小功率调频发射机.doc

高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 姓姓 名名 专专 业 业 学学号号 班班级级 指指 导导 老老师师 设计课题 设计课题 小功率调频发射小功率调频发射 机机 1 摘摘 要要 调频发射机目前处于快速发展之中 在很多领域都有了很广泛的应用 它 可以用于演讲 教学 玩具 防盗监控等诸多领域 这个实验是关于小功率调 频发射机工作原理分析及其安装调试 通过这次实验我们可以更好地巩固和加 深对小功率调频发射机工作原理和非线性电子线路的进一步理解 学会基本的 实验技能 提高运用理论知识解决实际问题的能力 本课设结合 Proteus 软件来对小功率调频发射机电路的设计与调试方法进行 研究 Proteus 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 今天的 Proteus 软件已不是单纯的设计工具 而是一个系统 它覆盖了以仿真为核心的全部物理设计 使用 Proteus 等计 算机软件对产品进行辅助设计在很早以前就已经成为了一种趋势 这类软件的 问世也极大地提高了设计人员在机械 电子等行业的产品设计质量与效率 本课题的设计目的是要求掌握最基本的小功率调频发射系统的设计与安装 对各级电路进行详细地探讨 并利用 Proteus 软件仿真设计了一个小功率调频发 射机 2 目录 一 设计任务 3 二 主要性能指标 4 三 电路组成方案 5 四 设计方法 6 4 1 振荡级 6 4 2 缓冲级 9 4 3 功率输出级 10 4 4 总的原理图设计 11 五 测试结果 13 六 心得与体会 14 七 参考文献 15 实验元器件清单 16 3 一 设计任务一 设计任务 1 确定电路形式 选择各级电路的静态工作点 画出电路图 2 计算各级电路元件参数并选取元件 3 测试结果 4 调试并测量电路性能 4 二 主要性能指标二 主要性能指标 1 中心频率 0 12fMHz 2 频率稳定度 0 10ff 3 最大频偏 10 m fKHz 4 输出功率 30 A pmW 5 天线形式 拉杆天线 75 欧姆 6 电源电压 9 cc VV 5 三 电路组成方案三 电路组成方案 拟定整机方框图的一般原则是 在满足技术指标要求的前提下 应力求电 路简单 性能稳定可靠 单元电路级数尽可能少 以减小级间的相互感应 干 扰和自激 在实际应用中 很多都是采用调频方式 与调频相比较 调频系统 有很多的优点 调频比调幅抗干扰能力强 频带宽 功率利用率大等 调频可以有两种实现方法 一是直接调频 就是用调制信号直接控制振荡 器的频率 使其按调制信号的规律线性变化 令一种就是间接调频 先对调制 信号进行积分 再对载波进行相位调制 两种调频电路性能上的一个重大差别 是受到调频特性非线性限制的参数不同 间接调频电路提供的最大频偏较小 而直接调频可以得到比较大的频偏 所以 通常小功率发射机采用直接调频方式 它的组成框图如图 3 1 所示 图 3 1 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 且其频率受到外加调制信号电压调变 缓冲级主要是对调频振荡信号进行 放大 以提供末级所需的激励功率 同时还对前后级起有一定的隔离作用 为 避免级功放的工作状态变化而直接影响振荡级的频率稳定度 功放级的任务是 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 调频振荡级缓冲级输出功率级 6 四 设计方法四 设计方法 4 1 振荡级振荡级 1 振荡电路的选择 振荡电路主要是产生频率稳定且中心频率符合指标要求的正弦波信号 目 前应用较为广泛的是三点式振荡电路和差分对管振荡电路 三点式振荡电路又 可分为电感和电容三点式振荡电路 由于是固定的中心频率 因而采用频率稳 定度较高的克拉拨振荡电路来作振荡级 其电路原理图如图 4 1 1 所示 克拉拨振荡电路与电容三点式电路的 差别 仅在回路中多加一个与 C2 C3 相 串接的电容 C6 回路的频率 1 f 2 c LC 克拉拨振荡电路的频稳度大体上比电容三 点式电路高一个量级 由于是调频发射机 其频率受到外加 调制信号电压调变 因此 回路中的电抗 要能够跟调制信号的改变而改变 应用一 可变电抗器件 它的电容量或电感量受调制信 图 4 1 1 号控制 将它接入振荡回路中 就能实现调频 最简便 最常用的方法是利用 变容二极管的特性直接产生调频波 因要求的频偏不大 故采用变容 二极管部分接入振荡回路的直接调频方式 其原理电路如图 4 1 2 所示 它具有工作频率高 固定损耗小和使用方便等优点 变容二极管 Cj 通过耦合电容 C1并接在 LCN回路的两端 形成振荡回路总容 的一部分 因而 振荡回路的总电容 C 为 4 jN CCC 1 7 图 4 1 2 振荡频率为 4 2 1 2 1 jN CCLLC f 2 