基于Multisim的调频电路设计与仿真.docx

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基于Multisim的调频电路设计与仿真

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实践教学

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兰州理工大学

计算机与通信学院

2011年秋季学期

高频电子线路课程设计

题目：

基于Multisim的调频电路设计与仿真

专业班级：

姓名：

学号：

*******

成绩：

基于Multisim的调频电路设计与仿真

摘要

频率的调制和解调是通信电子线路中非常重要且比较关键的一部分，调频电路在通信电子线路中运用非常广泛且作用很大,如何学好此部分对我们来说非常重要。

本课程设计的内容是学习基于Multisim的调频电路设计与仿真。

用Multisim仿真软件进行调频电路调频和解调，得到仿真结果。

调制信号的仿真结果是弹簧波形图,解调信号的仿真结果是调制信号波形图。

从仿真结果中更好地理解频率的调制和解调。

关键词：

频率的调制和解调；Multisim;仿真分析。

第一章绪论

1.前言

着全球经济一体化的发展，世界通信行业也是日新月异，发展迅猛之快，更新速度之极，给与我们巨大的挑战和机遇。

“通信电子线路”是学习通信的基础课程，“高频电子线路”具有很强的理论性和实践性。

频率的调制和解调是通信电子线路的重要组成部分。

此部分在学习的过程当中具有有一定的困难。

为了更好的学习，采用计算机辅助分析方法。

本课程设计是基于Multisim的调频电路的设计和仿真。

2.基本原理

《高频电子线路》主要的学习内容是无线电通信系统中发射和接收设备中单元电路的形式及工作原理等。

在无线电发射机中，需要发射的低频调制信号（如由语音信号转换而来的电信号）都要经过调制才能发送传输。

所谓调制是指用低频调制信号去改变高频振荡波，使其随低频调制信号的变化规律（幅度、频率或相位）相应变化的过程。

由这些经过调制后的已调波携带低频信号的信息到空间进行传输，完成信号的发射。

从频谱的角度来看，调制是将低频调制信号的频谱从低频端搬到高频端的过程。

所谓解调是在无线电接收机中，从接收到的已调波信号中恢复出原低频调制信号的过程称之为解调。

从频谱的角度来看，解调则是将信号的频谱从高频端搬回到低频端的过程。

调频电路广泛运用于无线广播、电视节目传播、移动通信、微波和卫星等通信系统中，频率调制信号比调幅信号抗干扰性强。

使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。

已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。

已调波的振幅保持不变。

调频波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母FM表示。

Multisim是一个能进行电路原理设计、对电路功能进行测试分析的仿真软件。

Multisim的功能更强大，更适合于对模拟电路、数字电路和通信电路等的仿真与测试。

它的元器件库提供数千种电路元器件供仿真选用，提供的虚拟测试仪器仪表种类齐全，还有较为详细的电路分析功能，仿真速度更快。

它将实验过程中创建的电路原理图、使用到的仪器、电路测试分析后结果的显示图表等全部集成到同一个电路窗口中，具有直观、方便、实用和安全的优点。

第二章频率的调制与解调

2.1调频的方法及原理

产生调频信号的电路叫做调频器。

对它有四个主要要求：

（1）已调波的瞬时频率与调制信号成比例地变化。

这是基本要求。

（2）未调制时的载波频率，即已调波的中心频率具有一定的稳定度（视应用场合不同而有不同的要求）。

（3）最大频移与调制频率无关。

（4）无寄生调幅或寄生调幅尽可能小。

产生调频信号的方法很多，归纳起来主要有两类：

第一类是用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频。

第二类是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波。

即由调相变调频——间接调频。

1）直接调频原理

直接调频基本原理是用调制信号直接线性地改变载波振荡的瞬时频率。

因此，凡是能直接影响载波振荡瞬时频率的元件或参数，只要能够用调制信号去控制它们，并从而使载波振荡瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，都可以完成直接调频的任务。

如果载波由

自激振荡器产生．则振荡频率主要由谐振回路的电感元件和电容元件所决定。

因此，只要能用调制信号去控制回路的电感或电容，就能达到控制振荡频率的目的。

变容二极管或反向偏置的半导体PN结，可以作为电压控制可变电容元件；具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制可变电感元件。

