通信（电子）电路 上机实验指导书
易志强 刘国华 张福洪
杭州电子科技大学
目 录
实验一匹配网路设计及仿真 (1)
实验二单调谐放大器设计及仿真 (3)
实验三高频谐振功率放大器设计及仿真 (6)
实验四晶体振荡器设计及仿真 (9)
实验五调幅通信系统设计与仿真 (12)
附录 OrCAD/PSPICE使用简介 (15)
实验一匹配网路设计及仿真
一、实验目的
1、了解和掌握阻抗匹配电路原理及结构。
2、学习电路分析软件的使用。
二、实验准备
1、熟悉LC选频阻抗匹配网络的原理和计算方法。
2、认真学习附录相关内容，熟悉电路分析软件的基本使用方法。
三、实验电路和原理
LC阻抗匹配网络具有滤波和阻抗匹配的功能，电路上有倒L型、T型、π型等几种不同组成形式，其中倒L型是基本形式。
R
R
图1-1 L型阻抗匹配网络原理图
四、实验内容及要求
1、已知某负载为75Ω电阻与20pF电容串联组成，设计一个匹配网络，使该负载在10MHz时转换为50Ω纯阻性等效负载。
2、创建设计工程，并画出原理图。
3、利用PSpice软件对所建工程进行仿真分析，求得实际等效电阻值和实际谐振频率以验证电路。
提示：使用PSpice进行仿真分析时，先设置激励源，并采用交流分析模式。
五、实验报告要求
1、画出设计电路，标出各元器件数值。
2、给出仿真结果（仿真波形图及有用数值），并说明仿真结果如何验证电路设计的正确性。
实验二单调谐放大器设计及仿真
一、实验目的
1、了解和掌握小信号谐振放大器的电路组成和工作原理。
2、理解电路元件参数对谐振放大器性能指标的影响。
3、熟悉电路分析软件的使用。
二、实验准备
1、理解选频网络的原理和性能指标（如通频带，Q值）。
2、理解放大器的工作原理和性能指标（如电压增益）。
3、复习模拟电路知识，掌握放大器偏置电路的设计方法，能让放大器的静态工作点处于正确的状态。
4、认真学习附录相关内容，熟悉电路分析软件的基本使用方法。
三、实验电路和原理
单级单调谐放大器是由晶体管（场效应管）和谐振回路组成。即将放大器的集电极负载用LC谐振回路代替纯电阻负载。由于放大器具有信号放大作用，因此当放大器外部输入信号与谐振回路的谐振频率相等时，放大器处于谐振状态，此时放大器具有最大增益。若输入信号与谐振回路的谐振频率不一致，放大器处于失谐状态，增益迅速下降。所以谐振放大器不仅有放大作用，而且还有选频、滤波作用。
对高频小信号放大器而言，由于信号小（一般峰值在数十毫伏内），可以认为放大器一直工作在晶体管（场效应管）的线性范围内。单调谐回路谐振放大器选择性较差、增益和通频带之间的矛盾较突出，改进方法可采用双调谐回路放大器。
CC
图2-1 单调谐回路谐振放大器原理电路
四、实验内容及要求
1、设计一单调谐回路谐振放大器电路，指标如下：
?输入信号频率为10MHz；
?电压增益≥20dB；
?电源电压V CC假定为12V；
β≈。
?晶体管推荐使用Q2N3904，其共发射极交流电流放大系数150
注意：谐振回路中，电容值一般取十几pF~几百uF，电感值一般取几nH~几百uH），具体数值要结合谐振频率确定。
2、创建设计工程，并画出原理图。
3、利用PSpice软件对所建工程进行仿真分析，调节元器件参数使得电路工作正常后，完成以下工作：
?记录晶体管各极的静态工作电压及静态工作电流数值；
?观测并记录集电极瞬时电流i C波形；
?观测并记录负载上的瞬时电压v O波形；
?求出实际电压放大增益；
?求出3dB通频带宽；
?观测并记录因负载阻值变化所引起的电压增益和通频带宽变化情况。
提示：用PSpcie仿真分析时要用到交流及瞬态分析方法。
五、实验报告要求
1、画出设计电路图，标出各元器件数值，并计算谐振回路Q值。
