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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
2014年秋季学期
《通信电子系统》课程设计报告
题 目：基于双差分对乘法器调幅电路的调幅发射系统整机电路设计
班 级： 通信工程12级（ 2 ）班
姓名： 设计质量（30分）： 学号 说明书质量（10分）：
同组成员： 朱邵科﹑董美玲﹑杨国凤﹑陈其斌
指导教师： 郑玉峰
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摘要
调幅发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定宽度、适合通过天线发射的电磁波。振幅调制就是由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化，严格地讲，是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系，其他参数（频率和相位）不变。
本设计的发射机包括高频部分、低频部分、电源部分三个模块。低频信号采用音频放大器对调制信号进行放大，以便对高频末级功率放大器进行调制；高频部分主要包括主振荡器、缓冲放大、末级功放三部分，主振器采用采用频率稳定度高的差分对管振荡器，并在它后面加上缓冲级，以消弱后级对主振器的影响，经过音频放大后的信号在高频部分的末级功放实现对载波信号的调幅。
关键词 调幅；差分对管振荡器；发射机
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目录
一． 前言 .................................................................................................................... 4 二．整体系统总述 ................................................................... 错误！未定义书签。 2.1整体原理框图 ............................................................................... 2 2.2工作原理 ...................................................................................... 3 三．设计指标 .............................................................................................................. 5 3.1晶体振荡电路 ............................................................................... 5 3.2双差分对构成的乘法器调制电路 .................................................... 4 3.3上混频电路 .................................................................................. 4 3.4三极管倍频电路 ............................................................................ 4 3.5丙类谐振功率放大电路 .................................................................. 4
四．单元电路设计与仿真 ........................................................................................ 5
4.1晶体振荡电路 ............................................................................ 5 4.2倍频电路 .................................................................................. 6 4.3乘法器调制电路 ........................................................................ 7 4.4上混频电路 ............................................................................... 8 4.5功率放大器电路 ........................................................................ 9