方法是在磁芯上绕一个附加线圈，当这个线圈中的电流改变时，它所产生的磁场随之改变，引起磁芯的磁导率改变（当工作在磁饱和状态时），因而使主线圈的电感量改变，于是振荡频率随之产生变化。

2）变容二极管调频

变容二极管调频的主要优点是能够获得较大的频移（相对于间接调频而言），线路简单，并且几乎不需要调制功率。

其主要缺点是中心频率稳定度低。

它主要用在移动通信以及自动频率微调系统中。

一、基本原理

变容二极管是利用半导体PN结的结电容随反向电压变化这一特性而制成的一种半导体二极管。

它是一种电压控制可变电抗元件，其结电容

与反向电压

存在如下关系：

（2.1.1）

其中，

是未施加反向偏置时的结电容，

是势垒电压，

是所施加的反向偏置电压，

为变容系数。

图2.1（a）表示变容管结电容随反向电压变化的关系曲线。

加到变容管上的反向电压，包括直流偏压

和调制信号电压

，如图2.1（b）所示，即

（2.1.2）

此处假定调制信号为单音频简谐信号。

结电容在

的控制下随时间发生变化，如图2.1（c）所示。

把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路．如图2.2所示，则振荡频率亦受到调制信号的控制。

适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系。

这样就实现了调频。

在图2.2中，虚线左边是典型的正弦波振荡器，右边是变容管电路。

图2.2-变容二极管调频原理电路

加到变容管上的反向偏压为

（2.1.3）

式中，

是反向直流偏压。

图2.2中，

是变容管与

回路之间的耦合电容，同时起到隔直流的作用；

为对调制信号的旁路电容；

是高频扼流圈，但让调制信号通过。

3）晶体振荡器直接调频

通过振荡器的学习，我们已知，晶体振荡器有两种类型。

一种是工作在石英晶体的串联谐振频率上，晶体等效为一个短路元件，起着选频作用。

另一种是工作于晶体的串联与并联谐振频率之间．晶体等效为一个高品质因数的电感元件，作为振荡回路元件之一。

通常是利用变容二极管控制后一种晶体振荡器的振荡频率来实现调频。

变容二极管接入振荡回路有两种方式。

一种是与石英晶体相串联，另一种是与石英晶体相并联。

无论哪一种接入方式，当变容二极管的结电容发生变化时，都引起晶体的等效电抗发生变化。

在变容二极管与石英晶体相串联的情况下，变容管结电容的变化，主要是使晶体串联谐振频率fq发生变化，从而引起石英晶体的等效电抗的大小变化．如图2.3（a）所示。

当变容二极管与石英晶体相并联时，变容二极管结电容的变化，主要是使晶体的并联谐振频率发生变化，这也会引起晶体的等效电抗的大小发生变化，如图2.3（b）所示，该图是电纳曲线。

总之，如果用调制信号控制变容二极管的结电容，由于石英晶体的等效电抗（我们应用的是处在fq与fp之间的感抗Xq）的大小也受到控制，因而亦使振荡频率受到调制信号的控制，即获得了调频信号，但所产生的最大相对频移很小，约只有10-4数量级。

变容二极管与晶体并联联接方式有一个较大的缺点，就是变容管参数的不稳定性直接严重地影响调频信号中心频率的稳定度。

因而用得比较广泛的还是变容管与石英晶体相串联的方式。

图2.4是对皮尔斯晶体振荡器进行频率调制的典型电路。

图中，C1、C2与石英晶体、变容管组成皮尔斯振荡电路；L1、L2与L3为高频扼流圈；R1、R2与R3是振荡管的偏置电路；C3对调制信号频率短路：

当调制信号使变容管的结电容变化时，晶体振荡器的振荡频率就受到调

2.2FM解调的方法及原理

能够完成对调频信号解调的电路称为鉴频器。

它能将调频波进行变换,恢复出原始调制信号的幅度或相位。

鉴频器的输出电压与输入调频波的瞬时频率偏移成正比，其比例系数称做鉴频跨导。

图2.5为鉴频器输出电压V与调频波的频偏

之间的关系曲线，称为鉴频特性曲线。

它的中部接近直线的部分的斜率即为鉴频跨导。

它表示每单位频偏所产生的输出电压的大小。

我们希望鉴频跨导尽可能大。

1）单失谐回路斜率鉴频器

单失谐回路斜率鉴频器电路如图2.6所示。

其工作原理如下：

LC谐振回路中心频率为ω0≠ωc。

如图2.7，ωc失谐在LC单调谐回路幅频特性的上升或下降沿的线性段中点.

