課程設計報告題

目：基于Multisim的頻電路設計學生姓名

：學生學號

：系

別

：

信息科學與工程學院專

業

：

通信屆

別

：

2013屆指導教師

：

于的FM調頻電目錄目錄1課3.3.332基的調定........................................出4證5.5.63實圖124實析12調頻真12誤差：14實驗：155實考176總.17參考文獻18元件清單192

于的FM調頻電課程設計的任務與要求1.1通過本次課程設計，掌握通信電子電路中利用變容二極管進行調制的方法。在硬件電路上采用變容二極管進行直接調頻和基于軟件進行仿真和測試，并進行分析。1.2本課程設計主要研究FM調制系統的理論設計和基于軟件仿真。(1)設計要求：用變容二極管設計一調頻電路，其中變容二極管兩端電壓Vq=4V時，Cq=75pF，Q的斜率為12.5pF/V。(2)主要技術指標：中心頻率調制信號：1KHz，頻偏：1.3《通信電子電路》中第七章的主要學習內容是無線電通信系統中發射和接收設備中單元電路的形式及工作原理等。在無線電發射機中，如果需要發射低頻調制信號（如由語音信號轉換而來的電信號要經過調制才能進行發送傳輸。所謂調制是指用低頻調制信號去改變高頻振蕩波，使其隨低頻調制信號的變化規律（幅度、頻率或相位）相應變化的過程。由這些經過調制后的已調波攜帶低頻信號的信息到空間進行傳輸，完成信號的發射。從頻譜的角度3

于的FM調頻電來看，調制是將低頻調制信號的頻譜從低頻端搬到高頻端的過程。調頻電路廣泛運用于無線廣播、電視節目傳播、移動通信、微波和衛星等系統中，頻率調制信號比調幅信號抗干擾性強。使載波頻率按照調制信號改變的調制方式叫調頻。已調波頻率變化的大小由調制信號的大小決定，變化的周期由調制信號的頻率決定。已調波的振幅保持不變。調頻波的波形，就像是個被壓縮得不均勻的彈簧，調頻波用英文字母FM表示。Multisim是一個能進行電路原理設計、對電路功能進行測試分析的仿真軟件。Multisim的功能強大，更適合于對模擬電路、數字電路和通信電路等的仿真與測試。它的元器件庫提供數千種電路元器件供仿真選用，提供的虛擬測試儀器儀表種類齊全，還有較為詳細的電路分析功能，仿真速度更快。它將實驗過程中創建的電路原理圖、使用到的儀器、電路測試分析后結果的顯示圖表等全部集成到同一個電路窗口中，具有直觀、方便、實用和安全的優點。基于變容二極管的FM調系統方案制定2.1所謂調頻，就是把要傳送的信息（例如語言、音樂）作為調制信號去控制載波（高頻振蕩信號）的瞬時頻率，使其按調制信號的規律變化。許多調頻發射電路中采用直接調頻電路：如無線麥克風發射電路、無線遙控玩具的發射機電路及對講機電路等。在模擬電路課程的學習中，我們學習過各種振4

于的FM調頻電蕩器，這些振蕩器產生的是頻率、幅度不變的單頻余弦波。按照調頻波的定義，若這些振蕩器的頻率能夠被低頻信號直接控制而改變，則振蕩器就可輸出調頻波，相應的稱這些電路為直接調頻電路。變容二極管是根據結的結電容隨反向電壓大小而變化的原理設計的一種二極管。它的極間結構、伏安特性與一般檢波二極管沒有多大差別。不同的是在加反向偏壓時，變容二管呈現較大的結電容。這個結電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。正是利用了變容二極管這一特性，將變容二極管接到振蕩器的振蕩回路中，作為可控電容元件，則回路的電容量會隨調制信號電壓而變化，從而改變振蕩頻率，達到調頻的目的。由于抗干擾能力強、功率利用率高、信息傳輸保真度高等優點，頻率調制廣泛應用于各種通信系統和電子設備中。實現調頻的方法有直接調頻法和間接調頻法兩類。2.2案證調頻就是用調制信號控制載波的振蕩頻率，使載波的頻率隨著調制信號變化。已調波稱為調頻波。調頻波的振幅保持不變，調頻波的瞬時頻率偏離載波頻率的量與調制信號的瞬時值成比例。調頻系統實現稍復雜，占用的頻帶遠較調幅波為寬，因此必須工作在超短波波段。抗干擾性能好，傳輸時信號失真小，利用率也較高。使載波頻率按照調制信號改變的調制方式叫調頻。已調波頻率變化的大小由調制信號的大小決定，變化的周期由調制信號的頻率決定。已調波的振5

