电子线路课程设计-AM调幅发射机设计报告

1电子线路课程设计总结报告学生姓名：学号：专业：电子信息工程班级：电子131报告成绩：评阅时间：教师签字：2016年3月小功率调幅AM发射机设计2内容摘要：调幅发射机应用于无线电广播系统中，本设计以电子线路课程设计实践教学为应用背景，通过查阅专业书籍及论文，并结合专业课程学习要求，根据设计指标、要求和可行性，选择适合设计方案，并对设计方案进行必要的论证。本课题以小功率调幅发射机为设计对象，并对其主振级、低频电压放大级、调制级、高频功率放大级进行了详细的设计、论证、调试及仿真，并进行了整机的调试与仿真。设计具体包括以下几个步骤：一般性理论设计、具体电路的选择、根据指标选定合适器件并计算详细的器件参数、用multisim进行设计的仿真、根据仿真结果检验设计指标并进行调整。最后对整个设计出现的问题，和心得体会进行总结。关键词调幅发射机；振荡器；multisim仿真设计一、设计内容及要求(一)设计内容：小功率调幅AM发射机设计1.确定小功率调幅发射机的设计方案，根据设计指标对既定方案进行理论设计分析，并给出各单元电路的理论设计方法和实用电路设计细节，其中包括元器件的具体选择、参数调整。2.利用multisim仿真软件，对设计电路进行仿真和分析，依据设计指标对电路参数进行调整直至满足设计要求。（二）技术指标：载波频率ZMH10cf，频率稳定度不低于10-3输出功率mWmW2005000P负载电阻50AR输出信号带宽ZkH9BW（双边带）残波辐射dB40单音调幅系数8.0am；平均调幅系数m0.3发射效率%50二.方案选择及系统框图（一）总体方案及系统框图根据设计要求，要求工作频率为10MHz，输出功率为1W，单音调幅系数8.0am。由于载波频率为10Mhz，大多数振荡器皆可满足，提供了较多的选择且不需要倍频。由于输出功率小，因此总体电路具有结构简单，体积较小的特点。其总体电路结构可分为主振荡电路（载波振荡电路）、缓冲隔离电路、音频放大电路、振幅调制电路、功率放大电路等。主振荡器缓冲放大大高频功放振幅调制制放大器3(二）单元电路方案论证1.主振荡电路主振荡电路是调幅发射机的核心部件，载波的频率稳定度和波形的稳定度直接影响到发射信号的质量，因此，主振荡电路产生的载波信号必须有较高的频率稳定度和较小的波形失真度，主振荡电路可以有四种设计方案：RC正弦波振荡电路、石英晶体振荡电路、三点振荡电路、改进三点式（克拉泼）振荡电路。方案一：采用RC正弦波振荡器，由于RC振荡器主要是由电阻和电容组成的，在电路中并没有谐振回路，因此，RC振荡器不适合于作为高频振荡器。可以将RC振荡电路用于发生调制信号（语音信号）。方案二：采用石英晶体振荡器，石英晶体振荡器具有较高的频率稳定度，在选择合适的偏置电路的情况下，频稳度可达到10-11数量级，而且，其工作状态稳定，波形失真度也比较小，因此，在频稳度要求较高的电路中，可以选用石英晶体振荡器作为主振级。本电路对频率稳定度的要求并没有那么高，故未选择石英晶体振荡器。方案三：采用三点式正弦波振荡电路，三点式振荡电路有电容三点式和电感三点式之分，相对来说，电容三点式的输出波形相对电感三点式要稳定，且频率变化不会改变电抗的性质，因此振荡器一般都采用电容三点式形式。在频率稳定度要求不是很高的情况下，可以采用普通的电容三点式振荡电路。方案四：采用克拉泼振荡器电路。克拉泼振荡电路是由电容三点式改进而来，基本原理与三点式振荡电路相同，但克拉泼振荡电路加了一个电容，提升了频稳度，虽然在电容选择不恰当时增加了起振的难度，但综合成本和频率稳定度以及Multisim仿真可行性来看，克拉泼振荡器不失为一个好的选择。故本设计采用克拉泼振荡电路。2.振幅调制电路振幅调制电路是小信号调幅发射机的核心组成部分，该单元实现将音频信号加载到载波上以调幅波形式发送出去，振幅调制电路要能保证输出的信号为载波信号的振幅随调制信号线性变化。4方案一：二极管双平衡电路。