利用该点附近的一段近似线性的幅频特性，将调频波转变成调幅调频波。

单失谐回路斜率鉴频器的缺点是：

鉴频特性曲线线性鉴频范围小，非线性失真较大。

图2.7单失谐回路斜率鉴频器工作原理

2）双失谐回路斜率鉴频器

双失谐回路斜率鉴频器电路如图2.8所示。

其工作原理如下：

两个LC谐振回路中心频率分别为，ω0≠ωc。

如图2.9,ωc失谐在两个LC单调谐回路幅频特性的上升和下降沿的交点，在该点，两个单失谐回路斜率鉴频器的输出信号为

和

，它们合成了双失谐回路斜率鉴频器的输出信号为

，

、

和

的波形如图2.9所示，鉴频特性曲线如图2.10所示。

第三章基于Multisim的调频电路设计与分析

3.1Multisim软件介绍

随着电子信息产业的飞速发展,计算机技术在电子电路设计中发挥着越来越大的作用.电子产品的设计开发手段由传统的设计方法和简单的计算机辅助设计（CAD）逐步被EDA技术所取代.目前国内外常用的EDA软件有EWB、Protel、Orcad、Pspice系列软件。

Multisim10仿真软件就是EWB系列软件中的一种。

电子线路课程设计是针对电子线路课程的要求，对学生进行综合训练，培养学生运用课程中所学到的知识，独立地解决实际问题的能力[1]。

传统方法是先设计电路，然后在面包板或实验箱进行实验调整参数，最后再制版、安装、调试。

传统方法存在技术手段陈旧，教、学、做受到条件的限制，学习效率不高等问题。

Multisim10仿真软件可以构成一个虚拟的实验工作台[2]，学生在虚拟环境下完成电子技术课程设计的选择元件、创建电路、计算与调整参数以及观测仿真结果等中心环节。

并且设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验所用的元器件及测试仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验。

最后进行实物组装、调试，实现了电路设计的优化而保证达到设计要求[3][4]。

NIMultisim10是美国国家仪器公司（NI，NationalInstruments）最新推出的Multisim最新版本。

目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。

Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim4个部分相互独立，可以分别使用。

Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim4个部分有增强专业版（PowerProfessional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。

1、NIMultisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”。

NIMultisim10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。

2、NIMultisim10的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用，同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，因此也很方便的在工程设计中使用。

3、NIMultisim10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。

4、NIMultisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。

5、NIMultisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电、射频电路及微控制器和接口电路等。

可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。

在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。

6、NIMultisim10有丰富的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更要的是包含有元器件的功能解说，Help中这种元器件功能解说有利于使用EWB进行CAI教学。

另外，NIMultisim10还提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件PSpice之间的文件接口，也能通过Windows的剪贴板把电路图送往文字处理系统中进行编辑排版。

支持VHDL和VerilogHDL语言的电路仿真与设计。

7、利用NIMultisim10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：

设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。

8、NIMultisim10易学易用，便于电子信息、通信工程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力。

