小功率调频发射机设计 高频电子线路课程设计报告.doc

课 程 设 计 课课程程名名称称 高高频频电电子子线线路路 课课题题名名称称 小小功功率率调调频频发发射射机机 专专 业业 电电子子技技术术 班班 级级 0801 班班 学学 号号 03 姓姓 名名 蒋蒋知知英英 指指导导教教师师 浣浣喜喜明明 2011 年年 6 月月 8 日日 2 湖南工程学院湖南工程学院 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 课程名称课程名称 高频电子线路课程设计 题题 目目 小功率调频发射机设计 专业班级 电科 0801 班 学生姓名 蒋知英 学号 03 指导老师 浣喜明 审 批 任务书下达日期 2011 年 5 月 30 日 星期一 设计完成日期 2011 年 6 月 10 日 星期五 3 设计内容与设计要求设计内容与设计要求 一 设计内容 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 75 中心工作频率 fo 88MHZ 调制信号幅度 V m 1V 最大频偏 fm 75KHZ 总效率 50 二 设计要求 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 主要设计条件主要设计条件 4 提供计算机和必要的实验仪器 说明书格式说明书格式 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 进进 度度 安安 排排 第一周 星期一 安排任务 讲课 5 星期二 星期四 查资料 设计 星期五 电路仿真 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 参参 考考 文文 献献 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 6 目录目录 1 设计总体思路及方案比较设计总体思路及方案比较 7 2 单元电路设计单元电路设计 8 2 1 1 振荡器的设计振荡器的设计 8 2 2 鉴相鉴频器的设计鉴相鉴频器的设计 9 2 3 环路滤波器的设计环路滤波器的设计 10 2 4 压控振荡器压控振荡器 VCO 的设计的设计 11 2 5 分频器的设计分频器的设计 13 2 6 前置放大和功率放大前置放大和功率放大 14 3 总电路的设计总电路的设计 15 4 设计体会与总结设计体会与总结 16 5 参考文献 参考文献 17 6 附录 总电路原理图 附录 总电路原理图 18 7 设计总体思路及方案比较设计总体思路及方案比较 对于小功率调频发射机的设计中的调频有两种方法 其一是用间接调频 其二是用直接调频 对于本次设计我们将采用间接调频 其中在间接调频又有 利用变容二极管间接调频 也可用锁相环来间接调频 在此设计中我们将用锁 相环来间接调频设计小功率调频发射机 直接调频就是利用调制信号去控制高频振荡器的振荡频率 使它不失真地 反映调制信号的变化规律 因此 凡事能直接影响振荡频率的元件 只要用调 制信号去控制 使振荡频率的变化量能随调制信号而线性变化 都可以完成直 接调频 直接调频的主要优点是电路简单 可以得到较大的频偏 但频率稳定 度不高 载频易发生较大的漂移 有时甚至和调频信号的最大频偏有相同的数 量级 为了使载波频率保持稳定 一般需要对载频采取稳频措施 因此 直接 调频常用于对频率稳定度要求不高的场合 在直接调频电路中 为了提高中心频率的稳定度必须采取一些措施 在这 些措施中 即使对晶体管振荡器直接调频 其中心频率稳定度也不如调频的晶 体振荡器的频率稳定度高 而且起相对频移太小 若调制不在晶体振荡器中进 行 而是在其后一级放大器中进行 将调制信号积分以后对晶振送来载波进行 调相 对积分前的信号而言 就可以得到调频波了 间接调频的电路频率稳定 但比较的复杂 锁相环路是一个相位误差控制系统 就是将参考信号与输出信号之间的相 位进行比较 产生相位误差电压来调整输出信号的相位 以达到与参考信号同 频的目的 在达到同频的状态下 两个信号之间的稳定相差亦可作得很小 锁 相环 Phase Locked Loop PLL 是由鉴相器 Phase Detector PD 回路滤波 器 Loop Filter LPF 及压控振荡器 Voltage Controlled Oscillator VCO 所 构成的反馈电路 锁相环调频发射机的基本结构框图 参考晶体 鉴相鉴频器环路滤波器 压控振荡 器 vco 前置放大和 功率放大 天线 调制信号 N 分频器 8 单元电路设计单元电路设计 1 1 振荡器的设计 振荡器的设计 振荡器是由三个基本单元所组成 有源元件 谐振电路及一个输出负载 如图3 11所示 以有源元件所构成的放大器被用来提供放大增益 谐振电路用 来选取特定频率的信号 将所需要的振荡信号输出至负载 