超外差式调频接收机
摘 要
此次高频课程设计，我选择设计《简易调频接收机》，接收机是各种通信系统中一个十分重要的组成部分，而通信技术在我们的生活中广泛应用。这里想要得到一个超外差式调频接收机。超外差是目前很多接收机广泛采用的技术，与直接放大式接收机相比，超外差具有很多突出的优点，灵敏度好，易得到足够大且比较稳定的放大量，易调整等。所谓超外差，就是利用本地产生的等幅震荡波与输入信号混频，将输入信号频率变换为某个预先确定的频率的方法，即变为固定的中频。
接收机分为以下几部分构成：选频网络、高频小信号放大、变频、中频放大、鉴频、低频功放。整个电路的设计应注意以下几方面：选择性好的级应尽量靠前，因为在干扰及信号都不大的地方把干扰抑制下去，效果最佳。整机的灵敏度，选择性，通频带等主要取决于中放级，而噪声则主要取决于高放或混频级。所以在考虑中放级时，应在满足频带要求与保证工作稳定的前提下，尽量提高增益；而在考虑高放级时，则增益成为次要矛盾，主要应尽量减小本级的内部噪声。总的来说，设计一部接收机时必须考虑全面，妥善处理一些相互牵连的矛盾。
关键词：调频 接收机 超外差 混频
目 录
摘 要 ............................................................................................................................................ 1 目 录 ............................................................................................................................................ 2 第一章 绪 论 ................................................................................................................................ 3
1.1 引言 .................................................................................................................................... 3 1.2 主要技术指标 .................................................................................................................... 3 1.2.1. 工作频率范围 ................................................................................................................ 3
1.2.2.灵敏度 ...................................................................................................................... 3 1.2.3. 选择性 .................................................................................................................... 3 1.2.4. 通频带 .................................................................................................................... 4 1.2.5. 输出功率 ................................................................................................................ 4 1.3 总体方案 .......................................................................................................................... 4
1.3.1 原理框图及组成部分 ............................................................................................. 4 1.3.2工作原理 .................................................................................................................. 5 1.3.3 部分波形变换图 ..................................................................................................... 5
第二章 部分电路分析................................................................................................................... 6
2.1 高频小信号放大电路 ...................................................................................................... 6 2.2变频电路 ............................................................................................................................. 8
