高频信号发生器设计大学毕设论文.docx

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高频信号发生器设计大学毕设论文

目录

摘要3

Abstract4

1开发环境介绍5

2方案论证6

2.1方案一6

2.2方案二7

2.3方案三7

2.4方案对比选择8

3单元电路设计9

3.1音频发生器9

3.2高频振荡器10

3.2.1电容三点式振荡器10

3.2.2电感三点式振荡器11

3.2.3克拉泼振荡电路13

3.2.4西勒振荡电路13

3.3调幅电路设计16

3.3.1集电极调幅16

3.3.2基极调幅17

3.3.3模拟乘法器调幅18

4总电路设计20

5电路仿真21

5.1音频信号仿真21

5.2高频振荡信号仿真21

5.3调幅电路的仿真23

6高频信号发生器实物制作24

6.1实物制作24

6.1.1音频振荡器制作24

6.1.2高频振荡器制作24

6.1.3调幅电路制作24

6.2实物调试24

6.2.1高频振荡器调试24

6.2.2音频振荡器调试25

6.2.3调幅电路的调试25

7课程设计小结26

8参考文献27

9元件清单28

高频信号发生器设计

摘要

在电子线路中，除了要有对各种电信号进行放大的电子线路外，还需要有能在没有激励信号的情况下产生周期信号的电子电路，这种在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量的电子电路称为高频信号发生器。

高频信号发生器主要用来向各种电子设备和电路提供高频能量或高频标准信号，以便测试各种电子设备和电路的电气特性。

随着信息化的发展，以高频信号为载波的调制解调技术越来越成熟，很多无线防盗设计都采用高频信号发送和接收技术，收音机采用以高频信号为载波的频率调制技术，发送的信号质量高，失真度小。

高频信号应用的范围越来越宽。

因此高频信号发生器的研究是一个实用性的话题。

高频信号发生器主要是产生高频正弦振荡波，故电路主要是由高频振荡电路构成。

振荡器的功能是产生标准的信号源，广泛应用于各类电子设备中。

高频正弦波同时要实现调频、调幅的功能，因此需要产生低频率的音频信号对高频正弦波进行幅度调制。

本次课程设计包括三个部分，一是高频振荡器部分的设计，二是音频振荡器部分的设计，三是实现高频信号的调幅。

通过比较各模块方案的优缺点，选择合适的方案，对选定的方案进行仿真和实物制作，在熟练掌握高频电子线路相关知识的同时更加强了自己的思维能力和动手能力。

Abstract

Intheelectroniccircuitinadditiontoavarietyofelectroniccircuitstoamplifyelectricalsignals,butalsoneedtohavenoincentivetosignalinthecaseofaperiodicsignalgenerationelectroniccircuits,withoutexternalstimulussuchcircumstances,cantheDCcanbeconvertedintoacertainwaveform,acertainfrequencyandacertainlevelofenergyofalternatingelectroniccircuitknownasthehighfrequencysignalgenerator.

High-frequencysignalgeneratorismainlyusedtoprovideavarietyofelectronicdevicesandcircuitsorhighfrequencystandardsignalhighfrequencyenergytotestthevariouselectronicdevicesandcircuitelectricalcharacteristics.Withthedevelopmentofinformationtechnologytohigh-frequencycarriersignalmodulationanddemodulationtechnologybecomesmoremature,manydesignswirelesssecuritysignalssentandreceivedusinghigh-frequencytechnology,theradiofrequencysignalusingthecarrierfrequencymodulationtechniquesendasignalofhighquality,lessdistortion.Thescopeofapplicationofhighfrequencysignalgrowseverwider.Therefore,highfrequencysignalGeneratorisapracticalsubject.

High-frequencysignalgeneratoristoproducehigh-frequencysinusoidaloscillatorymainly,itismainlybythehigh-frequencyoscillationcircuitcircuit.Oscillatorfunctionistoproduceastandardsignalsource,widelyusedinvarioustypesofelectronicdevices.Highfrequencytoachievethesamefrequency,amplitudemodulationfunction,soneedtogeneratelow-frequencyaudiosignaltoamplitudemodulationofhighfrequency.

Thecourseconsistsofthreepartsbaseddesign,onepartofthedesignofhigh-frequencyoscillator,thesecondpartoftheaudiooscillatordesignistoachievethethreeamplitudemodulation.Bycomparingtheadvantagesanddisadvantagesofeachmoduleprograms，themasterknowledgeofhighfrequencyelectroniccircuits,whilealsostrengtheningtheirownthinkingandability.

