1、通信電子線路課程設計說明書 丙類倍頻器 學 院： 電氣與信息工程學院 學生姓名： 蘇 指導教師： 張松華 職稱 副教授 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 電子1402 學 號： 完成時間： 2016年12月 湖南工學院通信電子線路課程設計課題任務書學院：電氣與信息工程學院 專業(yè)： 電子信息工程 指導教師張松華學生姓名課題名稱丙類倍頻器內容及任務1、 目標：熟悉丙類倍頻器的結構，原理，掌握電路設計和實物制作方法。2、 內容：已知條件：電源電壓。設計一個輸出功率，利用產生一個輸出頻率，效率的丙類倍頻器。3、 要求：制作實際電路并成功調試，編寫設計計算說明書。主要參考資料1、胡宴如. 高頻電子線路M

2、. 北京：高等教育出版社，20122、謝自美. 電子線路設計實驗測試（第三版）M.武漢： 華中科技大學出版社， 2006.3、康華光.電子技術基礎模擬部分M.北京：高等教育出版社,20064、張肅文，陸兆熊. 高頻電子線路M. 北京：高等教育出版社，19925、路勇.電子電路實驗及仿真M. 北京：清華大學出版社，20046、陳松，金鴻.電子設計自動化技術Multisim2001&Protel 99seM. 南京：東南大學出版社，2001教研室意見 教研室主任：（簽字）年 月 日摘 要本設計介紹了丙類倍頻器的工作原理，與丙類功率放大器近似相同。主要是采用一些簡單的電子元件組合而成，即它是由放大電

3、路和諧振回路組成。利用三極管的放大作用和LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡，選出合適的頻率信號，并且調諧在三次諧波頻率上，對于無用的頻率信號進行濾除，減少失真。設計過程中，先在Multisim12電路仿真軟件上進行了電路仿真，然后結合實際情況，繪制原理圖，購買元器件畫PCB電路圖，最后進行了實物制作和調試。調試結果，輸出信號的頻率是輸入信號的三倍，且輸出功率大于500mW，集電極效率大于75%，并且電路工作在丙類狀態(tài)，說明設計成功。 關鍵詞：丙類倍頻器；LC諧振回路；S9018 目 錄1 緒論11.1 設計課題的研究意義11.2 設計課題任務及要求說明11.3 方案介紹11.4 主要性能指標21.5 工

4、作原理說明22 丙類倍頻器電路的設計32.1 丙類倍頻器的原理分析及總電路框圖32.2 丙類倍頻器的單元電路分析及參數(shù)計算53 丙類倍頻器的仿真83.1 Multisim 仿真軟件簡介83.2 仿真電路的建立83.3 仿真結果分析94 丙類倍頻器的結果及誤差分析114.1 實物操作說明114.2 調試數(shù)據(jù)114.3 誤差分析124.4 設計結論125 設計總結與體會13參考文獻14致謝15附錄16附錄A 電路原理圖和PCB圖16附錄B 電路實物圖17附錄C 元器件清單181 緒論1.1 設計課題的研究意義在無線電發(fā)射機、頻率合成器等電子設備中的中間級,常需要通過倍頻器使輸出信號的頻率比輸入信號

5、頻率成整數(shù)倍增加，不僅使工作頻率提高，在調頻系統(tǒng)中還可以擴大頻偏。采用倍頻器一是可以降低電子設備的主振頻率,對提高設備的頻率穩(wěn)定度有利。因為振蕩器的頻率越高,頻率穩(wěn)定度就越差，一般主振器頻率不宜超過5MHz。因此,當發(fā)射機頻率高于5MHZ時,通常采用倍頻器。二是在通信機的主振器工作波段不擴展的條件下,可利用倍頻器擴展發(fā)射機輸出級的工作波段。例如,主振器工作在(1.53)MHz,在其后采用放大倍頻級,該級在波段開關控制下,既能工作在放大狀態(tài),又能工作在二倍頻或四倍頻狀態(tài)。這樣,隨波段開關的改變,發(fā)射機輸出級就可獲得(1.53)MK(36)MK和(612)三個波段的輸出。三是在調頻和調相發(fā)射機中,