在电路中为减少无用组合频率分量，应使二极管工作在大信号状态，即控制电压的信号（载波信号的电压）的幅值至少应大于0.5V以上。由于组合频率分量过多，输出效率低，且要求输入信号幅值太大，故舍弃。方案二：MC1496模拟相乘器的核心电路是差分对模拟相乘器，实现调幅和同步检波。MC1496线性区和饱和区的临界点在15~20mV左右，仅当输入信号电压均小于26mV时，器件才有理想的相乘作用，否则电压中会出现较大的非线性误差。在2、3引脚之间接入1kΩ反馈电阻，可扩大调制信号的输入线性动态范围，满足设计需要。但由于MC1496是已设计好的集成电路，并不能体现单元设计能力，故舍弃。方案三：基极调幅电路。基极调幅电路基本原理是将调制信号和载波信号加在晶体管的基极上，在通过集电极调谐回路将所需的调幅波选出。由于基极调幅虽然调制线性好，但需要工作于欠压状态，效率过低，无法充分利用电源能量，故舍弃。方案四：集电极调幅电路。集电极调幅的基本原理是将调制信号和载波信号加在晶体管的集电极上，此时，晶体管工作在过压区，效率较高。虽然所需输入信号也比基极调幅大，但通过放大级已经可以实现所需的电压幅值；虽然调制线性不如低电平调幅好，但本设计任务并未对调制线性度做出过高要求，故而本设计选用集电极调幅电路。3.缓冲放大电路缓冲放大电路的设计主要是为了避免高频放大电路对振荡电路的振荡频率和频稳性造成影响。由于功率放大电路输出信号较大工作状态的变化会影响振荡器的频率稳定度或波形失真或输出电压减小。为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级经常采用射极跟随器电路，缓冲放大器需将振荡器输出电压不失真的传送到下级。虽然射随器放大倍数几乎为1，但射随器的输入电阻极大，对输入电压的利用率极高，故常用射随器作为缓冲放大器。4.音频放大电路音频放大器是低频信号放大器。有时为了调制度的调整，单纯语音输入并不一定能满足设计要求，语音放大器主要是对语音信号进行放大，经过放大后的语音信号送入调制级对高频载波信号进行调制。方案一：甲类功率放大器。甲类功放中，晶体管在2周期全部导通，可以将输入信号不失真的放大，虽然甲类功放的工作效率较低，放大功率较小，但足以满足语音信号的放大。原本想采用这个方案，但其受前级后级影响太严重，其静态工作点不稳定，导致调试时候即使前级输出稳定了加入后级调制电路后又放大波形失真了。经多次调试、重复计算，未果，因时间关系，故舍弃此方案。方案二：采用运算放大器进行语音功率放大。采用运算放大器进行语音放大效率高，失真小，使用方便，输出信号的功率也较大，运算放大器的成本也不高，各方面综合考虑，在工程中使用运算放大器进行语音放大是一个好的选择。55.功率放大电路功率激励级为末级功放提供激励功率。如果所要求发射功率不大，且振荡级的输出能够满足末级功放的输入要求，功率激励级可以省去。末级功放—将前级送来的信号进行功率放大，使负载（天线）上获得满足要求的发射功率。如果要求整机效率较高，应采用丙类功率放大器，若整机效率要求不高如%50，而对波形失真要求较小时，可以采用甲类功率放大器。本课题要求%50，可以采用乙类互补推挽功率放大器或丙类谐振功率放大器，故本次设计选用丙类功率放大器。三、调幅发射机的电路设计及工作原理（一）主振级电路根据设计指标的要求，克拉泼电路振荡器与小信号放大级联合电路图如图3-1所示。晶C2，C3，C4与L1构成改进型电容三点式振荡电路，振荡频率由电容和电感决定。电路中的三极管静态工作点由各电阻决定，在设计静态工作点时，应首先决定集电极电流Icq，一般都取0.5mA~4mA，Icq过大会引起波形失真，有时还伴随产生高次谐波。取放大倍数β=50，VVVICCEQCEQVmA2.0,6,3cq.