2、标出晶体管各极的静态工作电压及静态工作电流数值，分析此时晶体管处于何种工作区。
3、给出仿真结果（仿真波形图及有用数值），并给出电压放大增益，3dB通频带宽。
六、思考题
1、单调谐放大器负载阻值变化会对电压放大增益及通频带宽带来怎样的影响，为什么？
2、针对原理图2-1，若考虑在实际电路中希望消除电路中直流对输出电压及输入交流小信号源的影响，应该对原理图进行怎样的修改？画出修改后的电路图。
实验三高频谐振功率放大器设计及仿真
一、实验目的
1、理解和掌握丙类谐振放大器的电路组成和工作原理。
2、掌握丙类谐振功率放大器的三种工作状态，功率和效率。
3、理解电路元件参数对谐振放大器性能工作的影响。
4、进一步熟悉电路分析软件。
二、实验准备
1、理解丙类谐振功率放大器的原理和性能指标（如直流功率、负载功率、耗散功率以及集电极效率）。
2、理解丙类谐振放大器的三种工作状态及特性（负载特性、调制特性、放大特性）。
3、认真学习附录相关内容，熟悉电路分析软件的基本使用方法。
三、实验电路和原理
和单级单调谐放大器一样，高频谐振功率放大器也是由晶体管（场效应管）和谐振回路组成。不同之处在于高频谐振功率放大电路为提高效率，一般工作在丙类状态。输入待放大的信号功率较大，一般峰值在几伏左右，放大电路呈现明显的非线性特征。对放大器的指标要求包括安全性、高效，以及非线性失真处于允许范围内。
CC
R
BB
图3-1 丙类谐振放大器原理电路
四、实验内容及要求
1、设计一丙类谐振放大器电路，指标如下：
?输入信号频率为10MHz；
?电压增益≥20dB；
η≥
?集电极效率70%
C
β≈。
?晶体管推荐使用MPSH10，其共发射极交流电流放大系数150
2、创建设计工程，并画出原理图。
3、利用PSpice软件对所建工程进行仿真分析，调节元器件参数使得电路工作正常后，完成以下工作：
?记录晶体管各极的静态工作电压及静态工作电流；
?观测并记录集电极瞬时电流i C波形；
?观测并记录负载上的瞬时电压v O波形。
?求出实际电压放大增益；
?计算输出功率；
?利用PSpice软件求出集电极电流i C中平均分量I C0，并计算直流功率和集电极效率。
4、分别改变负载阻值、电源V CC、基极偏置电压V BB、输入信号峰值大小，观测并记录集电极瞬时电流i C波形，使得放大器工作在过压状态，记录此时的负载阻值、电源V CC、基极偏置电压V BB、输入信号峰值。
五、实验报告要求
1、画出设计电路，标出各元器件数值。
2、标出晶体管各极的静态工作电压及静态工作电流的数值，分析此时晶体管处于何种工作区。
3、给出放大器正常工作状态下的仿真结果（仿真波形图及有用数值），给出电压放大增益、输出功率、直流功率及集电极效率。
4、给出放大器工作在过压区时的负载阻值、电源V CC、基极偏置电压V BB、输入信号峰值以及相应的集电极瞬时电流i C波形。
六、思考题
1、总结负载阻值、电源V CC、基极偏置电压V BB、输入信号峰值对放大器工作状态的影响？
2、针对原理图3-1，若考虑在实际电路中希望增加直流馈电电路，应该对原理图进行怎样的修改？画出修改后的电路图。
实验四晶体振荡器设计及仿真
一、实验目的
1、理解和掌握并联型晶体振荡器的电路组成和工作原理。
2、掌握晶体振荡电路的起振条件。
3、掌握晶体振荡器工作频率微调的方法。
二、实验准备
1、掌握晶体振荡器器的原理。
2、熟悉皮尔斯振荡电路的基本构成。
3、认真学习附录相关内容，熟悉电路分析软件的基本使用方法。
三、实验电路和原理
