简易调频发射机话筒设计的课程设计说明书.doc

简易调频发射机话筒设计的课程设计说明书1 课程设计任务书1.1 设计课题任务学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在通信电子线路中所学的理论知识和实验技能，掌握通信电子系统的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。1.2 功能要求说明设计一个简易调频发射机（话筒），载频为4MHz，最大频偏为，天线阻抗为75，输出功率大于200mW，中心频率稳定度不低于。要求调试并测量主振级电路的性能，包括中心频率及其频率稳定度等。2 工作原理及方案选择2.1 设计课题总体方案介绍通常小功率发射机采用直接调频方式，其组成框图如图2.1所示调频震荡级缓冲级功率输出级图2.1 调频发射机组成框图其中，高频振荡级主要是产生频率稳定、中心频率符合指标要求的正弦波信号，本课题中选用LC振荡电路中的克拉泼电路，且其频率受到外加音频信号电压调变，用变容二极管实现；缓冲级主要起隔离作用；功率输出级包括功率激励级和末级功放两部分电；功率激励级为末级功放提供激励功率，如果发射功率不大，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，因而使负载（天线）上获得满足要求的发射功率。2.2 工作原理说明2.2.1 LC振荡电路原理振荡器是一种能自动将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路，无需外加激励信号，就能产生具有一定频率、一定振幅的交流信号。在本课题中振荡器作为载波信号源使用。由于要求稳定的中心频率，可考虑采用频率稳定度较高的克拉泼振荡电路。克拉泼电路是电容三点式振荡器的改进型电路，它的实际电路和相应的交流通路如图2.2所示。由图可知，克拉泼电路比电容三点式在回路中多一个与C1 C2相串接的电容C3，通常C3取值较小，满足C3C1 ，C3C2，回路总电容取决于C3，而三极管的极间电容直接并接在C1 C2上，不影响C3的值，结果减小了这些不稳定电容对振荡频率的影响，且C3较小，这种影响越小，回路的标准性越高，实际情况下，克拉泼电路比电容三点式的频稳度高一个量级，达图2.2 克拉泼实际电路和相应的交流通路2.2.2 调频原理调频信号产生有两种方法，一种是直接调频，一种是间接调频。为了获得较大的频偏，选择直接调频法。这种方法一般是用调制电压直接控制振荡器的振荡频率，常采用压控元件为变容二极管的压控振荡器。在直接调频法中，振荡器与调制器合二为一。2.2.3 缓冲隔离电路原理将振荡级与功放级隔离，以减小功放级对振荡级的影响。因为功放级输出信号较大，当其工作状态发生变化时（如谐振阻抗变化），会影响振荡器的频率稳定度，使波形产生失真或减小振荡器的输出电压。整机设计时，为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级电路常采用射极跟随器电路。2.2.4 功率激励电路原理功率激励级放大器为末级功放提供激励功率，给输出级提供较大的功率信号以推动功率输出级放大输出，因而使末级功放最终的输出功率达到设计要求。由于对该级有一定增益要求，考虑到中心频率固定，因此可采用以LC并联回路作负载的小信号谐振放大器电路。2.2.5 末级功放电路原理为了获得较大的功率增益和较高的集电极效率，该级可采用共发射极电路，且工作在丙类状态，输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤，图2.3即为谐振功率放大器的原理电路图。图2.3 谐振功率放大器的原理电路图其中Zl为外接负载，Lr Cr 为匹配网络，它们与外接负载共同组成并联谐振回路，调Cr使回路谐振在输入信号上，为实现丙类功放，基极偏置电压Vbb应该设在功率管的截至区内。另外利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的余弦电压，同时还可以将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻Re，而且调节Lr Cr，还能保持回路谐振时使Re等于放大管所需的集电极负载，实现阻抗匹配，因此在谐波功率放大器中，谐振回路起了选频和匹配的双重作用。