小功率调频发射机的设计与制作.doc

淮阴师范毕业论文（设计）毕 业 论 文学生姓名许跃进学 号170502084院 (系)电子与电气工程系专 业电子信息科学与技术题 目小功率调频发射机的设计与制作指导教师孙红兵 副教授2009年5月摘要:作为通信系统的核心，射频技术越来越重要。本文研制一套射频发射系统，包括收发信机、天线设备(含馈线)、输入输出设备(如话筒、耳机等)、供电设备(如直流稳压电源)等。介绍了调频发射机的制作方法及其工作原理，给出了系统组成框图及系统电路组成，设计了应刷电路板，并对设计的电路进行了安装与调试。该发射机能实现音频信号在80MHz103MHz频段内的频率调制，并可以利用调频收音机接收到清楚的话音。关键词:微型调频发射机 音频信号 载波 调频波Abstract: As the core of the communicatione system .RF technolgy is more and more important. The system generally includes transceiver equipments，antenna equipments(ineluding feeder)，input and output equipmenis(such as speakers，headPhones，ete.)，and Power equipment(such as DC Power).This paper introduces a method of making microfrequency modulation emitting machineas well As work principle of the machine.it gives the graphics of the circuit of the system and design the PCB，which is installmented and debugged .The frequency modulation of audio signal in 80MHz一130MHz is realized by adjusting cut off frequency of the loop filter.which ensures the realization of the system.Keywords: microfrequency modulationemitting machine，sound wave，carry wave， frequency modulation wave.目 录1 引言 52 发射机原理 62.1调频发射机的一般架构 62.2基于三极管的发射机结构及原理 72.3发射机的主要性能指标103发射机电路设计与仿真113.1 发射机硬件电路设计103.2电路仿真及参数确定134系统安装与调试144.1 PCB板的设计及系统安装164.3前置放大器的测试144.2发射机的总体测试14结论18参考文献19致 谢 20 1.引言小功率发射机采用直接调频方式，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，且其频率受到外加音频信号电压调变；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。对于学电子信息专业的学生，学过通信电子线路(高频电子线路) 这门课程后，我们可以自己制作一台微型调频发射机了。这样即可以提高问么的动手能力，又能给我们的校园生活带来乐趣。更重要的是， 可以帮助他我更好地理解所学专业理论知识，进一步激发我们对本专业的热爱与兴趣。无线电调频发射机是将待传送的音频信号通过一定的方式调制到高频载波信号上， 放大到额定的功率， 然后利用天线以电磁波的方式发射出去， 覆盖一定的范围。随着器件技术的发展， 调频发射机的体积越来越微趋于型化， 工作电压越来越低， 信号覆盖的范围越来越广。针对文献设计的多功能微型发射机的单频点的缺点， 本设计主要利用模拟电子技术和通信技术， 设计了工作频率可变的微型调频信号发射机。该设备可以应用于家庭婴儿和老人的监护、远程听报告、无线话筒、设备监控等方面。2.发射机原理2.1调频发射机的一般架构 下面介绍有种简单的小功率发射机。下面是原理图（图1）及分析：图1一级调频发射机 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。本站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：话筒有正负极之分，一般和外壳相通的是负极。