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正文內(nèi)容

超外差接收機(jī)中頻放大器電路設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2024-10-01 20:00 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 介紹,并對(duì)他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 、工作原理以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行全面分析。 同時(shí)介紹了本課題設(shè)計(jì)中所運(yùn)用到的Multisim 仿真軟件 .綜合分析后,確定本課題所采用的超外差式接收機(jī)系統(tǒng),符合課題要求,同時(shí)對(duì)超外差接收機(jī)部分電路進(jìn)行設(shè)計(jì)并仿真。 第三章為混頻器的研究與測(cè)試, 對(duì)混頻器的工作原理和現(xiàn)有的混頻器結(jié)構(gòu)都做了詳細(xì)描述,同時(shí)對(duì)其中的一些參數(shù)進(jìn)行仿真。 第四章為中頻放大電路的 仿真設(shè)計(jì) , 根據(jù)課題 的參數(shù)要求 ,設(shè)計(jì)出符合課題的中頻放大器電路。同時(shí)利用 Multisim 軟件對(duì)其進(jìn)行仿真 操作 。 第五章為本課題的結(jié)論。 第二章 接收機(jī) 4 第 二 章 接收機(jī) 接收機(jī)的主要任務(wù)就是 從已調(diào)制 AM波中解調(diào)出之前有用的信號(hào),主要由輸入電路、高頻電路、混頻 器 電路、中 頻 放 大器 電路、檢波 器 電路、低頻放大器 電路 、低頻功率放大 器 電路和揚(yáng)聲器或者耳機(jī) 構(gòu) 成。原理框圖如圖 21 所示。 圖 21 一般接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 輸入電路 將 很 多無線電臺(tái)發(fā)出的信號(hào) 進(jìn)行 選 取 , 然后 送 到 混頻 器 電路?;祛l 器 電路 把 輸入信號(hào)的頻率 轉(zhuǎn) 換成 中頻 頻率 , 此時(shí)頻率 幅值 的 變化 是恒定的 。 高頻信號(hào)的輸入頻率, 不管 它 如何 變化 , 只要 經(jīng)過 混頻 之 后 得到 的頻率 都 是固定 不變 的。中頻放大器 則 放大頻率 信號(hào)的幅度 ,直到滿足 檢波器 中 所要求的 頻率 大小 為止 。 接著 檢波器 將中頻調(diào)幅信號(hào) 中 的音頻信號(hào) 提 取 出 來, 再傳 送 到 低頻放大器 里面 。低頻放大器 通過 電壓放大 并 檢測(cè) 之前提取出來的 音頻信號(hào) 。 最后就是 由功率放大器 把 音頻信號(hào)放大, 通過 揚(yáng)聲器或 者 耳機(jī)將音頻電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槁曇?的過程 。 因?yàn)?天線接收的高頻信號(hào) 全部 都是通過 混頻電路轉(zhuǎn)變 成恒定不變的 中頻頻率,然后再 進(jìn)行 放大, 所以接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏度以及選擇性都比 較好,性能 也更 加 穩(wěn)定。 超外差接收機(jī) 超外差接收機(jī)是 使 用本地產(chǎn)生的 振 蕩波與輸入 的頻率 信號(hào) 進(jìn)行 混頻,再將輸入信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換 成某一個(gè) 特 定的頻率的方 式 。 該 方 式可以很大程度上提高 遠(yuǎn)程通信 的接收 高頻率信號(hào) 和 弱信號(hào)的 能力 。 1919 年,科學(xué)家們利用超外差原理制作成超外差接收計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 機(jī) 。超外差接收機(jī) 的性能優(yōu)于一般放大式的接收 機(jī) ,所以直到現(xiàn)在 仍 然廣泛應(yīng)用 在 遠(yuǎn)程信號(hào)的接收 中 ,并且廣泛應(yīng)用到技術(shù)測(cè)量、工業(yè)控制、儀器儀表、計(jì)算機(jī)通信等領(lǐng)域,同樣也可以應(yīng)用到復(fù)雜環(huán)境下要求較高的系統(tǒng)中去。 圖 22為超外差原理圖, 圖 22 超外差原理圖 圖中 fL為 本地振蕩器的 頻率信號(hào) ,輸入信號(hào)是一中心頻率為 fc 的射頻信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào) 是由一個(gè) 混頻器混 合 ,輸出 不同的頻率 的成分被稱為中頻信號(hào) , 即 fI=fLfc 為中頻頻率。圖 23 給出了混頻過程中的前后波形圖。 中頻信號(hào)除中心頻率由 FC網(wǎng)絡(luò)變換,頻譜結(jié)構(gòu)和輸入信號(hào)基本上是相同的, 中頻信號(hào) 實(shí)現(xiàn)了線性 搬移 過程 。 從而在很大程度上保留了輸入信號(hào)的有用的信息, 有利于檢波器的檢測(cè)。