五．整体电路设计图及说明 ................................................. 错误！未定义书签。 六．设计总结 ........................................................................... 错误！未定义书签。
七．参考文献 ............................................................................. 错误！未定义书签。 附件1：元器件清单
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一﹑前言
课程设计是电子技术基础课不可缺少的重要教学环节，它是电子工程、信息工程、计算机科学和技术等电类专业和机电一体化等非电专业的一门重要的专业基础课。此次课设要求我们学会分析电路、设计电路的方法和步骤；进一步掌握所学单元电路及在此基础培养自己分析、应用其他单元电路的能力；并且了解高频振荡器电路、高频放大器电路、调制器电路、音频放大电路的工作原理；可以运用实验手段检验理论设计中的问题所在，又可以运用学过的知识，指导电路测试工作，使电路更加完善，从而使理论和实际有机的结合在起来，锻炼分析解决电路问题的实际本领，真正实现使学生加强对通信电子线路的理解，掌握文献资料检索﹑设计方案论证比较，以及设计参数计算等能力环节；进一步提高分析解决实际问题的能力，提高解决通信电子电路问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与仿真，加深对基本原理的了解，增强实践能力。
通信系统中的发送设备若采用调幅方式则称为调幅发射机，一般调幅发射机的组成框图如图所示，工作原理是：本机振荡产生一个固定频率的载波信号，载波信号经缓冲倍频送至振幅调制电路；话音放大电路将低频信号（例如语音信号）放大至足够的电压送到振幅调制电路；振幅调制电路的输出信号经高频功率放大器，高放级将载频信号的功率放大到所需的发射功率，然后经天线输出。
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二﹑整机系统总述
2.1整体原理框图
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。原理图如图1所示。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。
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。
而所谓振幅调制就是由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化，严格地讲，是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系，其他参数（频率和相位）不变。这是使高频振荡的振幅载有消息的调制方式。
本振
倍频器 乘法器调制 混频器 功率放大器 低频信号 图1 调幅发射系统整机原理框图
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2.2工作原理
本机振荡产生一个固定频率的载波信号，载波信号经缓冲倍频送至振幅调制电路；话音放大电路将低频信号（例如语音信号）放大至足够的电压送到振幅调制电路；振幅调制电路的输出信号经高频功率放大器，高放级将载频信号的功率放大到所需的发射功率，然后经天线输出。
本机振荡：产生频率为300KHz的载波频率；
倍频器：将振荡级与调制级隔离，减小调制级对振荡级的影响； 调制器：将低频信号调制到载波上产生调幅信号。
混频器：将调制波的频谱搬移到一个更高的频段，有利于在信道中传输； 功率放大器：高效率输出所需功率。
本课题的设计，调试和仿真，加深对课本理论知识的进一步理解，进一步巩固理论知识，能够建立起无线发射机的整机概念，学会分析电路，设计电路的步骤与方法，了解发射机各单元电路：主振级，被调级，功率放大级等。进一步掌握所学单元电路以及在其他单元电路的在此基础上，培养自己分析，应用其他单元电路的能力。同时经过课程设计，学会查资料，充分利用互联网等一切可的学习资源，增强同学们分析问题解决问题的能力，为将来打下一定的基础。
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三．设计指标
3.1晶体振荡器电路
本课程设计所设计的晶体振荡器的输出载波频率为300KHz,频率较稳定，波形适当；另外调制信号为10KHZ的正弦波，可与载波作乘法运算生成调幅波。
3.2双差分对构成的乘法器调制电路
本课程设计所设计的振幅调制电路为差分对乘法器调制电路，可利用10KHZ的调制信号对1MKZ的载波信号进行DSB调制。
3.3上混频电路
本课程设计所设计的混频电路可将调幅波的频谱搬移到更高的频段，使之更适合在信道中传播。本设计电路中将10.5MHz的信号与11MHz的本振信号进行上混频，从而生成21.5MHz的调制信号。
3.4三极管倍频电路
本课程设计所设计的三极管倍频电路可对载波频率放大5倍左右，使载波频率提高；另有设计的锁相环倍频电路可对载波频率放大100倍，倍数稳定。
3.5丙类谐振功率放大电路
本课程设计所设计的丙类功率放大电路可将1V的信号放大至10V,放大倍数接近10倍。
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四．单元电路设计与仿真