9、电源/信号源库包含有接地端、直流电压源（电池）、正弦交流电压源、方波（时钟）电压源、压控方波电压源等多种电源与信号源。

基本器件库包含有电阻、电容等多种元件。

基本器件库中的虚拟元器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是可以选择的。

10、Multisim10二极管库包含有二极管、可控硅等多种器件。

二极管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。

11、晶体管库包含有晶体管、FET等多种器件。

晶体管库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。

模拟集成电路库包含有多种运算放大器。

模拟集成电路库中的虚拟器件的参数是可以任意设置的，非虚拟元器件的参数是固定的，但是是可以选择的。

TTL数字集成电路库包含有74××系列和74LS××系列等74系列数字电路器件。

CMOS数字集成电路库包含有40××系列和74HC××系列多种CMOS数字集成电路系列器件。

数字器件库包含有DSP、FPGA、CPLD、VHDL等多种器件。

数模混合集成电路库包含有ADC/DAC、555定时器等多种数模混合集成电路器件。

指示器件库包含有电压表、电流表、七段数码管等多种器件。

电源器件库包含有三端稳压器、PWM控制器等多种电源器件。

其他器件库包含有晶体、滤波器等多种器件。

键盘显示器库包含有键盘、LCD等多种器件。

机电类器件库包含有开关、继电器等多种机电类器件。

微控制器件库包含有8051、PIC等多种微控制器。

射频元器件库包含有射频晶体管、射频FET、微带线等多种射频元器件。

12、子电路是由用户自己定义的一个电路（相当于一个电路模块），可存放在自定元器件库中供电路设计时反复调用。

利用子电路可使大型的、复杂系统的设计模块化、层次化，从而提高设计效率与设计文档的简洁性、可读性，实现设计的重用，缩短产品的开发周期。

13.multisim的仪器库存放有数字多用表、函数信号发生器、示波器、波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、瓦特表、失真度分析仪、网络分析仪、频谱分析仪11种仪器仪表可供使用，仪器仪表以图标方式存在。

数字多用表（Multimeter）是一种可以用来测量交直流电压、交直流电流、电阻及电路中两点之间分贝损耗，自动调整量程的数字显示的多用表。

函数信号发生器（FunctionGenerator）是可提供正弦波、三角波、方波三种不同波形的信号的电压信号源。

瓦特表（Wattmeter）用来测量电路的功率，交流或者直流均可测量。

示波器（Oscilloscope）用来显示电信号波形的形状、大小、频率等参数的仪器。

波特图仪（BodePlotter）可以用来测量和显示电路的幅频特性与相频特性，类似于扫频仪。

字信号发生器（WordGenerator）是能产生16路（位）同步逻辑信号的一个多路逻辑信号源，用于对数字逻辑电路进行测试。

逻辑分析仪（LogicAnalyzer）用于对数字逻辑信号的高速采集和时序分析，可以同步记录和显示16路数字信号。

失真分析仪（DistortionAnalyzer）是一种用来测量电路信号失真的仪器，multisim提供的失真分析仪频率范围为20Hz～20kHz。

频谱分析仪（SpectrumAnalyzer）用来分析信号的频域特性，multisim提供的频谱分析仪频率范围上限为4GHz。

网络分析仪（NetworkAnalyzer）是一种用来分析双端口网络的仪器，它可以测量衰减器、放大器、混频器、功率分配器等电子电路及元件的特性。

Multisim提供的网络分析仪可以测量电路的S参数并计算出H、Y、Z参数。

IV（电流/电压）分析仪用来分析二极管、PNP和NPN晶体管、PMOS和CMOSFET的IV特性。

注意：

IV分析仪只能够测量未连接到电路中的元器件。

Multisim提供测量探针和电流探针。

在电路仿真时，将测量探针和电流探针连接到电路中的测量点，测量探针即可测量出该点的电压和频率值。

电流探针即可测量出该点的电流值。

14、multisim具有较强的分析功能，用鼠标点击Simulate（仿真）菜单中的Analysis（分析）菜单（Simulate→Analysis），可以弹出电路分析菜单。

