本地振荡器和振幅调制解调器设计课程设计

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振荡器的振幅起振条件推荐度：
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摘要

信息传输对人的生活的重要性是不言而喻的。从古老的光、信鸽到有线电报、电话通信，不久后，人们发现了电磁波从而导致了无线电的发明。一个导体如果载有高频电流，就有电磁能向空间发射，高频电流成为载波。我们将声音、图象等信号控制载波电流，则信息就能包含在载波中被发送出去，在接受端将接收到的电磁波还原检波，取出其中的有效信号，就完成了无线电通信。

关键词: 本地振荡器；高频载波；乘法模拟调制器；同步检波；低通滤波器

Abstract

The information transmission is very important for our life. From ancient light, pigeons to cable telegraph, telephone.Soon after, people found the electromagnetic wave which leads to the invention of the radio. If a conductor carries high frequency current, it launches electromagnetic energy to space, and high frequency current become carrier.Sound, image and signal can control carrier current,so the information can be included in the carrier and sent out. The receiver will receive the electromagnetic wave and take out the valid signal.Thus,radio communications completed.

Keywords: Oscillator; High frequency; Carrier; Multiplication simulation modulator; Synchronous detection

-Ⅱ-

1 引言--------------------------------------------------1 2 设计概述-----------------------------------------------2 2.1 设计任务-------------------------------------------2 2.2 技术指标-------------------------------------------2 3 系统工作原理--------------------------------------------3 3.1 系统框图与波形-------------------------------------3 3.2 调制单元-------------------------------------------4 3.3 同步检波单元--------------------------------------4 3.4. 低通滤波部分--------------------------------------5 4 方案分析-----------------------------------------------6 4.1本地振荡电路分析-------------------------------------6 4.2乘法器方案分析------------------------------------- 9 4.3低通滤波器方案分析---------------------------------11 5 电路性能指标测试------------------------------------- 15 1.1本地振荡器-----------------------------------------15 1.2调频部分--------------------------------------------17 1.3解调部分--------------------------------------------20 1.4二阶低频滤波放大器-------------------------------- 23 6 总电路原理图-----------------------------------------25 7 疑惑与改进 ------------------------------------------26 8 心得体会---------------------------------------------31 元器件清单----------------------------------------------- 32 致谢------------------------------------------------------ 33 参考文献-------------------------------------------------- 34

附录：用信号发生器产生载波的调制解调系统

-Ⅱ-

1 引言

传输信息是人类生活的重要内容之一。在利用无线电技术传输信号时，需要用到调幅和解调。

调幅，英文是Amplitude Modulation(AM)。调幅是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化。也就是说，通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含入高频信号之中，通过天线把高频信号发射出去，然后就把调制信号也传播出去了。

解调过程正好相反，在接收处，先用接收天线将收到的电磁波转变为已调波电流，然后从已调波电流中检出原始的信号。在接收调幅信号时，解调也叫做检波。

调制与解调都是频谱变换的过程，必须用非线性元件才能完成。工程实际中，人们通常将调制解调过程看做两个信号相乘的过程，一般都采用集成模拟乘法器来实现，这比采用分立器件电路简单，且性能优越。

2 设计概述

2.1 设计任务

要求设计一个简易的本地振荡器和振幅调制解调器，通过本地振荡器产生高频载波信号和调制信号经乘法器后，将调制信号搬移到了高频处，输出抑制载波的双边带调

幅波；然后将已调信号和载波信号经乘法器后，则已调信号搬移到了低频和更高频处，再经过低通滤波器，即可恢复调制信号。

2.2 技术指标

①振幅调制的载波采用本地振荡器产生，或由高频信号发生器输出幅值为30mV，频率为500KHz。

②振幅调制器的设计采用乘法器产生抑制载波的双边带调幅波。 ③低频信号利用已有的信号发生器，输出50mV，20KHz的正弦波信号。

④高频信号发生器产生与载波信号频率、相位一样的高频信号，进行同步检波。

⑤低通滤波器滤除20KHz以外的频率。 ⑥本机振荡器产生高频载波信号。

3 系统工作原理

3.1 系统框图与波形

本地振荡载波信号v0 还原基带信号 ?调制信号v 混频调制单同步检波单图3.1.1 系统框图低通滤波器

3 系统工作原理

图3.1.2 各类信号波形

3.2 调制单元

利用模拟乘法器调幅得到抑制载波的双边带信号（DSB）。

图3.2.1 调制过程

若要得到抑制载波的双边带信号，低频调制信号不能有直流成分，即低频调制信号为v?(t)?V?cos?t，频率为fo。外加高频载波信号

vo(t)?Vocos?ot，频率为fo。

两者进入混频调制单元（乘法混频器）后，产生抑制载波的双边带调制信号（DSB波）v(t)?1KVoV?[cos(?o??)t?cos(?o??)t]（K为常数），2得到?o??、?o??两种频率的波，频宽为2?f0.7?2f?。

