小型通信系统设计报告.doc

课 程 设 计（论文）题 目: 小型通信系统设计与制作学 院： 电气与电子信息工程学院 专业名称： 电子信息工程技术 学 号： 200730240115 学生姓名： 赵 增 保 指导教师： 李玉平 王海华 课设时间： 2009年11月23日2009年12月4日 教师评语：等级一、课程设计题目 多功能微型调频发射器二、课程设计任务与要求利用通信原理和高频电子线路的相关知识，来完成对输入的语音信号的调频，然后通过解调利用耳机接收该语音信号。 主要技术指标： 1、发射机功率PA100mW,负载电阻RL=752、开阔地传播距离S50m3、发射机工作频率fc=64MHz108MHz（调频FM波段）4、调频信号幅度ULm=1V时，最大频偏fm=20kHz5、接收机工作频率fc=64MHz108MHz6、输出平均功率Po=0.25W（负载电阻R8）7、接收灵敏度=10V三、设计过程1、方案论证音频的输入采用MIC驻极体话筒，它可以感应空气中声波的微弱振动，并输出跟声音变化规律一样的电信号。高灵敏度的话筒一般可以输出几十毫伏以上的信号，这个信号足以调制下一级的高频振荡信号的频率，而且价格也不贵。音频放大电路的设计： 方案一：采用最简单的三极管放大电路 放大电路采用共发射机时，电压放大倍数Au和电流放大倍数Ai都比较大，但是输入电压和输出电压的相位相反；共基极时，Ai较大，但是Au较小，输出电压与输入电压同相，并且有跟随关系，它可以作为输入级，输出级或隔离作用的中间级，共集电极时，Ai较小，Au较大，输出电压与输入电压同相，多用于宽频放大等。因此，可以选择共基极放大电路。如下图所示： 方案二：采用专用的音频放大芯片 近年来，芯片的集成度越来越高，外围电路已经集成到芯片内部了。一些保护电路也集成到芯片内部了，电路的可靠性与安全性得到了很大的提升。AN7114 ，AN7115等都是典型的音频放大芯片。AN7114在Vvv=6.0V，THD=10%，RL=8条件下，输出功率可达0.6W，噪声输出3mV。 极限参数：Vcc=11V，耗散功率（不带散热器）为1.2W，带散热器的条件下为2.25W。工作温度-2070，适合于小型便携式收录音机及音响设备作功率放大器。其典型电路应用图如下：振荡电路设计： 方案一：采用LC振荡电路 由于晶体管存在极间电容，对于电感反馈振荡器，极间电容与电感并联，在频率高的时候极间电容影响大，有可能使电抗的性质改变，故电感反馈振荡器的工作频率不能过高，电容反馈振荡器，其极间电容与电容与电容并联，不存在在电抗性质改变的问题，故工作的频率可以较高。因此，采用电容式三点振荡电路。 方案二：采用石英晶体振荡器石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器作滤波元件构成的振荡器，其振荡器频率由石英谐振器决定。与LC谐振回路相比，石英晶体谐振器具有很高的标准性和极高的品质因数。天线的选择：方案一：鞭状天线最简单的天线就是鞭状天线(WHIP)，所谓的鞭状天线指的就是一根长四分之一波长的导管或导线站立在接地面上，最普遍的例子就是汽车上用的天线，以及做为广播接收天线、市民波段天线、及业余无线电用天线，甚至是大哥大的天线。四分之一波长鞭状天线的尺寸并不小，对于1MHz的AM广播波段而言，四分之一波长大约是75公尺左右，但是对于FM广播波段而言，比如是100MHz，则四分之一波长大约是75公分，这种四分之一波长的尺寸会随着频率的上升而逐渐缩小。例如频率到了1000MHz，四分之一波长就只剩下7.5公分，如果以公分为单位的话，四分之一波长就是以7500去除以频率(MHz)。但这算出来的长度只是一个参考基准点，因为实际应用时，天线长度可能需要长一些，也可能需要短一点。