加在变容二极管上的反向偏压为 4 3 高频振荡 可忽略调制电压直流反偏 OQR VV 变容二极管利用 PN 结的结电容制成 在反偏电压作用下呈现一定的结电 容 势垒电容 而且这个结电容能灵敏地随着反偏电压在一定范围内变化 其 关系曲线称 曲线 如图 4 1 3 所示 j C R 由图可见 未加调制电压时 直流反偏所对 Q V 应的结电容为 当调制信号为正半周时 变容 j C 二极管负极电位升高 即反偏增加时 变容二极管 的电容减小 当调制信号为负半周时 变容二极 j C 管负极电位降低 即反偏减小时 增大 其变化 j C 具有一定的非线性 当调制电压较小时 近似为工 作在 曲线的线性段 将随调制电压线性 j C R j C 变化 当调制电压较大时 曲线的非线性不可忽略 它将给调频带来一定的非线性失真 图 4 1 3 我们再回到图 4 1 2 并设调制电压很小 工作在 Cj VR曲线的线性段 8 暂不考虑高频电压对变容二极管作用 设图 4 1 3 用调制信号控制变容二极管 结电容 4 tVV QQR cos 4 由图 4 1 3 可见 变容二极管的电容随 R变化 即 4 tCCC mjQj cos 5 可得出此时振荡回路的总电容为 4 tCCCCCC mjQNjN cos 6 由此可得出振荡回路总电容的变化量为 4 tCCCCCC mjjQN cos 7 由式可见 它随调制信号的变化规律而变化 式中 m C 的是变容二极管结电 容变化的最大幅值 我们知道 当回路电容有微量变化 C 时 振荡频率 也会产生的变化 其关系如下 f C C f f 2 1 0 4 8 式中 是未调制时的载波频率 是调制信号为零时的回路总电容 显 0 f 0 C 然 4 jQNo CCC 9 由公式 4 2 可计算出中心频率 0 f 2 1 0 jQN CCL f 4 10 将 4 8 式代入 4 9 式 可得 tftCCftf m coscos 2 1 00 4 11 9 频偏 m CCff 2 1 00 4 12 振荡频率 4 tfftfftf oo cos 13 由此可见 振荡频率随调制电压线性变化 从而实现了调频 其频偏与 f 回路的中心频率 f0成正比 与结电容变化的最大值 Cm 成正比 与回路的总电 容 C0成反比 2 参数计算 根据前面的介绍 可以设计出如图的振荡电路 其中 R4 用来提供直流交流 负反馈 设计中 D1 为变容二极管 我们选用 910AT 型变容二极管 其容量变化 可以从几十 PF 到 100 200PF 因此 C7 数值接近于 Cj 的高端值 若假设 C7 足够大 接近短路 而 C8 也逐渐增大 从几个 PF 增加到十几个 PF 此时 C 增大 则振荡频率减小 同时静态调制特性会发生变化 所以综合以上因素 C7 C8的选择 对静态调制特性影响比较显著 所以我们选择 C7 为 220PF 的电容 C8 选 择 47PF 的电容 由 7j8 0 7j8 CCC CC C C C 以及 Cj的性质 我们选择 C2为 100PF C3为 220PF C6为 220PF 利 用 R7 R8对 D1变容管加反偏电压 工作电压为 9V R7 R8可选用为 27K 则反偏电压为 4 5V R1 R2为三极管基极偏置电阻 均选用 10K R4 R5为负反馈电阻 选择较小的电阻即可 我们选用 R4为 12 R5为 K 因为 fosc 12MHz 由 4 LC fosc 2 1 14 10 设 C0为 C2 C3与 C6串联值 由于 910 变容二极管在 0236 52pfCCCC 偏置电压 4 5 的情况下 Cj 较小 大概为十几 pf 先不考虑 Cj 的值 所以并接 在 L1上的回路总电容为 4 7j8 0 7j8 CCC CC91pf C C C 15 所以电感 L1为 4 1 2 osc 1 L1 93uH C2 f 16 4 2 缓冲级缓冲级 因为本次实验对该级有一定的增益要求 而中心频率是固定的 因此用 LC 并联回路作负载的小信号放大器电路 缓冲放大级采用谐振放大 L2和 C10谐 振在振荡载波频率上 若通频带太窄或出现自激则可在 L2两端并联上适当电阻 以降低回路 Q 值 该极工作于甲类以保证足够的电压放大 对缓冲级管子的要求是 rosc f35 f CCBR CEO V2V 所以可选用普通的小功率高频晶体管 如 3804 等 另外 bQeQBE VV V I cQ I 若取流过偏置电阻 R9 R10的电流为 I1 10IbQ 则 R10 VbQ I1 R8 Vcc VbQ I1 所以选 R10 R8均为 10K 为了减小缓冲级对振荡级 的影响 射随器与振荡级之间采用松耦合 耦合电 容 C9可选为 180pf 对于谐振回路 C10 L2 由 图 4 2 1MHz LC fosc12 2 1 11 故本次实验取 C10为 100PF 10 2 2 osc 1 L1 76 H C2 f u 所以 缓冲级设计电路为图 4 2 1 所示 4 3 功率输出级功率输出级 