3.3 同步检波单元

图3.3.1 同步检波（解调）过程

3 系统工作原理

图3.3.2 3种信号的频谱

将v(t)输入同步检波单元，作为该单元的本地载波信号，将已调波v(t)输入同步检波单元。由于同步检波单元也由乘法混频器构成，又因为该单元的本地载波信号与已调波的载波信号相同，故相位差??0，所以输出信号vT(t)?111KVOV?cos?t?KVOV?cos(2?o??)t?KVOV?cos(2?o??)t ，244由此可知，vT(t)中含有fs,fo?fs三种频率的波。

3.4. 低通滤波部分

低频滤波器功能为滤除2?o附近的高频信号，保留?低频信号，由于经过低频滤波器，信号将得到衰减，所以在滤波器后面应该加一个放大器，组成低频滤波放大器。最后，经低通滤波单元输出低频基带信号

vT?(t)?1KVOV?cos?t 2

4 方案分析

4.1 本地振荡电路分析

方案一：利用现有信号发生器产生500KHz的高频载波信号。方案二：利用本地振荡器产生500KHz的等幅振荡，用来作为调制解调系统中的高频载波。这里采用的是电容反馈三点式振荡器。三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。本实验的三点式振荡器电路采用电容与互感耦合的方式，输出本振信号。LC回路中与发射级相连接的两个电抗元件必须为同性质的，另外一个电抗元件必须为异性质的，这是三点式电路组成的相位判据，或者称为三点式电路的组成法则。与发射极相连的两个电抗元件同为电容的三点式电路，称为电容三点式电路。与发射极相连的两个电抗元件同为电感的三点式电路，称为电感三点式电路。

本实验采用电容三点式电路，原理图如4.1.1所示：

图4.1.1 电容反馈三点式振荡器原理图

电路元器件参数：

R1?12K?,R2?8K?,R3?1K?，L1?31.5uH C1?100pF,C2?4nF,C3?4nF

4 方案分析

理论参数计算：

C1为基极偏置谐波电容，R1,R2,R3为直流偏置电阻，如图4.1.1所示，

C2,C3为反馈电容，C4为集电极耦合电容。

电容C1,C4对交流等效短路，直流电压12V对交流等效短路接地，电阻R1,R2被交流等效短路，由此可画出交流等效电路图如图4.1.2所示：

图4.1.2 电容反馈三点式振荡器交流等效图

反馈系数 F?C2?1 C1本振频率 fs?11??0.6MHz

?152?L?C?2?31.5?2?10电路图4.1.1的仿真结果如下所示：

4 方案分析

图4.1.3 电容反馈三点式振荡器的仿真波形图

由示波器记录可知：本振信号频率fs?0.5MHz，幅值Vs?10V，故，本振信号vo(t)?10cos(3.14?106)t(V)。

相对于理论值而言，本振信号频率变低，原因可能是电抗元器件消耗所致。

当将这个本地振荡电路同时接入两个乘法器时，会发现，振荡速度下降，不易起振，电压波形产生失真，幅值极巨下降，频率也不稳定，产生了很多干扰频率。这说明本地振荡电路受负载的影响极大。

通常设计振荡器时对振荡器的选取有很多要求，①要求振荡器的振荡频率和幅度精度高，稳定性好，易起振；②本振频率中有锁相环，数字分频、数字鉴相器等电路，保证极高的稳定度，否则产生本振频率漂移；③本证振电路多采用体积小、可靠性高的单片大规模集成数字频率合成器等。

可以看出，本地振荡器的要求很高，稳定性很难保证。在选用器件时要注意特性，采取适当的稳频措施使振荡器产生稳定的正弦波。

为

了减少负载的影响，增加稳定度，可在本振单元后面增加互感抽头。但若振荡器只加1组互感抽头电路，而不加放大器，直接接入乘法器中，仿真的结果是电压值迅速下降，幅值由原来的10V迅速衰减为700uV左右。输入的信号太小，经过调制解调系统就不容易辨别。测试电路和测试结果结果如图4.1.4和图4.1.5所示。