1开发环境介绍

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2方案论证

一般高频信号发生器由主振级、调制级、输出级、缓冲级等几大部分组成，如图2－1所示。

图2-1高频信号发生器方框图

本课题是一小型简易高频信号发生器。

我们可采用只包含主振级和调制级两部分。

可供检修调试收音机、电视机及遥控设备之用。

2.1方案一

主振级与调制级是高频信号发生器的主要电路。

这两部分可采用两级电路，也可合为一级电路。

主振级是一个LC自激正弦波振荡器。

它输出一定频率范围的正弦波，又可送给调制级作为载波。

调制级的输出是提供测试接收机灵敏度、选择性等指标用的已调信号。

它可以是调幅波、调频波，也可以是脉冲信号。

本课题采用简化调幅电路。

在这里将主振级与调制级合二为一。

主振级本身就是一个正弦波振荡器。

当振荡管的某一个电极同时输入了音频信号时，则高频振荡将被音频信号所调制，此时振荡器输出的波形就不再是等幅波而是调幅波。

这样在主振级的基础上加上适当的音频信号可实现简易的调制级。

这里调制方式仅限调幅制一种。

高频信号发生器还要求有音频信号输出。

因此，仪器中还要包含一个音频振荡器，即上图所示中的内调制振荡器。

此振荡器既可输出音频信号，又可提供内调制信号。

不难看出，

我们设计的高频信号发生器实际上只有两部分：

一是音频振荡电路，一是高频振荡电路。

它们既能产生不同频率的正弦波，又能共同产生调幅波。

下图2-2即是其组成框图。

图2-2方案一输出方框图

2.2方案二

方案二在方案一的基础上有些改变，没有将主振级和调制级和二为一，而是采用了专门的调制电路将主振级与音频信号进行调制输出调幅波。

以下图1-3为器实现框图。

图2-3方案二输出框图

2.3方案三

采用直接数字频率合成（DDFS）技术产生波形。

作为波形的产生技术是以Nyquist时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成。

用RAM存储器存储所需的波形量化数据，按照不同频率要求以频率控制字K为步进对相位增进进行累加，以累加器相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据，经D\A转换和幅度控制，再滤波即可得所需波形。

DDFS具有相对带宽很宽，频率转换时间转换时间极短（可小于20ns），频率分辨率可以做到很高等优点；另外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，完全能够满足题目的要求。

图2-4方案三的框图

2.4方案对比选择

前两种方案对比有很多相似之处，方案一将调制电路和高频振荡信号产生器直接合成，方案二比方案一多出一个调制电路，方案三采用DDS合成技术，虽然，具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点，但以单片机AT89C52及DDS芯片AD9850为基础，成本高，其它的电路方案只需要简单的电阻、电容元件，成本少。

为了使电路模块更明朗，节约成本，决定将电路分成音频信号产生器、高频信号产生器、AM调幅三个电路模块，这样方便电路的一步步调试，因此本设计选择方案二。

3单元电路设计

3.1音频发生器

音频发生器主要是以产生低频率的正弦信号为目的，可以是LC振荡器、RC桥式振荡器，本次设计采用RC桥式振荡器，它可以产生稳定的低频正弦信号。

RC桥式正弦振荡电路如图3-1所示。

其中R1、C2和R2、C1为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。

R3、RW组成负反馈网络，调节RW可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。

为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。

图中的两个二极管D1，D2便是稳幅元件。

当输出电压的幅度较小时，电阻R3两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R3、RW决定，当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R3并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。

输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。

图3-1RC桥式正弦波振荡器

为了维持振荡输出，必须有：

（式3-1-1）

为了保证电路起振，必须有

（式3-1-2）

当：

R1=R2=R，C1=C2=C时，

（式3-1-3）

本设计的RC桥式振荡电路，电阻R=1.5KΩ，C=0.1uF，可以产生1KHz的正弦信号，用来对高频信号进行幅度调节。

用固定电阻和滑动变阻器确定电路的反馈系数和放大倍数，可以调节电位器实现输出电压幅度的调节。

调节滑动变阻器，上端电阻变大，可以增加放大倍数，使输出幅度增加，下端电阻增大，减小放大倍数，输出电压幅度变小。

3.2高频振荡器

高频振荡器是高频信号发生器的关键部分，高频振荡器的种类很多，根据工作原理可以分为反馈型振荡器和负阻型振荡器。

根据选频网络采用的器件可分为LC振荡器、晶体振荡器、变压器耦合振荡器等。

三点式LC振荡器其电路结构简单，频率易调节，广泛用于各种实验中，产生高频信号，下面介绍几种常见的电容三点式LC振荡器，通过比较确定本次设计的电路。

3.2.1电容三点式振荡器

电容三点式振荡器的基本电路如图3-2所示

图3-2电容三点式振荡器

由图可见：

与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C1和C2；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L，根据三点式振荡器的判别准则，该电路满足相位条件。