jjr于的FM調頻電jjr幅保持不變。調頻波的波形，就像是個被壓縮得不均勻的彈簧，調頻波用英文字母FM表示。（1）變容二極管的特性變容二極管是根據結的結電容隨反向電壓改變而變化的原理設計的。在加反向偏壓時，變容二管呈現一個較大的結電容。這個結電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。正是利用了變容二極管這一特性，將變容二極管接到振蕩器的振蕩回路中，作為可控電容元件，則回路的電容量會明顯地隨調制電壓而變化，從而改變振蕩頻率，達到調頻的目的。變容二極管的反向電壓與其結電容呈非線性關系。其結電容與反向偏置電壓Ur之間有如下關系：C

Cu

r

(1)式中，UD為結的勢壘電壓，Cj0Ur=0時的結電容;γ為電容變化系數。（2）調頻基本原理6

rccQΩ于的FM調rccQΩMultisim真容極調電圖1是變容二極管調頻器的原理電路。整個圖形可以分為兩個部分，主振電路和調頻電路。左邊是一個克拉潑電路，其中和Rb2是偏置電阻，Rc和Re分別為集電極電阻和射極電阻，Q1一個型號2N2222A的三極管，C1，C2，C3以及L1是振蕩電路的主要工作元件，右邊是型變容二極管和它的偏置電路。其中Cc是耦合電容，L2高頻扼流圈，它對高頻信號可視為開路。變容二極管是振蕩回路的一個組成部分，加在變容二極管上的反向電壓為=V+u(t)=V+(t)(2)式中，VQ=Vcc是加在變容二極管上的直流偏置電壓；uΩ(t)為調制信號電壓。7

ΩΩmrQΩΩm于的FM調ΩΩmrQΩΩm圖結容調電變關圖2(a)是變容二極管的結電容與反向電壓的關系曲線。由電路可知，加在變容二極管上的反向電壓為直流偏壓和調制電壓uΩ(t)之和，若設調制電壓為單頻余弦信號，即(t)=cosΩt則反向電壓為:(V+cos

(3)如圖2(b)所示。在(t)的控制下，結電容將隨時間發生變化，如圖2(c)所示。結電容是振蕩器振蕩回路的一部分，結電容隨調制信號變化，回路總電容也隨調制信號變化，故振蕩頻率也將隨調制信號變化。只要適當選取變容二極管的特性及工作狀態，可以使振蕩頻率的變化與調制信號近似成線性關系，從而實現調頻。為了滿足變容二極管兩端電壓Vq=4V時，Cq=75pF，Q處的斜率為12.5pF/V。故選擇變容二極管的型號為BBY31，已測量出其曲線如圖3所示。圖變二管Cj-V曲（3）電路分析設調制信號為(cosΩt，加在二極管上的反向直流偏壓為VQ，VQ的取值應保證在未加調制信號時振蕩器的振蕩頻率等于要求的載波頻率，同時還8

rQΩrQjQjQjj0j0(1DDQjj1c于的rQΩrQjQjQjj0j0(1DDQjj1c應保證在調制信號uΩ(t)的變化范圍內保持變容二極管在反向電壓下工作。加在變容二極管上的控制電壓為()=V+cosΩt

(4)當調制信號電壓u(t時，即為載波狀態。此時t)=V，對應的變容二極管結電容為C:C

C

r

(5)當調制信號電壓uΩ(t)=UΩmcos時，C

C[1cos]r

[

CUcosD

)]r

(6)代入式(5),并令m=UΩm/(UD+VQ)為電容調制度，則可得C

C[1]r

(7)上式表示的是變容二極管的結電容與調制電壓的關系。而變容二極管調頻器的瞬時頻率與調制電壓的關系由振蕩回路決定。由圖可得，振蕩器振蕩回路的等效電路，如圖4所示。圖振回（潑）效路(3)變容二極管作為振蕩回路的總電容設C未接入,C較大,即回路的總電容僅是變容二極管的結電容。加在變9