而超外差原理主要 是 運(yùn)用在超外差接收機(jī)中(如圖 24) 第二章 接收機(jī) 6 圖 23(a) 混頻前后波形 圖 23(b) 中頻放大前后波形 圖 24 超外差接收機(jī)原理 結(jié)構(gòu) 框圖在整個(gè)接收機(jī)工作過程中,經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后的信號(hào),進(jìn)入到接收機(jī)中的信號(hào)就變得非 常虛弱,為了滿足檢波器的正常工作,必須要有足夠大的信號(hào)。因此就 要將信計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 號(hào)放大,從而確保整個(gè)接收機(jī)的正常工作。在 以 前的接收機(jī)中,大多都采用 高頻放大級(jí),而 性能優(yōu)良的超外差接收機(jī)系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 零中頻接收機(jī) 目前,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,各種接收機(jī)的集成度也相應(yīng)提高。在這種技術(shù)下,我們研究了零中頻接收機(jī),它通過使用直接變頻技術(shù),較大程度上抑制了鏡像頻率的產(chǎn)生,因此被稱為近零中頻接收機(jī)。其原理圖如圖 25 所示。 圖 25 零中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 如圖所示,接收機(jī)在接收到信號(hào)后,首先經(jīng)過 放大器進(jìn)行放大處理,之后分別進(jìn)入兩條支路和本振信號(hào)進(jìn)行混 合 ,以便產(chǎn)生所需要的基帶信號(hào),相互交叉的本振信號(hào)便于信號(hào)的有效傳輸。在混頻處理過程中,本振信號(hào)的頻率與輸入射頻信號(hào)的頻率相等,由此可見,混頻器輸出端輸出的則是基帶信號(hào)。 通過對(duì)零中頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分析,可見其有很多優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在一 定的 缺點(diǎn),比如直流偏差、本振泄露和噪聲等問題。在零中頻接收機(jī)的生產(chǎn)與應(yīng)用中,我們應(yīng)該努力 找到 解決這些問題 的方法 。 低中頻(近零中頻)接收機(jī) 中頻濾波器在低中頻接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中要求較低。其結(jié)構(gòu)原理如圖 26 所示,同超外差接收機(jī)相比較,其顯著優(yōu)點(diǎn)就是低功耗以及高集成度,而與之前分析的零中頻接收機(jī)相比,低中頻接收機(jī)可以解決信號(hào)失調(diào)等問題。由此低中頻接收機(jī)得到越來越多的生產(chǎn)和應(yīng)用。同樣的,低中頻接收機(jī)也存在著一些缺點(diǎn)。在低中頻接收機(jī)中, 因?yàn)?鏡頻信號(hào)比第二章 接收機(jī) 8 較大,因此必須 像超外差接收機(jī) 那樣 , 考慮 其 鏡像頻率的抑制的問題 。 圖 26 低中頻接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 寬帶中頻數(shù)字接收機(jī) 在現(xiàn) 階段的 無線通信系統(tǒng)中,人們提出了 多種 全數(shù)字的調(diào)制解調(diào)方 式 , 其中的寬帶中頻數(shù)字接收機(jī)更是成為了研究關(guān)鍵。以其特有的正交解調(diào)技術(shù)而得到更 多更廣的用 途 。其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖 27 所示。 圖 27 中頻寬帶數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 這類接收機(jī)采用寬帶中頻數(shù)字化的工作方式,很大程度上簡化了電路模塊的設(shè)計(jì),計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 降低了成本。與 一般 的接收機(jī)相比,寬帶中頻數(shù)字接收機(jī) 的 高精確度、高穩(wěn)定性 和 抗干擾能力強(qiáng)等更是突出了其優(yōu)越性 。與此同時(shí),在接收機(jī)工作過程中,也存在一些不可避免的問題。比如接收機(jī)的選擇性和靈敏度,很大程度上影響了接收機(jī)接收弱信號(hào)的能力,容易丟失部分弱信號(hào)。 接收機(jī)的技術(shù)指標(biāo) 增益 一般情況下,射頻系統(tǒng)中的增益指的是功率增益 ,很容易和電壓增益混淆。這就需要我們根據(jù)實(shí)際電路進(jìn)行分析。在射頻通信系統(tǒng)中,定義了多種功率,主要有以下幾種: PL:通過負(fù)載獲得的功率; Pin:電路輸入功率; Pavs:信號(hào)源的最大功率; Pavn:電路所能提供的最大功率。 與之對(duì)應(yīng)的,增益也 能夠 定義為三種類型:一般功率增益 GP、 變 化功率的增益GT以及資用增益 GA,其公式分別如下: GP= PLPin ( 21) GT= PLPavs ( 22) GA = PavnPavs ( 23) 而 增益平坦度 (Gain Flatness )是 表示 在 恒 定帶寬范圍內(nèi)增益 快速變化的 數(shù)值,以分貝( dB) 來 衡量。 