3 设计课题的仿真分析3.1 设计课题的参数选择整机电路的实际计算顺序一般是从末级单元电路开始，向前逐级进行。3.1.1 功率输出电路参数发射机的输出应具有一定的功率才能将信号发射出去，但是功率增益又不可能集中在末级功放，否则电路性能不稳，容易产生自激。因此要根据发射机的各组成部分的作用，适当地合理地分配功率增益。如果调频振荡器的输出比较稳定，又具有一定的功率，则功率激励级和末级功放的功率增益可适当小些。本课题功率激励级采用小信号谐振放大器，末级功放采用丙类谐振功率放大器。（1） 末级功放电路从输出功率Po200mW一项指标来看，可采用丙类功放。参考电路如图3.1所示。图3.1 丙类功放参考电路由图可知，L3、C15和C16构成型输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，即将天线阻抗变换为功放管所要求的负载值，并滤除不必要的高次谐波分量。功率管应满足以下： 在本课题中选用型号为2N2222的通用三极管。丙类功率放大器的基极偏置电压-VBE是利用发射机电流的分量Ie0在射极电阻R14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Vi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uc、电流iC1。基本关系式：1.集电极基波电压的振幅 Ucm= Icm1RP 3.1式中，Icm1为集电极基波电流的振幅；RP为集电极负载阻抗。2.输出功率Po Po= Ucm.Icm1= Ucm2/(2 RP) 3.23.直流功率Pv Pv= Vcc.Ic03.34.集电极耗散功率PT PT= Pv- Po3.45.集电极的效率 = Po/ Pv 3.56.集电极电流分解系数() n()= Icmn/icmmax 3.6（2） 功率激励电路本课题中采用以LC并联回路作负载的小信号谐振放大器电路。参考电路如图3.2所示。 图3.2 小信号谐振放大器参考电路由图可知，L2和C11应谐振在振荡载波频率上。如果发现通过频带太窄或出现自激可在L2两端并联上适当电阻以降低回路Q值。该级可工作于甲类以保证足够的电压放大。对该级管子的要求是： 至于谐振回路的计算，一般先根据f0算出LC的乘积值，然后选择合适的C，再求出L。C根据本课题的频率可取100pf200pf。在本课题中选用型号为2N2222的通用三极管。综上所述最后确定功率输出级实际电路如图3.3所示。图3.3 功率输出级实际电路3.1.2 缓冲级电路参数从振荡器的什么地方取输出电压也是十分重要的。一般尽可能从低阻抗点取出信号，并加入隔离、缓冲级如射极输出器，以减弱外接负载对振荡器幅度、波形以及频率稳定度的影响。射极输出器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，放大倍数接近于1。由于待传输信号是高频调频波，主要考虑的是输入抗高，传输系数大且工作稳定。选择电路的固定分压偏置与自给偏压相结合，具有稳定工作点特点的偏置电路。参考电路如图3.4所示。射极加RW2可改变输入阻抗。图3.4 射级输出器参考电路已知条件：Vcc=+12V晶体管为2N2102。=60。晶体管的静态工作点应位于交流负载线的中点，一般取UCEQ=0.5Vcc，ICQ=(310)mA。根据已知条件选取ICQ=4mA,，VCEQ=0.5Vcc=6V。R10、Rw2：取R10=1k，Rw2为1k的电位器。 R8、R9 VEQ=6.0V3.7 VBQ= VEQ+0.7=6.7V 3.8 IBQ=ICQ/0 =66.67uA 3.9取R9=10k，R8=8.0k。耦合电容C8、C9为了减小射极跟随器对前一级电路的影响，C8的值不能过大，这里取C8=100pF，C9=0.01uF。综上所述缓冲实际电路如图3.5所示。图3.5 缓冲实际电路3.1.3 主振级电路参数（1） LC振荡器主要技术指标，工作中心频率f0=4MHz；最大频偏；频率稳定度不低于。