1jLCΩΩmr2222rc[1cc于的FM調頻電1jLCΩΩmr2222rc[1cc容二極管上的高頻電壓很小,可忽略其對變容二極管電容量變化的影響,則瞬時振蕩角頻率為wt)

LC

(8)因為未加調制信號時的載波頻率所以

w()

1jQwt)

LC

11(1)

r

(9)根據調頻的要求,當變容二極管的結電容作為回路總電容時,實現線性調頻的條件是容二極管的電容變化系數γ=2。若變容二極管的電容變化系數不等于2，設(t)=cos，則

(1cos)

，可以在mcos處展開成為泰勒級數,得rrrrr[[cos)mcoscos2

mcos)

(10)通常m<1上列級數是收斂的。因此可以忽略三次方項以上的各項,則從上式可知,對于變容二極管調頻器,若使用的變容二極管的變容系數γ≠2,則輸出調頻波會產生非線性失真和中心頻率偏移。其結果如下：rr[wt)wcoscos2!

]rr2r[1cos2cos28

2

2

]rrrrr[1(m2m(28

2

2]a.調頻波的最大角頻率偏V

r

mw

(11)b.頻波會產生二次諧波失真,二次諧波失真的最大角頻率偏移10

1jjΩΩm∑cjQ1cjcjQ1cjQ于的FM調1jjΩΩm∑cjQ1cjcjQ1cjQr

2w

（12調頻波的二次諧波失真系數為

f

w

m

(13)c．調頻波會產生中心頻率偏移，其偏離值為

w

r

2

w

(14)r中心角頻率的相對偏離值為8

m

2

(15)綜上所述，若要調頻的頻偏大，就需增大，這樣中心頻率偏移量和非線性失真量也增大。在某些應用中，要求的相對頻偏較小，而所需要的也就較小。因此，這時即使γ不等于2，二次諧波失真和中心頻率偏移也不大。由此可見，在相對頻偏較小的情況下，對變容二極管值的要求并不嚴格(4)變容二極管部分接入振蕩回路變容二極管的結電容作為回路總電容的調頻電路的中心頻率穩定度較差，這是因為中心頻率fc決定于變容二極管結電容的穩定性。當溫度變化或反向偏壓VQ不穩時，會引起結電容的變化,又會引起中心頻率較大變化。為了減小中心頻率不穩,提高中心頻率穩定度，通常采用部分接入的辦法來改善性能變容二極管和Cc串聯，再和C1并聯，構成振蕩回路總電容∑

C

(16)加調制信號(tcosΩt后，總回路電容C為CC/cos)rCC/cos)CCCC)r相應的調頻特性方程為

r

(17)11

LC于的FM調頻電LCwt)

1

L[

1CCC(1)r

]

(18)從上式知，調頻特性取決于回路的總電容∑，而∑可以看成一個等效的變容二極管，C∑隨調制電壓uΩ(t)的變化規律不僅決定于變容二極管的結電容Cj隨調制電壓uΩ(t)的變化規律，而且還與C1和Cc的大小有關。變容二極管部分接入振蕩回路，中心頻率穩定度比全部接入振蕩回路要高，但最大頻偏要減小。實現調頻的原理圖直接調頻電路的普通LC振蕩器中心頻率穩定度較低，波形容易失真，而采用克拉潑LC振蕩電路的調頻器可以解決這個矛盾。其結構原理如圖所示。LC振回路（產生載波）

變容二極管直接調頻電路

函數發生器（產生調制信號）調頻輸出圖5FM理圖實驗結果與分析4.1電路元件的選擇和參數計算：12

于的FM調頻電1.振蕩電：首先通過查閱資料可知三極管ICQ應該在1-4mA間，這樣的振蕩波形振幅適中而且波形不易失真。故設置，通過計算可知三極管兩端的電壓為。再設置VCC=12V，易求Rc+Re=3kΩ，所以取kΩ，Re=1.5kΩ。由2N2222A參數表可知，發射結電壓為0.45Vβ*IBQ，且β=230，而我們可以這么認為IB>>IBQ。即IB=37*IBQ=259μA通過Rb1的電流為259μA通過Rb2電流為251，而基極電壓為2.88v，所以Rb1的阻值為35.28kΩ，Rb2的阻值為kΩ。已知克拉潑電路的振蕩頻率

f

12π

，帶入已知參數中心頻率f0=10.7MHz。可知L1*C1≈220,通過實際仿真發現電路參數有些許偏差，這時取，C1=20.46pF。電容C2、C3由反饋系數F及電路條件C1<<C2所決定，若取C2=480pF，由則取C3=1020pF，取耦合電容Cb=10nF。2.變容二管電路

