高频电子发射机设计

高频电子发射机设计高频电子发射机设计 作作 者 者 2011 年 月 日 精品文档 1欢迎下载 目录 序言 2 1 设计题目 3 2 实践目的 3 3 设计要求 3 4 电路原理及方案选择 3 4 1 FM 调频原理 3 4 2 调频方案选择 6 5 电路设计 6 5 1 总体电路设计介绍 7 5 2 单元电路 8 6 系统调试及测试结果 12 7 设计拓展 14 8 参考文献 14 9 附录 15 附件 1 调频发射机电路原理图 15 精品文档 2欢迎下载 附件 2 调频发射机发射机 PCB 图 15 附件 3 元器件清 单 16 附录 4 调频发射机实物 图 16 序言序言 发射机就是可以将信号按一定频率发射出去的装置 是一个比较笼统的概 念 广泛应用与电视 广播 雷达等各种民用 军用设备 主要可分为调频发 射机 调幅发射机 光发射机 哈里斯发射机等多种类型 调频发射机作为一 种简单的通信工具 它首先将音频信号和高频载波调制为调频波 使高频载 波的频率随音频信号发生变化 再对所产生的高频信号进行放大 激励 功放 和一系列的阻抗匹配 使信号输出到天线 发送出去的装置 高频信号的产 生现在有频率合成 PLL 等方式 现在我国的商业 调频广播的频率范围为 88 108MHZ 校园为 76 87MHZ 西方国家为 70 90MHZ 一般来讲调频发射机 的传输距离和发射机功率 发射天线的高度 当地的传输环境 地理条件 有关 一般来讲 50W 以下发射机覆盖半径在 10 公里以内 3KW 调频发射机 可以覆盖到 60KM 由于它不需要中转站和地面交换机站支持 就可以进行有 效的移动通信 因此深受人们的欢迎 目前它广泛的用于生产 保安 野外工 精品文档 3欢迎下载 程等领域的小范围移动通信工程中 1 1 设计题目 设计题目 调频 或调幅 发射机设计 2 2 实践目的 实践目的 无线电发射与接收设备是高频电子线路的综合应用 是现代化通信系统 广播与电视系统 无线安全防范系统 无线遥控和遥测系统 雷达系统 电子 对抗系统 无线电制导系统等 必不可少的设备 本次设计要达到以下目的 1 进一步认识射频发射与接收系统 2 掌握调频 或调幅 无线电发射机的设计 3 学习无线电通信系统的设计与调试 3 3 设计要求设计要求 1 发射机采用 FM AM 或者其它的调制方式 2 若采用 FM 调制方式 要求发射频率覆盖范围在 传输距离 20m 3 若采用 AM 调制方式 发射频率为中波波段或 30MHz 左右 传输距 离 20m 4 为了加深对调制系统的认识 发射机建议采用分立元件设计 采 精品文档 4欢迎下载 用集成电路的设计方法建议作为备选方案 5 已调信号通过 AM FM 多波段收音机进行接收测试 4 4 电路原理及方案选择 电路原理及方案选择 4 14 1 FMFM 调制原理调制原理 4 1 14 1 1 载波 调制信号 通过 FM 调制 使得 twUtu ccmc cos tu 频率变化量与调制信号的大小成正比 即已调信号的瞬时角频率 tuc 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 1 1 直接调频直接调频 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 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 精品文档 5欢迎下载 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 2 2 间接调频间接调频 如图 5 所示 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 而后以此积分值进行调相 即得间接调频 u t dttuk 0 1 t fccmFM t d tuktwVtu 0 cos 图 5 间接调频实现 可控移相网络的实现方法如下图 6 所示 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 图 6 单级回路变容管调相电路 4 1 2 4 1 2 系统框图系统框图 采用 FM 调制的调频发射机其原理框图如下图所示 它由调制器 前置功放 末级功放和直流稳压电源等部分组成 FM 调制器前置功放末级功放 直流稳压源 发射天线 图 7 FM 发射机原理方框图 精品文档 6欢迎下载 4 24 2 调频方案选择调频方案选择 利用通信原理和高频电子线路的相关知识 为确保电路能高效率输出足够 大的高频功率 并馈送到天线进行发射 可进行如下设计方案的选择 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 以晶体振荡器做成的高精度高稳定度的调频电路 虽然是以晶体 振荡器做成的高精度高稳定度的调频电路 很能达到我们的要求 但考虑到元 件使用问题 我们继而找寻更符合实际的方案 方案三 通过音频信号改变载波的频率实现调频发射 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 我门选择直接载波调频的方案来设接调频发射机 直接调频最常见有变容二极管调频 使用 VCO 实现变容二极管直接调频 许多中小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术 即在工作于发射 载频的 LC 振荡回路上直接调频 采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率 较之中频调制和倍频方法 这种方法的电路简单 性能良好 副波少 维修方 便 是一种较先进的频率调制方案 另外一种更为简单的直接调频方法是用三极管直接调频 原理是三极管组 成共基极超高频振荡器 基极与发射极的电压随基极输入的音频信号变化而变 化 从而改变高频振荡的频率 最终实现频率的调制 由于采用变容二级管调频 对高频轭流圈的参数要求比较苛刻 这样会使 设计电路变得困难 因此采用三极管直接调制的方法 