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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题 目：专业班级：姓 名：学 号：指导老师：成 绩：

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

基于Multisim的调频电路设计与仿真 贾 科 军

目录

摘要 ............................................................... 3 第一章 绪论 ........................................................ 4

1.前言..................................................................................................................... 4 2.基本原理............................................................................................................. 4 第二章 频率的调制与解调 ............................................ 6

2.1 调频的方法及原理......................................................................................... 6

1）直接调频原理............................................................................................ 6 2）变容二极管调频........................................................................................ 7 3）晶体振荡器直接调频................................................................................ 9 2.2 FM解调的方法及原理.................................................................................. 11

1） 单失谐回路斜率鉴频器........................................................................ 11 2） 双失谐回路斜率鉴频器........................................................................ 12

第三章 基于Multisim的调频电路设计与分析 .......................... 14

3.1 Multisim软件介绍 ..................................................................................... 14 3.2 系统分析....................................................................................................... 20 3.3 基于Multisim的频率的调制与解调仿真分析......................................... 21

3.3.1 频率的调制电路及分析.................................................................... 21 3.3.2频率的解调电路及分析..................................................................... 22

第四章 总结 ....................................................... 24 参考文献 .......................................................... 26 体

会

、

感

想

、

致

谢…………………………………………………………………………………………………………………….27

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LC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，并且频率稳定度低。它主Cj?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Cj与反向电

压uR存在如下关系：

（2.1.1）

其中，Cj0是未施加反向偏置时的结电容，UD是势垒电压，uR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U0和调制信号电压

Cj0?uR??1??U??D???几乎不需要调制功率。其主要缺点是中心要用在移动通信以及自动频率微调系统

u??t??U?cos?t，如图2.1 (b)所示，即

uR?t??U0?U?cos?t （2.1.2）

此处假定调制信号为单音频简谐信号。结电容在uR?t?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

uR?UCC?U?u??t??U0?u??t?

（2.1.3）

式中，U0?UCC?U是反向直流偏压。

图2.2中，同时起到隔直流的作用；Cc是变容管与L1C1回路之间的耦合电容，

C?为对调制信号的旁路电容；L2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

图2.3 变容管与晶体的两种联接方式及其电抗曲线

图2.4 晶体振荡器直接调频电路

图3.2-斜率鉴频器的原理框图

频率解调电路采用单失谐LC回路斜率鉴频电路。原理框图如图3.2所示，调频波输入，经线性网络变成调频调幅波，调频调幅波经包络检波电路输出调制信号。分析其可行性，可以得出能够进行频率的解调。

3.3 基于Multisim的频率的调制与解调仿真分析

3.3.1 频率的调制电路及分析

图3.1为锁相环调频电路图。直接调频电路的振荡中心频率稳定度较低，而采用晶体振荡器的调频电路，其调频范围又太窄。采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。

实现锁相环调频的条件是调制信号的频谱要处于低通滤波器通带之外，也就是说，锁相环路只对慢变化的频率偏移有响应，使压控振荡器的中心频率锁定在稳定度高的晶振频率上。而随着输入调制信号的变化，振荡器可以发生很大偏移。

根据图3.1建立的仿真电路如图3.3所示。图中设置压控振荡器V1在控制电压为0时，输出频率为0；输出电压为5V时，输出频率为50KHz。这样，实际上就选定了压控振荡器的中心频率为25KHz，为此设定直流电压V3为2.5V。调制电压V4通过电阻R5接到VCO的输入端，R5实际上作为调制信号源V4的内阻，这样可以保证加到VCO输入端的电压是低通滤波器的输出电压和调制电压之和，从而满足了原理图的要求。本电路中，相加功能也可以通过一个加法器来完成，但电路要变得相对复杂一些。元器件的参数如图中所示。

XSC1Ext Trig+_A+_+B_05A1YX1R150k|?R210k|?4R310k|?5 V/V 0 V 7V23.54 Vrms 25kHz 0?? R56V31k|?1.414 Vrms 200 Hz 0?? 2C110nF3V12.5 V V5-1V 1V0

图3.3-频率调制电路

运行仿真电路得到图3.4所示的仿真结果。图的上半部分是调频输出波，下半部分是输入调制电压V3的波形。由图可见，输出信号随输入信号的变化而变化，从而实现了调频功能。

图3.4-频率调制仿真结果

3.3.2频率的解调电路及分析

XSC1R110|?V1FM1D1DIODE_VIRTUALC1L1510pF1uH23AB+_+_Ext Trig+_C2180nF0R2150|?02 V 1MHz 70kHz 图3.5-频率的解调电路

图3.5为单失谐回路斜率鉴频器，用于将调频波解调出原始信号。图中给出一调频信号源幅值为2v，中心频率为1MHz，调制信号频率为70kHz，C1为510pf，L1为1uH,L1,C1是幅频变换电路，D1，C2，R2组成包络检波电路。D1为二极管，C2是180nF，R2为150欧姆。

电路原理是：将一调频信号经过幅频变换电路变成调频调幅波，调频调幅波再经过由二极管与RC电路构成的包络检波电路检出调制信号，实现频率的解调。实现电路图是图3.5 图3.5的运行结果为图3.6.

