高频电子线路课程设计报告.docx
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高频电子线路课程设计报告
中波电台发射及接收系统设计
——通信电子线路课程设计
姓名：
院系：
班级：
学号：
2013年11月8日
高频电子线路课程设计报告
一课程设计内容
1.中波电台发射系统设计
2.中波电台接收系统设计
二课程设计目的及要求
1.中波电台发射系统设计
目的：
是要求掌握最基本的小功率调幅发射系统的设计与安装调试。
要求：
载波频率535-1605KHz，载波频率稳定度不低于10-3，输出负载51Ω，总的输出功率50mW，调幅指数30％~80％。
调制频率500Hz~10kHz。
2.中波电台接收系统设计
目的：
是要求掌握最基本的超外差接收机的设计与调试。
要求：
AM调幅接收系统设计主要技术指标：
载波频率535-1605KHz，中频频率465KHz，输出功率0.25W，负载电阻8Ω，灵敏度1mV。
三课程设计具体内容
第一部分中波电台发射系统设计：
一课程设计所需相关知识及概述
通信系统中的发送设备是将信息发送者送来的非电量原始信息（信源）如语音、文字和图像等转变成电信号，再把信号处理成适合于信道传输的信号形式送至信道。
信源信号在通信系统中称为基带信号。
基带信号是频谱在零频附近的宽带信号，这种信号一般具有从零频开始的较宽的频谱，而且在频谱的低端分布较大的能量，所以称为基带信号，这种信号不宜直接在信道中传输。
如果将消息信号对频率较高的载波进行调制，就能使信号的频谱搬移到适合信道的频率范围内进行传输。
例如声音基带信号的频率范围是20Hz～20kHz，这样的基带信号是不能在无线信道上传输的。
即使在某些可以传输直流的有限信道上，为了提高信道的通信容量，基带信号的传输方式也很少采用。
一般是用基带信号去改变某个高频正弦电压（载波）的参数，使载波的振幅、频率或相位随基带信号而变化，这一过程称为调制。
在通信系统中，调制有三个主要作用：
1调制的过程就是一个频谱搬移的过程，将原来不适宜传输的基带信号频谱搬移到适宜传输的某一个频段上，然后传输至信道；2调制的另一个重要作用是实现信道复用，即把多个信号分别安排在不同的频段上同时进行传输，以提高信道容量；3调制可以提高通信系统抗干扰的能力，例如将信号频率搬移，从而离开某一特定干扰频率。
对不同的信道，根据经济技术等因素，可以采用不同的调制方式。
以模拟信号为调制信号，对连续的正（余）弦载波进行调制，亦即载波的参数随着调制信号的作用而变化，这种调制方式称为模拟调制。
而所谓调幅，就是指，使振幅随调制信号的变化而变化，严格的讲，就是指载波振幅与调制信号的大小成线性关系，而它的频率和相位不变。
振幅调制分为4中方式：
AM（普通调幅）、DSB（抑制载波双边带调幅）、SSB（单边带条幅）、VSB（残余边带调幅）。
本设计调幅发射系统指的是AM调幅。
二小功率调幅发射系统工作原理及功能框图
输出到天线
功率放大级
振幅调制级
主振级
音频处理器
上图是小功率调幅发射系统功能框图，可知该发射系统共分为四大部分。
1主振级：
发射系统的核心，主要用来产生一个频率稳定的，幅度较大的，波形失真小的，高频正弦波信号作为发射载频信号。
该级电路通常采用LC谐振回路作为选频网弱的晶体管振荡器。
2音频处理器：
主要是用来提供音频调制信号，通常采用低频电压放大器和功率放大器把音频调制信号送到振幅调制级完成调幅功能。
3振幅调直级：
产生调制信号。
也可与功放级放在一起。
4功率放大级：
功率放大级有缓冲部分、激励部分和功率放大部分组成。
它的作用是以较高效率输出最大功率以满足输出要求。
三小功率调幅发射系统方案选择
1主振级
主振级振荡器就是高频振荡器，根据载波频率的高低和频率稳定度来确定电路形式。
共有三种方案选择。
第一是RC振荡器，RC振荡器由电阻和电容组成，没有调谐回路，不能抑高制次谐波的产生，因此不适合用于高频电路。
第二种是电容，电感三点式振荡器。