其工作过程是：

振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。

虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。

当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达到平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。

于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输出。

该振荡器的振荡频率

为：

（式3-2-1）

反馈系数F为：

（式3-2-2）

若要它产生正弦波，必须满足F=1/2-1/8，太小不容易起振，太大也不容易起振。

一个实际的振荡电路，在F确定之后，其振幅的增加主要是靠提高振荡管的静态电流值。

但是如静态电流取得太大，振荡管工作范围容易进入饱和区，输出阻抗降低使振荡波形失真，严重时，甚至使振荡器停振。

所以在实用中，静态电流值一般ICO=0.5mA-4mA。

电容三点式振荡器的优点是：

1）振荡波形好。

2）电路的频率稳定度较高。

工作频率可以做得较高，可达到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。

电路的缺点：

振荡回路工作频率的改变，若用调C1或C2实现时，反馈系数也将改变。

使振荡器的频率稳定度不高。

3.2.2电感三点式振荡器

电感三点式振荡器电路如图3-3所示

图3-3电感三点式振荡电路

图3-3是电感三点式振荡电路的原理图。

由图可见，这种电路的LC并联谐振电路中的电感有首端、中间抽头和尾端三个端点，其交流通路分别与放大电路的集电极、发射极（地）和基极相连，反馈信号取自电感L2上的电压，因此，习惯上将图3-3所示电路称为电感三点式LC振荡电路，或电感反馈式振荡电路。

电感三点式振荡电路分析方法与电容三点式振荡器类似。

相位平衡条件：

根据"射同基反"的原则，也可以判别三点式振荡电路的相位平衡条件，方法是先画出交流等效电路如图2-3所示,显然该电路符合"射同基反"的原则，因此满足相位平衡条件。

可求得电感三点式振荡器的振幅起振条件和振荡频率。

振荡频率为：

（式3-2-3）

其中L=L1+L2+2M，M为互感系数。

电感三点式振荡电路的特点：

（1）工作频率范围为几百kHz~几MHz；

（2）反馈信号取自于L2，其对f0的高次谐波的阻抗较大，因而引起振荡回路的谐波分量增大，使输出波形不理想。

3.2.3克拉泼振荡电路

为克服共基电容三点式振荡器的缺点，可对其进行改进，得到串联型改进电容三端式振荡器，即克拉波振荡电路。

它的电路组成如图3-4。

图3-4克拉泼振荡电路

电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L支路。

功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。

使振荡频率的稳定度得以提高。

因为C3远远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。

电路的振荡频率为：

与共基电容三点式振荡器电路相比，在电感L支路上串联一个电容。

但它有以下特点：

振荡频率改变可不影响反馈系数。

2、振荡幅度比较稳定；但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4；为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器。