晶体振荡器有着极高的频率稳定度，根据晶体在振荡电路中的不同作用，晶体振荡器有并联型和串联型电路之分。其中晶体工作在略高于串联谐振频率f s呈感性频段内，用来作为三点式电路中回路电感，相应构成振荡电路成为并联型晶体振荡电路。目前应用最广的是类似电容三点式的皮尔斯晶体振荡电路。下图中，R B1、R B2和R E构成分压式偏置电路，L C为高频扼流圈，C B为旁路电容，C C为耦合电容。
R
C B
图4-1 皮尔斯振荡电路
四、实验内容及要求
1、设计并联型晶体振荡电路，振荡频率为1MHz（请仔细考虑，正确选择PSpice 库中的晶振器件）。晶体管推荐使用Q2N2222，其共发射极交流电流放大系数β≈。
100
2、创建设计工程，并画出原理图。
3、利用PSpice软件对所建工程进行仿真分析，调节元器件参数使得电路工作正常后，完成以下工作：
?记录晶体管各极的静态工作电压及静态工作电流的数值；
?观测并记录集电极瞬时电流i C波形；
?观测并记录负载上的瞬时电压v O波形，给出周期（频率）。
提示：晶体振荡器起振需要有一定的触发条件，可在起始时刻在电路中增加一极微小的瞬时激励作为电扰动。
4、改变负载阻值和电容分压比，观测并记录负载上电压波形的变化。
五、实验报告要求
1、画出设计电路，标出各元器件数值。
2、标出晶体管各极的静态工作电压及静态工作电流的数值，分析此时晶体管处于何种工作区。
3、给出放大器正常工作状态下的仿真结果（仿真波形图及有用数值），给出输出电压的频率和峰值。
六、思考题
1、PSpice库中有两种标称值为1MHz的晶振（QZP1MEG和QZS1MEG），本实验应该选用哪种，为什么？
2、改变负载阻值和电容分压比会对晶体振荡电路带来怎样的影响，原因是什么？
3、若希望能对晶体振荡电路的频率作一些微调，那么电路应该作何修改？画出修改后电路图。
实验五调幅通信系统设计与仿真
一、实验目的
1、理解和掌握调幅通信系统的概念和实现原理。
2、理解各单元电路的仿真模型电路和实现方法。
3、掌握电容三点式振荡器和大信号包络检波电路的仿真参数设计和实现方法。
二、实验准备
1、复习理论教材中关于振幅调制和解调的章节内容，理解振幅调制、解调、混频的电路模型。
2、熟悉PSpice/ORCAD软件中ABM库各相关器件的行为模型。
三、实验电路和原理
调幅通信系统由发射机和接收机组成，其中发射机由载波振荡器、调谐放大器（载波放大）、微音器、音频放大器、振幅调制电路、高频功率放大电路组成；接收机由高频调谐放大器、本地振荡器、混频器、中频放大器、振幅检波器和低频放大器（含低频功率放大器）组成。系统组成框图如图5-1组成。
微音器
微音器
图5-1 调幅通信系统中的发射机和接收机组成框图上图中，每一个方框对应一个单元电路，每一种单元电路有多种电路实现方案。如振幅调制器可采用低电平调幅方案，如相乘器电路、二极管电路等，也可采用高电平调幅电路方案。检波器可以采用二极管（检波二极管或肖特基二极管）峰值包络检波器，也可采用乘法器实现同步检波。
四、实验内容及要求
1、各单元电路实现要求
(1)用分立元件电路结合ABM库中的器件模型实现普通调幅(AM)通信系统的功能；
(2)载波振荡器用改进型的电容三点式振荡器实现，原理电路和元件参数参考实验教材2.4节内容，晶体三极管可选Q2N2222，本地振荡器可用正弦信号源模型直接实现，采用高本振；
(3)高频和低频信号放大器可选用ABM库中的元件模型；
(4)振幅调制采用基于模拟相乘器的低电平调幅方案，混频器采用模拟相乘器方案，相乘器可选用ABM库中的乘法器模型；
(5)系统中频频率为465kHz，中频放大器采用小信号调谐放大器，具体电路和元件参数需要自行设计（可参考实验教材2.1节内容）；
(6)检波器采用二极管峰值包络检波电路，具体电路可参考理论教材或实验教材3.2节内容，需自行设计；