当直流电源加至振 荡电路时的瞬间 电路的输出端点将只会产生噪声 这时尽管使用的放大器是 一个理想无噪声的放大器 但由于组成谐振电路的无源元件仍具有耗能特性 故必定会在谐振电路上产生噪声 而此噪声信号经过放大器放大后 其中部分 信号会出在负载上 其余的经过具有滤波功能的谐振电路时都会被滤掉 而处 于谐振电路频率范围内的噪声虽有所衰减 但仍可通过谐振电路 并会重新再 被放大而送到负载端 的后便持续不断的依此工作而于输出端产生一特定信号 的频率 参数的计算和元件的选择 因为要产生88MHz频率的正弦波故根据公式有 f 1 2 通过计算得出 L 0 3uH C 10Pf 对于三极管因为产生的是LC 88MHz的高频率工选3DG6C型号的三级管 通过计算得出起偏置电阻的值 电路图如下 9 2 鉴相鉴频器的设计 鉴相鉴频器的设计 鉴相器是一个相位比较装置 对U1 t 和U2 t 的相位进行比较 产生输出 电压 这个电压的大小直接反应两个信号相位差的大小 鉴相器的作用是完成 相位差到电压的变换 鉴相器的电路有很多 有模拟电路和数字电路 较为典 型的鉴相器是模拟相乘器 经过模拟相乘器的输出为 Ud t Km U1 t U2 t 式中Km是相乘因子 由于在相乘结果中二次谐波比环路滤波器的截至频率高的多 因此 该项可 被环路滤波器滤掉 在环路中不起作用 故起作用的鉴相器的输出电压为 Ud t Kd sinA t 式中Kd是鉴相器的传输系数 它与两个相乘的电压振幅成正比 A t 为 两相乘电压的瞬时相位差 由此可见 鉴相器的作用是将误差相位转化为误差 电压的输出 当鉴相器的两个输入信号间无相位差 则鉴相器的输出电压为零 当鉴相器的两个输入信号间有相位差 则鉴相器按其特性曲线输出相应的电压 鉴相器的结构 鉴相器的特性 参数计算 本设计中的中心频率为88MHz 故所选的器件和个元件的取值要能使该鉴相 10 器的工作频率在88MHz 下图所设计的工作频率可在30MHz 400MHz之间 鉴相器电路图如下 3 环路滤波器的设计 环路滤波器的设计 锁相环路的设计 从根本上来说就是环路滤波器的设计 环路滤波器具 有低通作用 用来滤除电压中的高频分量和噪声 它对环路参数调整起着决定 性的作用 可以改善控制电压的频谱纯度 提高系统稳定度 常用的有RC积分 滤波器 无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器 采用的VCO需要较高的控 制电压才能获得所需的载波频率 由于无源环路的负增益 在此处不适合采用 考虑鉴相频率的泄漏问题 本设计采用3次有源环路来实现 若 C2 C3 R3 R4 R4 R1则有 Fl 1 2 C1R2 Fh 1 2 C2R3 Fc 1 2 C1 R1 R3 Av M R2 R1 R3 其中Av为运算放大器的直流增益 M为滤波器平坦部分增益 该有源环路滤波器 有Fc Fl Fh三个拐点 平坦部分的增益由R1 R2 R3 确定 相位裕量仅由 Fh Fl确定 环路滤波器是低通滤波器 用来滤除误差电压Ud中的高频分量和噪声产物 此 外 由于环路滤波器的传递函数对环路性能有很大的影响 因而可以调整环路 滤波器的参数来获得环路所需的性能 环路滤波器的输入和输出关系可表示为 Uc t Af p Ud t 式中Af p 为滤波器的传递函数 常见的有RC滤波器 无源和有源比例积 分滤波器等 本设计采用三级有源环路滤波器 参数的计算和元件的选择 由于f 1 2 CR 其中f为88MHz 通过计算我们可以得出R1 R2 0 5K 11 R3 R4 0 1K C2 C3 18pf C1 1 8pf 三级环路有源滤波器电路结构图 4 压控振荡器 压控振荡器VCO的设计的设计 压控振荡器是指振荡角频率受控制电压控制的振荡器 任何一种振荡器 如LC振荡器 RC振荡器 多谐振荡器等均可构成VCO 在锁相环中 压控振荡器 受环路滤波器输出的控制电压Uc t 的控制 其振荡角频率Wv t 随Uc t 而变 化 实际上起电压至频率的变换作用 在压控振荡器特性曲线的线性范围内 可以用下列方程来表示 Wv t W0 Kv Uc t 式中Wv t 是压控振荡器的瞬时角频率 Wo是压控振荡器的固有角频率 Kv是压 控振荡器的控制灵敏度或增益系数 在对其瞬时角频率积分后 可得瞬时相位 得变化 由此可见 压控振荡器具有把电压变化转化为相位变化的功能 控制特性 变容二极管压控振荡器的基本工作原理 在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后 即可对振荡 12 频率实行控制 受控电抗元件常用变容二极管取代 参数的计算和元件的选择 变容二极管的电容量 Cj 取决于外加控制电压的大小 控制电压的变化会使变 容管的 Cj 变化 Cj 的变化会导致振荡频率的改变 对于图中 若 C1 C2 值 较大 C4 又是隔直电容 容量很大 