调频接收机课设说明书毕业设计.doc

目 录1 课程目的12 原理介绍12.1 设计思路12.2 工作原理23 具体实施方案23.1 方案论证23.2 硬件及软件电路部分33.3 系统调试和分析94 结论144.1 指标分析144.2 改进与提高145 总结15附录16参考文献181 课程目的 通过本课程设计与调试，提高动手能力，巩固已学的理论知识，能建立无线电调频接收机的整机概念，了解调频接收机整机各单元电路之间的关系及相互影响，从而能正确设计、计算调频接收机的各单元电路：高频放大、混频、本地振荡器、中频放大、鉴频及低频功放。初步掌握调频接收机的调整及测试方法。2 原理介绍2.1 设计思路 整个电路由六部分组成，分别为高频放大、混频、本地振荡器、中频放大、鉴频及低频功放。 （1）高频放大：高频放大器是用来放大高频信号的器件（在接收机中，高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，一般采用管子做放大器件，而且并联谐振回路作为负载，让信号谐振在信号载频。这样做的好处是：回路谐振能抑制干扰；并联回路谐振时，其阻抗很大，从而可输出很大的信号。 （2）混频：混频是将高频放大信号和本振信号混合，输出一个中频信号，在调频电路中，本振信号必须是独立的，这是与调幅电路最大的一个区别。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这种搬移。 （3）本地振荡器：本振电路用lc谐振回路来产生一个稳定的本地振荡频率，将这个稳定的谐振频率与高频放大输出信号混频，得到一个中频信号。 （4）中频放大：如果外来信号和本机振荡相差不是预定的中频，就不可能进入放大电路。因此在接收一个需要的信号时，混进来的干扰电波首先就在变频电路被剔除掉，加之中频放大电路是一个调谐好了的带有滤波性质的电路，所以接收机的选择性指标很高。超外差式接收机能够大大提高收音机的增益、灵敏度和选择性。因为不管电台信号频率如何都变成为中频信号，然后都能进入中频放大级，所以对不同频率电台都能够进行均匀地放大。中放的级数可以根据要求增加或减少，更容易在稳定条件下获得高增益和窄带频响特性。此外，由于中频是恒定的，所以不必每级都加入可变电容器选择电台，避免使用多联同轴可变电容器，而只需在调谐回路和本振回路用一只双连可变电容器就可完成接收。 （5）鉴频：在鉴频器部分，采用比例鉴频器，普通鉴频器的线性范围较宽，调整较易，但在鉴频器前必须加上一级限幅器，而比例鉴频器则不需要但是为了得到良好的限幅特性，必须仔细调整比例鉴频器的工作状态与电路参数，也可以在前一级加一个限幅器。（6）低频功放：一般从鉴频器输出的信号都比较小，为了得到我们所需的信号，必须将输出信号进行放大。一般采用三极管放大电路来实现这一功能。因为本次设计是音频信号，所以采用运算放大器效果比较好。2.2 工作原理电路的开始部分是由高频放大电路和本振信号混频，输出一个中频信号。因为这是调频接收机，所以混频电路和调幅接收机有着明显的不同，在调频电路中，本振电路是独立的。在放大电路部分，采用场效应管共源极放大电路。本振电路才用lc振荡电路，两个信号分别输入混频器，得到一个中频信号。为了得到高的增益，而整个电路的增益取决于中放，同时也抑制了邻近干扰。在中频放大电路的输出端，接一个限幅器，其目的是如果直接接鉴频器，很可能得到很多不需要的波形，用滤波器很难滤除，所以在鉴频器的输入端加一级限幅器，去除不需要的波，使输出更为纯净。鉴频器是将原调制信号解调出来，在本次设计中采用比例鉴频器。为了能够得到我们所需要的效果，在电路的最后采用低频放大电路。调频接收机的原理框图如图2-1所示。