2.2.1 混频器电路 ............................................................................................................. 8 2.2.2 本地振荡 ............................................................................................................. 10 2.3 中频放大电路 .................................................................................................................. 11 2.4 鉴频电路 .......................................................................................................................... 12 第三章 仿真 .................................................................................................................................. 14
3.1 高频小信号放大器电路仿真 .......................................................................................... 14 3.2 混频电路及仿真 ............................................................................................................ 16 3.3 本地振荡电路仿真 ........................................................................................................ 17 3.4 中频放大电路 ................................................................................................................ 18 3.5 鉴频电路 ........................................................................................................................ 19 3.6 低频放大电路 .................................................................................................................. 20 第四章 心得体会 .......................................................................................................................... 21 附录 参考文献 ............................................................................................................................ 22
第一章 绪 论
1.1 引言
本次设计，目的是设计一个简易超外差调频接收机。现代通信与人们的生活紧密相关，任何通信离不开信号的调制发送和解调接收，且这些系统中核心技术就是高频电子技术，因此，此选题有重要的意义。在超外差调频接收机设计过程中，将其分为高频放大，混频，本振，中放，鉴频，低频功放。进一步学习高频电子电路，掌握电路仿真技巧。超外差式接收机的核心是混频器部分，混频器与本地振荡器一起构成变频器，将接收到的不同载波频率转变成固定的中频。然后解调放大。
1.2 主要技术指标
1.2.1. 工作频率范围
接收机系统可以就收到的无线电波的频率范围称为接收机的工作频率范围，在整个接受的波段范围内就要满足主要指标，工作频率必须和发射机的频率相对应。因为调频广播接收机的频率范围为88-108MHZ，这是因为调频广播的发射机频率为88-108MHZ。中频频率：465KHZ. 1.2.2.灵敏度
接收机接收微弱信号的能力称为灵敏度。通常用输入电压的大小来表示，接受的信号越小，灵敏度越高。调频广播接收机的灵敏度为5-30uV. 1.2.3. 选择性
接收机从各种信号和干扰中选出所需要的信号，或衰减不要的信号的
能力称为选择性，单位用dB（分贝）表示，dB数越高选择性越好。调频接收机中的中频抗干扰应大于50dB。
1.2.4. 通频带
接收机的频率响应范围称为频率特性或通频带。调频接收机的通频带一般为200KHZ. 1.2.5. 输出功率
接收机的负载输出的最大不失真（或非线性失真系数为给定值时）功率成为不失真功率。输出功率 ≥100mW。
1.3 总体方案
1.3.1 原理框图及组成部分
超外差调频接收机是由天线，输入回路，高频放大器，混频器，本地振荡器，中频放大器，检波器，低频功放组成。原理框图如图1-1
图 1-1 接收机结构图
1.3.2工作原理
如图示，天线接收到微弱的高频信号，经输入回路选频为f1，经高
放送入混频器，本振输出另一高频f2，送入混频。混频器的输出为含有f1,f2,(f1+f2),(f2-f1)等频率分量的信号。接调频混路得中频f3=f2-f1=465kHZ.再经中频放大，获得足够高增益，然后检波器检出低频信号，经过解调器解调后，由低频功放级放大。
由于天线接收到的高频信号经过混频成为固定的中频，再加以放大，因此接收机的灵敏度较高，选择性较好，性能也比较稳定。 1.3.3 部分波形变换图
1） 混频器前后输入波形如图1-2
将输入波形和本地载波送入混频器，得到一个差频，其频率降低了，波形的形状不改变。