确定电路形式，设置静态工作点。选用改进型电容三点式振荡器与变容二极管调频电路。静态工作点由R1、R2、R3、R4共同决定。晶体管选择2N2222，其参数见表3.1所示。表3.1 晶体管2N2222参数表小功率振荡器的集电极静态工作电流ICQ一般为(14)mA。ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真严重，频率稳定性降低。ICQ偏小对应放大倍数减小，起振困难。为了使电路工作稳定，振荡器的静态工作点取,测得三极管的=45。由上式知R3+R4=3k，为提高电路的稳定性，R4的值适当增大，取R4=1k，则R3=2k。取R1=8.2K,R2=28K。由式得 ，若取C1=100pF，则L116mH。实验中可适当调整L1的圈数或C1的值。电容C2、C3由反馈系数 F 及电路条件C1C2，C1C3 所决定，若取C2=510 pF，由 ，则取 C3=3000 pF，取耦合电容 C4=0.01mF。（2）调频电路变容管的静态反向偏压VQ由电阻 R5与R6分压决定，已知 VQ=4V，若取 R5=10kW ，R6=20 kW，隔离电阻R7=150。低频调制信号的耦合支路电容C6及电感L2应对提供通路，一般的频率为几十赫兹至几千赫兹，故取C6=4.7mF,L2=47mH(固定电感)。高频旁路电容C7应对调制信号呈现高阻，取C7=5100 pF。综上所述，所设计的主振级实际电路如图3.6所示。图3.6 主振级实际电路3.2 设计课题的仿真结果电路的组装和调试顺序一般是从前级单元电路开始向后级逐级进行。3.2.1 主振级电路仿真结果图3.7 调频振荡电路输出振荡频率图3.8 调频振荡电路输出波形3.2.2 缓冲级电路仿真结果图3.9 缓冲隔离电路输出波形3.2.3 功率输出电路仿真图3.10 高频功率放大级输出频率图3.11 高频功率放大级输出波形3.3 设计课题误差分析由LC仿真波形可看到，波形并非是完美的正弦波，还是有点失真的，还有就是中心频率也并非是4MHz,有的时候不稳定时还是存在一点误差的， 但是本次所设计的电路基本达到了任务书的要求，所设计电路的仿真水平，离设计指标所要求的还一段距离。出现这些原因主要有以下四点：(1)设计电路时选择元件不同会产生误差；(2)电路的参数设置会产生误差；(3)本身电路设计存在问题有待改进；(4)各级电路接在一起时互相干扰4 心得体会通过两周的高频电子课程设计，我对高频知识有了更为深刻的认识与了解。此次设计课题为简易调频发射机话筒的设计，其主电路为LC振荡器电路及变容二极管直接调频电路。因此我对这两方面的内容有了更加深刻的领悟。比如振荡电路中心频率的确定及稳定度的考虑等。除主电路外，还有缓冲及功率放大电路以达到设计要求中的输出功率要求。本课题才用Multisim软件仿真进行，Multisim软件能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证、和设计数据管理。在仿真的过程中学到了很多，明白了各个元器件在电路中的不同功能以及参数设置的重要性，在不断的调试及更改电路的实践后才得出比较好的电路。这次课程设计是对我们学习高频技术课程理论知识的一次实践，它不仅是对我们所学知识的考核，也是对我们做事能力及对事态度的一种考核。在整个设计过程中，翻阅相关书籍并到网上查阅资料，请教老师及同学，最终才有了这个自己比较满意的结果。最后的这十几页说明书，其中的含金量我自己心里清楚，是努力了很久的证明。此次设计也让我知道了高频在实际生活中的广泛应用，同时也认识到高频知识在本专业中的重要地位，掌握基础知识是必要的。从设计中我也了解到了自己的不足之处，以后要多在实践中培养兴趣，巩固知识，这样才能真正掌握课堂知识，达到专业需求。参考文献曹才开，姚屏，曾屹，周细凤 . 高频电子线路原理与实践长沙：中南大学出版社，2010年3月2康华光. 电子技术基础模拟部分第五版 武汉：华中科技大学，2005年7月 3 彭介华.电子技术课程设计指导北京:高教出版社，20064 谢自美.电子线路设计实验测试(第三版). 武汉：华中科技2006致 谢首先要