3.2.4西勒振荡电路

西勒振荡电路克服了克拉泼振荡电路频率调节范围小的缺点，其电路图如图3-5所示。

图3-5西勒振荡电路

电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。

功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。

电路的振荡频率为：

（式3-2-4）

特点：

1.振荡幅度比较稳定；2.振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。

3.2.5高频振荡电路分析

上面介绍了四种三点式振荡器：

电容三点式振荡器，在调节频率的同时反馈系数会发生改变，可能使电路不满足起振条件或是产生的高频信号不够稳定。

电感三点式振荡器，由于电感线圈对高次谐波呈现高阻抗，所以反馈电压中高次谐波分量较多，输出波形较差。

同时电感三点式由于级间电容的原因，它工作的频率不能太高。

克拉泼振荡电路主要用于固定频率或波段频率范围较窄的场合，这是因为克拉泼振荡电路频率不易改变，因此不适合做高频信号发生器的振荡电路。

洗了电路克服了上述三种电路的缺点，实现了输出频率高，幅度稳定，频率调节范围大。

综上选择西勒振荡电路作为高频信号发生器的高频振荡电路模块。

具体电路如图3-5。

图3-6高频振荡电路

合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。

－般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。

根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA选ICQ=2mA，VCEQ=6V，β=100

则有

为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1KΩ则Rc＝2KΩ

因：

UEQ=ICQ·RE则：

UEQ=2mA×1K=2V

因：

IBQ=ICQ/β则：

IBQ=2mA/100=0.02mA

一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ,若取10IBQ

因：

计算可选取RB2=5K

因：

：

为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由8.2KΏ电阻与50K电位器串联构成。

电容参数的选择按照西勒电路的要求，选择C1、C2时，在满足反馈系数F=C1/C2在1/8—1/2间。

尽量使电路容易起振，选择C1=100pf，C2=680pf。

电容C3应该比C1、C2小，选择C3=10pF。

为了实现频率调节范围大，并联了两个60pF的电容，通过开关控制，保证了频率调节足够大。

为了减少高频信号的影响，提高信号的频率，选取电感L=10uH。

本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3和并联的电容决定，假设取并联等效为C4,则产生高频振荡信号频率为：

（式3-2-5）

产生的高频频率大约在5M—16M。

为了尽可能地减小负载对振荡电路的影响，振荡信号应尽可能从电路的低阻抗端输出。

本电路设计了射级跟随电路，信号从射级输出。

3.3调幅电路设计

为了改变高频信号的输出幅度，常采用低频信号控制高频信号的幅度，

用调制信号uΩ去控制高频载波信号uc的振幅,使载波信号的振幅按照调制信号UΩ的规律变化。

即已调制信号UAM变化的周期与调制信号uΩ的周期相同，且幅度的变化与调制信号的振幅成正比.常用的幅度调节方式有AM调幅、DSB调幅、SSB调幅。

AM调幅电路中主要有集电极调幅、基极调幅、模拟乘法器MC1496调幅，下面介绍几种常用的AM调幅电路。

3.3.1集电极调幅

所谓集电极调幅，就是用调制信号来改变高频功率放大器的集电极电压，以实现调幅。

从高频功率放大器中知道，当放大器工作在过压状态时集电极电流的基波分量的幅度与集电极电压呈线性关系。

因此，为获得有效的条幅，应该是放大器工作在过压状态。

它的基本电路如3-7所示，由图可知，低频调制信号与直流电压源串联，因此放大器的有效集电极电源电压等于上述两个电压之和，它随调制信号波形而变化。

在过压状态下，集电极电流的基波分量随集电极电源电压成正比变化。

因此，集电极的回路输出高频电压振幅将随调制信号的波形而变化，从而得到调幅波。

集电极调幅的集电极效率高，晶体管获得充分的应用，但已调波的边频功率由调制信号提供，需要大功率的调制信号源。

图3-7集电极调幅电路

3.3.2基极调幅

基极调幅的原理图如图3-8所示。

图3-8基极调幅电路

基极调幅电路如图Z0906 所示，图中Cb1，Cb2分别对载波和调制信号旁路以形成通路，C3对载波和调制信号均能旁路。

Rb1、Rb2为偏置电路，使晶体管发射结处于临界导通，从而使放大器工作在甲乙类状态。

Tr1是高频变压器，Tr2是低频变压器，它们分别使高频载波信号和低频调制信号耦合到晶体管基极上。

由图可见，载波电压、直流偏压和调制信号电压在基极电路中是串联的。

故：

 如把UBE + um看成是放大器晶体管的总偏压时，显然，这个偏压将随调制信号变化而变化。

如图Z0907所示。

这正是基极调幅电路与谐振功率放大器的区别点。

这样，当加上等幅的高频载波后，由于基极偏压的变化，在集电极回路中将出现幅度随um而变化的一系列高频电流脉冲，如图所示。

这种高频电流包含着许多新的频率成份，又由于集电极电路中的LC回路谐振在ω0上，所以只有ω0，和ω0±Ω三个频率成份在回路上有较大的压降，而其他成份都将滤去，因此，在回路两端便得到调幅电压。

3.3.3模拟乘法器调幅

在现代通信设备中，广泛使用集成模拟乘法器来实现AM、DSB、SSB调制与同步解调、倍频、混频和相位检测。

它具有电路简单，性能优越且稳定，调整方便，利于设备的小型化的优点。

模拟乘法器是对两个以上互不相关的模拟信号实现相乘功能的非线性函数电路。

通常它有两个输入端（x端和y端）及一个输出端。

模拟乘法器中MC1496是使用比较广泛的一种，下面对其详细介绍。

MC1496