小功率调频发射机设计

湖南工程学院课程设计课程名称通信电子线路课程设计课题名称小功率调频发射机设计专业电子信息工程班级学号姓名李科峰指导教师浣喜明2011年09月08日湖南工程学院课程设计任务书课程名称通信电子线路课程设计题目小功率调频发射机设计专业班级电子信息工程班0881学生姓名李科峰学号10指导老师浣喜明审批任务书下达日期：2011年08月29日设计完成日期：2011年09月08日设计内容与设计要求一、设计内容：设计一小功率调频发射机。主要技术指标：发射功率Pa=3W；负载电阻（天线）RL=75Ω；中心工作频率fo=88MHZ；调制信号幅度VΩm=1V；最大频偏Δfm=75KHZ；总效率η50%。二、设计要求：1、给出整体设计框图；2、绘制各单元电路电路图，并计算和选择各器件参数；3、绘制总电路原理图，设计完成在实验箱完成整机联调；4、写出设计报告；主要设计条件提供计算机和必要的实验仪器说明书格式1．课程设计报告书封面；2．任务书；3．说明书目录；4．设计总体思路及方案比较；5．单元电路设计；6．总电路设计；7．设计调试体会与总结；8．附录(总电路原理图)；9．参考文献。进度安排第一周：星期一：安排任务、讲课；星期二～星期五：查资料、设计；第二周：星期一～星期二：整机调试；星期三～星期四：写总结报告；星期五：答辩。参考文献1、《无线接收发射应用集成电路手册》赵负图化学工业出版社2、《晶体管收音机手册》上海科学技术出版社3、《接收机系统设计》美。J。E斯蒂芬.宇航出版社4、《电子技术基础实验》陈大钦.高等教育出版社目录一．设计目的...........................................................6二．基本原理与方案比较......................................62.1FM调制原理.......................................................62.2调频方式选择....................................................9三．单元电路的设计............................................10四．总电路图.........................................................17五．心得体会.........................................................18一．设计目的无线电发射与接收设备是高频电子线路的综合应用，是现代化通信系统、广播与电视系统、无线安全防范系统、无线遥控和遥测系统、雷达系统、电子对抗系统、无线电制导系统等，必不可少的设备。本次设计要达到以下目的：1.进一步认识射频发射系统；2.掌握调频（或调幅）无线电发射机的设计；3.学习无线电通信系统的设计与调试。二．基本原理与方案比较2.1FM调制原理载波twUtuccmccos)(，调制信号tu；通过FM调制，使得)(tuc频率变化量与调制信号tu的大小成正比。即已调信号的瞬时角频率tukwtwfc已调信号的瞬时相位为tdtuktwtdtwttfct)(00实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类。2.1.1直接调频直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。直接调频可用如下方法实现：(1)改变振荡回路的元件参数实现调频在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感L和电容C。在RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。(2)控制振荡器的工作状态实现调频在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子反射极上的反射极电压。因此，只需将调制信号加至反射极即可实现调频。若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。2.1.2间接调频如图1所示，不直接针对载波，而是通过后一级的可控的移相网络。将u先进行积分tdttuk01，而后以此积分值进行调相，即得间接调频。tfccmFMtdtuktwVtu0cos图1间接调频实现可控移相网络的实现方法如下图2所示。将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。电路中，由于调制信号的作用使回路谐振频率改变，当载波通过这个回路时由于失谐而产生相移，从而获得调相。图2单级回路变容管调相电路2.1.3系统框图采用FM调制的调频发射机其原理框图如下图所示，它由调制器、前置功放、末级功放和直流稳压电源等部分组成。FM调制器前置功放末级功放直流稳压源发射天线图3FM发射机原理方框图2.2调频方式选择实现调频的方法很多，大致可分为两类，一类是直接调频，另一类是间接调频。直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率（实质上是改变振荡器的定频元件），变容二极管调频便属于此类。间接调频则是利用频率和相位之间的关系，将调制信号进行适当处理（如积分）后，再对高频振荡进行调相，以达到调频的目的。两种调频法各有优缺点。直接调频的稳定性较差，但得到的频偏大，线路简单，故应用较广；间接调频稳定性较高，但不易获得较大的频偏。考虑到电路的复杂度故采用直接调频的方案。2.3直接调频方案选择直接调频最常见有变容二极管调频，使用VCO实现变容二极管直接调频。许多中小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。另外一种更为简单的直接调频方法是用三极管直接调频。原理是三极管组成共基极超高频振荡器，基极与集电极的电压随基极输入的音频信号变化而变化，从而改变高频振荡的频率，最终实现频率的调制。