依据电路计算，,1.510,066.02KmAIVRIIBQBQCQBQKRRKR9.13,8004,151取012fLCCCCCC33121111取L3=25μH,则C3=10pF,取2.0kf，C1/C2=0.2,取C1=80pF,C2=400PfL2，C5，C6起到电源滤波的效果，可以不要。频率输出需要通过L,C决定，使震荡频率稳定10MHz。R1R2R3R4构成分压式偏置电路，提供静态工作点。6VCC12VQ22SC2786R147kΩR630kΩR730kΩR830kΩKey=A100%C65pFXSC4ABExtTrig++__+_图3-1-1本振电路图3-1-2本振电路输出(二)射随隔离级缓冲级接成射随器，以满足隔离条件。高频交流通路为共集极组态，因为其交流输入阻抗i11R=//(1)BBERRR很大,输出阻抗oR=re很小，从而起到缓冲作用已达到隔离效果，避免后级放大电路对振荡器的振荡频率造成影响，影响振荡器频率和稳定性。图3-2-1射随器原理图7首先设置静态工作点：取E1=3CCVV，0.25CQImA，解得0.7V=4.6VBEVV、16ERk，为了便于调节本级的输出电压，采用30kΩ固定电阻并接30kΩ滑动变阻器。考虑到β值，且BV由1R和6R分压得到，取1647,30RkRk。由仿真结果可得幅值Vpp=2V，010.09fM，幅值比输入略有降低但满足要求。图3-2-2射随器输出波形图图3-2-3射随器输出载波的频率（三）高频放大器高频放大电路，以便获得较高的电压满足下一级集电极高电平调制的条件，三极管工作在放大状态，设置静态工作点与上一个单元电路类似，放大电路的放大电压在由集电极耦合输出。下一级的输入电压作为本级电路的负载。变压器采用1:1的高频变压器；C7为高频耦合电容为10pF；C8为高频旁路电容，取0.01uF；R12为51Ω小电阻，避免发生寄生振荡；VCC12VQ32SC2786R910kΩR1010kΩT11sq.m1mR11390ΩR1251ΩC710pFC80.01µFC90.01µFR1310Ω图3-3-1高频功率放大器通过调节前一级射级跟随器滑动变阻器的分压值，最终通过高频放大器输出的载波的8幅值有所不同，下图最大值Vp-p=10V，最小值为0.8V，调节滑动变阻器得到输出电压在0.8V~10V之间变化的电压，可以满足下一级集电极调幅电压的要求。放大级输出电压：图3-3-2幅值最大值Vp-p=10V图3-3-3幅值较小值Vp-p=0.8V（四）语音放大电路语音放大器主要是对语音信号进行放大和限频，经过放大后的语音信号送入调制级对高频载波信号进行调制，本机采用LM358进行语音功率放大。RP4越小，电路增益越高；反之，增益越小。语音放大单元电路图3-4-1所示。为了测试效果，在话筒处以信号发生器代替，信号输出端接示波器得到如图3-4效果图3-4-1语音放大电路9图3-4-2输入信号图3-4-3仿真波形通过调节R17可以改变放大倍数（五）调幅电路C10150pFC1111pFR155kΩR165.0kΩR172kΩV27Vrms4.5kHz0°V315VC1220pFT21sq.m1mQ42N2222AR1450ΩXSC2ABExtTrig++__+_XBP1INOUT图3-5-1集电极调幅电路本设计采用集电极调幅，三极管工作在丙类状态过压状态。基极偏置采用自给偏压，由R16，R18和C10组成，各参数如图，保证其工作在丙类过压状态。调制信号由信号源加10入，取7V4.5kMVHz，F。输出采用谐振回路，因集电极电流为余弦脉冲波，为得到不失真的波形，集电极负载采用LC谐振回路，滤出所需频率，得到不失真的波形，滤波网络的中心频率调整为调幅波载波频率010fM。谐振回路电感采用变压器，变压器的初级回路电感量和电容C11谐振，电容值和变压器的初级线圈的电感满足：012fLC。取C11=11pF，则变压器的初级线圈电感量L=23uH。对调幅电路进行频率特性测试，以验证集电极谐振回路的频率特性，由图3-5-2看到谐振回路的中心频率为10M，则该谐振滤波网络满足要求。图3-5-