输入回路高频放大混频本地振荡器中频放大鉴频低频功放 图2-1 调频接收机原理框图3 具体实施方案3.1 方案论证 理解低频功率放大电路的工作原理，掌握功率、效率的测量方法，学会设计比较器，将正弦波转换为方波信号，学习集成功率放大器基本技术指标的测试，巩固和加深对电子电路基础知识的理解，提高综合运用所学知识的能力。 前置放大:本实验由弱信号前置放大级、交换电路、功率放大级等部分组成。前置放大级用来放大输入的信号，以推动后面的功率放大器。放大电路有很多，但是弱信号的前置放大电路必须要由低噪声、高保真、高增益的集成电路。符合运放有ne5532、op07、lm318等。这个实验中，采用的是ne5532和lm318，ne5532具有高精度、低噪声、高阻抗、宽频带等优良的性能，能使电路的指标大大的提高。 功率放大：功率放大有两种的方式，一种是用分立元件构成ocl电路，一种是用专用的功放集成芯片。其中，集成功放具有工作可靠，外围电路简单保护功能比较完善等有点，分立元件比较复杂，只有有一个环节出现问题，则性能就会低于集成功放，所以本实验采用的是用集成功率芯片做功率放大电路。 波型转换：正弦波型转换为一般用比较器或运放做成的比较器电路实现。常用的比较器有过零比较器，任意电平比较器，滞回比较器。过零比较器和任意电平比较器都属于单限比较器，但输入电压在在阈值电压附近任何微小的变化，都将引起输出电压的跃变，因此单线比较器抗干扰能力差，不予采用。在这里我们用滞回比较器，因为它有惯性，具有一定的抗干扰能力；且若两个阈值时，就可以输出占空比接近于50%的方波信号，可以达到题目要求。 方案一 用运放做比较器电路，利用正反馈电路，将小的交流信号转化为峰峰值比较大的方波信号，再经过电阻的分压，可以得到信号比较小的方波信号；将分压电阻换成滑动变阻器，可以通过调节滑动变阻器，得到峰峰值为200mv的方波信号；运放的输出端加入两个正负极性相反的稳压管，用来控制输出电压的幅值，使输出信号稳定在一定范围内。另外，为达到输出方波的上升下降时间小于1s和双极性方波,要求使用的运放为压摆率较高且为双电源供电的运放。 方案二 用比较器做成的比较器电路，比较器的功能是比较两个电压的大小，从而输出电压的高或低电平。电压比较器结构简单，灵敏度高，压摆率比较大，容易达到实验要求。这里我们用电压比较器lm311仿真后，发现lm311只能输出单极性，若用其他高速比较器，性价比较低，市场上也很难买到，所以此方案不采纳。3.2 硬件及软件电路部分弱信号前置放大级设计： （1）电路的组成： 因为实验要求，前置放大电路的输入端接地时，在8的负载上的噪声功率要小于10mv，所以要尽量减小噪声。为了选用低噪声芯片，所以用ne5532构成前置放大电路，为了提高前置放大电路的输入电阻和共模抑制比，必须采用同相比例放大电路。 （2）测量放大器原理图： 图3-1 测量放大器原理图 （3）工作原理：为了阻抗匹配，增大输入电阻，在前置放大电路的前面设计了电压跟随器，由题目可知，在功率放大的8负载上要获得额定输出功率w，根据：v （3-1） mv （3-2） mv （3-3） db （3-4） db （3-5） 由上式可知，整个电路的放大倍数要介于182530倍之间，即在25db68db之间手动可调，有因为单级的放大倍数大概在20db左右，因此要采用两级前置放大，再加上一级功率放大来达到实验的要求。 （4）电路仿真的原理图：图3-2 电路仿真的原理图 （5）各电阻阻值的确定： 前置放大电路由ne5532用电压跟随器和两级同相比例放大电路组成。其中电压跟随器，实现了阻抗匹配，增大输入电阻。 