4.1晶体振荡电路
主振器就是高频振荡器，是发射机的核心部件，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。高频电子线路所讨论的工作频率是几百千赫到几百兆赫，由于工艺，材料等原因，频率的稳定度只能达到很低的数量级，要从根本上提高频率稳定度，必须采用新工艺和新材料。在晶体的串联谐振频率Ws上反馈最强，电路也就只能在该频率上形成振荡。在该电路中，为了保证足够高的频率稳定度，要求LC回路的谐振频率与晶体的Ws保持一致，否则会由于晶体的附加位移太大而造成稳定性能下降，一般选在30兆赫以下。晶体振荡器原理图及仿真波形如图2所示：
图2 晶体振荡电路
在此电路中，左边的三个电阻R2，R3，R4构成分压式偏置电路，电感线圈作为高频扼流圈，C1，C2作为旁路电容。晶体在振荡器中起的作用是提高Q电感，取代了在电容三点式振荡器中电容谐振回路的地位；右边回路中的三个开关分别串联了三个电阻，可用于观测在晶体标称频率下的微调结果，也可提高回路的标准性。
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4.2倍频电路
本课程设计的倍频电路是三极管倍频电路，用于将输入信号频率成倍增加的电路，它主要用于甚高频无线电发射机或其他电子设备。由于振荡其频率愈高稳定性愈差，一般采用频率较低的振荡器，以后加若干级倍频器达到所需频率。三极管倍频原理图及仿真波形如图3所示：
图3 倍频电路
在此电路中用的是三极管倍频，三极管倍频器利用三极管的非线性器件特性，当一个信号通过时会产生各次谐波分量，利用选频网络，使各个LC回路谐振与一定的工做频率，从而选出我们所需要的频率分量。电路图中12V直流源提供三极管静态工作点，构成偏置电压，是三极管工作在丙类状态，Ubb=0V，Ube>0；L4为高频扼流圈，为直流通路，阻止交流通过；L1、C5和L2、C4谐振与不需要的谐振频率，对不需要的频率分量相当于短路，滤除掉，C2、L3谐振于信号的5倍频处，对5倍频率有阻抗，从而选出其 5倍频分量。
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4.3乘法器调制电路
本课程设计的振幅调制电路为双差分乘法器调制电路，将载波和调制信号作为输入，得到的输出信号为以调波，，这种电路称为调制器。平衡调制器产生抑制载波的双边带（DSB）信号或单边带（SSB）信号，在通信系统中得到了广泛应用。乘法器电路原理图及仿真波形如图4所示：
图4 乘法器电路
本图为典型的双差分对构成的乘法器电路，其中Q1和Q2，Q3和Q4构成了两对差分放大器，载波通过Q5放大从集电极输入，调制信号通过差分对的基极放大对载波进行乘法运算，但条件是Q1Q2Q3Q4要处于其微导通的非线性区域中，这就对输入的调制信号做出了要求，因三极管在常温下的温度当量为26mV，因而只有当调制信号小于这个数值的时候差分对才会工作在非线性区域，才会使差分对基极的信号与集电极的信号作乘法运算。
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4.4上混频电路
混频器实际是一种乘法器，对输入的两个频率进行向加，再经选频网络滤掉不需要的频率分量。此处的混频应将调幅波搬移到一个更高的频段，称其为上混频。以利于其在信道中更好传输。在此用一个正弦信号代替调幅波和本振信号进行上混频。上混频电路原理图及仿真波形如图5所示：
图5 混频电路
12V直流电源、R2、R3、R1提供给三极管偏置电压，是三极管工作在合适的非线性区，输入信号频率为10.5MHz,本振频率为11MHz,集电极负载为LC谐振回路，谐振在21MHz左右，从而实现了输入信号和本振信号的和频，既上混频电路。
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4.5功率放大器电路
丙类功率放大器是调幅发射机的末级，它的任务是以较高的效率输出最大的功率来满足发射机输出功率的要求，同时该级输出波形不能失真，否则谐波发射严重，影响发射效果。在此电路中，负载是ＬＣ谐振回路，这里的谐振回路，用以提高对谐波的抑制能力（提选择性），改善输出波形。并联的Ｌ１Ｃ１回路作负载，完成放大器的信号功率传送给实际负载Ｒl.功率放大器电路原理图及仿真波形如图6所示：
图6 功率放大电路
上图为丙类谐振功率放大电路，其负载为LC谐振回路，基极回路的固定偏置可取正、负或零值。为使放大器工作于丙类，偏置电压应低于晶体管导通电压，对输入信号进行放大至射频，更有利于发射出去。丙类功率放大器是依靠激励信号对放大管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率的条件下，转换效率越高，输出的交流功率越大。
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五.整机电路设计图及说明
整机电路图如图7所示：
图7系统整机电路图
在整机电路图中，由5部分组成，第一部分是晶体振荡电路，在此电路中，左边的三个电阻R7，R8，R9构成分压式偏置电路，电感线圈作为高频扼流圈，C4作为旁路电容，C6作为耦合电容。晶体在振荡器中起的作用是提高Q电感，取代了在电容三点式振荡器中电容谐振回路的地位；右边回路中的三个开关分别串联了三个电阻，可用于观测在晶体标称频率下的微调结果，也可提高回路的标准性。
