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高频课程设计报告
题 目振幅调制及解调器的设计姓 名不眠者科技指导教师XXX学科专业XXX起止日期2025/1/3 目录 前言高频课程设计报告一、系统性能指标分析1.、基本要求2、发挥部分 二、系统方案2.1、功能框图1.信号输入2.载波信号发生器3.乘法器4.功率放大5.射极跟随器1.功率放大2.检波电路 2.2、数学模型2.3、元器件的选择 三、仿真设计3.1、电路原理3.1.1、载波发生器3.1.2、乘法器电路3.1.3、高频功放电路3.1.4、仿真发射端与接收端级联电路3.1.5、包络检波电路 3.2、仿真软件3.3、仿真结果及分析3.3.1、起振器3.3.2、AM波形图 3.4、基带测试信号 四、原理图及PCB设计五、结论六、参考文献七、获取压缩包资源 一、系统性能指标分析
1.、基本要求
(1) 实现基带信号的传输。基带信号定义为2kHz~10kHz的语音信号实际测试过程可以用单频正弦波替代要求接收端解调后的模拟信号波形无明显失真 (2) 载波频率设置规则 ➢ 中心频率f02.79MHz可调详见下文设计 ➢ 载波频率误差±0.05MHz频率稳定度不低于10-3 (3) 发送端调幅指数ma在30~80之间。输出负载50Ω波谷Vpp0.8V (4) 接收端输入阻抗50Ω接收机灵敏度≤-30dBm(输入波形峰值≤10mVp)仿真发射端与接收端级联时可以采取下列电阻分压(信号无失真传输)方式(图中参数为示波器10:1衰减电路仅供参考)
图1-1示波器10:1衰减电路 发射端与接收端级联时的信号无失真传输参考电路(分压比10:1) (5) 接收端通频带≤1MHz负载电阻16ΩVpp0.8V (6) 分块实现功能要求每块的验证要完整可部分级联或全部级联。
2、发挥部分
(1)在满足基本要求的前提下实现收发级联; (2)在满足基本要求的前提下接收端的输入信号幅度越小越好; (3)在满足基本要求的前提下发送端的基带信号范围扩展到200Hz~20kHz; (4)·设计一种语音信号接入方式利用本系统可以传输真实的语音信号并在接收端可以较好的恢复出该信号。
二、系统方案
2.1、功能框图 图2-1系统功能框图 系统分为两部分分别是发射机系统和接收机系统发射机系统主要负责将信号进行调制、放大并通过天线发送出去。其主要组成部分如下 系统分为两部分分别是发射机系统和接收机系统发射机系统主要负责将信号进行调制、放大并通过天线发送出去。其主要组成部分如下
1.信号输入 这是发射机系统的起点负责接收待发送的原始信号。
2.载波信号发生器 载波信号是一个高频正弦波用于携带待发送的信号。载波信号发生器负责生成这个高频正弦波。
3.乘法器 乘法器将待发送的信号已调制或未调制与载波信号相乘实现信号的调制。这一过程将低频信号或基带信号转换为高频信号以便在无线信道中传输。
4.功率放大 调制后的信号在传输前需要进行功率放大以确保信号具有足够的强度能够覆盖所需的通信距离。功率放大器负责完成这一任务。
5.射极跟随器 射极跟随器通常用于提高电路的输入阻抗和降低输出阻抗从而实现信号的缓冲和隔离。在发射机系统中射极跟随器可能用于功率放大器之后以提供稳定的输出信号并减少信号在传输过程中的损失。 接收机系统主要负责接收、放大和解调从发射机发送过来的信号以恢复原始信息。其主要组成部分如下
1.功率放大 在接收机系统中功率放大器用于放大接收到的微弱信号以提高信号的信噪比和后续处理的准确性。
2.检波电路 检波电路负责从接收到的已调制信号中提取出原始信号或称为基带信号。这一过程是调制的逆过程通常涉及信号的解调、滤波和放大等操作。 整个系统通过发射机系统将信号调制、放大并发送出去然后通过接收机系统接收、放大和解调信号以恢复原始信息。发射机系统和接收机系统通过无线信道相互连接共同实现了无线通信的功能。
2.2、数学模型 所谓调制就是在传送信号的一方将所要传送的信号附加在高频振荡上再由天线发射出去。这里高频振荡波就是携带信号的运载工具也叫载波。振幅调制就是由调制信号去控制高频载波的振幅直至随调制信号做线性变化。在线性调制系列中最先应用的一种幅度调制是全调幅或常规调幅简称为调幅AM。为了提高传输的效率还有载波受到抑制的双边带调幅波DSB和单边带调幅波SSB。在频域中已调波频谱是基带调制信号频谱的线性位移在时域中已调波包络与调制信号波形呈线性关系。