(7)系统中用到的各种滤波器可用ABM库中的滤波器模型，自行设计滤波器参数。
2、主要技术指标
(1)载波频率：f c=6MHz；
(2)单一调制频率：=1kHz；
F
(3)中频频率：f I=465kHz；
3、实验内容
(1)根据要求设计载波振荡器、中频放大器、二极管峰值包络检波器电路；
(2)画出完整的系统电路(模型)图并标出各元件参数；
(3)观察并记录A点到J点的时域波形图，比较E点和J点的波形差异；
(4)观察并记录C、F、H点的频谱图，给出理论解释；（提示：观察信号频谱图时可使用PSpice的FFT功能查看）。
五、预习要求
1、设计载波振荡器、中频放大器和二极管峰值包络检波器电路；
2、画出完整的系统电路图，写出预习报告。
六、实验报告要求
1、写出设计载波振荡器、中频放大器和二极管峰值包络检波器电路的设计过程，给出主要计算步骤和公式；
2、画出调幅通信系统的电路（模型）图；
3、分析各点的波形，给出理论依据；
4、比较F点和H点的频谱图，分析两者的频谱结构并总结规律；
5、比较E点和J点的时域波形，找出两者的差异并分析原因。
七、实验思考题
1、系统框图中哪些地方需要滤波器，说明各个滤波器的功能。分析滤波器参数变化对调幅通信系统性能可能产生的影响；
2、如果采用DSB通信系统，上述系统中需要改变哪些电路单元的设计，如何改变？简要说明原因。
附录 OrCAD/PSPICE使用简介
1. 概述
随着计算机技术的迅速发展。计算机辅助设计（CAD：Computer Aided Design）技术已渗透到电路围生成、逻辑模拟、电路分析、优化设计、最坏情况分析、印制板设计等电子线路设计的各个领域，已成为提高电子线路和系统设计的速度和质量的不可缺少的重要工具，众多CAD开发设计工具相继问世。其中，OrCAD公司与开发PSpice（Personal Computer SPICE）软件的MicroSim公司实现了强强联合。在电子设计领域得到广泛应用的OrCAD软件包和PSpice软件也随之集成在一起，构成了一个在微机上运行的电子CAD软件系统，在电路性能分析、优化设计以及特性数据库等诸多方面均表现出优良的性能，成为目前市场上比较成熟的模拟电路计算机辅助设计软件。
2.OrCAD/PSpice软件系统及其功能简介
2.1 软件系统组成及功能
OrCAD软件系统包括四大部分：OrCAD/capture，OrCAD/PSpice，OrCAD/Layout和OrCAD/Express。各部分软件的主要功能如下： （1）OrCAD/Capture：这是一个电路原理图设计软件，它可生成各类模拟电路、数字电路和数/模混合电路。
（2）OrCAD/PSpice：这是一个电路仿真软件，它可对由Capture生成的电路原理图中的模拟电路、数字电路、以及数/模混合电路进行仿真，针对不同输入信号条件下电路系统的时间响应、瞬态响应、频率响应、灵敏度、噪声等有关参量进行分析，并对其进行优化。
（3）OrCAD/Layout：这是一个印刷电路版图设计软件，它可以将Capture 生成的电路原理图，通过自动布线或手动布线的方式，转为可用于制版的印刷电路版图（PCB）。
（4）OrCAD/Express：这是一个逻辑仿真软件，它可对由Capture生成的数字电路进行从门级模拟，一直到VHDL综合和仿真。
针对通信（电子）电路上机实验课程要求，在这里只介绍OrCAD/Capture和OrCAD/PSpice这两种软件的最基本用法。
OrCAD/Capture是一种能以人机交互图形编辑方式在屏幕上绘制电路原理图的电路图设计软件，Capture不但可以与PSpice A/D配套使用，同时也是PLD设计和PCB设计的基础。附图1所示为Capture与其它配套软件的关系。
