高频实训论文.doc

编号 高频电路设计与制作 实训论文说明书 题 目 调频发射机 院 系 信息与通信学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 梁丕林 学 号 0901120415 指导教师 班立新 胡机秀 2012 年 1 月 12 日 桂林电子科技大学实训 论文 报告用纸 第 1 页 共 2 页 摘 要 本设计主要是设计一个调频发射机 发射机的主要任务是完成有用的低频信号对 高频载波的调制 将其变为在某一中心频率上具有一定带宽适合通过天线发射的电磁 波 课题重点在于设计能给发射就电路提供稳定频率的振荡调制电路 首先通过放大 器适当放大语音信号 以配合调制级工作 然后用电容三点式构成振荡电路为发射机 提供基准频率载波 接着通过改变语音信号完成语音信号对载波信号的频率调制 最 终利用丙类功率放大器 使已调制信号功率大大提高 经过串联滤波网络滤除高次谐 波 最后通过拉杆天线发射出去 通过后续电路的调试 可以证明本课题的电路基本 成熟 基本能完成语音信号的电压放大 频率调制和功率放大 达到发射距离的要求 关键字 调频发射机 调频 功率放大 LC 振荡电路 桂林电子科技大学实训 论文 报告用纸 第 2 页 共 2 页 Abstract This course is designed to design a FM transmitter The transmitter is the main task of the complete useful low frequency signal of the high frequency modulation of the carrier and turn it into a center frequency in the bandwidth for through the antenna has certain the launch of the electromagnetic waves Subject to design can focus is to launch on the electric circuit provides stable frequency oscillation modulation circuit First through the amplifier amplification appropriate speech signal to match a level Then use capacitance SanDianShi constitute oscillating circuit for transmitter provide benchmark frequency carrier and then through the change of speech signal to finish speech signal carrier signal frequency modulation finally using c class power amplifier make already modulation signal power greatly improved after series filtering network higher harmonic filter the last through the bars antenna launch out Through subsequent circuit debugging can prove this topic circuit basic mature basic can finish speech signal voltage amplifier frequency modulation and power amplifier to launch the distance of the requirements Key word FM transmitter FM Power amplifier LC oscillating circuit 桂林电子科技大学实训 论文 报告用纸 第 1 页 共 1 页 目 录 引言 1 1 项目设计要求 2 1 1 设计任务 2 1 2 设计要求 2 2 设计方案 2 2 1 方案的设计 2 2 2 设计方案框图 3 2 3 单元方案选择 3 3 原理图设计 3 4 电路设计 4 4 1 音频信号输入与放大 5 4 2 立体声合成 5 4 3 高频振荡 6 4 4 FM 调频 7 4 4 1 直接调频 7 4 4 2 间接调频 8 4 5 高频功放 8 5 系统调试 9 6 结论 10 谢 辞 11 参考文献 12 附录 电路元器件清单 13 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第 1 页 共 13 页 引言 高频电子技术的研究对象是产生 发射 接收和处理高频信号的有关电路 主要 解决无线广播 电视和通信中发射和接收高频信号的有关技术问题 在无线电通信中 声音 图像等基带信号不可能直接通过天线发送到天空中去的 根据天线理论 只有 当天线的几何长度能与欲发射的电磁波长近似相等时 天线才能有效的辐射电磁波 如声音的频率是 400 1000Hz 相应的电磁波长微 750 300km 要制作如此大的天线是 很难实现的 因此 要进行无线电通信必须利用高频振荡 使其波长与实际天线尺寸 相近 同时还要设法使此高频振荡 携带 