基于Multisim的FM调频与鉴频电路设计与仿真

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 ................................................................................................................ 4

1.1 课程设计的任务 ....................................................................................................................... 4

1.2 课程设计的要求 ....................................................................................................................... 4

1.3 课程设计的研究基础................................................................................................................ 4

2基于锁相环FM调制与解调系统方案制定 ................................................................................ 5

2.1 方案提出 ................................................................................................................................... 5

2.2 方案论证 ................................................................................................................................... 5

2.2.1调频与鉴频的概念 .................................................................................................................. 5

2.2.2 间接调频电路......................................................................................................................... 6

2.2.3变容二极管直接调频电路 ...................................................................................................... 7

3 Multisim软件介绍 ...................................................................................................................... 13

4实现FM调频与鉴频的电路元件 .............................................................................................. 14

4.1FM的调制 ................................................................................................................................. 14

4.2FM的解调 ................................................................................................................................. 15

5实验结果与分析 ......................................................................................................................... 16

5.1调频仿真 .................................................................................................................................. 16

5.2鉴频仿真 .................................................................................................................................. 17

6总结 ............................................................................................................................................. 18

参考文献 ........................................................................................................................................ 20

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 waveform, simulation of signal demodulation

results are modulated waveform. 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 demodulation

1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uΩ(t)时，为

uFM(t)=Ucmcos[ωct+kf

可见调频波的相位偏移为kf

调制信号先通过积分器得

信号为

的调相波，即

]

] （2.2.2-1）

uΩ(t)的积分成正比。若将与调制信号

，

，然后再通过调相器进行调相，即可得到调制 u(t)=Ucm cos[ωct+kP

（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

FM已调信号

基带信号

积分器

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：

Cj

Cj0ur1Ud

r (2.2.3-1)

式中，UD 为PN结的势垒电压，Cj0 为ur =0时的结电容;γ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VB+uΩ(t)=VQ+uΩ(t) （2.2.3-2)

式中，VQ=VccVB是加在变容二极管上的直流偏置电压；uΩ(t)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uΩ(t)之和，若设调制电压为单频余弦信号，即uΩ

(t)=UΩmcosΩt则反向电压为:

ur (t)= VQ+UΩm cosΩt (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uΩ(t)=UΩmcosΩt，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uΩ (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VB+uΩ(t)=VQ+uΩ(t) （2.2.3-2)

式中，VQ=VccVB是加在变容二极管上的直流偏置电压；uΩ(t)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uΩ(t)之和，若设调制电压为单频余弦信号，即uΩ

(t)=UΩmcosΩt则反向电压为:

ur (t)= VQ+UΩm cosΩt (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uΩ(t)=UΩmcosΩt，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uΩ (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

ur (t)= VQ+UΩm cosΩt (2.2.3-4)

相应的变容二极管结电容变化规律为

当调制信号电压uΩ(t)=0时，即为载波状态。此时ur(t)=VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ:

CjQCj0VQ1Udr (2.2.3-5)

当调制信号电压uΩ(t)=UΩm cosΩt时，

CjCj0Cj0

[1mcost]r[UDVQ(1Umcost)]rUDUDVQ代入式(2.2.3-5),并令m= UΩm /(UD+VQ)为电容调制度，则可得

CjCj0[1mcost]r (2.2.3-6)

上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压的关系由振荡回路决定。由图2.2.3-1可得，振荡器振荡回路的等效电路，如图2.2.3-3 (a)所示。

图2.2.3-3 振荡回路等效电路

(3)变容二极管作为振荡回路的总电容

设C1未接入,Cc较大,即回路的总电容仅是变容二极管的结电容,其等效回路如图2.2.3-3 (b)所示。加在变容二极管上的高频电压很小,可忽略其对变容二极管电容量变化的影响,则瞬时振荡角频率为

w(t)1 (2.2.3-7)

L1Cj1L1CjQ

因为未加调制信号时的载波频率

w(t)所以

w(t)L1CjQ11(1mcost)r （2.2.3-8）

根据调频的要求,当变容二极管的结电容作为回路总电容时,实现线性调频的条件是容二极管的电容变化系数γ=2。若变容二极管的电容变化系数γ不等于2，设uΩ(t)=UΩm cosΩt ，则