附图1 PSpice A/D的配套功能软件
OrCAD/PSpice A/D是一种模、数混合电路的仿真软件，它具有下列功能： ?直流、交流和瞬态分析。可以针对不同输入信号的输出结果进行测试。
?元器件参量、蒙特卡罗、灵敏度及最坏情况分析。可以分析元器件值改 变时，电路的状态有何不同。
?数字最坏定时状态分析（Digital worst-case timing analysis）。可用于分 析慢信号和快信号混合传输时的“定时问题”。
利用Orcad/PSpice进行电路设计过程如附图2所示：
2.2 Psipce A/D电路特性分析功能
以下对我们实验中所要用到的PSpice A/D的分析功能进行简要介绍：
一、直流分析（DC Analysis）
直流分析包括电路的静态工作点分析；直流小信号传递函数值分析；直流扫描分析；直流灵敏度分析。
（1）静态工作点分析（Bias point detail）
在进行静态工作点分析时，电路中的电容全部开路，电感全部短路，分析结
果包括电路中每个节点的电压值（相对参考点）和电流值，以及在此工作点下有源器件的模型参数。
（2）直流传输特性分析（TF: Transfer Function）
附图2 电路设计过程
分析电路在直流小信号输入条件下，输出变量与输入变量的比值，输入阻抗和输出阻抗也作为直流分析的一部分被计算出来。进行此项分析时电路中不能有隔直电容。
（3）直流扫描分析（DC Sweep）
直流扫描分析可以做出各种直流特性转移曲线。输出变量可以是电路中某节点电压或电流，输入变量可以是独立电压源、独立电流源、温度、元器件模型参数或通用参数（用户可以自己定义）。
（4）直流灵敏度（DC Sensitivity）
在直流小信号输入条件下，定量分析和比较电路特性对每个电路元器件参数的敏感程度。灵敏度分析结果以归一化的灵敏度值和相对灵敏度形式给出。
二、交流分析（AC Analysis）
包括交流扫描和噪声分析。在交流分析中，程序首先计算电路的静态工作点，
确定电路中所有非线性器件的交流小信号模型参量，然后根据用户所指定的频率范围对电路进行仿真分析。
（1）交流扫描（AC Sweep）
在工作点确定条件下，对电路在一定频率范围内作小信号分析，获得传递函数（例如电压增益、幅频和相频曲线等）。
（2）噪声分析（Noise）
由此可以分析每个确定频率点的以下结果：
1）每一噪声源对输出噪声的影响；
2）输出端噪声的均方值；
3）等效输入噪声。
三、瞬态和傅里叶分析
（1）瞬态分析（Transient）
瞬态分析属于时域分析，利用它可以分析电路中的电压、电流或数字状态随时间的变化。
（2）傅里叶分析（Fourier）
傅里叶分析属于频域分析。在输入正弦信号条件下，得出系统输出信号中的直流分量、各次谐波分量、以及非线性谐波失真系数等。
另外还有元器件参量分析、温度分析以及蒙特卡罗分析和最坏情况分析等，不作本实验课的要求，因此不在这里介绍。
2.3元器件类型及表示
PSpice A/D支持的常用元器件类型如下：
?基本无源元件，如电阻、电容、电感、互感、传输线等；
?常用的半导体器件，如二极管、三极管、结型场效应管、MOS场效型管、
GaAs场效型管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)；
?独立电压源和独立电流源；
?各种受控电压源、电流源及受控开关；
?基本数字逻辑单元，包括门电路、传输门、延迟线、触发器、RAM、ROM
等；
?常用的单元电路，如运算放大器。
附表1 元器件字母代号对应表