R1是MIC驻极话筒的偏置电阻，有了这个电阻，话筒才能输出音频信号，这是因为MIC话筒内部本身有一极场效应管放大电路，用来阻抗匹配和提高输出能力等作用。注意：话筒不要选灵敏度太高的话筒，否则容易出现声反馈，出现自激叫声。C2是音频信号耦合电容，将话筒感应输出的声音电信号专递到下一级C3是Q9018的基极滤波电容，一方面滤除高频杂音，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）。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过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，这就是书上讲的射极跟随器，直流负反馈不稳定直流工作点的作用。R3是Q9018的发射极电阻，这里起稳定直流工作点作用，和C7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。C4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C4的容量或者改变L的形状（包括圈数），可以方便的改变发射频率。C6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，天线最好坚直向上，长度最好等于无线电波频率波长（或者整数倍），四周应该开阔，不要有金属物阻挡。说明：波长等于频率的倒数，频率变化，波长也会变化，再说，天线具体的长度还与电路输出阻抗、天线粗细等等有关，在业余情况下，随便接一段电线就行了。（如果为了追求最远的发射距离，大家可以自行多做这方面的尝试。）C5是反馈电容，电路起振的关键元件就是它了。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C5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所说的电容三点式振荡电路。C1是电源滤波电容，给交流信号提供回路，减小电源的交流内阻。 2.2基于三极管的发射机结构及原理 原理图（图2）及工作原理如下：图2多级调频发射机增强型无线话筒，FM调频工作方式，音质好，用普通的收音机即可收听。话筒把声音信号变为电信号后，先经一级音频电压放大再送调制级，这样可以拾取更远更微弱的声音。振荡调制后的高频信号再经一级调谐功率放大才送天线发射，发射距离更远及减少手碰天线对振荡级的影响，减少谐波。按照本电路装好后，频率大概在83MHz左右，只需把线圈L的匝距拨开一点，使其振荡频率工作在88MHz108MHz即可，就可以配合任何FM收音机接收到该高频信号，并从该高频信号还原出声音信号。另外装有外接音频插座及可调电阻调节输入音频信号的衰减量。此微型发射机主要由基本放大电路. 载波产生电路.调频波产生电路三个部分构成。(1)基本放大电路。话筒BM、电容C1、电阻R1、 R2、R3 .R4、三极管T1组成基本放大电路。话筒可以将话音转换成音频信号， 信号经过耦合电容C1 传到三极管T1的基极， 实现音频信号的放大， 从而获得所需要的功率，以便对高频载波进行调制。(2)载波产生电路。高频时，三极管的结电容Cbe 的作用不可忽略。三极管T2、电感L、结电容Cbe、电容C4，C5 组成了改进型电容三点式高频振荡电路， 产生高频振荡信号， 即载波。载波的频率主要由电感L、结电容Cbe、电容C4，C5 决定。(3)调频波产生电路。用放大了的音频信号去控制T2 的结电容Cbe， 便可控制载波的频率， 使得载波的频率随着音频信号的改变而改变，从而实现调频。调频信号通过电容C6 传送到发射天线， 向外发射100MHz左右的调频电磁波。其中R1为话筒MIC的偏置电阻，一般在2K5.6K选取。R4为集电极电阻。R5为基极电阻，给Q1提供偏置电流。R6为发射极电阻，起稳定Q1直流工作点的作用；Q2、R7、R8、C4、C5、L1、C6、C7组成高频振荡电路，R7给Q2基极提供偏流，C5和L1振荡回路，改变其值可以改变发射频率，C4为反馈电容，R8起稳定Q2直流工作点作用，C7隔直流通交流电容；Q3、R9、R10、L2、C10、C11组成高频功率放大电路。R9给功率管Q3提供基极电流，C10和L2放大调谐回路，和振荡回路C5和L1调谐在同一频点时获得最大输出功率，发射距离最远。频率范围：80MHz103MHz （按电路图参数，只调整线圈匝距）工作电压：1.5V 9。V发射半径：大于100米，4.5V电压，普通收音机接收，无线话筒天线为50cm长的细导线。