着要传送的基带信号从天线辐射出去 通 信系统中的发送设备就是完成上述任务的 因此设计一个发射极具有很大的现实意义 调频发射机作为一种简单的通信工具 由于它不需要中转站支持 就可以进行有 效的移动通信 因此深受人们的欢迎 目前它广泛应用与生产 保安 野外工程等领 域的小范围移动通信工程中 通常 发射机包括三个部分 高频部分 低频部分和电源部分 高频部分一般包 括主振荡器 缓冲放大 倍频器 中间放大 功放推动级与末级功放 主振器的作用 是产生频率稳定的载波 为了提高频率稳定性 主振级往往采用石英晶体振荡器 并 在它后面加上缓冲级 以削弱后级对主振器的影响 低频部分包括话筒 低频电压放 大级 低频功率放大级与末级低频功率放大级 低频信号通过逐渐放大 在末级功放 处获得所需的功率电平 以便对高频末级功率放大器进行调制 因此 末级低频功率 放大级也叫调制器 调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡 载频 信号上去的过 程 所以末级高频功率放大级则成为受调放大器 本课题重点在于设计能给发射机电路提供稳定频率的振荡调制电路 课题首先用 两级电压并联负反馈放大电路 适当放大语音信号 以配合调制级工作 然后用石英 晶体构成振荡电路为发射机提供稳定的基准频率载波 接着通过变容二极管完成语音 信号对载波信号的频率调制 并通过 LC 并联谐振网络选出三倍频信号 最终利用两级 功率放大 使已调制信号功率大大提高 经过串联滤波网络滤除高次谐波 最后通过 拉杆天线发射出去 通过后续的电路仿真和部分电路的调试 可以证明本课题的电路 基本成熟 基本能完成语音信号的电压放大 频率调制和功率放大 达到发射距离的 要求 发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制 将其变为在某一中 心频率上具有一定带宽 适合通过天线发射的电磁波 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第 2 页 共 13 页 1 项目设计要求 1 1 设计任务 1 独立组装和调试一台调频发射机并完成要求的技术指标后由指导教师验收 2 按毕业设计论文要求撰写 5000 字以上的实训论文 1 2 设计要求 设计要求 1 发射频率为 88MHz 108MHz 这是调频收音机工作频率范围 2 发射距离大于 5M 3 发射功率 1W 4 电源电压 9V 用实验室电源箱供电 5 信噪比 58dB 7 输出阻抗 50 欧 2 设计方案 无线通讯技术来实现调频发射机的功能 调频发射机首先将声音信号转换成低频 电信号 再经过调制 再对所产生的调制信号进行放大 激励 功放和一系列的阻抗 匹配 使信号输出到天线发送出去 无线电话筒包括以下部分 拾音头 前置放大器 高频振荡器 频率调制器 倍频器射频功率放大器及辐射天线系统等 最终能实现用 无线电的形式将有用的声音信息有效地传送指定位置 2 1 方案的设计 利用通信原理和高频电子线路的相的任务是确保高效率输出足够大的高频功率 并馈送到天线进行发射 方案一 通过音频信号改变载波的幅值实现载波调幅发射 调幅发射机实现调制 简便 调制所占的频带窄 并且与之对应的调幅接收设备简单 所以调幅发射机广泛 地应用于广播发射 但是调幅发射机的信号容易失真且发射距离不远 方案二 通过音频信号改变载波的频率已实现调频发射 调频发射机发射的频率 带宽较宽 但其在高频段因而所占的相对频带较调幅波发射更窄 发射距离远 信号 失真小 并且在要求传输距离不是很远的情况下 我们用直接载波调频很容易实现载 波调频发射机的设计 在能满足我的课程设计的技术指标要求的情况下 我们选择直 接载波调频的方案来设接调频发射机 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第 3 页 共 13 页 2 2 设计方案框图 图 2 1 调频波发射机原理框图 2 3 单元方案选择 1 晶体管放大器 晶体管放大器的核心器件是晶体三极管 通过使三极管的发射结正向偏置 集电 结反偏让晶体三极管处于放大工作区 让需要放大的信号通过晶体三极管的基极进入 控制集电极电流的变化 实现放大功能 晶体三极管性能较稳定 价格便宜 不容易 损坏 2 场效应管放大器 场效应管放大器的核心器件是场效应管 通过使场效应管的栅极与源极偏置电压 让需要放大的信号通过场效应管的栅极进入 控制漏极与源极电流的变化 实现放大 功能 场效应管性能较稳定 价格中等 但是易损坏 3 集成电路放大器 集成电路放大器采用专用的集成电路来放大信号 一般需要连接一些外围电路 使之处于工作状态并进一步完善集成电路放大效果 集成电路的放大效果相对较好 经过比较 采用集成电路放大器 集成电路放大器将分立式元件 集成在一个芯片 上 具有很高放大倍数 其性能也比较稳定 3 原理图设计 本次设计中的设计发射机的电路原理图如图 3 1 所示 调制 器 上边 频 低频 信号 高频功 率放大 器 振荡器 带通 滤波 器 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第 4 页 共 13 页 图 3 1 电路原理图 发射机包括三个部分 高频部分 低频部分和电源部分 高频部分一般包括主振 荡器 缓冲放大 倍频器 中间放大 功放推动级与末级功放 主振器的作用是产生 频率稳定的载波 为了提高频率稳定性 主振级往往采用石英晶体振荡器 并在它后 面加上缓冲级 以削弱后级对主振器的影响 