(1mcost)， 可以在

mcost=0处展开成为泰勒级数, 得

y2rrrrr[1][1][2]r2(1mcost)1mcost22m2cos2t22(mcost)3...22!2!y2 (2.2.3-9)

通常m<1，上列级数是收敛的。因此,可以忽略三次方项以上的各项,则从上式可知,对于变容二极管调频器,若使用的变容二极管的变容系数γ≠2,则输出调频波会产生非线性失真和中心频率偏移。其结果如下：

rr[1]rw(t)wc[1mcost22m2cos2t]22!rr22rwc[1mcostmcos2tm2cos2t]

284rrrrrwc[1(1)m2mcost(1)m2cos2t]82282a.调频波的最大角频率偏移wrmwc (2.2.3-10)

2b.调频波会产生二次谐波失真,二次谐波失真的最大角频率偏移

ry

w1m2wc

82（2.2.3-11）

调频波的二次谐波失真系数为kf2w2wmr1 (2.2.3-12)

42c．调频波会产生中心频率偏移，其偏离值为

rr

wc1m2wc (2.2.3-13)

82中心角频率的相对偏离值为

wcrr21m (2.2.3-14)

wc82综上所述，若要调频的频偏大，就需增大m，这样中心频率偏移量和非线性失真量也增大。在某些应用中，要求的相对频偏较小，而所需要的m也就较小。因此，这时即使γ不等于2，二次谐波失真和中心频率偏移也不大。由此可见，在相对频偏较小的情况下，对变容二极管γ值的要求并不严格

(4)变容二极管部分接入振荡回路

变容二极管的结电容作为回路总电容的调频电路的中心频率稳定度较差，这是因为中心频率fc决定于变容二极管结电容的稳定性。当温度变化或反向偏压VQ不稳时，会引起结电容的变化,它又会引起中心频率较大变化。为了减小中心频率不稳,提高中心频率稳定度，通常采用部分接入的办法来改善性能。变容二极管部分接入振荡回路的等效电路如图3-3（a）所示。变容二极管和Cc串联，再和C1并联，构成振荡回路总电容C∑

CC1CcCj (2.2.3-15)

CcCj加调制信号uΩ(t)=UΩm cosΩt后，总回路电容C∑为

CcCjQ/(1mcost)rCC1CcCj/(1mcost)r (2.2.3-16)

CcCjQC1Cc(1mcost)rCjQ相应的调频特性方程为

w(t)1L1C1L1[C1CcCjQ]Cc(1mcost)rCjQ

(2.2.3-16)

从上式知，调频特性取决于回路的总电容C∑，而C∑可以看成一个等效的变容二极管，C∑随调制电压uΩ(t)的变化规律不仅决定于变容二极管的结电容Cj随调制电压uΩ(t)的变化规律，而且还与C1和Cc的大小有关。变容二极管部分接入振荡回路，中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但最大频偏要减小。

3 Multisim软件介绍

随着电子信息产业的飞速发展,计算机技术在电子电路设计中发挥着越来越大的作用.电子产品的设计开发手段由传统的设计方法和简单的计算机辅助设计(CAD)逐步被EDA技术所取代.目前国内外常用的EDA软件有EWB、Protel、Orcad、Pspice系列软件。Multisim10仿真软件就是EWB系列软件中的一种。

电子线路课程设计是针对电子线路课程的要求，对学生进行综合训练，培养学生运用课程中所学到的知识，独立地解决实际问题的能力。传统方法是先设计电路，然后在面包板或实验箱进行实验调整参数，最后再制版、安装、调试。传统方法存在技术手段陈旧，教、学、做受到条件的限制，学习效率不高等问题。

Multisim10仿真软件可以构成一个虚拟的实验工作台[2]，学生在虚拟环境下完成电子技术课程设计的选择元件、创建电路、计算与调整参数以及观测仿真结果等中心环节。并且设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方

便；设计和实验所用的元器件及测试仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验。最后进行实物组装、调试，实现了电路设计的优化而保证达到设计要求。

NI Multisim 10是美国国家仪器公司（NI，National Instruments）最新推出的Multisim最新版本。

目前美国NI公司的EWB的包含有电路仿真设计的模块Multisim、PCB设计软件Ultiboard、布线引擎Ultiroute及通信电路分析与设计模块Commsim 4个部分，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分相互独立，可以分别使用。Multisim、Ultiboard、Ultiroute及Commsim 4个部分有增强专业版（Power Professional）、专业版（Professional）、个人版（Personal）、教育版（Education）、学生版（Student）和演示版（Demo）等多个版本，各版本的功能和价格有着明显的差异。