直流工作点分析（DCOperatingPoint...）在进行直流工作点分析时，电路中的交流源将被置零，电容开路，电感短路。

交流分析（ACAnalysis...）用于分析电路的频率特性。

需先选定被分析的电路节点，在分析时，电路中的直流源将自动置零，交流信号源、电容、电感等均处在交流模式，输入信号也设定为正弦波形式。

若把函数信号发生器的其它信号作为输入激励信号，在进行交流频率分析时，会自动把它作为正弦信号输入。

因此输出响应也是该电路交流频率的函数。

瞬态分析（TransientAnalysis...）

是指对所选定的电路节点的时域响应。

即观察该节点在整个显示周期中每一时刻的电压波形。

在进行瞬态分析时，直流电源保持常数，交流信号源随着时间而改变，电容和电感都是能量储存模式元件。

傅里叶分析（FourierAnalysis...）

方法用于分析一个时域信号的直流分量、基频分量和谐波分量。

即把被测节点处的时域变化信号作离散博里叶变换，求出它的频域变化规律。

在进行傅里叶分析时，必须首先选择被分析的节点，一般将电路中的交流激励源的频率设定为基频，若在电路中有几个交流源时，可以将基频设定在这些频率的最小公因数上。

譬如有一个10.5kHz和一个7kHz的交流激励源信号，则基频可取0.5kHz。

噪声分析（NoiseAnalysis...）

用于检测电子线路输出信号的噪声功率幅度，用于计算、分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。

在分析时，假定电路中各噪声源是互不相关的，因此它们的数值可以分开各自计算。

总的噪声是各噪声在该节点的和（用有效值表示）。

噪声系数分析（NoiseFigureAnalysis...）

主要用于研究元件模型中的噪声参数对电路的影响。

在Multisim中噪声系数定义中：

No是输出噪声功率，Ns是信号源电阻的热噪声，G是电路的AC增益（即二端口网络的输出信号与输入信号的比）。

噪声系数的单位是dB，即10log10（F）。

失真分析（DistortionAnalysis…）

用于分析电子电路中的谐波失真和内部调制失真（互调失真），通常非线性失真会导致谐波失真，而相位偏移会导致互调失真。

若电路中有一个交流信号源，该分析能确定电路中每一个节点的二次谐波和三次谐波的复值，若电路有两个交流信号源，该分析能确定电路变量在三个不同频率处的复值：

两个频率之和的值、两个频率之差的值以及二倍频与另一个频率的差值。

该分析方法是对电路进行小信号的失真分析，采用多维的“Volterra”分析法和多维“泰勒”（Taylor）级数来描述工作点处的非线性，级数要用到三次方项。

这种分析方法尤其适合观察在瞬态分析中无法看到的、比较小的失真。

直流扫描分析（DCSweep...）

是利用一个或两个直流电源分析电路中某一节点上的直流工作点的数值变化的情况。

注意：

如果电路中有数字器件，可将其当作一个大的接地电阻处理。

灵敏度分析（Sensitivity...）

是分析电路特性对电路中元器件参数的敏感程度。

灵敏度分析包括直流灵敏度分析和交流灵敏度分析功能。

直流灵敏度分析的仿真结果以数值的形式显示，交流灵敏度分析仿真的结果以曲线的形式显示。

参数扫描分析（ParameterSweep…）

采用参数扫描方法分析电路，可以较快地获得某个元件的参数，在一定范围内变化时对电路的影响。

相当于该元件每次取不同的值，进行多次仿真。

对于数字器件，在进行参数扫描分析时将被视为高阻接地。

采用温度扫描分析（TemperatureSweep…）

可以同时观察到在不同温度条件下的电路特性，相当于该元件每次取不同的温度值进行多次仿真。

可以通过“温度扫描分析”对话框，选择被分析元件温度的起始值、终值和增量值。

在进行其它分析的时候，电路的仿真温度默认值设定在27℃。

零一极点分析（PoleZero）

方法是一种对电路的稳定性分析相当有用的工具。

该分析方法可以用于交流小信号电路传递函数中零点和极点的分析。

通常先进行直流工作点分析，对非线性器件求得线性化的小信号模型。

在此基础上再分析传输函数的零、极点。

零极点分析主要用于模拟小信号电路的分析，对数字器件将被视为高阻接地。

传递函数分析（TransferFunction…）

可以分析一个源与两个节点的输出电压或一个源与一个电流输出变量之间的直流小信号传递函数。

也可以用于计算输入和输出阻抗。

需先对模拟电路或非线性器件进行直流工作点分析，求得线性化的模型，然后再进行小信号分析。

输出变量可以是电路中的节点电压，输入必须是独立源。

最坏情况分析（WorstCase…）

是一种统计分析方法。

它可以使你观察到在元件参数变化时，电路特性变化的最坏可能性。

适合于对模拟电路值流和小信号电路的分析。

所谓最坏情况是指电路中的元件参数在其容差域边界点上取某种组合时所引起的电路性能的最大