低频部分包括话筒 低频电压放大级 低频功率放大级与末级低频功率放大级 低频信号通过逐渐放大 在末级功放处获得 所需的功率电平 以便对高频末级功率放大器进行调制 因此 末级低频功率放大级 也叫调制器 调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡 载频 信号上去的过程 所 以末级高频功率放大级则成为受调放大器 4 电路设计 电路原理图参见图 3 1 其包括音频信号输入与放大 立体声合成 高频振荡 FM 调频 调频功放各模块 下面对各个模块分别介绍 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第 5 页 共 13 页 4 1 音频信号输入与放大 由于要接入麦克风 所以要给麦克风提供驱动电压 驱动电压要适当 防止直流 电通过防止过大的电流将晶体三极管烧坏 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 为耦合电容有隔直通交的作用 准许音频信号加载到后 一级 原理如图 3 1 2 所示 图 3 1 2 麦克风电路原理图 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 如下 图为谐振功率放大器的原理电路图 3 1 3 所示 图 3 1 3 谐振功率放大器的原理电路图 4 2 立体声合成 采用 BA1404 调频发射芯片做立体声调率发射电路方案 应用电路如图 3 2 所示 BA1404 主要由前置放大器 AMP 立体声调制器 MPX FM 调制器及射频放大器组成 立体声前置级分别为两个声道的音频放大器 输入为 0 5mV 时 增益高达 37dB 频带宽 度为 19KHz 如输入信号存在频率高于 19 KHz 成分 则必须在输入端加一个低通滤波器 否 则两个声道的分离度会下降 BA1404 对于一般的调频发射已经够了 但它却有一个致命 的缺点 没有锁相环电路 即 PLL 容易跑频 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第 6 页 共 13 页 图 3 2 基于 BA1404 调频发射芯片的立体声调率发射电路 4 3 高频振荡 发射机的工作频率应根据调制方式 在国家有关部门规定的范围内选取 对于调 频发射机 工作频段一般选择在超短波范围内 发射频率范围 88MHz 108MHz 调 制信号 400HZ 000Hz 音频信号 幅度 Vp p 1 伏 LC 振荡器的电路种类比较多 根据不同的反馈方式 又可分为互感反馈振荡器 电感反馈三点式振荡器 电容反馈三点式振荡器 其中互感反馈易于起振 但稳定性 差 适用于低频 而三点式振荡器稳定性好 输出波形理想 振荡频率可以做得较高 选择电容反馈三点式振荡器 而电容反馈三点式振荡器又分为考电容三点式振荡器 克拉泼振荡器 西勒振荡器 振荡器是一种能量转换器 由晶体管等有源器件和具有选频作用的无源网络及反 馈网络组成 其框图如图 3 3 1 所示 放大电路选频网络 正反馈网络 输出 图 3 3 1 振荡器框图 电容三点式改进型振荡电路 也叫克拉泼振荡器 不需要外来激励信号 自身将 直流电能转换为交流电能的电路 由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成 振荡 频率主要取决于谐振回路的电感和电容 当反馈量足够大时 放大器便会产生自激振荡 同时 依靠选频网络的选频特性 使得电路只在我们需要的频率上产生自激振荡 而且 选频网络还可以滤除由于器件 工作进入非线性区所产生的谐波 使得振荡电路的输出波形更接近于正弦形 这样 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第 7 页 共 13 页 此反馈型振荡电路就可以产生我们需要的正弦信号 输出信号的频率主要有选频网络 来确定 这样 此电路就符合了题目正弦波振荡器的要求 西勒振荡电路是另一种改进型电容三点式振荡器如图 3 3 2 所示 电容 C1 C2 C3 的取值原则同克拉泼振荡电路 它与克拉泼振荡电路的不同点仅在于回路 电感 L 两端并联一个可变电容 C4 这种电路同样具有频率稳定度高的显著特点 故本电路采用了西勒电路作为高频振荡电路 为 FM 调制提供高频信号源 西勒电 路如下图 3 3 2 所示 图 3 3 2 西勒振荡电路 4 4 FM 调频 本设计图采用 FM 调制 载波 调制信号 通过 FM 调制 使得频率变化量与 twUtu ccmc cos tu tuc 调制信号的大小成正比 即已调信号的瞬时角频率 tu tukwtw fc 已调信号的瞬时相位为 t d tuktw t d twt t fc t 00 实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类 下面介绍两种调频方案及原理 4 4 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 a 改变振荡回路的元件参数实现调频 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第 8 页 共 13 页 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 b 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 