设正弦载波为:
2.3、元器件的选择 乘法器采用MC1496芯片该MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。其内部电路和引脚如下图(a)(b)所示。其中VT1,VT2与VT3,VT4组成双差分放大器VT5,VT6组成的单差分放大器用以激励VT1VT4。VT7、VT8及其偏置电路组成差分放大器、的恒流源。引脚8与10接输入电压UX1与4接另一输入电压Uy输出电压U0从引脚6与12输出。引脚2与3 外接电阻RE对差分放大器VT5、VT6 产生串联电流负反馈以扩展输入电压Uy的线性动态范围。引脚14为负电源端双电源供电时或接地端单电源供电使 引脚5外接电阻R5。用来调节偏置电流I5及镜像电流I0的值。
图2-2MC1496内部电路和引脚图 调制信号是只来来自信源的消息信号基带信号这些信号可以是模拟的亦可以是数字的。为首调制的高频振荡信号可称为载波它可以是正弦波亦可以是非正弦波(如周期性脉冲序列)。载波由高频信号源直接产生即可然后经过高频功率放大器进行放大作为调幅波的载波调制信号由低频信号源直接产生二者经过乘法器后即可产生双边带的调幅波工作原理如图2.1。
图2-3标准调幅波产生原理框图 图2-4标准调幅波示意图 由图2.3可见调幅波中载波分量占有很大比重因此信息传输效率较低称这种调制为有载波调制。为提高信息传输效率广泛采用抑制载波的双边带或单边带振幅调制。
三、仿真设计
3.1、电路原理
3.1.1、载波发生器 图3-1载波发生器 如图3-1所示载波发生器采用西勒振荡器要实现振荡频率频率为
设置C123nFC151nFC1622pFL4100uH通过调节电容C20值改变频率大小这里设置C20100pF设置为10.1%从而使得频率为2.79MHz。
3.1.2、乘法器电路 图3-2乘法器电路 乘法器电路采用MC1496典型电路之前一直有人问怎么画这次开放在这里由于仿真软件中没有MC1496所以我们自己画了MC1494的内部电路图做成一个芯片如下图所示
图3-3Multisim仿真MC1496内部电路 3.1.3、高频功放电路 为了使得发出的信号符合发射的功率要求采用功率放大电路对信号进行功率放大。 图3-4高频功放电路 3.1.4、仿真发射端与接收端级联电路 图3-5仿真发射端与接收端级联电路 仿真发射端与接收端级联时采取电阻分压(信号无失真传输)方式为10:1衰减电路具体如图3-5所示。
3.1.5、包络检波电路 图3-6包络检波电路 二极管包络检波电路仅用于对普通调幅波进行解调其电路如图3-6所示。在二极管包络检波电路中D为检波元件C和R构成低通滤波器当输入的已调波信号较大时二极管D是断续工作的。当输入信号正半周时二极管导通对电容C充电信号负半周和输入电压较小时二极管截止电容C对R放电。在R两端得到的电压包含的频率成分很多经过电容C滤除高频部分在输出端就可得到还原的低频信号。 为实现发送端调幅指数ma在0~100调节通过设计电路调节滑动变阻器R29实现发送端调幅指数的调节具体电路如下图所示。
图3-7调幅指数ma在0~100调节 3.2、仿真软件 Multisim是一款功能强大的电子电路仿真软件由美国国家仪器NI公司开发。它提供了直观的图形界面和丰富的元器件库使用户能够轻松设计、搭建和测试电路。通过Multisim用户可以模拟电路的工作状态进行参数分析、瞬态分析和频率响应分析等从而优化电路设计。此外它还支持虚拟仪器如示波器、万用表等便于用户实时监测电路性能。Multisim是电子工程师、学生和教师不可或缺的工具极大地提高了电路设计和教学的效率。
3.3、仿真结果及分析 静态工作点调测无输入信号的情况下调节W,使用万用表测得U1第1、4脚的电压差接近0V。(改变RW,可以使乘法器实现AM调制)
3.3.1、起振器 图3-8起振器输出频率为2.79MHz 输出峰峰值为894mV。
