超外差式调幅接收机课程设计

吉林建筑大学电气与电子信息工程学院高频电子线路课程设计报告设计题目：超外差调幅接收机设计专业班级：电子信息工程111学生姓名：樊海燕学号：10211137指导教师：王超高晓红设计时间：2014.12.08－2013.12.19教师评语：成绩评阅教师日期1（一）设计题目超外差调幅接收机设计（二）目的、内容及要求1.设计内容（1）、掌握超外差调幅接收机原理；（2）、设计接收机的各个单元电路，画出单元电路图；（3）、应用EDA软件（multisim软件）对所设计电路进行仿真验证。（4）、总电路图技术指标:接收频率范围535～1605KHz，输出功率150mW，灵敏度50μV。2.设计目的与要求（1）、联系课堂所学知识，增强查阅、收集、整理、吸收消化资料的能力，为毕业设计做准备。（2）、培养一定的独立分析问题、解决问题的能力。对设计中遇到的问题能通过独立思考、查阅有关资料，寻找解决问题的途径。（3）、熟练掌握Multiuse、MATLAB、SystemView等软件的仿真（4）、掌握超外差调幅接收机的工作原理，以及对其电路模块高频小信号放大器、混频器、本地振荡器、中频放大器、检波器、低频放大器等的电路、原理、功能的巩固理解。（三）工作原理超外差式接收机的核心是混频器部分。混频器的作用是将收到的不同的载波频率转变为固定的中频。这种作用就是所谓的外差作用，这也是超外差式接收机名称的由来。由于中频是固定的，因此中频放大器的选着性与增益与接收机的载波频率无关。这就克服了直接放大式的缺点。超外差式接收机能够大大提高接收机的增益、灵敏度和选择性。因为不管电台信号频率如何都变成为中频信号，然后都能进入中频放大级，所以对不同频率电台都能够进行均匀地放大。中放的级数可以根据要求增加或减少，更容易在稳定条件下获得高增益和窄带频响特性。此外，由于中频是恒定的，所以不必每级都加入可变电容器选择电台，避免使用多联同轴可变电容器，而只需在调谐回路和本振回路用一只双连可变电容器就可完成选台。超外差电路的典型应用是超外差接收机，其优点是：(1)容易得到足够大而且比较稳定的放大量。(2)具有较高的选择性和较好的频率特性。(3)容易调整。缺点是电路比较复杂，同时也存在着一些特殊的干扰，如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等。随着集成电路技术的发展，超外差接收机已经可以单片集成。2（四）总体方案超外差式调幅接收机，整个电路由六部分组成，分别为高频小信号放大、混频、本振、中频放大、检波、低频放大。（1）高频小信号放大：高频放大器是用来放大高频信号的器件，在接收机中，高频小信号放大所放大的对象是已调信号，它除载频信号外还有边频分量。运用并联谐振回路作为负载。（2）混频：混频是将高频放大信号和本振信号混合，输出一个中频信号，在调幅电路中，本振信号必须是独立的，这是与调幅电路最大的一个区别。混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。（3）本振：本振电路用LC谐振回路来产生一个稳定的本地振荡频率，将这个稳定的谐振频率与高频放大输出信号混频，得到一个中频信号。混频器和本振放在一起叫做变频器。（4）中频放大：如果外来信号和本机振荡相差不是预定的中频，就不可能进入放大电路。因此在接收一个需要的信号时，混进来的干扰电波首先就在变频电路被剔除掉，加之中频放大电路是一个调谐好了的带有滤波性质的电路，所以接收机的选择性指标很高。超外差式接收机能够大大提高收音机的增益、灵敏度和选择性。因为不管电台信号频率如何都变成为中频信号，然后都能进入中频放大级，所以对不同频率电台都能够进行均匀地放大。中放的级数可以根据要求增加或减少，更容易在稳定条件下获得高增益和窄带频响特性。此外，由于中频是恒定的，所以不必每级都加入可变电容器选择电台，避免使用多联同轴可变电容器，而只需在调谐回路和本振回路用一只双连可变电容器就可完成接收。（5）检波：将音频信号或视频信号从高频信号(无线电波)中分离出来叫解调也叫检波。