4实现FM调频与鉴频的电路元件

4.1FM的调制

直接调频电路的振荡器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。其结构原理如图4-1 所示。

调制信

FM已调信号

图4-1锁相环鉴频原理框图

晶体振荡器

鉴相器 环路滤波器

压控振荡器

实现锁相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很高的晶振频率上。而随着输入调制信号的变化, 振荡频率可以发生很大偏移。

4.2FM的解调

用锁相环可实现调频信号的解调, 其原理框图如图4-2 所示。为了实现不失真的解调, 要求锁相环的捕捉带必须大于调频波的最大频偏, 环路带宽必须大于调频波中输入信号的频谱宽度。

FM已调信号

鉴相器

压控振荡器

环路滤波器

调制信号

图4-2锁相环鉴频原理框图

5实验结果与分析

5.1调频仿真

根据图4-1建立的调频仿真电路如图5-1 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; 控制电压为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V CO 的输入端, R5 实际上是作为调制信号源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。

图5-1锁相环调频的仿真电路

VCO 输出波形和输入调制电压V4 的关系如图5-2所示。由图可见, 输出信号频率随着输入信号的变化而变化, 从而实现了调频功能。

图5-2锁相环调频实验波形

5.2鉴频仿真

图5-3相应锁相鉴频电路的仿真电路。图中的压控振荡器的设置与锁相环调频电路相同。为了进一步改善低通滤波器的输出波形, 在R1、C1 的输出端, 又串接了一级低通滤波电路(R4、C2 ) 。

图5-3锁相环鉴频的仿真电路

由于锁相环鉴频时要求调制信号要处于低通滤波器的通带之内, 因此电阻

R1 的阻值要比调频电路中的阻值小。本例中, R1= 10k 。仿真波形如图5-4所示。由图可见, 该电路实现了鉴频功能。如果将R4、C2 的输出作为VCO 的输入, 则仿真结果不再正确, 这在实际仿真时需要注意。

图5-4锁相环鉴频频实验波形

6总结

通过这次课程设计，让我体会到了把理论知识与实践相结合的阻碍，同时，这也是对我大学期，所学知识的一次综合评估。

本次课程设计，我所做的题目是基于Multisim的调频电路设计与仿真。首先，我去图书馆和网上找到了许多相关资料，包括通信电子线路和高频电子线路相关的书籍及资料，以及Multisim软件相关的说明书。准备充分之后，从各种预定方案中选出最佳的设计方案，达到原理明确，设计简单的原则，确定好设计的电路方案。然后，按照Multisim软件操作，选用适当的电子元器件，合理的连接电路图，检查电路图没有错误的情况下，完成仿真。在实际操作中，难免会遇到这样或那样的问题，比如：电路图元件与软件原件不匹配的问题，元器件参数如何设置，如何进行调试等等。经过老师指导和同学帮助，最终完成仿真电路图。

最后，综合所有这次课程设计中的各单元，完成该课程设计说明书。

最后，非常感谢在这次课程设计中，张水锋老师的谆谆教诲和同学们中的互帮互助!

参考文献

[1] 高吉祥.高频电子线路.第2版.北京:电子工业出版社,2007.

[2] 沈伟慈.通信电路(第二版)[M].西安.西安电子科技大学出版社,2007.

[3] 侯丽敏.通信电子线路[M].北京:清华大学出版社,2008

[4] 顾宝良.通信电子线路[M].北京:电子工业出版社,2008

[5] 王卫东,傅佑麟.高频电子线路[M].北京:电子工业出版社,2008

[6] 罗伟雄.通信电路与系统[M].北京:北京理工大学出版社,2007

[7] 陈启兴. 通信电子线路[M]. 北京:清华大学出版社,2008

[8] 曾兴雯,刘乃安,陈建. 通信电子线路[M]. 北京:科学出版社,2006

[9]黄丽贤.变容二极管直接调频电路的仿真分析[J].致富时代

指导教师评语

成绩

评定

指导教师签字：

年 月

日

答辩小组评语

成绩

评定

答辩小组签字：

年 月 日