4 4 2 间接调频 不直接针对载波 而是通过后一级的可控的移相网络 将先进行积分而后以此 u 积分值进行调相 即得间接调频 t fccmFM t d tuktwVtu 0 cos 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 由于该实训采用固定工业板进行 板上电路采用直接调频 故本实训只得放弃效 果更佳的间接调频 4 5 高频功放 丙类功率放大器的基极偏置电压是利用发射极电流的直流分量在射极电阻上产生 压降来提供的 故称为自给偏压电路 当放大器的输入信号为正弦波时 集电极的输 出电流为余弦脉冲波 利用谐振回路的选频作用可输出基波谐振电压 电流 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 求整机效率较高 则应采取丙类功率放大器 若整机效率要求不高 如小于 50 波形 失真较小时 则可以采用甲类功率放大器 功率放大器是依据激励信号放大电路对电流的控制 起到把集电极电源直流功率 变换成负载回路的交流功率的作用 在同样的直流功率作用条件下 转换的功率越高 输出的交流功率越大 丙类放大器的负载特性 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第 9 页 共 13 页 欠压状态 在欠压区至临界点的范围内 放大器的输出电压 Uc 随负载电阻 RL 的 增大而增大 而电流 Icmax Ic1 Ico 基本不变 输出电流的振幅基本上不随 Ucc 变化 而变化 故输出功率基本不变 临界状态 负载线和 Ub 正好相交于临界线的拐点 放大器工作在临界状态时 输 出功率大 管子损耗小 放大器的效率也就较大 其对应的最佳负载电阻值 用 Rp 表 示 即当 Rp 变小时 放大器处于欠压工作状态 如 C 点所示 集电极输出电流较大 集电极电压较小 因此输出功率和效率都较小 Rp 变大时 放大器处于过压工作状态 如 B 点所示 集电极电压虽然较大 但集电极电流凹陷 因此输出功率较低 但效率 较高 为了兼顾输出功率和效率的要求 谐振功率放大器通常选择在临界工作状态 设计谐振功率放大器为临界工作状态的条件是 Vcc Ucm Uces 式中 Ucm 为集电 极输出电压幅度 Vcc 为电源电压 Uces 为晶体管饱和压降 过压状态 放大器的负 载较大 在过压区 随着负载I的加大 Ic1 要下降 因此放大器的输出功率和效率也 要减小 输出电流的振幅将随 Vcc 的减小而下降 故输出功率也随之下降 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 如下 图 3 5 为谐振功率放大器的原理电路图 图 3 5 共射级电路 这是一个甲类功率放大器 甲类功率放大器 是指当输入信号较小时 在整个信 号周期中 晶体管都工作在它的放大区 电流的导通角为 180 度 适用于小信号功率 放大 静态工作点在负载线的中点 负载是一个谐振回路 故为甲类谐振功率放大器 5 系统调试 1 先检查印刷电路板的焊接情况 看有无短路和虚 假焊现象 然后可接通电源 2 打开收音机 拉出收音机天线 波段开关置于 FM 波段 频率范围为 88 兆赫至 108 兆赫 3 慢慢转动收音机调谐旋钮 调到收音机收到信号声为止 若收音机在调谐范围内 收不到信号 可拉伸或压缩线圈 L2 改变其宽度 再仔细调谐收音机直至收音机 桂林电子科技大学课程设计 论文 报告用纸 第 10 页 共 13 页 收到清晰的信号 然后逐渐拉开无线话筒和收音机间的距离 直到距离在 8 10m 时 仍能收到清晰信号为止 如果在整个频段 88MHz 108MHz 都收不到自己的 声音 或者收到声音效果不好 不清晰或者与某一电台重叠 说明发射频率不 合适 可以小心拨动振荡线圈 L3 增大或减小每匝之间的距离 然后重新搜台 如果还不行 则应拆下线圈 L 改变其匝数后焊上再试 直到效果满意为止 注意 在调试中无线话筒发射频率应避开调频波段内的广播电台的频率 以免产生干扰 4 发射频率 101MHz 5 使用距离 大于 10M 6 使用条件 9V 电源 使用环境空间开阔 干扰少的地方 在调试过程中 发现用音频线输入信号时 收音机能收到信号 但是用麦克风输入 信号时 收音机没有收到信号 第一反应就是把麦克风的管脚换过来 发现收音机还是 没有收到信号 又以为是麦克风坏了 就去买了一个新的再焊上去 进行调试时收音机 还是收不到信号 然后用万用表检查麦克风的放大器件三极管 三极管是正常工作的 后来经过老师的指导 对麦克风的接入电路进行多次检查终于发现 R17 的电阻值用错了 换了正确阻值的电阻后 收音机终于收到信号了 6 结论 经过 2 周的实训 终于完成了这次实训 虽然结果不是很满意 但总的来说还是 不错的 基本上符合要求 通过这次实训 我才真正领略到 艰苦奋斗 这一词的真正含义 我想说 焊接 电路确实有些辛苦 但苦中也有乐 在如今理论课很多的情况下 课程设计是我们的 实践课 不但能在这个课程上学到很多理论知识还能学到很多工程技术上的知识 课 程设计很难实很累 但当我们设计成功 得到了设计成果时 心中也不免产生兴奋 同时我认为我们的工作是一个团队的工作 团队需要个人 个人也离不开团队 必须 发扬团结协作的精神 某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败 在课程设计中 只有一个人知道原理是远远不够的 必须让每个人都知道 否则一个人的错误 就有 可能