/C~1/

，由所給條件找到的變容二極管，變容管靜態反向偏壓Q=－4V，由特性曲線圖變容二極管Cj-V曲線,可得變容管的靜態電容CQ。接入系數p為

p

j

,回路總電容C∑

C

Cj

j

為減小振蕩回路高頻電壓對變容管的影響，p應取小，但p過小又會使頻偏達不到指標要求。故先取，當VQ=－4V時，對應CQ=75pF，則CcpF。由設計要求可知，變容二極管的正常工作的反向偏置電壓為，R1與R2為變容二極管提供靜態時的反向直流偏置電壓，電阻R3稱為隔離電阻，常取R3>>R2，R3>>R1，以減小調制信號Ω對VQ影響。已知VQ=4V，若取R2=5k，隔離電阻Ω。則R1=10KΩ13

于的FM調頻電3.調制信電路：調制信號是由函數發生器調制出的正弦信號頻eq\o\ac(△,偏)fm要求20KHzm

fQ

(1)CC

CCcjCc

j

(2)p

j

(3)c

j

(4)可由上述幾個公式以及已知參數，C1，Cc，Cj以及圖3變容二極管Cj-V曲線，易求得頻偏為20KHz。4.2由于設計電路時電路元件存在誤差，并且電路的參數設置會產生誤差，加上電路設計本身存在某些問題有待進一步改進和完善，各級電路連接在一個時會互相干擾。4.2.1Ic測首先測量電源電流，檢查、排除可能出現的嚴重故障，再進行各級測量，檢驗數值是否與所設計的相符合。另一方面檢查電路板是否存在人為問題。末級高頻晶體管集電極電流可以在預先斷開的測試點串入用萬用表測出，其他各級Ic可以測量各發射極電壓算末級，如果過大，輸入電阻是否有誤。在一定大的Ic下，快速測量其中的點電位，可以幫助分析判斷，提高排除故障的速度。14

于的FM調頻電4.2.2LC回路的Q值要高是晶體管要工作在放大區滿足電容三點式的條件。由于高頻振蕩電壓在發射結上產生的自給偏壓作用，所以起振時，三極管UCE小于原來的靜態值（如諸PNP約0.1~0.3V約小，振蕩越強，用萬用表可以方便地判斷是否起振，然而，振蕩效率的調節范圍以及波形的是好是壞需要用示波器測量，或頻率計測出頻率的變化范圍。調整振蕩頻率時，應把可變電容調整到電容最大處。若振幅太小了，可以考慮β是否太小、工作點是否太低、負載是否太大，若發現寄生振蕩，要檢查β是否過大等存在的問題。諸如不起振或間歇振蕩等，要細心分析檢查，對癥下藥以解決問題。4.31.LC振蕩回路穩定后的輸出波形2.中心頻率為10.7MHz15

于的FM調頻電利用頻率儀測出中心頻率在10.7MHz附近波動。以下是仿真結果：圖心率3.調制信號為1KHz在示波器中可以看出兩個標尺之間的時間為，利用f=1/T可以得到T大致等于1KHz。以下是仿真結果：圖調信頻16

于的FM調頻電4.頻偏為20KHz根據上面電路元件參數的設定可以知道電路的頻偏滿足要求。實驗特點與實驗思考本實驗使用傳統的變容二極管調頻思想，實驗電路包括振蕩電路、調頻電路以及相關的外圍電路，實驗過程中通過信號源產生調制信號，加載到電路所產生的高頻振蕩信號上實現調頻。本實驗由于振蕩回路的中心頻率和最大頻偏相差太大，故實驗結果不是特別明顯。要進一步更加清晰的觀察FM的調頻結果，需要重新設定電路的最大頻偏和中心頻率，再依據電路原理公式重新計算電路元件的參數值。另外本實驗是