6、采用倍頻器可加大頻移或相移,即可加深調制深度。倍頻器的種類有多種，本次課設是利用晶體管的非線性電阻效應，基于丙類放大器工作原理的丙類倍頻器，效率高、失真小。本課題將就丙類倍頻器的工作原理、參數(shù)計算、元件選取、電路仿真、電路調試等做詳細的介紹和說明。1.2 設計課題任務及要求說明（一）設計任務提供電源電壓，設計一個輸出功率，利用示波器產生一個輸出頻率，效率的丙類倍頻器。（二）設計要求制作實際電路和仿真電路并成功調試。 1.3 方案介紹丙類倍頻器設計是利用晶體管的非線性電阻效應，基于丙類放大器工作原理。丙類放大器晶體管集電級電流脈沖中含有豐富的諧波分量，如果集電極調諧回路諧振在二次或三次諧波頻率上

7、，放大器就主要有二次或三次諧波電壓輸出。這樣丙類放大器就成了二倍頻器或三倍頻器。在本次設計當中，需要的是三倍頻器，原理框圖如圖1所示：圖1 丙類倍頻器原理框圖1.4 主要性能指標（一）變頻增益三倍頻器輸出電壓振幅Vim與高頻輸入信號電壓振幅Vsm之比，成為變頻電壓增益或變頻放大倍數(shù)，表示如下：變頻電壓增益另一種表示方法為顯然，變頻增益更高高對提高接收機的靈敏度有利。（二）失真和干擾失真有頻率失真和非線性失真。由于非線性還會產生組合頻率、交叉調制與互相調制、阻塞和易倒混頻干擾。這些是三倍頻器產生的特有干擾。（三）選擇性接收有用信號，排除干擾信號的能力決定于高頻輸出回路的選擇性是否良好。（四）噪聲

8、系數(shù)三倍頻器的噪聲系數(shù)對接收設備的總噪聲系數(shù)影響很大，應盡量低。這就要求很好的選擇所用器件和工作點電流。1.5 工作原理說明丙類倍頻器與丙類諧振功率放大器的工作原理基本相同。不同之處在于丙類倍頻器的集電極諧振回路是對輸入頻率的n倍 頻 諧 振，而對基波和其它諧波失諧，因而中的n次諧振通過諧振回路獲得最大電壓，而基波和其它諧波被濾除。本次設計的三倍頻器的諧振回路的為3，所以，回路可以選出三次諧波、輸出頻率為3的電壓信號，并濾除基波和其它諧波信號。2 丙類倍頻器電路的設計2.1 丙類倍頻器的原理分析及總電路框圖丙類倍頻器與丙類諧振功率放大器的工作原理基本相同，只是在輸出諧振回路上調諧于輸入頻率的諧

9、波頻率，因而集電極上呈現(xiàn)的交變電壓的頻率為輸入頻率的倍頻。如圖2所示，基極電路的電壓有以下關系： （1）參看圖3，可知ic為： （2）集電極電流流通角滿足：因而有： （3）將式（3）代入式（2）得： （4）集電極電流的最大值為： （5）利用傅里葉級數(shù)分解，可表示為： （6）由圖3可以看出，為余弦電流脈沖，其形狀可由和兩個參數(shù)確定。由式（6）可知集電極電流包含豐富的諧波分量。由于圖1中集電極經(jīng)過LC諧振回路接到VCC，若諧振回路在功放工作時諧振于某諧波頻率，因而諧振回路對電流的此諧波頻率分量呈現(xiàn)的電阻最高，而對于電流脈沖中的直流分量、基波分量和其他各次諧波分量，諧振回路的阻抗的模很小，從而基極電

10、壓變化頻率為此諧波的正弦電壓，諧振功率放大器就成了倍頻器。圖2 丙類頻器電路原理圖圖3 集電極電流和基極輸入電壓關系 圖4 余弦脈沖電流分解系數(shù)曲線倍頻器的集電極效率可表示為： (7)式中n為倍數(shù)，從式(7)可知需適當選取的值，使也盡可能大，不同的倍頻次數(shù)最佳流通角也是不同的。最佳值可用計算。由余弦脈沖分解系數(shù)可知，無論導通角為何值，均小于，即在其他情況相同條件下，丙類倍頻器的輸出功率和效率將遠低于丙類放大器，且隨著次數(shù)n 的增大而迅速降低。為了提高倍頻器的輸出功率和效率，要選擇適當?shù)膶ń?。由圖4可得，該電路最佳導通角為40。總電路框圖如圖5所示：圖5 總電路圖2.2 丙類倍頻器的單元電路分