仿真结果:如下图所示，仿真结果图中上半部分为一调频调幅波，下半部分为二极管峰值包络检波电路将调频调幅波解调出的包络部分，即恢复调制信号。 解释:上半部分为示波器A通道测出的信号波形，由解调图3.4可以分析出A通道所接的部分为调频波经过调频调幅电路出来的调频调幅波。所以示波器上显示的就是一调频调幅波信号波形。而B通道接的是调频调幅波经过包络检波电路输出的节点端口，所以示波器B通道现实的是一调制信号的波形。

图3,6-频率解调电路仿真结果

第四章 总结

这次课程设计为时2周，两周的时间非常短暂，课设题目下来后我明确任务，去图书馆查阅文献资料，寻找有关的书籍作为参考。然后熟悉软件，进行系统分析设计，完成有关的系统流程图及其模型。完成上述两个步骤后开始进行单元电路的设计及整机调试，然后撰写设计说明书。之后进行答辩。

本次的课程设计过程当中，我深深体会到平时学习的不足以及动手能力的缺乏。课设要求用Multisim软件仿真出来，我再寻找电路图的过程中遇到一些困难，要么是电路图有问题，要么是调不出来。调频波形应为弹簧波而我却只能跳出正弦波形。老师鼓励学生做实物图，我就去尝试了一下，发现自己动手能力不足，经验也不丰富，关于电阻的认识及电容的读写。做实物的过程，是学习的过程，能教会很多，也能体会到很多。

在这次课程设计中我学到了很多,我学会了独自完成一件事情所需要的毅力和勇气及坚持，当你做完之后会有一种成就感。

过程中学会与人沟通，锻炼了自己从外界获取信息的能力。懂得做一件事情前所需要做各种准备工作，才能在接下来的问题中越来越轻松自如。

参考文献

[1] 王连英.基于Multisim 10的电子仿真实验与设计 北京：北京邮电大学出版社，2009.8

[2] 田胜军. 基于Multisim2001 的高频电路分析与仿真[J].现代电子技术.2006，（8）：100-102

[3] 郑步生,吴渭. Multisim2001 电路设计及仿真入门与应用[M] . 北京：电子工业出版社,2002.

[4] 吴晓荣. Multisim 在电子技术实验教学中应用的研究[J ] .天津师范大学学报(自然科学版) ,2001 ,21 (2)：41 44

[5] 连桂仁. Multisim2001 在高频电路中的应用[J ] .医疗装备,2004 ,17 (11) :36 [6] 张肃文. 高频电子线路[M] . 北京：高等教育出版社,1993

[7] 曾兴雯.高频电路原理与分析[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2002 [8]胡昭华，吴佑林. 基于Multisim的“高频电子线路” 教学研究[J]，电气电子

教学学报，32（6）：116-120

体会、感想、致谢

这次课程设计的完成过程当中，教会了我很多，我也思考了一些事情。为时两周的课程设计当中遇到了一些困难，锻炼了能力。

因为我们是个人做个人的内容，所以我得独自去找一些资料，同时也会向同学搜集一些，当中我学会了怎样去搜集资料，怎样与人沟通，怎样与外界进行交流。搜集完之后我开始仿真，但因为元器件参数的问题或者电路的问题以及调节的不合适都会仿真不出合理的结果。我得各种情况各种分析，我知道自己的事情得自己去完成，去独自思考，要勇于承受孤独，才能干成一件事情，光靠别人是永远的不会成功。

这次除了进行软件仿真之外，在老师的鼓励和引导下，我尝试着去做实物，关于硬件方面的知识我知之甚少，所以我和同学买了元器件之后就去尝试做，虽然结果没有出来应有的效果，但我感觉很值得，因为做实物锻炼了我的动手能力，也学到了硬件方面的一些知识。

这次课程设计过程中我们得到了老师的悉心指导，同时也得到了学院的大力支持，在此一并表示衷心的感谢！

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