图1-2 混频前后波形
2）中频放大器输入前后波形如图1-3
将中频信号放大，提高其增益。频率不改变。
图1-3 中频放大前后波形
3）鉴频前后的波形如图1-4
把等幅的调频波变换成幅度按调制信号规律变化的调频调幅波，然后，用振幅检波器把幅度的变化检出来，得到原来的调制信号。
图1-4 鉴频前后波形
第二章 部分电路分析
2.1 高频小信号放大电路
如图2-1所示，为共射级接法的晶体管高频小信号放大器。它不仅要放大高频信号，还要有一定的选频作用，因此，晶体管的负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的级间电容及连接导线的分布参数等会影响频率和相位。晶体管的静态工作点由电阻RA2,RA3,RA4及RA1决定，其计
算方法与低频单管放大器相同。
对于此高放，要求是：（1）工作稳定，放大器可能会产生正反馈，他影响放大器的稳定工作，严重时会引起震荡，使放大器变成振荡器，。因此，正常工作重要保证放大器远离震荡状态而稳定工作。（2）选择性好，即有一定的通频带。（3）失真小，增益高，且工作频率变化时增益变动不应过大，工作频率越高，晶体管的放大能力越小，增益越低。增益变化太大时，灵敏度相差将很悬殊。
高频放大器是用来放大高频信号的器件，高频放大器与低频相比较，它的工作频率高，但整个工作频带宽度比较窄。在接收机中，高频放大器放所放大的对象是已调信号，它除载频信号外还有边频分量。根据高放的对象是载频信号这一情况，一般采用晶体管做放大器件，而且用并联谐振回路作为负载，让信号谐振在信号载频。对于高频小信号放大器来说，由于信号小，可以认为它工作在晶体管的线性范围内。允许把晶体管看成线性元件，可以看成有源线性四端网络。
图 2-1 高频小信号放大器电路
2.2变频电路
2.2.1 混频器电路
混频器是一个变频电路，一般用相乘器，高频放大电路和本地振荡
电路的输出信号加到混频器的输入端，得到一个差频。调谐回路的输出，进入混频级的是高频调制信号，既载波与其携带的调制信号。经过混频，输出载波的波形变的很稀疏，其频率降低了。但音频信号的波形没有变。通常将这个过程（混频和本振共同作用）叫做变频。从频谱的观点看，混频的作用就是将已调的频谱不失真的搬移，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现。 输入已调波信号：uc=[UCcosΩt]cosωct 本振信号：uL = ULcosωct
那么两信号两信号的乘积为：uI = UCULcosΩt[cosωct cosωlt]
1
=UCULcosΩt[cos(ωc +ωl)
2
t+cos( ωc -ωl)t]
如果带通滤波器的中心频率为ωI = (ωc -ωl)
带宽 B= 2Ωmax 则经带通滤波器的输出为：uI =
1
UCULcosΩt[cos(ωc -ωl) 2
1
=UCULcosΩt3 cosωlt
2
=【ULcosΩt】cosωlt
混频前后的信号的波形与频谱如图2-2所示
图2-2 混频前后的波形与相应频谱图
在本次设计中我们采用晶体三极管混频器，晶体三极管环型混频器的优点是工作频带宽，可达到几千兆赫，噪声系数低，混频失真小，动态范围等，但其主要缺点就是没有混频增益。由于混频器处于接收机的前端，它的噪声电平高低对整机有较大的影响，因此要求混频器的噪声系数越小越好。由于混频依靠非线性特性来完成，因此在混频过程中会产生各种非线性干扰，如组合频率，交叉调制，互相调制等干扰。这些干扰将会严重的影响通信质量，因此要求混频电路对此应能有效的抑制。
图 2-3 混频电路
2.2.2 本地振荡
变频器中，为了接收信号在混频元件中产生差拍输出信号，需要产
生一个等幅震荡信号，产生该信号的震荡器就称为本地振荡，。本地振荡器具有跟踪特性。对本地振荡器的要求是：振荡频率稳定且可进行电调，噪声小。，
本次设计中，采用改进型电容三点式振荡电路。因为本振电路的输出频率要与高频放大电路的输出信号进行混频，得到一个中频信号。所以要求本振电路的输出频率必须很稳定。所以采用性能稳定的石英晶体振荡器。若本振电路输出不稳定，将引起变频器输出信号的大小改变，振荡频率的漂移将中频改变。振荡器的振幅与振荡管的特性以及反馈电路的特性有关。本次设计的电容改进型电容三点式电路图如图2-4所示.
图 2-4 振荡电路
上图即为电容反馈改进型振荡电路，
CC3
C4
C5
C4C5
电路中基极接地，CE之间为C1,CB之间为L与C串联的等效电抗；在振荡频率处，选择w0L>1/w0C，w0L-1/w0C=w0Le,即L与C串联后等效为一个电感Le,因此此电路为电容反馈振荡器。因为振荡等于谐振频率w0,w0取决于w0L=1/w0C。
式中 C=
由上式可得 f0=
2π
L
1
1/C1+1/C2+1/C3
1
1C1C2C3
若选择C1》C,C2》C，则f0与C1及C2近似无关。 对于提高振荡电路的稳定度有以下几种方法：
1）提高回路的Q值，Q越高，频率越稳定。回路Q值主要由电感的Q值决定，所以要提高电感的Q值。所以要尽量减小损耗，提高ρ=
L
.不过，ρ的提高是C
有一定限度的，L太大时，损耗也增大，且C太小时并联在回路中的杂散电容很大，杂散电容明显影响频率的稳定。为了减小线圈的损耗，可用高频损耗小的线圈固架。
2）减小负载的影响。减小振荡回路和负载间的耦合程度可以减弱负载的影响，不过这时传送到负载上的振荡信号也小了，所以震荡要求更高。在振荡器和负载之间加一级射极输出器可以改善伏在对阵当期的影响。因为射极输出器的输入阻抗较高，隔离作用较好，同时不增加振荡功率的要求。
2.3 中频放大电路
中频放大电路的任务是把变频得到的中频信号加以放大，然后送到
鉴频器鉴频。中频放大电路对超外差接收机的灵敏度，选择性和通频带等性能指标起着很重要的作用。
中放的作用主要有两个：（1）提高增益。（2）抑制邻近干扰。
对中放的主要要求是：工作稳定，失真小，增益高，选择性好，有足够的通频带。对于高放，因工作频率f0高，通频带B=f0/QL宽，故高放回路的Q值越高越好，不必考虑B太窄的问题。但是对于中放，由于工作频率较低，若回路Q值过高，频带可能太窄而不能通过全部信号分量，所以希望在要求的通频带条件下选择性越高越好。也就是说，要求谐振曲线接近矩形。实际的谐振曲线是很难接近矩形的，这时就考虑矩形系数Kr.Kr=2△f0.1/2△f0.7.