如天线主体肥胖时，可能就要短一些，或者不是从天线底端做馈送点，可能要短一些；至于天线体所摆放的接地面太小时，那么天线体可能就要适度地加长了。 鞭状天线可不一定非要是四分之一波长不可，另一种不同型式的鞭状天线称之为短鞭状天线。通常一根垂直的地面天线，其馈送点会呈现出电容性，为了弥补这电容性，可以采用电感来去除它。因此缩短了的鞭状天线，在靠近接地面端就必须要使用电感来去除电容性，这里的电感可以让天线体本身缠绕呈线出来。 方案二：弹簧(线圈)天线 这种天线通常由长度是标准鞭状天线长度2到3倍左右的绕线所构成，这些线就缠绕成空心线圈般。至于缠绕圈数，则与线径大小、缠绕的直径大小、以及圈距大小等有关。 这样的天线必须要调整到与工作频率呈现谐振状态，而且可以由缠绕的圈距之压缩与拉开来调整谐振频率。如果缠绕是采用密绕的方式，那么绕成的线圈长度必须要小于十分之一波长，这类天线有很尖锐的调谐点，所以必须要小心的调整。此天线的实数阻抗值小于20奥姆，而且这阻值与天线缠绕的直径大小以及和接地面的相关位置有关。可行性分析： 音频放大电路采用专用的音频芯片固然好，但成本高，可以调试的环节少，不利于动手能力的培养，违背了课程设计的初衷，故不予采用。 振荡电路的设计采用石英晶体振荡器能得到较为准确的频率和很高的品质因数，但对于一个振荡电路而言，没用什么优势可言，不能动态的调节振荡频率，考虑到本次课程设计的目的，在于利用所学的高频知识来制作一个发射机，为了有更多的调试和测试空间，故采用电容式三点振荡电路。 天线的选择考虑到制作的使用性和方便性，采用简单的鞭状天线，当然也可采用弹簧状天线，只不过用到的天线的长度需要的更多。可以分别做一个，再测试他们的效果的差别，最后决定采取哪一种天线。2、设计原理输入20Hz-2000Hz的音频信号，通过音频放大电路放大后加入载波进行调制，由天线发送出去，在接收机端接收到后进行滤波，解调，再由音频放大电路驱动扬声器将音频信号无失真的还原。硬件系统方框图如下3、硬件电路图如下电路说明：1）MIC是驻极体话筒，它的作用就是感应空气中声波的微弱振动，并输出跟声音变化规律一样的电信号，本方案选用的是灵敏度较高的话筒，一般可以输出几十毫伏以上的音频信号，这个信号足以调制下一级的高频振荡信号的频率。注意：话筒有正负之分，一般和外壳相通的是负极。2）R1是MIC驻极体话筒的偏置电阻，有了这个电阻，话筒才能输出音频信号，这是因为MIC话筒内部本身有一级场效应管放大电路，用来阻搞匹配和提高输出能力等作用。3）C5是音频信号耦合电容，将话筒感应输出的声音电信号传递到下一级。4）C2是Q9018的基极滤波电容，一方面滤除调频杂音，另一方面让Q9018的高频电位为0,对50MHZ以上的高频电路来说，Q9018是一个共基极放大电路，这是最后能形成振荡的基础，因为振荡电路的基础条件就是必须具备一定的增益，再就是具备合适相位的反馈（一般是正反馈）。5）R2是Q9018的基极偏置电阻，给Q提供一个较小的基极电流，Q将会有一个较大的发射极电流到R3,由于R2、R3中的电流作用会在各自电阻上产生压降并互相影响，结果会自动稳定在某一数值状态，也就是书上讲的射极跟随器。6）R3是Q9018的发射极电阻，这里起稳定直流工作点的作用，和C3还组成了高频信号负载电阻作用，也是整个高频振荡回路的一部分。7）C8和L组成并联谐振回路，起到选择振荡频率的主要作用，改变C8和容量或者改变L的形状（包括圈数），可以方便的改变了射频率。8）C7是高频信号输出耦合电容，目的是为了让高频信号变成无线电波幅射到天空中，因此，天线最好竖起向上，长度最好等于无线电波的波长或其整数倍，四周应该开阔，不要有金属物阻挡。