器震荡回路的元件选择以及反馈系数的确定；2.乘法器选频回路各元件值的选择；3.高频功放放的选频以及放大效率的确定六、实验结论山东科技大学电工电子实验教学中心创新性实验研究报告本实验所做的调幅发射机能较好的进行调幅以及功率放大，但是有些指标暂时还无法达到。1.频率稳定度可能无法达到，用锁相电路可以达到精确的频率，但是因为在multisim里面缺乏必要的锁相芯片，所以这是不足的地方。2.另外在震荡输出的后面没有设计缓冲级用以防止后续部分的干扰。3.由于功率放大器只有一级，所以放大倍数可能满足不了实际应用的需求，实际应用可设计多级放大。综上本实验的结果能基本上满足简易调幅发射机的需求，但存在一定不足。七、指导老师评语及得分：签名：年月日