基于Multisim的FM调频与鉴频电路设计与仿真

师范学院电气信息工程学院2014届通信工程专业课程设计报告课程设计报告题 目基于Multisim的FM调频与鉴 频电路设计与仿真 学生姓名 学生学号 系 别 电气信息工程学院 专 业 通信工程 届 别 2014届 指导教师 * 电气信息工程学院制2013年3月目录1课程设计的任务与要求41.1 课程设计的任务41.2 课程设计的要求41.3 课程设计的研究基础42基于锁相环FM调制与解调系统方案制定52.1 方案提出52.2 方案论证52.2.1调频与鉴频的概念52.2.2 间接调频电路62.2.3变容二极管直接调频电路73 Multisim软件介绍134实现FM调频与鉴频的电路元件144.1FM的调制144.2FM的解调155实验结果与分析165.1调频仿真165.2鉴频仿真176总结18参考文献2023基于Multisim的FM调频与鉴频电路设计与仿真学生 指导教师*电气信息工程学院通信工程专业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。Abstract frequency modulation and demodulation is a part of communication electronic circuit is very important and key, frequency modulation circuit is widely applied and plays a great role in the communication electronic circuit, how to learn this part is very important for us. The content of the curriculum design is the study of design and Simulation of frequency modulation circuit based on Multisim. FM frequency modulation and demodulation, using Multisim simulation software, the simulation results are obtained. Simulation of modulation signal is the result of spring wave, simulation of signal demodulation results are modulated wave. From the simulation results in better understanding of frequency modulation and demodulation.关键词调制与解调；Multisim;仿真分析Keywords modulation and demodulation; Multisim; simulation analysis and demodulation1课程设计的任务与要求1.1 课程设计的任务通过本次课程设计，掌握通信原理中模拟基带信号通过FM的调制与解调。在硬件电路上采用锁相环进行直接调频频和基于Mulitisim软件进行仿真和测试，并进行分析。1.2 课程设计的要求本课程设计课题主要研究FM调制与解调模拟系统的理论设计和基于Mulitisim软件仿真。通过此次课程设计，需完成以下几个任务1.掌握模拟系统FM调制与解调的基本原理；2.掌握模拟系统FM调制解调的设计方法；3.掌握应用Multisim如何实现FM调制和解调的仿真，并记录仿真结果。1.3 课程设计的研究基础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。2基于锁相环FM调制与解调系统方案制定2.1 方案提出许多调频发射电路中采用直接调频电路如无线麦克风发射电路、无线遥控玩具的发射机电路及对讲机电路等。在模拟电路课程的学习中，我们学习过各种振荡器，这些振荡器产生的是频率、幅度不变的单频余弦波。按照调频波的定义，若这些振荡器的频率能够被低频信号直接控制而改变，则振荡器就可输出调频波，相应的称这些电路为直接调频电路。2.2 方案论证2.2.1调频与鉴频的概念调频就是用调制信号控制载波的振荡频率，使载波的频率随着调制信号变化。已调波称为调频波。调频波的振幅保持不变，调频波的瞬时频率偏离载波频率的量与调制信号的瞬时值成比例。调频系统实现稍复杂，占用的频带远较调幅波为宽，因此必须工作在超短波波段。抗干扰性能好，传输时信号失真小，设备利用率也较高。 把含有信息的低频信号从经过传输的调频波中解调出来，还原含有信息的低频信号，称为鉴频。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。2.2.2 间接调频电路调频波的数学表示式，在调制信号为ut时，为uFMtUcmcosctkf (2.2.2-1)可见调频波的相位偏移为kf ，与调制信号ut的积分成正比。若将调制信号先通过积分器得 ，然后再通过调相器进行调相，即可得到调制信号为 的调相波，即 utUcm cosctkP (2.2.2-2) 因此，调频可以通过调相间接实现。通常将这样的调频方式称为间接调频，其原理方框图如图10-1所示。这样的调频方式采用频率稳定度很高的振荡器例如石英晶体振荡器作为载波振荡器，然后在它的后级进行调相，得到的调频波的中心频率稳定度很高。载波振荡器FM已调信号缓冲级调相器积分器FM已调信号基带信号 图2.2.2-1 间接调频原理方框图2.2.3变容二极管直接调频电路(1)变容二极管的特性 变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的。在加反向偏压时，变容二管呈现一个较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。 变容二极管的反向电压与其结电容呈非线性关系。其结电容Cj 与反向偏置电压ur之间有如下关系2.2.3-1式中，UD 为PN结的势垒电压，Cj0 为ur 0时的结电容;为电容变化系数。(2)调频基本原理图2.2.3-1变容二极管调频电路 图2.2.3-1是变容二极管调频器的原理电路。图中虚线左边是一个LC正弦波振荡器，右边是变容二极管和它的偏置电路。其中Cc是藕合电容，ZL为高频扼流圈，它对高频信号可视为开路。变容二极管是振荡回路的一个组成部分，加在变容二极管上的反向电压为 ur Vcc-VButVQut (2.2.3-2 式中，VQVcc-VB是加在变容二极管上的直流偏置电压；ut为调制信号电压。图2.2.3-2结电容随调制电压变化关系 图2.2.3-2 a是变容二极管的结电容与反向电压ur的关系曲线。由电路可知，加在变容二极管上的反向电压为直流偏压VQ和调制电压ut之和，若设调制电压为单频余弦信号，即u tUmcost则反向电压为 ur t VQUm cost 2.2.3-3如图2.2.3-2 b所示。在ur t的控制下，结电容将随时间发生变化，如图2.2.3-2 c所示。结电容是振荡器振荡回路的一部分，结电容随调制信号变化，回路总电容也随调制信号变化，故振荡频率也将随调制信号变化。只要适当选取变容二极管的特性及工作状态，可以使振荡频率的变化与调制信号近似成线性关系，从而实现调频。(3)电路分析设调制信号为utUmcost，加在二极管上的反向直流偏压为 VQ，VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率，同时还应保证在调制信号u t的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。加在变容二极管上的控制电压为在变容二极管上的反向电压为 ur Vcc-VButVQut (2.2.3-2 式中，VQVcc-VB是加在变容二极管上的直流偏置电压；ut为调制信号电压。图2.2.3-2结电容随调制电压变化关系 图2.2.3