其中电容三点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形好。
为提高频率稳定度，可采用改进三点式振荡电路，如克拉波振荡电路、西勒振荡电路。
第三种可选晶体振荡器。
晶体振荡器，晶体振荡器频率稳定度高，振荡频率不易受外界因素（温度、湿度、电压变化等）影响。
为了方便仿真，电路选择西勒振荡器。
2音频处理器
音频振荡部分频率为500—10kHZ左右，RC振荡器就能满足条件，因此选择简单的RC振荡器。
3振幅调制级
振幅调制有两种电路，低电平调幅电路和高电平调幅电路
低电平调幅电路输出功率小，适用于低功率系统。
它的电路形式有多种，如斩波调幅器、平衡调幅器、模拟乘法器调幅等，比较常用的是采用模拟乘法器形式制成的集成调幅电路，即集成模拟乘法器调幅。
这种集成电路的出现，使产生高质量调幅信号的过程变得极为简单，而且成本很低。
高电平调幅电路输出功率大，一般在系统末级直接产生满足发射要求的调幅波。
它的电路形式主要有集电极调幅和基极调幅两种。
集电极调幅电路的优点是效率高，晶体管获得充分的应用；缺点是需要大功率的调制信号源。
基极调幅电路的优缺点正好与之相反，它的平均集电极效率不高，但所需的调制功率很小，有利于调幅发射系统整机的小型化。
本次设计采用数字乘法器实现的调制方法，数字乘法器混频输出频谱纯净，组合频率分量少。
四功率放大级
功率放大器主要有甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）、丙类功放，根据功放的输出功率和效率来确定选择哪一种。
采用低电平调幅电路的系统，由于调制器输出信号为调幅波，其后的功率放大器必须是线性的（如甲类、甲乙类或乙类功放）；而采用高电平调幅电路的系统，则在末级直接产生达到输出功率要求的调幅波，多以丙类放大器作为此时的末级电路。
本实验选用丙类放大器。
五单元电路设计、参数计算和器件选择（总图在最后）
1主振级模块
主振荡电路采用的是西勒振荡电路，调整R1可改变静态工作点（一般不用，所以未用滑动变阻器。
），调节R8可改变输出波形振幅，调节C6可调整振荡频率。
电路图振荡频率，其中L=80uH，C2=1nF，C3=5nF，c6=250pF。
由西勒电路频率计算方法计算得f，而实际调整电路结果为968KHz考虑到忽略参数较多，理论结果存在误差，因此可以此初步确定可变电容值，然后在进行微调即可得到想要结果。
另外，此模块还在振荡电路后面接一级缓冲级，由射极跟随器组成，可减小后级电路对振荡电路的影响。
缓冲级输出波形如图1.2所示。
图1.1
图1.2
图1.3
2音频处理器
音频处理器使用的RC振荡电路，计算频率用频率公式即可
音频放大电路中左半部分RC振荡电路能够产生1KHz左右的单音信号，经过LM358进行放大，可通过调节滑动变阻器R1，改变振幅大小，当振幅过大时会产生失真。
本次设计仿真只用到的单音信号，较为理想的输出波形如图所示。
若实际电路需要接入话筒产生的0~4.5KH范围内的语音信号，可将R4断开，通过一个极性电容接入5号管脚。
图3-4音频放大信号输出波形
3振幅调制电路
振幅调制即用低频信号去控制高频信号，使输出的信号幅值随低频信号变化，实现将低频信号搬移到高频段，达到远距离传输的目的。
振幅调制功能采用数字相乘器实现。
3.2调制波信号波形
下图为调制信号波形：
４功率放大电路
功率放大电路主要功能是进行能量转换，将直流能量转换为交流能量。
电路图如下图所示，由于数字相乘器输出信号幅值较小，因此加一级激励放大电路，本次设计要求发射效率大于50%，所以采用丙类功率放大器。
并且该电路可以满足实验所要求的输出功率要求。
发射系统总电路图
整机电路由主振荡器、音频放大器、振幅调制电路和功率放大电路组合而成。
主振荡器输出1mHZ载波信号，可通过主振荡模块调节载波信号幅值；音频放大器输出为调制信号，两者通过振幅调制电路进行数字相乘得到调制后的信号，即高频信号振幅随调制信号变化而变化，将调制信号由低频段搬移到高频段；然后再经过功率放大器进行功率放大，发射出去，从而达到远距离传输的目的。