11、析及參數(shù)計算2.2.1 小信號放大電路小信號放大模塊按晶體管連接方法可區(qū)分：共基極、共發(fā)射極和共集電極放大器。丙類倍頻器設計采用的是共射極放大電路，基極輸入，集電極輸出，電壓、電流、功率均放大。從圖6小信號放大模塊可知，這部分的作用的是對所接受到的微弱信號通過晶體管進行信號放大。三極管選用了放大倍數(shù)在100-200倍之間的BC547A，在實物制作時用了差不多放大倍數(shù)的S9018。、和可調電阻串聯(lián)的射極電阻決定了晶體管的靜態(tài)工作點。而且改變的大小可以改變放大器的增益，實現(xiàn)電阻可調，靜態(tài)工作點可調，使三極管工作在放大區(qū)。電路如圖6所示；圖6 小信號放大模塊單元電路元器件參數(shù)說明：為了便于分析，應用

12、等效電源電路，對圖6的基極電路的直流供電電路進行變換并簡化。如圖7所示；圖7 輸入簡化電路在圖7中，根據(jù)經(jīng)驗值，取R2=3.3k,R3=5.1k，為使靜態(tài)工作點可調，加入可調電阻R4，所得到的左右，使三極管可正常工作。L1和C3為前置濾波器，取L1=10mH,C3=47F。注意在電路不工作時，可以改變晶體管靜態(tài)工作點及參數(shù)。本振的輸出電壓不能太低，又要使三極管工作在非線性區(qū)，故選1V。2.2.2 諧振回路諧振回路由電感和電容構成，它們的連接方式不一樣，形成的諧振回路也不一樣。串聯(lián)為串聯(lián)諧振回路，并聯(lián)為并聯(lián)諧振回路。設計中采用的是并聯(lián)諧振回路它具有選擇信號及阻抗變換，兩個或更多個諧振回路串聯(lián)可以

13、構成帶通濾波器。并聯(lián)諧振回路的諧振頻率為：。本次課題仿真設計選用LC并聯(lián)諧振回路，但在考慮到LC回路在現(xiàn)實中不方便調諧，故而實物制作時我們選用了10MHz的中周代替。電路如圖8所示；圖8 諧振回路單元元器件參數(shù)說明：由于要選出三倍頻，RC回路的振蕩頻率為3w,故 ， （8）通過計算得出，諧振回路中電容C=17.5pF，電感L=10H。諧振回路可調諧在頻率為12MHz。電容C4的目的是隔直通交,所以選取C4=47uf。3 丙類倍頻器的仿真3.1 Multisim 仿真軟件簡介Multisim是一個完成原理電路設計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。它的元器件庫提供數(shù)千種電路元器件供實驗選用，同時可以新

14、建或擴充已有的元器件庫。Multisim有較先進的電路分析功能，可以設計、測試和演示各種電子電路，可以對被仿真的電路中的元器件設置各種故障。在進行仿真的同時，軟件還可以存儲測試點所有數(shù)據(jù)。它具有以下突出的特點：(1)設計與實驗可以同步進行，可以邊設計邊實驗，修改調試方便；(2)設計和實驗用的元器件，可以完成各種類型的電路設計與實驗；(3)可以方便的對電路參數(shù)進行測試和分析；(4)可直接打印輸出實驗數(shù)據(jù)、測試參數(shù)、曲線和電路原理圖；(5)實驗中不消耗實際的元器件，種類和數(shù)量不受限制，速度快，效率高；(6)設計和實驗成功的電路可直接在產品中使用。3.2 仿真電路的建立使用Multisim建立電路模

15、型，設計一個輸入信號為4MHz的正弦波，輸出為12MHz的丙類倍頻電路。根據(jù)丙類倍頻器電路原理，在Multisim軟件平臺選取相應的元器件，并選好參數(shù)。設計的仿真原理圖如圖9所示：圖9 丙類倍頻器仿真原理圖3.3 仿真結果分析設置好電路以后，開始仿真。仿真結果分析：電感L2和電容C5均設計為可調的電感電容。在仿真過程中，改變可調電容的大小，觀察頻譜儀XSC1使輸出信號頻率的最大值在12MHz處。當輸入端的正弦波信號源V1為4MHz時，通過計算L2和C5構成的并聯(lián)諧振回路應調諧在三倍頻12MHz。因為最佳導通角，所以有，。選用的三極管BC547A的參數(shù)，在時計算的電流放大倍數(shù)為由于軟件本身存在一