检波分为同步检波和包络检波。（6）低频放大：一般从检波电路输出的信号都比较小，为了得到我们所需的信号，必须将输出信号进行放大。一般采用运算放大器进行放大。（五）单元电路设计1、高频小信号放大器高频放大器是用来放大高频信号的器件，高频放大器与低频相比较，它的工作频率高，但整个工作频带宽度比较窄。在接收机中，高频放大器所放大的对象是已调信号，它除载频信号外还有边频分量。根据高放的对象是载频信号这一情况，一般采用晶体管做放大器件，而且用并联谐振回路作为负载，让信号谐振在信号载频。对于高频小信号放大器来说，由于信号小，可以认为它工作在晶体管的线性范围内。允许把晶体管看成线性元件，可以看成有源线性四端网络。3对高频放大器的主要要求是:(1)工作稳定：放大器可能会产生正反馈，它影响放大器的稳定工作，严重时，会引起振荡，使放大器变成振荡器，从而完全破坏了放大器的正常工作。因此，在正常工作中要保证放大器远离振荡状态而稳定的工作。（2）选择性好，有一定的通频带。（3）失真小，增益高，并且工作频率变化时增益变动不应过大，工作频率越高，晶体管的放大能力越小，增益越低。增益变化太大时，则灵敏度相差将很悬殊。（4）噪声系数小，尽量减小本级的内部噪声。图1高频小信号放大电路图1中LN及NC为中和元件。在高频时，为了抵消dgC之反馈，采用了LN及NC。当1NNewLwCwL（即LN及NC串联的谐振频率低于工作频率w，LN于NC之路呈感性）且等效电感eL之感抗值ewL与1dgwC相等时，则NI与rI数值相等，符号相反，互相抵消。调节NC可使=1edgwLwC。dsC为漏极输出电容，2dsTMCCCC与L谐振，其谐振电阻为0R,将iR与0R=00QwL合并为000gsmLkUUgR(00//LiRRR)，便得谐振时的输出电压为00mgsLUgUR4于是电压增益为000mLgsUkgRU对场效应管，主要关心电压增益，至于功率增益，由于放大器的输入电流很小，输入端就不消耗什么功率，因而功率增益很高，于是功率增益便不太重要。本次设计的高频放大电路运用的核心器件是场效应管。场效应管放大器有以下优点：（1）场效应管栅流小，输入阻抗高，Kp大。（2）放大时工作在dsi几乎不随dsu改变的区域，输出阻抗高。（3）因输入输出阻抗高，故回路可直接与管子相连，而不一定要经过阻抗变换器。当然，在频率相当高时，因输入输出阻抗急剧下降，并且为了匹配，场效应管亦应通过阻抗变换网络与回路相连。（4）内部反馈比晶体管小。这是因为反馈导纳比普通晶体管的小。在频率很高时，通过dgC的反馈较大，这时可用中和法消除dgC的影响。（5）场效应管的转移特性为平方曲线，不产生包络失真、交叉调制、三阶互调，阻塞电平可达3-4V。当然，实际特性不可能是理想平方曲线，因而总会有些失真，不过他比一般的晶体管要小的多。（6）噪声系数小。图2高频小信号放大的仿真结果52、混频器混频器是一个变频电路，一般用相乘器，高频放大电路和本地振荡电路的输出信号加到混频器的输入端，得到一个差频。调谐回路的输出，进入混频级的是高频调制信号，即载波与其携带的调制信号。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。通常将这个过程(混濒和本振的作用)叫做变频。从频谱观点上来看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真的从fc的位置上，因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。混频电路的原理是：把本机振荡产生的高频等幅振荡信号f1，与输入回路选择出来的广播电台的高频已调波信号f2同时加到非线性元件的输入端。利用元件的非线性作用（晶体管的非线性作用）进行混频。混频结果：输出频率为f1、f2以及频率为f1+f2、f1－f2、……高次谐波等多种信号。在设计中采用晶体三极管混频器，晶体三极管环型混频器的优点是工作频带宽，可达到几千兆赫，噪声系数低，混频失真小，动态范围等，但其主要缺点就是没有混频增益。