图2-5 中频放大电路
2.4 鉴频电路
鉴频器就是从调频信号中检出调制信号，也叫频率检波器，常用的鉴频
电路有比例鉴频电路和相位鉴频电路，他们的工作原理相同，都是先把等幅的调频波变换成幅度按调制信号规律变化的调频调幅波，然后，用振幅检波器把幅度的变化检出来，得到原来的调制信号，实际电路中应用较多的是比例鉴频电路，其中包括对称式和非对称式。
图2-6所示为双失谐回路鉴频器的原理图。它是由三个调谐回路组成的调频-调幅调频变换电路和上下对称的两个振幅检波器组成的。初级回路谐振于调频信号的中心频率，其通带较宽。次级两个回路的谐振频率分别为W01，W02，
并使W01，W02与Wc呈对称失谐。即：W01 - Wc = Wc - W02。
1GH62
图 2-6 检波电路
图2-7为失谐回路鉴频器的幅频特性，其中实线表示第一个回路的幅频特性，虚线表示第二个回路的幅频特性，两个幅频特性对Wc是对称的。检波后输出电压 Uo = U01 –U02
当输入调频信号的频率由Wc向升高的方向偏离时，L2，C2回路输出电压大，而L1，C1回路输出电压小，经检波后U01
当输入调频波信号的频率由Wc向降低方向偏离时，L1，C1回路输出电压大，L2，C2回路输出电压小，经检波后U01>U02，则U0 = U01 – U02>0. 总鉴频特性图如下图所示。
图 2-7 鉴频器的幅频特性
2.5 低频放大器
从检波器解调出的输出信号一般很小，所以在输出极一般采用低频功率放大电路，把信号放大到所需要的大信号，然后再输出。电路如图2-8所示：
图2-8 低频放大电路
第三章 仿真
3.1 高频小信号放大器电路仿真
高频小信号写真放大电路主要由晶体管，负载，输入信号和直流电源等部
分电路组成。晶体管基极正偏，工作在甲类，负载为LC并联谐振回路，调谐在输入信号的频率465KHz上。该放大电路能够对输入的高频小信号进行反向放大。 仿真原理图及波形图如图3-1所示
图3-1.1 高频小信号放大器仿真电路
图 3-1.2 高频放大仿真结果波形
3.2 混频电路及仿真
图 3-2.1 混频仿真电路
图 3-2.2 混频仿真结果波形
3.3 本地振荡电路仿真
图 3-3.1 本地振荡仿真电路
图 3-3.2 本地振荡仿真结果波形
3.4 中频放大电路
图3-4.1 中频放大仿真电路
图 3-4.2 中频放大仿真结果
3.5 鉴频电路
图 3-5.1 检波仿真电路
图 3-5.2 检波仿真结果
3.6 低频放大电路
图 3-6.1 低频放大仿真电路
图3-6.2 低频放大仿真结果
第四章 心得体会
通过这次课程设计，使我对高频知识，特别是超外差原理还有信号接收原理有了进一步的认识，锻炼了我思考问题解决问题的能力。
刚拿到设计题目时一头雾水，便重新温习高频相关内容，并通过在网上查找相关资料和论文，学到了很多相关内容。通过对部分电路的仿真，进一步熟悉Multisim的使用，了解到其重要用途。同时体会到理论知识学习扎实是做设计的前提，耐心和细心更是学习和工作做好的重要因素。
由于知识水平有限，专业知识不够扎实，这次设计存在很多不完善之处，同时也深刻的意识到自己在设计方面能力的欠缺，以往只是学习原理，一旦设计电路，自己掌握的知识就显得匮乏了。以后我要多看专业书，把专业学精学透，多于实际相联系。
Word文档制作不够规范，不够严谨。这也是这次设计暴露出的问题，以后应使报告规范化，对word的操作也应更加熟练。
附录 参考文献
【1】张素文，高频电子线路（第五版）。北京：高等教育出版社
【2】曾兴雯，陈建，高频电子线路辅导。北京：西安电子科技大学出版社
【3】 谢自美，电子线路设计
.实验.测试。华中理工大学出版社