v （3-6） mv （3-7） mv （3-8） 由上式可知，电压的放大倍数要达到182530倍，又因为ne5532采用正负12v电压供电，题目要求峰峰值10mv1.4v输入，电路放大的电压超过20v会失真，所以第一级设计放大13倍，这样1.4v输入的时候，放大13倍，约为18v不超过20v，就不会失真。 由于第一级放大13倍，则： （3-9） 电阻的取值不宜过大，取=1k，由上式可知，=12k。 其中， （3-10） 由上式可知，所以平衡电阻约为1k。为了使输出电压放大倍数可调，所以在第一级和第二级之间加了电位器进行分压，取电位器k。第二级同相比例放大电路中，和第一级的差不多，因为要实现最大放大倍数为2630，假设功率放大部分放大10倍，第一级放大13倍，为了提高输出功率，第二级放大倍数设为21倍。 （3-11） 电阻的取值不宜过大，取=1k，由上式可知，=20k。 （3-12） 由上式可知，平衡电阻约为1k（6）pcb板设计：图3-3 前置放大电路pcb变换电路设计： （1）电路的组成： 用运放做比较器电路，利用正反馈电路，将小的交流信号转化为峰峰值比较大的方波信号，再经过电阻的分压，可以得到信号比较小的方波信号；将分压电阻换成滑动变阻器，可以通过调节滑动变阻器，得到峰峰值为200mv的方波信号；运放的输出端加入两个正负极性相反的稳压管，用来控制输出电压的幅值，使输出信号稳定在一定范围内。另外，为达到输出方波的上升下降时间小于1s和双极性方波,要求使用的运放为压摆率较高且为双电源供电的运放。 （2）变换电路原路图：图3-4 变换电路原理图 （3）电路的原理： 上图中，和构成正反馈回路，对输出的波形具有分压作用；由两个相反极性的稳压二极管构成，用来限制输出信号的幅值；之后和电路为一个分压电路，最后由一个电压跟随器加在输出端，以提高带负载能力。 （4）各电阻和电容的确定：若设电阻=100，题目中输入信号为1khz，幅值没有要求，经过第一级正反馈，输出电压的幅值达到电源电压=5v，但由于稳压管的存在，v，(电路中所用的稳压二极管是反向稳压幅度为2.2v，正向为0.7v)。 假定输入电压为mv,为了保证输出的信号为方波信号，则,即28k,因此取=33k，阻值任意，可取100； 为分压电路，取值分别为10k和5k。 （5）电路仿真的原理图：图3-5 电路仿真的原理图 （6）pcb板设计功率放大电路设计： （1）电路的组成：功率放大的芯片有tda2040a、tda1514，但tda2040a的功率裕量不大，tda1514的外围电路比较复杂，又容易自激。而lm1875是一款功率放大集成块，它的优点是外围电路简单，输出的功率大，芯片内部有感性负载反向电势安全工作保护，又容易制作和调试，所以本实验选用lm1875芯片作为功率放大的芯片。（2）测量放大器原路图： （3）各电阻和电容的确定： 为了阻抗匹配，同相输入端=1m，和组成了高通滤波器，令=100k，=4.7f，则截止频率hz10w 所以达到了实验的要求。当输入的幅值为700mv时：分析：从下图可以看出，当输入幅值为700mv时，输出电压的峰峰值为34.8v，根据=18.9w 10w 所以达到了实验的要求。图3-11 前置放大输入幅值700mv （2）带宽分析：当输入的幅值为5mv，频率为50hz时：图3-12 前置放大输入频率50hz 分析：从上图可以看出，当输入幅值为5mv，频率为50hz时，输出电压的峰峰值为33.4v，根据=17.4w 10w 所以达到了实验的要求。 当输入的幅值为5mv，频率为10khz时：图3-13 前置放大输入频率10khz 分析：从上图可以看出，当输入幅值为5mv，频率为10khz时，输出电压的峰峰值为33.4v，根据=17.4w 10w 所以达到了实验的要求。 