由于混频器处于接收机的前端，它的噪声电平高低对整机有较大的影响，因此要求混频器的噪声系数越小越好。由于混频依靠非线性特性来完成，因此在混频过程中会产生各种非线性干扰，如组合频率，交叉调制，互相调制等干扰。这些干扰将会严重的影响通信质量，因此要求混频电路对此应能有效的抑制。图3混频电路6图4混频仿真结果图5混频仿真结果73、本地振荡器本振电路采用改进型电容三点式振荡电路。因为本振电路的输出频率要与高频放大电路的输出信号进行混频，得到一个中频信号。所以要求本振电路的输出频率必须很稳定。所以采用石英晶体振荡器。如果本振电路的输出不稳定，将引起变频器输出信号的大小改变，振荡频率的漂移将使中频改变。振荡器的振幅与振荡管的特性以及反馈电路的特性有关。图6本地振荡器电路图7本地振荡器信号仿真结果84、中频放大器超外差接收机中的中频放大器是一种频带较宽的谐振放大器。中频放大器采用谐振回路作负载，其谐振曲线接近理想曲线—矩形处。这对超外差接收机的中放来说是完全必要的，因中放任务之一是削弱邻近干扰，而邻近干扰频率离信号很近，变频之后，离中频放大器就很近，若中放的谐振曲线不好，便难以削弱。中频放大的作用有两个主要作用：（1）提高增益，因中频低于信号频率，晶体管的y参数及回路谐振电阻等较大，因此易于获得较高的增益。差外差接收机检波前的总增益主要取决于中放。（2）抑制邻近干扰。对中放的主要求是工作稳定，失真小，增益高，选择性好，有足够宽的通频带。对于高放，因工作频率0f高，通频带0/LBfQ宽，故高放回路的Q值越高越好，这时不必顾虑B太窄的问题；但对于中放，由于工作频率较低，若回路Q值过高，频带可能太窄而不能通过全部信号分量，故希望他在要求的通频带条件下选择性越高越好，也就是要求谐振曲线接近矩形。实际谐振曲线很难做到理想矩形，为了衡量实际谐振曲线接近矩形的程度，引入矩形系数0.10.70722rfkf，式中0.7072f为通频带。图8中频放大电路9图9中频放大仿真结果5、包络检波器把信号从中频放大输出的载波中解调出来，需要用到检波电路。检波器包括同步检波器和包络检波器。本次设计采用包络检波器。包络检波器的质量指标是：电压传输系数、等效输入电阻、失真等都要在电路中仿真中考虑。图10检波电路10检波电路如图10所示。电路图是二极管峰包络检波器，D1是检波二极管，C1是检波电容，其中检波电容通高频阻低频，而R2是直流负载电阻。电路中调制指数m=0.8，输入信号的载波频率是465KHZ，幅值是0.2V，调制信号频率60KHZ。图11检波电路仿真结果6、低频放大器从检波器解调出的输出信号一般很小，所以在输出极一般采用低频功率放大电路，把信号放大到所需要的大信号，然后再输出。电路如图12所示：图12低频放大电路11图13低频放大器仿真结果（六）系统设计与仿真分析系统工作流程：空间有许许多多电台发送的电磁波，它们都有自己的固定频率，收音机通过天线和由电感线圈和可变电容器组成的谐振电路（称调谐电路）来选择性的接收所需高频信号。由调谐电路所选择出的所需要的电台信号是已调幅的高频信号，并且十分微弱，需要先经过高频小信号放大器进行放大处理，再经过变频器（混频器和本振）将高频信号变为频率为465KHz的中频信号，这是超外差式收音机的核心部分，由于它是调制信号，喇叭无法将这种信号直接还原成为声音，因此，必须从高频信号中把音频信号分离出来，这个分离过程被称为解调，或检波。在收音机中，检波是由半导体器件二极管或三极管来完成。调幅的高频信号经检波还原出音频信号，再经过低频功放然后送往喇叭，喇叭将音频信号还原为声音。收音机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频之间的固定频率—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。而不是把接收天线接收下来的高频调幅波直接放大去检出音频信号（直放式）。超外差式收音机由输入回路高放混频级、一级中放、二级中放、前置低频放大器