则振荡回路中与 L 相并联的总电容为 变容管是利用半导体 PN 结的结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种 晶体二极管 它属于电压控制的可变电抗器件 其压控特性的典型曲线如图所 示 图中 反向偏压从 3V 增大到 30V 时 结电容 Cj 从 18pF 减小到 3pF 电容变化比约为 6 倍 对于不同的 Cj 所对应的振荡频率为 VR 为最小 VR 为最大 通常将 fmax 和 fmin 的比值称为频率覆盖系数 以符号 Kf 表示 上述振荡回 路的频率覆盖系数为 13 压控振荡器电路图 5 分频器的设计 分频器的设计 2n 分频也是经常遇到的 对于 2n 分频 我们常采用两级分频的方法 第一 级用来 n 分频 第二级用作 2 分频 这样做的目的就是保证输出信号有 50 的 占空比 若对占空比无要求则可任意实现 n 分频 对于锁相环调频电路的分频 器其分频要大点好一些 对于分频器的设计有 2n 2n等 本设计将采用 2n 型 来设计 对于 2n 型的设计 首先我们做一个 n 分频器 后面在接一个二分频器 就可以组成 2n 分频器 分频器结构电路图 14 6 前置放大和功率放大 前置放大和功率放大 前置放大器是功率放大器的驱动级电路 其主要目的是提高射频信号的功 率使功率放大器有最佳的功率输出 在发射系统中 已调的射频信号 一般先 由驱动级电路对其放大 再由功率放大器把R F信号放大后由天线发射出去 放大器设计时须注意增益 Gain 噪声指数 Noise Figure 互调失真 IntermodulationDistortion 和ldB压缩点 1dBCompression PldB 等 丙类功放的基极偏置电压 Vbe是利用发射极电流的直流分量Ieo 在射极 电阻Re2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Vc1 电流ic1 参数的计算和元件的选择 丙类功放 等效负载Rp Vcc Vces 2 2P0 18 集电极基波电流振幅 Ic1m 0 6A 集电极电流脉冲的最大值Icm及其直流分量Ic0 即RqPc 2 Icm Ic1m A1 70 1 36A Ic0 Icm A0 70 0 34A 电源供给直流功率 Pdc Ic0 Vcc 4w 则Pc Pdc P0 1w 故效率a P0 Pdc 75 通过计算可以得出个 元件的取值 电阻Re1 Vb Ico 4 L 0 33uH 变压器线圈匝数比 N3 N1 2 前置放大 PH 0 15W PC PH a 0 19W 经计算得出有 R1 R3 0 5K R2 0 6K 高频变压器匝数比 N1 N2 4 5 前置放大和功率放大的结构电路图 15 总电路的设计总电路的设计 对于总电路的设计由开始的设计思路我们可以知道利用锁相环路来进行调 频 经过调频后的调制信号在通过前置放大和功率放大 就可以通过天线发射 出去了 而我们已经知道了整个电路的设计框图 如下所示 参考晶体 鉴相鉴频器环路滤波器 压控振荡 器 vco 前置放大和 功率放大 天线 调制信号 N 分频器 由该框图我们可以知道 只要将各个模块按各自顺序 输入输出相连接好 就可以组成所需的总电路图了 而各个电路模块在单元电路设计中都一一的给 16 出了 所以以下所做的工作就是将各个模块依据上图的结构框图相互连接起来 在重新排版一下使其比较的美观 这就完成了总电路图的设计了 设计体会与总结设计体会与总结 本次设计老师给我们的设计题目是 小功率调频发射机的设计 其所需设 计的电路中的一部分参数给出 刚拿到此题目是感觉很茫然不知该如何入手 老师刚开始说用锁相环来间接调频 锁相环 什么东西啊 没学过啊 当时就 感觉很着急 用没学过的东西来设计 怎么该如何是好啊 拿到任务书后不知 道该做什么就只好把老师所说的锁相环这方面的知识点看看 看了一两天之后 好像明白了点什么 就开始动手设计 在设计中又遇到了许多的问题 不懂就 跑去问老师 经过老师的指点解决了许多的难题 最后大概的框图总算是弄出 来了 框图出来之后就是各个模块的单元电路的设计了 经过自己的努力和老 师的指导我顺利的把各个模块的电路给设计出来了 接下来就是将各个模块组 合起来组成总电路 在拼接总电路的时候也遇到了问题如何将电路图弄的最小 如何将电路图弄的更美观 经过一番的努力终于完成了这最后的一项 通过此次课程设计 使我更加扎实的掌握了有关高频电子线路方面的知识 在设计过程中虽然遇到了一些问题 但经过一次又一次的思考 一遍又一遍的 检查终于找出了原因所在 也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足 实践出真知 通过亲自动手制作 使我们掌握的知识不再是纸上谈兵 过而能改 善莫大焉 在课程设计过程中 我们不断发现错误 不断改正 不 断领悟 不断获取 最终的检