要想使三极管具有放大作用，必须发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。人说出来的语音信号通过MIC转换为音频电压信号，送到第一个三极管（Q19014）的基级放大，这个三级管是个高频管（频率在3MHz以上在以下及时低频了），这就是微弱的信号进行放大后的一级电路。第二个三级管（Q29018)这是个超高频管，主要用作载频，调频发射电路是将待传送的音频信号通过一定的方式调制到载波信号上， 并放大为额定的功率， 然后利用天线以电磁波的方式发射出去。信号波和高频载波的数学表达式如下:其中Vcm 为信号波的最大振幅和Vsm 为载波信号的最大振幅。载波频率fc 称之为中心频率，随着频率的变化，角频率也会发生变化， 因此这时的频率变化f 称之为最大频率偏移。经过调频后的信号称之为被调频波Vm，可表示为:被调频波vm 会随信号波vs 而变化，其瞬间相位为时间积分。因此，相位角m可由下式计算: (5)则被调频波可表示为: （6）其中m=/s。 典型的调频发射电路典型的调频发射电路中，一般音频输入部分的电路通常是驻极体话筒内的场效应晶体管( FET) 将声音通过话筒前的振膜转换成为阻抗的变化，从而控制音频放大级晶体管的工作状态。音频放大级晶体管的作用， 增益约20 至50DB， 将放大的信号送往振荡级( RF) 晶体管的基极。高频振荡电路由振荡线圈L 和电容C 与振荡级晶体管组成， 调频波段的振荡频率一般为87.5108MHz。振荡级晶体管会在L 和C 的控制下高速导通和截止。基极输入放大的音频信号， 经过振荡级晶体管的放大作用， 使音频信号与高频振荡信号完成调制。特定频率的载波信号通过天线发射出去， 可以将信号覆盖一定的范围。范围的大小取决于发射的功率。发射的频率取决于振荡电路的振荡频率。电路工作时， 随着振荡级晶体管基极电容C逐渐充电电位升高， 其发射极电容C 则经振荡线圈L 和电阻R 充电， 其充电时间更短; 同时， 其集电极电容C 也充电( 其两端虽仅得很小的电压) 。同时线圈L 中产生磁场。振荡级晶体管的基极电压逐渐上升时， 晶体管振荡级晶体管导通， 并有效地将内阻并接在发射极电容两侧。基极电压继续上升， 发射极电容C 试图阻止发射极电位的移动。当电容的能量耗尽， 不再阻止发射极电位的移动时， 基极与发射极之间电压差降低， 晶体管振荡级晶体管截止， 流入线圈的电流也停止， 同时线圈中产生一个反向电压，集电极电位在瞬间升高， 并以相反方向向集电极电容充电， 这时反向电压也同时对发射极电容C 充电， 增大了电阻R 上的电压降， 使晶体管进入更深的截止状态。随着线圈L上反电势能的消耗， 振荡级晶体管的发射极电位下降， 使振荡级晶体管开始导通， 电流流入线圈使线圈上的电压再次反转， 形成集电极电位下降， 并通过发射极C 传送到射极， 使振荡级晶体管饱和导通， 周期再开始重复， 使振荡级晶体管形成振荡， 产生一定频率的交流信号。来自前级的音频信号经耦合电容注入振荡级晶体管的基极、改变振荡频率， 产生所需的调频信号。第三个是调谐功率管。调谐回路通过调整回路的LC参数，使LC谐振频率与需要接收的电台频率相同，对该频率呈高阻抗，使它能够进入高放级，对其它频率呈低阻抗近似短路，不能进入高放级，从而达到选择电台的目的。2.3发射机的主要性能指标(l)发射机的工作频段射频通信系统的工作频率愈高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容量。同时天线设备也具有更尖锐的方向性，而且体积重量减小，雾、雨或雪的吸收显著，传播损耗、衰减和接收设备噪声也愈高。本课题主要应用在室内传输语音信号，通频带和容量不需要太大，因此频率范围定在80MHz一103MHz。同时环境对信号的衰减和吸收也可以不予考虑.(2)发射功率发射功率是指发信机在未调制情况下，传递到标准输出负载上的平均功率，它和很多因素有关。例如，通话路数愈多。频带愈宽，为保持同样的通信质量，必须有更大的发射功率。另外，也和站址选择、多径衰落、采用分集接收等诸多因素有关。一般情况下，数字微波发射机输出功率有时只需几十毫瓦到几百毫瓦功率，只有长距离情况下才需要几瓦量级。考虑到本系统主要应用在室内传输语音，工作频带为40MHz，且不需要考虑多径衰落的影响，因此选定发射功率为20dBm.(3)频率稳定度发射机的每个工作信道都有一个标称的射频中心工作频率，用九表示。设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为f，则频率稳定度的定义为:射频通信对频率稳定度的要求决定于所采用的通信制式及对通话质量的要求。