第二部分中波电台接收系统设计:
一课程设计所需相关知识及概述
参照中波电台发射系统设计，这里不过多阐述。
二超外差接收机工作原理及功能框图
上图为超外差接收机功能框图。
在超外差式调幅接收机的设计过程中，应将其分为高频放大、变频器、中放、检波、低频放大五个部分。
整个电路的设计必须注意几个方面。
选择性好的级，应尽可能靠近前面，因在干扰及信号都不大的地方把干扰抑制下去，效果最好。
如干扰及信号很大，则由于晶体管的非线性，将产生严重的组合频率及其他非线性失真，这时滤除杂波比较困难。
为此，在高级接收机中，输入电路常采用复杂的高选择电路。
为了使混频和本振分别调到最佳状态，要采用单独的本振。
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。
三超外差接收机方案选择
1高频小信号放大器
我们已经在第二章学过了高频小信号放大器，高频小信号放大器是用来放大高频信号的器件，在接收机中，高频放大器放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，一般采用管子做放大器件，而且并联谐振回路作为负载，让信号谐振在信号载频（若有边频分量，便要设计回路的通频带能通过边频，使已调信号不失真）。
这样做的好处是：
1）回路谐振能抑制干扰；2）并联回路谐振时，其阻抗很大，从而可输出很大的信号。
对高放的主要要求是:
（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。
2本振电路
在本次设计中，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。
3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
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。
如图3.3.1所示
图3.3.1频谱电路
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。
4中频放大电路
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。
中放采用谐振回路作负载，这是与高放共同之处；但中放的谐振曲线接近理想曲线—矩形，这是与高放不同之处。
后者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，离中频就很近，若中放的谐振曲线不好，便难以削弱。
此外，中放还具有工作频率固定与级数多两个特点。
中放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
高，通频带
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
，式中
为通频带。
5检波
在调幅广播中，幅度调制是使载波信号载波信号电压的振幅随音频调制信号而变化。
从振幅收到调制的载波信号中取出来原来的音频调制信号的过程叫做检波，也叫解调。
中频信号465khz的调幅波，经过解调，可取出原来的信号。
本次用的是包络检波器。
大信号的检波过程主要是利用二极管的单向导电特性和检波负载RC的充放电过程。
包络检波的将高频变成低频，即实现了解调，从而从已调波中获得信息，并将信号送给低频放大器。
六低频放大器
从检波器输出的信号一般很小，所以在输出极一般采用低频功率放大电路，如果是音频信号，可以外加一个喇叭。
1．功率放大器的功能
将直流功率转化为交流功率，工作在非线性状态，即丙类。
2．功率放大器的特点
1）输入为大信号2）要求输出功率尽可能大,管子工作在接近极限状态
3）效率要高4）非线性失真要小5）BJT的散热问题
五单元电路设计、参数计算和器件选择（总图在最后）
1高频小信号放大器
高频小信号放大器由小信号谐振放大器组成，放大有用信号；并抑制干扰信号。
是可调谐的。
主要注意以下几点。
1.