3.3.2、AM波形图 图3-9m30%时的AM波形 输出负载50Ω波谷Vpp2.057V0.8V此时输出功率为61.7mW。 图3-10m80%时的AM波形 输出负载50Ωm80%时波谷Vpp1.545V0.8V此时输出功率为70.3mW。 图3-11m30%接收机输入输出情况 图3-12m80%接收机输入输出情况 图3-10和图3-11显示接收机输入输出情况如图所示红色波形为AM输出蓝色波形为输出情况可以看出通过接收机电路能够较好的还原波形。 接收端输入阻抗50Ω接收机灵敏度≤-30dBm(输入波形峰值≤10mVp)。 图3-13m30%接收机输入情况 黄色为发射机输出波形红色为接收机接收初始波形。当m30%时收机接收的波形峰值≤10mV。 图3-14m80%接收机输入情况 黄色为发射机输出波形红色为接收机接收初始波形。当m80%时收机接收的波形峰值≤10mV。 接收端通频带≤1MHz负载电阻16ΩVpp0.8V
图3-15m30%接收机输出情况 可以发现当输出趋近稳定时负载电阻16Ωm30%接收机输出Vpp1.717V0.8V满足系统要求。 图3-16m80%接收机输出情况 可以发现当输出趋近稳定时负载电阻16Ωm80%接收机输出Vpp3.967V0.8V满足系统要求。
3.4、基带测试信号 图3-17设置基带测试信号 图3-18m80%时的AM波形 输出负载50Ω波谷Vpp2.198V0.8V此时输出功率为62.3mW。 图3-19m80%接收机输入输出情况 通道B蓝色为接收机输入通道A红色为接收机输出信号。可以发现当输出趋近稳定时负载电阻16Ωm80%接收机输出Vpp1.716V0.8V满足系统要求。
四、原理图及PCB设计 原理图设计要求严格它不仅是电路设计的初步构想也是后续PCB布局和布线的核心参考。设计需保持清晰度和简洁性使用标准符号和线条避免复杂布局和过多交叉线以提高可读性。同时应采用模块化设计将电路划分为特定功能模块以提高设计的可维护性。标准电气和电子符号的使用以及电源和地线管理的明确标识对于确保设计的准确性和可读性至关重要。信号流向需通过箭头或其他标志明确表示元件引脚和数值也需详细标注。此外版本控制、注释和说明的添加以及电磁兼容性的考虑都是高质量原理图设计不可或缺的部分。设计完成后应进行仔细的检查和审查确保符合相关标准和规范。同时使用适当的线宽、颜色以及保持原理图的整洁和有序也是确保设计质量的重要要求。这些要素共同构成了高质量原理图设计的基础为后续PCB设计的顺利进行和产品的可靠性提供有力保障。 根据仿真结果符合系统参数要求。通过对载波发生器、乘法器电路、高频功放电路、仿真发射端与接收端级联电路、包络检波电路等进行合并设计如下图所示。
图3-20原理图设计 PCB设计的核心在于综合考虑布局设计的合理性确保组件按电路原理图和信号流向合理放置高频信号路径短而直以减少损失和干扰同时满足制造精度和散热需求布线设计需使用宽短导线提高信号质量避免环路以减少电磁干扰并采用适当接地策略减少噪声电源和接地设计需稳定且合理以提高电路稳定性和可靠性热设计需考虑散热需求采用散热措施以提高电路可靠性和寿命最后根据设计文件制造原型板并进行功能测试和性能测试根据测试结果调整优化以满足具体应用场景的高效、稳定和可靠运行要求。
图3-21PCB设计 五、结论
本系统成功实现了基带信号的传输与接收且解调后的模拟信号波形无明显失真。载波频率稳定调幅指数符合要求输出负载与接收端输入阻抗均达到预定标准。通过仿真测试验证了发射机与接收机的性能包括起振器输出频率与波形、AM调制波形以及接收机输入输出情况。在接收端系统能够较好地还原波形且接收机灵敏度、通频带及负载电阻均满足设计要求。总体而言本系统性能稳定符合设计要求能够在实际应用中实现可靠的无线通信。
六、参考文献
[1] 王卫东 《高频电子线路》电子工业出版社 [2] 谢自美 《电子线路设计 实验 测试》华中科技大学出版社 [3] 铃木宪次《高频电路设计与制作》科学出版社
七、获取压缩包资源
1、直接下载添Multisim更新振幅调制器解调器含仿真程序文档原理图PCB https://download.csdn.net/download/weixin_46423500/90224772
2、私信半价获取 备注标明来意。