4 方案分析

图4.1.4 增加互感抽头的振荡器测试电路

图4.1.5 增加互感抽头的振荡器的仿真波形图

从图中可以发现，信号衰减到只有700uV左右。再观察解调后的示波器和频谱仪，发现并没有图像，这是因为输入高频载波信号太小，小于量程范围。

4 方案分析

故，在增加1组互感抽头电路之后，我又在其后增加了1个一阶有源高通滤波放大器，来减少负载对前端电路的影响，稳定频率，并且能将高频小信号的幅值根据需要放大。

经过仿真，频率稳定在500KHz，幅值变为30mV左右，符合高频载波的要求

。所以，方案二也可以使用。

4.2 乘法器方案分析

方案一：应用差分对模拟乘法器。这种电路有缺点：温度漂移不能抵消，同时，信号时单端输入，使用上有时感到不便。

方案二：应用双差分对模拟乘法器。

如图4.2.1所示，T1、T2和T3、T4组成差分对放大器，T5、T6为上述两对放大器的电流源，受v2控制，T7则作为T5和T6的电流源，并用T8和T7组成镜像电流源，以抑制T1至T6诸管的温度漂移。同时v2信号也是对称双端输入，这样就克服了差分对模拟乘法器电路的上述缺点，因此选用方案二。

输出电压v3?Kv1v2（K为常数，以下雷同）。令v1?V1mcos?ot,v2?V2mcos?t，即得：

v3?v1v2?KV1mV2mcos?otcos?t?1KV1mV2m[cos(?o??)t?cos(?o??)t]2

当模拟乘法器作为振幅调制器时，它的输出v3即为已调信号，亦即实现了振幅调制。v1接高频载波信号，v2接低频调制信号。

当模拟乘法器作为振幅解调器时，它的输出v3即为解调出的低频基带信号，亦即实现了解调。v1接本地振荡信号，v2接已调波信号。

4 方案分析

图4.2.1 双差分对模拟乘法器原理图

4.3 低通滤波器方案分析

方案一：采用晶体管FMMT5179构成的低频放大器电路作为该单元的主要组成部分。该类型晶体管的频率特性曲线如下图所示：

图4.3.1 晶体管FMMT5179的大致频率特性曲线

4 方案分析

纵轴代表放大倍数，横轴代表频率，该晶体管对低频信号具有放大作用，且随着频率的升高，放大倍数越来越小，故对于2?o??的频率没有放大作用。

在该电路如图4.3.2所示，左右两端各加一个选频网络，其固有频率皆为20KHz，用于过滤高频信号，保留低频调制信号。

所以，由此组成的单元电路既能滤出低频信号，也能放大低频信号。低频滤波放大单元输出的信号为：vT?(t)?1KVoV?cos?t2

图4.3.2 低频滤波放大电路原理图

4 方案分析

理论参数运算：L1?L2?6.34uH C1?C2?10uF 谐振频率为fc=fc?1?19.998KHz?20KHz

2?L1C1但这个电路存在缺陷，因为选频网络有一端接地，这等价于对后级放大器又加了一个10kHz的电源，干扰了解调信号。而且选频网络是带通滤波，频带较宽，也不能起到很好的选频作用。又因为FMMT5179仅适用于振幅?26mV的小信号放大，对输入信号的幅值有要求，不便系统的推广与使用。故方案一作废。

方案二：改用运放为低频放大部分，即减弱了对输入信号的要求，同时，运放对于信号的输出也有一定的稳定作用。通过改进之后，最终的低频滤波放大电路如图4.3.3所示。低频滤波器功能为滤除2?o附近的高频信号，保留?低频信号，则有vT?(t)?1KVOV?cos?t。该单元采用二阶RC电2路低通有源网络，其阻带衰减特性的斜率为－40dB／10oct，克服了一阶低通滤波器阻带衰减太慢的缺点。

运放对低频信号具有放大作用，信号进入二阶滤波器，高频部分均从两个电容流入接地线，剩下的波形便是基带信号。

图4.3.3 改进后的低频滤波放大电路

4 方案分析

该电路通带放大倍数与R1和R2的比值有关，当C1?C2时，网络的传递函数为A?(1?Rf211f?，用jw取代S且取。 )?()2?RCRf11?3SRC?(SRC)2放大倍数为A?1?理论参数运算：

Rf2Rf1

R1?R2?60k? C1?C2?130pF Rf1?Rf2?1k? 放大倍数A?1?Rf2Rf1?2，通带截止频率fc?1?20.4KHz，即

2?R1C1输出低于20.4KHz的低频信号。

经过仿真测试，得到如图4.3.4所示波形。

图4.3.4 低频滤波放大输出波形

4 方案分析

XSC2中通道A显示的是滤波之后放大之前的信号，通道B显示的是输出V0的信号。两者周期相同，都约为50us，即频率f?20KHz。虽然两者波形一样，但每Div的数值不一样，很显然，通道B的比例是通道A的两倍，输出放大器的幅值是100mv,输入放大器的幅值是50mv。所以此电路的放大倍数是A?2。

经过比较应选择方案二，用二阶RC电路低频有源滤波放大器得到到20KHz的低频基带信号。