增益：
（放大系数）
电压增益：
2.通频带：
放大器的总通频带随着放大级数的增加而变窄，并且通频带越宽，放大器的增益就越小，两者是相矛盾的！
3.选择性
从各种不同频率信号的总和（有用的和有害的）中选出有用信号，抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性。
选择性常采用矩形系数和抑制比来表示。
4.工作稳定性
指放大器的工作状态（直流偏置）、晶体管参数、电路元件参数等发生可能的变化时，放大器的主要特性的稳定。
以下是电路及仿真波形
2本地振荡器
本地振荡器由晶体管BG1、可变电容Cb、振荡变压器（简称中振或短振）B2和电容C3构成变压器反馈式振荡器。
它能产生等幅高频振荡信号，振荡频率总是比输入的电台信号高465kHz。
本振条件：
正反馈（相位条件），幅度（反馈量要足够大）。
以下是电路及仿真波形
3混频器
两个输入信号。
fc：
高频已调信号，fL：
本振信号。
将fc不失真的变换为fI，fI=|fc-fL|，我国中频fI=465KHZ。
将高频转变成中频。
由调谐回路和本振电路组成天线所接收信号由L2耦合到BG1的基极，本机振荡信号通C3耦合到BG1的发射极。
两种频率的信号在BG1中混频，混频后由集电极输出各种频率的信号。
其中包含本机振荡频率和电台振荡频率的差额等于465kHz的中频信号。
下图是电路原理图和仿真波形。
以下是电路及仿真波形
4中频放大器
中频放大器的功能是将混频器输出信号进行电压放大以满足检波器输入幅度的要求。
输入电台信号与本振信号差出的中频信号f恒为某一固定值465kHz，它可以在中频的“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。
以下是电路及仿真波形
5检波器
大信号的检波过程主要是利用二极管的单向导电特性和检波负载RC的充放电过程。
包络检波的将高频变成低频，即实现了解调，从而从已调波中获得信息，并将信号送给低频放大器。
包络检波器电路及波形如下图。
电路图是二极管峰包络检波器，其中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0.2伏，调制信号的频率是60KHz。
包络检波器的质量指标：
电压传输系数、等效输入电阻，失真（惰性失真、负峰切割失真、非线性失真、频率失真），等都要在电路总仿真中考虑。
6低频放大器
将直流功率转化为交流功率，工作在非线性状态，即丙类。
（上面说过一些，不多过叙述）
四两个系统的总图
中波发射系统
中波接收系统
五心得和体会
紧张而又繁忙的高频电子线路课程设计过去了，通过这两周的课程设计的实习中,使我受益匪浅。
这次课设，使我真正的意识到自己对高频电子线路相关知识的缺乏以及动手能力的欠缺。
没有实践，再好的理论也没有用。
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。
至今我仍感慨颇多，的确，从开始到设计完成，从理论到实践，在整整一个星期的日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说是困难重重，难免会遇到各种各样的问题，最后在老师和同学的帮助下顺利完成了这次任务。
虽然这次课设很难很不好做，但我却过得相当充实。
通过课设，让我清楚地认识到了自己这方面知识的缺乏，更加激起我在今后的学习中去不断地了解去学习高频电子线路设计知识。
因为自己学的是通信专业，所以高频知识显得尤为重要。
学好高频知识，对自己以后的工作及生活也是非常必要的。
在这次的实训中，也不免遇到了一些搞不懂的地方，这样的事情同样锻炼了自己的耐心以及遇到困难想办法解决的能力。
感谢老师为我们进行耐心的讲解，通过本次为期一周的实训，我们已经能够掌握高频电子线路制作的基本知识。
总之，这次的实训将为我今后的学习与工作打下了坚实的基础。
参考文献
[1]《高频电子线路实验与课程设计》杨翠娥主编，哈尔滨工程大学出版社
[2]《高频电路设计与制作》何中庸译，科学出版社
[3]《高频电子线路》第三版张肃文主编，高教出版社
[4]《高频电子线路辅导》曾兴雯，陈健，刘乃安主编，西安电子科大出版社
[5]《高频电子线路实验与综合设计》杨霓清主编，机械工业出版社
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