效率分析：图3-14 前置放大输出电压峰峰值34.8v分析：如上图所示：输出电压的峰峰值为34.8v，所以输出的功率为 w （3-18） 又因为： （3-19） 其中 =12.3v （3-20） 由上式得， a （3-21） 又因为功率放大级用正负=18v的电压供电，所以 1.5418=27.66w （3-22） 所以， 55%，所以符合实验的要求。 输出噪声功率分析：图3-15 前置放大输入端接地 分析： 如上图所示，当输入端接地时，在输出端8负载上，输出的电压为352pv，输出的噪声功率远远小于10mv，所以符合本实验。 （3）变换电路和功率放大测试： 输入信号为大于200mv,频率为1khz时：图3-16变换电路输入信号为大于200mv 分析：在输入端加1khz，幅值为200mv的正弦信号，通过滑动变阻器的调试，可以输出200mv的方波，由仿真图可以看出，输出的方波为200mv,上升下降时间分别为831ns和824ns,可以达到题目要求。 用方波激励放大通道时，在=8的情况下：图3-17 变换电路负载8 分析：由上图可以看出，信号经过放大之后，输出的电压峰峰值为=35.8v，所以输出的额定功率w10w可以达到题目要求。将方波与功率放大连在一起时的上升和下降时间：分析：由下图可以看出，当方波输入到功率放大电路中时，上升的时间为1.64s12s，下降时间为1.61s12s，所以满足实验的要求。图3-18 变换电路上升和下降时间4 结论4.1 指标分析 （1）从上面的实验现象可以看出，额定输出功率、带宽、非线性失真系数、效率、交流噪声功率、方波的频率、上升和下降时间等都达到了实验的要求。 （2）对于功率放大器，有不同的方法来做，可以有分立的元件做，也可以用集成的功率芯片来做，功放芯片也有很多不同的种类，对于不同的功率芯片要合理的选中，有的功率比较小，达不到实验的要求，有的外围的电路比较复杂，所以也要舍去。本实验选用的是lm1875，它是一种比较好的功率芯片，但是也有它的缺点，它是美国国半公司生产的，可是它两年前就停产了，所以现在市场上买到的大多是假的，这是这款芯片的不足之处。 （3）1khz正弦波经过比较器输出的方波抖动比较厉害,抖动较多的话，可以减小。电容消抖不能加在输出端，否则，输出方波的边沿会变得较平坦后，后续测量电路又会产生抖动。 如果调节还不能解决问题，可以在滞回比较器的输入前加一个无源的rc低通滤波器。 （4）对于波型转换而言，通过改变电阻的阻值来减小阈值电压，可以实现更小信号的输入而输出方波信号，但是上升下降时间就会随之增大，这个问题尚未得到解决？ （5）通过本次的实验，熟悉了ne5532和lm1875芯片，懂得了音频功率放大器的基本工作原理，对于前置放大部分，我用的是一个电压跟随器和两级的同相比例放大构成的，在实验过程中，通过一步一步的调试，以达到了实验的要求，在这过程中学到了很多的东西，增添了对电子的兴趣。 （6）本次的实验基本达到了实验的要求，但由于自身的知识还比较局限，学到的知识还没有那么完善，实验的结果存在少许误差，以后我会在这方面多花时间，培养自学能力和解决实际问题的能力，以后我会做的更好。4.2 改进与提高（1）就波型转换而言，可以尝试用其他高速比较器实现，可以达到输入最小电压幅值更小且上升下降时间更低，但目前还尚未找到。（2）就波型转换而言，输入端可以加一个比例放大电路模块，可以提高输出电压的带宽，可达到5-700mv的正弦波输入，实现200mv的方波输出。（3）功率放大模块可采用分离元件实现，如甲类、乙类、甲乙类等功率放大电路，可以达到输出更好地的波形。5 总结 通过这段时间