9）C6是反馈电容，电路起振的关键元件就是它。分析本电路的高频状态时，集电极是输出，发射极是输入，输出信号通过C6加到输入端，产生强烈的正反馈，自然就产生振荡了，这实际上也就是书中说的电容三点式振荡电路。10）C1、C4是电源滤波电容，给交流电信号提供回路，减小电源的交流内阻。11）X1是信号输出端，X2是电源输入端。4、元器件的检测先检测三极管是否处于放大状态，用万用表检测集电极电压Ubc0,发射极Ube0若不满足则说明三极管的工作状态不在放大区，偏置电阻的值可能被焊接错了，这是可以用万用表的欧姆档测下R1.R2的值，看R2=？10R1，可以用电感测试仪测下电感的值，用公式f=1/2LC粗略计算出谐振频率，再用收音机在这个频率附近搜索，发现其具体频率。天线的长度理论值为波长的1/4，实际制作并不需要那么长，10cm就可以，当然为了有更好的接收效果及接收距离，可以将天线制作为波长的1/4，通常一根垂直的地面天线，其馈送点会呈现出电容性，为了弥补这电容性，可以采用电感来去除它。在靠近接地面端就必须要使用电感来去除电容性，这里的电感可以让天线体本身缠绕呈线出来。因此制作天线的时候可以将天线底部绕制成螺旋状，以除去馈点的电容性。还有就是阻抗匹配和功率匹配问题。放大器的阻抗匹配是指放大器输出阻抗和下一级放大器或负载的输入阻抗相等或相近。如果相差较大，就是不匹配状态。只有匹配状态才能实现比较理想的功率传递。由于高频功率放大器工作于非线性状态，所以线性电路和阻抗匹配（即：负载阻抗与电源内阻相等）这一概念不能适用于它。因为在非线性（如：丙类）工作的时候，电子器件的内阻变动剧烈：通流的时候，内阻很小；截止的时候，内阻接近无穷大。因此输出电阻不是常数。所以所谓匹配的时候内阻等于外阻，也就失去了意义。因此，高频功率放大的阻抗匹配概念是：在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，使电子器件送出额定的输出功率至负载。这就叫做达到了匹配状态。功率匹配是指源阻抗与负载阻抗匹配，以获得最大的功率输出。可以调节电容C8的容量和改变L的形状来调节发射频率（因为采用的是固定电容，所以只有改变L的形状来实现阻抗匹配。当然也可以找一可变电容来代替C8。），来实现功率匹配和阻抗匹配。5、故障检测调频振荡级与缓冲级相连时出现振荡级的输出电压幅度明显减小，主要原因是射极跟随器的输入阻抗不够大，使振荡级的输出负载加重，可通过改变射极电阻，提高射极跟随器的输入阻抗。振荡级的振荡频率改变，产生的原因是后级的输出信号较强，经公共地线耦合至振荡级，从而改变了振荡级的参数，可以调节振荡级的电容或电感参数减小级间相互耦合。接收到的信号含有广播的干扰，可以改变振荡频率即载波频率，使发射频率至低较频段（80MHz以下），可有效避免广播的干扰。发射距离不够远，产生的主要原因是发射天线与发射信号不匹配，可以改变天线的长度或形状而提高发射距离。四、课程设计总结在本次课程设计中充分将学到的理论知识用到了实际中，通过查阅资料，在大家的共同讨论中和老师的指导下最总决定了一个性价比较高的电路原理图，由理性的理解到感性的认识使我们深刻理解了调频发射的原理。经过一番复杂的理论计算，终于得到了发射的范围，为接收信号提供了理论基础，也验证了计算值的正确性。调试过程比较顺利，通过改变发射天线的长短和形状获得了较好发射效果，最终可以在40m的范围内不失真地接收到发射信号，接收频率为79.5MHz。在不断地摸索中，使我的动手能力和理论推导能力得到了进一步的提高，这也是课程设计目的之所在。附录1：电路原理图附录2：生成PCB图附录3：使用元器件一览表位号名称规格数量R1电阻2.2k1R2电阻22k1R3电阻2201C