由于采用变容二级管调频，对高频轭流圈的参数要求比较苛刻。这样会使设计电路变得困难。因此采用三极管直接调制的方法，这样不仅能够实现FM调频，而且使电路变得非常简洁。方案一：以调幅方式形式做成的三级发射机其性能是比较好的，在实际中做成原品后其频率的稳定对不够高，在一般的情况下只能在68M—96M见跳动，而且还是调幅的不能变成调频，故而不能选用。方案二：以晶体振荡器做成的高精度高稳定度的调频电路虽然是以晶体振荡器做成的高精度高稳定度的调频电路，很能达到我们的要求，但是还有没有比这更优更简单的电路呢？答案是肯定的，见方案三。方案三：本调频发射机主要由四个基本模块组成，第一级是由驻极体话筒构成的声-电转换电路；第二级超高频振荡调制器；第三级音频放大电路；第四级高频功率放大器；该电路由声--电转换、音频放大器、高频振荡调制器和高频功率放大器等部分组成。声--电转换器由驻极体话筒M1担任，它拾取周围环境声波信号后即输出相应电信号，经C2送至Q1的基极进行频率调制,Q1组成共基极超高频振荡器，基极与集电极的电压随基级输入的音频信号变化而变化，从而改变高频振荡的频率，最终实现频率的调制。再经C6输入到晶体管Q2，Q2担任音频放大器，对已调音频信号进行放大，再经过C10输入到晶体管Q3，Q3担任功率放大器，对信号再次放大，使信号功率足够大，达到发射远的目的。三．单元电路的设计1.由于要接入麦克风，所以要给麦克风提供驱动电压但又不能太大，通过22k的电阻R1实现，C1的作用是滤波减小干扰，C2为耦合电容防止过大的电流将晶体三极管烧坏。2.LC调频振荡器：产生频率f0=88MHz左右的高频振荡信号，最大频偏Δfm=75kHz，整个发射机的频率稳定度由该级决定。在调频振荡级可选用电感三点式，电容三点式和晶体振荡器产生正弦波电压。FM调频电路原理是三极管组成共基极高频振荡器，基极与集电极的电压随基极输入的音频信号变化而变化，从而改变高频振荡的频率。本模块由三极管等元件构成电容三点式振荡器，不仅能够产生稳定的载波，而且还能够实现调制功能。本方案采用较为稳定的克拉泼电路如图4所示三极管T2应为甲类工作状态，其静态工作点不应设的太高，工作点太高振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将使振荡波形严重失真，但工作点太低将不易起振。这是射频发射器的频率发生器，通过C3、C4、C5、C7、L1组成改进型电容三点式（西勒振荡器），以为C3与L1并联，所以又称为并联型电容三点式振荡器。由于C5、C7远大于C3，所以回路电容C计算公式如下：C=C3+C3C5C7/(C5C7+C4C5+C4C7)中心频率；f0=1/(LC)1/2实际电路中通过调节电感值就可以得到所需要的频率。这里C6是与下一级放大电路的耦合电容，作用是隔直流，保护电路图43.音频放大电路设计音频放大电路由共射放大电路构成。由调制级转换过来的音频信号非常弱，因此必须再加上一级共射放大的电路。然而要使共射放大电路工作在放大区，必须有合适的静态工作点Q。a、静态工作点的测量测量放大器的静态工作点，应在输入信号ui=0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流Ic以及各电极对地的电位UB、Uc、UE。一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压UE或Uc，然后算出Ic的方法，例如，只要测出UE，即可用：算出Ic(也可根据，由Uc确定Ic)同时也能算出UBE=UB−UE，UCE=UC−UE图5EECERUIICCCCCRUUI图6b、静态工作点的调试放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流Ic（或UcE）的调整与测试。静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱合失真，此时Uo的负半周将被削底，如上图6所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即Uo的正半周被削顶（一般截止失真不如饱合失真明显），如图7所示。这些情况都不符合不失真放大的要求。所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的输入电压Ui，检查输出电压Uo的大小和波形是否满足要求。如不满足，则应调节静态工作点的位置。图5是电路的一级放大，由于通过调制电路的信号很小所以要用甲类放大器，以防止失真或无法达到放大作用，这里负载采用L2、C8并联谐振回路达到选聘和匹配作用。R5的作用是给基极提供偏图7静态工作点对U0波形失真的影响置电压，设置三极管的静态工作点和设置放大倍数。C12滤波减小干扰。4.高频功率放大电路设计（1）基本关系式功率放大器的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的直流分量IEO（≈ICO）在射极电阻上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号'iv为正弦波时，集电极的输出电流iC为余弦脉冲波。利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压vc1,电流ic1。图6画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。分析可得下列基本关系式：011RIVmcmc式中，mcV1为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；mcI1为集电极基波电流振幅；0R为集电极回路的谐振阻抗。02102111212121RVRIIVPmcmcmcmcC式中，PC为集电极输出功率COCCDIVP式中，PD为电源VCC供给的直流功率；ICO为集电极电流脉冲iC的直流分量。放大器的效率为COmcCCmcII