为了获得较大的功率增益和较高的集电极功率 设计中采用共发射极电路 同时使其工作在丙类状态 组成丙类谐振功率放大 器 由设计电路图知 L3 C12 和 C13为匹配网络 与 外接负载共同组成并谐回路 为了实现功率输出级 在丙类工作 基极偏置电压 VB3应设置在功率管的 截止区 同时为了加强交流反馈 在 T3的发射极串 接有小电阻 R14 在输出回路中 从结构简单和调节方 图 4 3 1 便考虑 设计采用 型滤波网络 如图 4 3 1 L3 C12 C13构成 型输出 Q3 管工作在丙类状态 调节偏置电阻可以改变 Q3 管的导通角 导通角越小 效率越高 同时防止 T3 管产生高频自激而引成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 在选择功率管时要求 0cm PP maxcmc Ii CCBR CEO V2V rosc f35 f 综上可知 我们选择 Q3804 功率管 由于要使功放级工作在丙类 就要使 解得 为了使功 12 1213 0 7 cc BBE VR VVv RR 13 12 8 3 R R 放的效率较大 可以减小 Q3 管的导通角 这里取 R13 11R12 第二级集电极的输出电流已经扩大了 几十倍 为防止第三级的输入电流过大而烧坏三 极管 需要相应的增大第三级的输入电阻 取 R13 220K R12 20K 改变 R14可调整放大倍数 取较小的反馈电阻有利于提高增益 因为选定 12 所以发射极电压 VE为 0 05V 因此 R14可选为 12 1213 9 20 0 75 20220 cc B VR Vv RR 100 由于 L R L Qe 3 3 1 2 osc t ff LC 且 一般取 Qe 8 10 1213 1213 t CC C CC 所以 3 2 1213 1213 1 L C C 2 f C C 解得 L3 1 06 H 图 4 3 2 计算得 C13 680PF C12 220PF 功放级的电路设计如图 4 3 2 所示 4 4 总的原理图设计总的原理图设计 考虑到变容二极管偏置电路简单起见 采用共基电路 因要求的频偏不大 故采用变容二极管部份接入振荡回路的直接调频方式 R1 R2 R3 R4 R5 为 T1 管的偏置电阻 采用分压式偏置电路既有利于工作点稳定 且振荡建立后自 给负偏置效应有篮球振荡幅度的稳定 一般选为 3mA 左右 太小不易起振 C I 太大输出振荡波形将产生失真 调节 C9 CP 可使高频线性良好 R7 R9 为变 容二极管提供直流偏置 调制音频信号加到变容二极管改变振荡频率实现 C L 调频 振荡电压经电容 C10 耦合加至 T2 缓冲放大级 T2 缓冲放大级采用谐振放大 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 13 R2 10K C10 0 022UF C11 0 022UF C20 0 1UF C22 47PF C9 220PF C12 47PF C14 180PF C15 100PF R10 100 R12 27K R4 10K R9 100 R5 1 2K C17 680PF C13 220PF C21 0 1UF L3 100uH L4 100uH R16 15 R15 200K C16 100PF Q3 2N3804 R8 100 R14 20K Q2 2N3804 R13 470 R3 10K R11 27K Q1 2N3804 L2 100uH C8 220PF C7 220PF C6 100PF R7 12 R6 1K C5 0 01UF R1 10K C18 1000PF L1 100uH C19 0 1UF T3 管工作在丙类状态 既有较高的效率 同时可以防止 T3 管产生高频自 激而引起的二次击穿损坏 调节偏置电阻可改变 T3 管的导通角 L3 L4 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 常用的输出回路还 有 L 型 T 型以及双调谐回路等 图 4 4 1 14 五 五 测试结果测试结果 理论值实际值 频率 f0 MHz 1211 9 最大频偏 fm MHz 10KHz20KHz 幅度 V 4 8 15 六 心得与体会六 心得与体会 这个实验是关于小功率调频发射机工作原理分析及其安装调试 通过这次 实验我们可以更好地巩固和加深对小功率调频发射机工作原理和非线性电子线 路的进一步理解 学会基本的实验技能 提高运用理论知识解决实际问题的能 力 在实验过程中 通过选取元件 确定电路形式 以及计算等等 提高我们 的动手能力 同时通过调试来发现自己的错误并分析及排除这些故障 使我们 对小功率放大器的知识得到了加深 在调试过程中应该注意以下几点 用电压表测一下三个三极管的管脚电压是否满足该设计的要求 用频率计测出 T1 T2 T3 的发射极所发射的频率是否在 12M HZ 如果不 是 试