第二部分是倍频电路，在此电路中用的是三极管倍频，三极管倍频器利用三极管的非线性器件特性，当一个信号通过时会产生各次谐波分量，利用选频网络，使各个LC回路谐振与一定的工做频率，从而选出我们所需要的频率分量。电路图中12V直流源提供三极管静态工作点，构成偏置电压，是三极管工作在丙类状态，Ubb=0V，Ube>0；L4为高频扼流圈，为直流通路，阻止交流通过；L1、C5和L2、C4谐振与不需要的谐振频率，对不需要
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的频率分量相当于短路，滤除掉，C2、L3谐振于信号的5倍频处，对5倍频率有阻抗，从而选出其 5倍频分量。
第三部分为双差分乘法器调制电路，本图为典型的双差分对构成的乘法器电路，其中Q1和Q2，Q3和Q4构成了两对差分放大器，载波通过Q5放大从集电极输入，调制信号通过差分对的基极放大对载波进行乘法运算，但条件是Q1Q2Q3Q4要处于其微导通的非线性区域中，这就对输入的调制信号做出了要求，因三极管在常温下的温度当量为26mV，因而只有当调制信号小于这个数值的时候差分对才会工作在非线性区域，才会使差分对基极的信号与集电极的信号作乘法运算。第四部分是上混频电路，12V直流电源、R2、R3、R1提供给三极管偏置电压，是三极管工作在合适的非线性区，输入信号频率为10.5MHz,本振频率为11MHz,集电极负载为LC谐振回路，谐振在21MHz左右，从而实现了输入信号和本振信号的和频，既上混频电路。
第四部分是功率放大器电路，上图为丙类谐振功率放大电路，其负载为LC谐振回路，基极回路的固定偏置可取正、负或零值。为使放大器工作于丙类，偏置电压应低于晶体管导通电压，对输入信号进行放大至射频，更有利于发射出去。丙类功率放大器是依靠激励信号对放大管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率的条件下，转换效率越高，输出的交流功率越大。
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六．设计总结
通信电子线路是这学期我们学习的课程中最接近实际的部分，但也是最难的，通过这两周的课程设计我更深有体会。尤其是因为之前的基础电路几门学科觉得甚是马虎，这次实践下来更觉得太多知识近乎一片空白。因此，这个课程设计也就变得手忙脚乱了。不过还好给我们留的时间并非不多，有很多时间可以复习之前未熟悉的电路，虽然还是感觉困难重重，但一一克服也是一件非常有意义的事情。
任务下达后，我承担了晶体振荡器、双差分对乘法调制器和丙类谐振放大器，这些电路除乘法器我曾经仿真过还算比较熟悉，其他的电路都少有涉及，尤其是振荡部分，调试过很多次都不能给出很好的波形。开始任务时，我打算查找相关资料作准备，并在图书馆和上网采集了一些有用的资料。因为基础的问题，查阅资料的效率很低，很多电路都只限于知其然而不知其所以然，而且收集到资料并非很丰富，毕竟术业有专攻，不是每个人每本书都对自己有用。这就导致前期准备工作进度很慢，但经过这次忙碌以后，自己在这方面确实弥补了许多以前的不足，使自己更进了一步。
这次课程设计我们完成了任务，我想对于我还是其他的同学都会有很多体验和收获。对于我而言，以前对书上的知识的记忆，有些纯粹是为了应付期末考试没有深入太多。而现在经过了这次课程设计之后，让我明白了一些东西，感觉在高频这一块儿清晰了很多。我想这次实践的意义是重大的，不只为了任务，更懂得了设计产品的流程与方法。
我觉得很多同学在这一方面和我一样都很薄弱。老师也有讲过高频是一门很难的学科，是我们通信专业学科的基础。也会有一些同学在这方面很有天赋。有的时候会很羡慕他们作设计犹如如鱼得水般的顺利。后悔曾经没有好好去学，本来注定自己的节奏就要比别人慢半拍，只有通过不断努力，来提高自己，弥补不足，让自己进步。
我并没有像其他同学一样感觉到课程设计会带来多少快乐，我只是感觉每一天都生活在紧张中，不过我并没有讨厌它。遇到问题我们经常会一起讨论，组员会经常一起来研究商讨，我也会经常到他那去研究求索。而且重要的是我得到了很多。
最后，谢谢老师的悉心指导和同学的帮助！
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七﹑参考文献
[1] 《Multisim11 电路设计及仿真应用》 清华大学出版社 2012年7月
[2] 《高频电路原理与分析》 西安电子科技大学出版社 2006年7月 [3] 《通信电子线路》 清华大学出版社 2008年12月 [4] 《电子线路设计、实验、测试》 华中理工大学出版社 [5] 《高频电子线路实验平台说明书》 南京润众科技有限公司 [6] 《高频电子线路实验与课程设计》 哈尔滨工程大学出版社。 [7]《高频电路设计与制作》何中庸译，科学出版社。
[8]《模拟电子线路》Ⅱ 主编：谢沅清 出版社：成都电子科大。
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附：元件清单
元件名 电阻 电感 三极管 直流电源 电容 开关 正弦波发生源 晶体振荡器 示波器 函数发生器 万用表 电流源
元件个数 18 7 11 3 21 3 3 1 5 2 1 1
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