如果频率稳定度很高，建立通信后接收机不需要因频率变化而进行微调，从而提高了通信的可靠性。3. 发射机电路设计与仿真3.1 发射机硬件电路设计采用间接调频的方式，其组成如图3所示。其正弦波振荡器一般采用高频稳度的晶体振荡器，产生的载波通过调相器后引入一个可控的附加相移，从而达到间接调频的目的。考虑到电路的复杂度故采用直接调频的方案。图3间接调频框图(1)振荡级在调频振荡级可选用电感三点式，电容三点式和晶体振荡器产生正弦波电压。具体电路如图4，5所示。图4电容三点式图5 晶体振荡器本实验采用较为稳定的克拉泼电路如图6所示三极管T1应为甲类工作状态，其静态工作点不应设的太高，工作点太高振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将使振荡波形严重失真，但工作点太低将不易起振。在克拉泼电路中C1，C2受三极管级间电容Cce，Cbe，Ccb的影响。因此在电容的取值上应满足C4C1，C4C2.（C1=220p C2=220p C4=100p） 3.5uH图6克拉泼电路(2)缓冲级为了使第三级能够达到额定功率必须加大激励即Vbm，因此要求缓冲级有一定的增益，可采用LC并联回路作负载的小信号谐振放大器。由可得1.7uH(3)功率输出级为了有较高的效率和稳定的输出可用丙类功放同上可得1.1uH.级与级之间还应加入级间耦合电容，电容取值应对交流近似短路（）这样的输出功率符合要求，通过天线发射出去。3.2电路仿真及参数确定Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，是电子电路计算机仿真设计与分析的基础。Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。要的元器件：电阻10个，无极性电容13个，极性电容1个，三极管3个，具体个参数值见下图，这是在multisim中连接得到的，图7所示。图7调试仿真原理图4 系统安装与调试4.1 PCB板的设计及系统安装以上只是对原理图的设计与仿真，最终结果是正确的，以下着手的工作是做PCB版图，对protel的使用要熟悉，按照原理图进行。在此软件中做好PCB图然后刻录，具体图形如下图8：图8 PCB板图PCB板的设计与测试结果频率合成器对馈电电源、地线分布等电磁兼容问题都有着较严格的要求。这是因为电源和数据总线的噪声能影响其他元器件的工作。因此，在布局PCB版图时，应做到一下几点。(1)布线、元件排列应该尽量整齐；(2)电源线应该加宽，约为1mm宽，信号线宽度也要达到0.75mm。采取以上措施能够有效地滤除所有无用频率和电源纹波，抑制各种干扰和噪声，降低频率合成器的相位噪声和杂散。 电路完全满足了系统的要求，并且在相位噪声、非线性失真、音频频率响应和调频信噪比等方面都有很好的特性。相位噪声小于 -100dBc/Hz/10kHz，非线性失真小于0.1%，音频频率响应非常理想，调频信噪比达到80dB以上。与此同时，载波频率稳定度控制在200Hz以内，输出信号频率偏差不超过1kHz，各项指标满足国家广电总局的技术要求。而且，本电路调试量小，成本也不高，更易于进行批量生产。4.3发射机的前置测试静态工作点的调试为保证发射机工作正常， 三极管T1，T2 的静态工作点(Q点)必须合适。三极管T1的Q点调试T1的直流通路图如图9 所示。三极管T1的直流通路图图9三极管测试图Q点设计值为:基极电流IBQ1 = (VCC -U BEQ) /R2+ (1+1) R4= (12-0.6 ) / (330+101 10)=0.008 (mA)集电极电流ICQ1 =1 IBQ1=0.8 (mA)调试方法: 将T1的集电极断开， 串进万用表的电流档(10mA 档) ， 将一个510k的电位器置换R2 电阻。调整电位器， 使电流表读数为0.8mA， 即ICQ1 =0.8mA 。记下此时电位器的阻值RX。再将一固定电阻R2=RX 取代电位器RX即可。4.2对发射机的总体测试具体在以下三点，如框图所示：在12端接上音频信号，大概的频率和人平时说话的频率相当。并在3端接上示波器，调节滑动的变阻器，并观察示波器上的波形：（1） 是什么波形（2） 频率在什么范围内，记下试验数据并与理路论数据相比，看看是否误差很大，（3） 经过调节，在有音频信号的输入下，示波器所显示的是正弦波，频率再80MHz-103MHz，符合理论要求。（4） 在A点波形显示如下：图10 一级放大在B点波形显示如下：图11调频波在C点的波形：图12调谐波 结论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