接收機(jī)的選擇性和線性度 通常情況下,在接收機(jī)工作中都存在一定的外界干擾,在這種情況下,接收機(jī)仍能夠選擇所需要的信號(hào),我們稱之為接收機(jī)的選擇性。而選擇性 往往都是 用矩形系數(shù)來表示,比如 或 。在接收機(jī)系統(tǒng)中,中頻信道的調(diào)諧濾波器影響著接收第二章 接收機(jī) 10 機(jī)的 選擇性。 為了確保接收機(jī)盡可能的接收失真信號(hào),這就必須保證足夠的線性度。良好的選擇性和 接收機(jī)的 線性度 可以提高 接收信號(hào)的質(zhì)量,保證接收機(jī)持續(xù)穩(wěn)定的工作。 接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍 在一般的接收機(jī) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 中,動(dòng)態(tài)范圍是衡量接收機(jī) 性能 好壞 的一個(gè)非常重要的指標(biāo),它 表示的 是接收機(jī)處理最大信號(hào)以及檢測(cè)弱信號(hào)的能力,也被定義成 最大和最小的輸入信號(hào)的比值 ,即: 接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍 = 輸入端的最小信號(hào) 輸入端的最大信號(hào) ( ) 在接收機(jī)正常工作過程 當(dāng) 中,動(dòng)態(tài)范圍 D 指的是 接收機(jī) 容 許 射頻 輸入信號(hào) 強(qiáng)度的一個(gè)范圍 , 一般定義為 : D(dB)=PRF max — PRFmin (( ) 式中, PRF max表示最大輸入信號(hào)的功率, PRFmin 則表示最小可辨別的信號(hào)的功率,單位為 dBm。在實(shí)際的接收機(jī)應(yīng)用中,我們常把接收機(jī)的靈敏度 表示 為 PRFmin,即最小可辨別信號(hào)功率。 接收機(jī)的靈敏度和噪聲分析 在接收機(jī)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 中,一般都采用系統(tǒng)的信噪比來衡量接收機(jī)對(duì)信號(hào)接收能力的好壞,信噪比即為信號(hào)功率和噪聲功率的比。而在端口網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,則使用噪聲系數(shù)作為這一特性的參數(shù)。 計(jì)算 公式為: F = 輸出端信噪比輸入端信噪比 = NoSoNiSi// ( ) 將上式轉(zhuǎn)變成分貝數(shù),即 NF=10 1gF 在同一時(shí)間的最小信號(hào)強(qiáng)度,接收機(jī) 能夠 接收到 并且 維持接收機(jī)正常 的 工作被稱為接收器的靈敏度 。作為衡量接收機(jī)接收弱信號(hào)能力的參數(shù),靈敏度高 低決定了接收機(jī)接計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 收到信號(hào)的強(qiáng)弱。 電路仿真軟件 Multisim 的應(yīng)用 Multisim Multisim 軟 件 是 由 美國國家儀器公司( NI)的 Electronics Workbench 在 2020 年 3月 份 發(fā)布的。 主要包括了 PCB 設(shè)計(jì)和自動(dòng)布線功能 , 用于 電路板設(shè)計(jì)和 仿真 測(cè)試。Multisim 是一個(gè) 非常方便電子電路的 設(shè)計(jì) 和調(diào)試 的 軟件 。 通過改變電路結(jié)構(gòu)中的元器件的參數(shù),從而使整個(gè)電路性能達(dá)到最佳的狀態(tài),方便我們更準(zhǔn)確的研究與測(cè)試。它用軟件的方法模擬 了 電子線路 中各個(gè)元器件以及 儀器儀表 等,大大增強(qiáng)了軟件的仿真和分析能力。從 Multisim 7 到現(xiàn)在的 Multisim 10,軟件基本上都保留了最初版本的操作界面,相 比 以前的老版本 , Multisim 10 新增 了 1200 多個(gè)元器件、 500 多個(gè) SPICE模塊 以及 100 多個(gè)開關(guān)電源模塊,因此增加了仿真電路的規(guī)模以及仿真速度。當(dāng)然,Multisim 配置了多種 虛擬測(cè)試儀器, 比如像計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室中常用的 萬用表、信號(hào)發(fā)生器、示波器和直流、交流電源等。仿真后的結(jié)果也和使用實(shí)際儀器時(shí)差不多。此外, Multisim 有 一個(gè) 非常完整 的 電路 分析功能, 方便我們能夠更加深入的理解電路的特性。 Multisim 還可以允許在仿真電路圖中添加文本框,這樣就方便了我們對(duì)電路各個(gè)部 分的詳細(xì)研究。哪里有疑問,都可以標(biāo)注在文本框中, 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,和其他很多仿真
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