16、些問題，導致波形有點失真但不影響測量結果，通過測量得知，仿真輸入波形的周期為251.282ns，如圖10所示；輸出波形的周期為85.470ns，如圖11所示。由圖可知：輸入信號的振幅,假設基極體電阻，所以： （9） (10) (11)因為，所以: (12) （13）由此可知，設計的丙類倍頻器可以進行三倍頻，達到設計要求。圖10 丙類倍頻器波形圖一 圖11 丙類倍頻器波形圖二4 丙類倍頻器的結果及誤差分析4.1 實物操作說明由于中周的限制，只能使用實驗室的數(shù)字信號發(fā)生器給丙類倍頻器提供3.3MHz的高頻信號，接入輸入端J1，使用直流穩(wěn)壓源提供+12V 電壓接J3端口，示波器接電路的輸出端J4，觀

17、察波形和頻率。4.2 調試數(shù)據(jù)將數(shù)字信號發(fā)生器調節(jié)在3.3MHz，100mv，調節(jié)可調電阻R4使三極管正常工作，此時基極電壓為4V左右。此時觀察示波器，輸入信號為正弦波，頻率約為9.62MHz，如圖12所示；輸出波形如圖13所示：圖12 輸出結果圖圖13 輸出波形圖4.3 誤差分析設計要求中，要求提供電源電壓，設計一個輸出功率，利用波形發(fā)生器產生一個輸出頻率，效率的丙類倍頻器。因為實際電路使用的是10MHz的中周，當輸入為3.3MHz，輸出約為9.62MHz，存在誤差。分析導致誤差的原因如下：(1)實物的實際值與理論值有一定的差距。實際買來的電阻、電容與仿真要求的值有也差異。(2)性能指標參數(shù)

18、的測量方法存在一定的誤差。在調試過程中，我們通過直接觀察波形的幅度與相位的大小來確定電路是否倍頻。而實際輸出信號的周期并不穩(wěn)定。從而導致測量誤差。(3)實驗儀器設備的老化等也會導致電路調試過程出現(xiàn)誤差。4.4 設計結論由以上調試結果可知，經(jīng)過電路設計，仿真設計，得出能夠實現(xiàn)三倍頻的丙類倍頻器，輸出功率，效率。當輸入信號為=3.3MHz，輸出信號約為10MHz左右，且不穩(wěn)定?？芍獙嶋H制作與仿真之間存在較大的誤差。但能夠達到設計要求。5 設計總結與體會通過長達兩周的自我學習和嘗試，終于完成了本次課程設計。丙類倍頻器是較簡單的課題，但對于初次接觸高頻課程設計的人來說，這是一個不小的挑戰(zhàn)。在設計的前期

19、，需要查閱了大量的資料，對丙類倍頻器有了一個大概的認識，對丙類倍頻器的工作原理也有一定的分析和研究。丙類倍頻器主要由兩部分組成，放大環(huán)節(jié)和倍頻環(huán)節(jié)。放大環(huán)節(jié)就是小信號放大電路，倍頻環(huán)節(jié)就是在丙類功率放大器的基礎上，通過諧振回路選出合適的諧波分量。本次課程設計讓我對書本內的所學知識得到了更深的認識，使我掌握的更為牢固了。不僅如此，也學到了很多書本外的知識，需自己查閱資料來完成任務，使得我的自學能力以及對知識的自我理解能力得到了提升。在設計的過程中，首先我們先查閱資料，相當于一個學習的過程。通過所查閱的資料，我們研究原理、進行仿真、比較方案及選定方案，在這個過程中，我們所掌握的知識成為了關鍵，一開

20、始選了個較為復雜的電路，結果無法實現(xiàn)，最后又對書本知識進行了復習和深究，同時在老師的指導下，選出了一個簡單可行的方案。選出方案后，我們就去購買元器件了，制作實物。按照仿真電路圖制作出來的實物卻有很多問題。進行調試時，輸出波形不穩(wěn)定，頻率也不對。在老師的悉心指導下，我們知道了因為在LC諧振回路難以調試，只能用中周代替。最后在我們組成員的共同努力之下，終于成功做出了丙類倍頻器。本次設計仿真成功而完全按照仿真數(shù)據(jù)完成的實物卻無法成功，需進一步進行調試，這讓我體會到仿真只是仿真，是理想狀態(tài)下的情況，在實際的制作中存在這各種各樣的問題會影響結果，這還需我們查閱資料，積累經(jīng)驗。 參考文獻1胡宴如.高頻電子線路M. 北京：高等教育出版社，20122康華光.電子技術基礎（模擬部分）M.北京：高等教育出版社,20063張寧.基于Multisim電子的電子線路分析與仿真J.現(xiàn)在電子技術，2012，35（2）：31-32.4孫冬艷.丙類倍頻器的設計與仿真A.現(xiàn)代電子技