这样不仅能够实现 FM 调 精品文档 7欢迎下载 频 而且使电路变得非常简洁 此方案也有以下三种方案选择 方案四 本方案的调频发射机主要由四个基本模块组成 第一级是由驻极 体话筒构成的声 电转换电路 第二级是超高频振荡调制器 第三级音频放大电 路 第四级高频功率放大器 总体电路如下图 1 该电路由声 电转换 音 频放大器 高频振荡调制器和高频功率放大器等部分组成 声 电转换器由驻 极体话筒 M1 担任 它拾取周围环境声波信号后即输出相应电信号 经 C2 送至 Q1 的基极进行频率调制 Q1 组成共基极超高频振荡器 基极与集电极的电压随 基级输入的音频信号变化而变化 从而改变高频振荡的频率 最终实现频率的 调制 再经 C6 输入到晶体管 Q2 Q2 担任音频放大器 对已调音频信号进行放 大 再经过 C10 输入到晶体管 Q3 Q3 担任功率放大器 对信号再次放大 使信 号功率足够大 达到发射远的目的 且元件利用少 且成本低廉 接线简单 具体方案和有关原理如下所述 5 5 电路设计 电路设计 5 15 1 总体电路设计介绍总体电路设计介绍 如图 1 所示 这个设计的声音调频电路采用常用分立元件构成的电路 射频 电路有高频振荡器 缓冲放大器 末级功率放大器及天线组成 高频振荡器用 来产生载频信号 频点落在 60MHz 内 通过改变电感量即可改变发射频率 在 音频信号的作用下 通过改变晶体管极间电容实现调频 产生相应的调频波 射频信号由 Q1 的发射极输出 送到 Q2 L2 C8 R5 等组成的缓冲放大器进行功率 提升 并可减轻末级放大电路对振荡器的影响 末级为高频丙类窄带放大 对 射频功率再进一步放大 经 C13 耦合到发射天线向周围空间辐射 由于高频电 路受干扰严重 如果电源从前级接进去 干扰信号会经过每一级的放大 越来 越强 所以 Vcc 应该从末级接入 调频电路是通过改变晶体管极间电容实现调频的 由于任何 PN 结在输入电 压时 输入电压的变化将会引起结电容变化 即所谓的变容效应 因此 利用 变容效应也可实现调频 图 1 中 Q1 L1 C3 C5 C7 C4 Cb c 构成电容三点式振荡电路 其工作原 精品文档 8欢迎下载 理如下 对高频而言 Q1 基极是接地的 所以是共基极电路 基极 基极间的 结电容 Cb c 并联在 L1C3 谐振回路两端 能影响振荡频率 调制电压加于 Q1 基极 可改变 Q1 的基极电压 使发射极与基极间的输入电压发生变化 从而使 结电容 Cb c 跟随调制电压而变化 这就实现了调频 在经过 Q2 Q3 放大后由 天线发射出去 经查三极管 9018 的静态结电容 Cb c 为 2pF 取 C3 C5 C7 C4 的值分别为 15pF 10Pf 39Pf 102pf 根据以下频率公式的计算电感值 电路 的中心频率计算公式如下 f0 1 2 L1C C C4C7 C4 C7 Cb c C5 C4C7 C4 C7 Cb c C5 C3 得 L1 1 2 f0 C 在实际电路中 电感 L1 需要微调一满足中心频率的要求 5 25 2 单元电路设计单元电路设计 1 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 图 3 2 LC 调频振荡器 主振级 是正弦 波自激振荡器 用来产生频率为 57MHz 80MHZ 的高频振荡信号 由于整个发射 机的频率稳定度由它决定 因此要求主振级有较高的频率稳定度 同时也有一 精品文档 9欢迎下载 定的振荡功率 或电压 其输出波形失真要小 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 FM 调制电路设计 FM 调频电路原理是三极管组共 基 极高频振荡器 基极与发射极结电容 随着输入电压的变化而变化 从而改 高频振荡的频率 本模块由三极管等 元件构成电容点式振荡器 不仅能够 产生稳定的载波 而且还能够实现调制功能 本设计采用较为稳定的克拉泼电路如图 5 所示三极管 T2 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 这是射频发射器的频率发生器 通过 C3 C4 C5 C7 L1 组成改进型 电容三点式 西勒振荡器 以为 C3 与 L1 并联 所以又称为并联型电容三点式 振荡器 由于 C5 C7 远大于 C3 所以回路电容 C 计算公式如下 C C3 C5C7C4 C5C7 C5C4 C4C7 C3 C4 中心频率 f0 1 L C3 C4 实际电路中通过调节电感值就可以得到所需要的频率 这里 C6 是与下一级放大 电路的耦合电容 作用是隔直流 保护电路 精品文档 10欢迎下载 R1 R3 C2 C1 C4 C3 图5 Vcc L1 R2 3 音频放大电路设计 音频放大电路由共射放大电路构成 由调制级转换过来的音频信号非常弱 因此必须再加上一级共射放大的电路 然而要使共射放大电路工作在放大区 必须有合适的静态工作点 Q a 静态工作点的测量 测量放大器的静态工作点 应在输入信号 Ui 0 的情况下进行 即将放大器 输入端与地端短接 然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表 分别测量 晶体管的集电极电流 Ic 以及各电极对地的电位 UB Uc UE 一般实验中 为 了避免断开集电极 所以采用测量电压 UE 或 Uc 然后算出 Ic 的方法 例如 只要测出 UE 即可用 E E CE R U II 算出 Ic 也可根据 C CCC C R UU I 由 Uc 确定 Ic 同时也能算出 UBE UB UE UcE Uc UE 精品文档 11欢迎下载 图图 1 1 实物图实物图 直流等效电路直流等效电路 b 静态工作点的调试 放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流 Ic 或 UcE 的调整与测 试 静态工作点是否合适 对放大器的性能和输出波形都有很大影响 如工作 点偏高 放大器在加入交流信号 以后易产生饱合失真 此时 Uo 图 2 静态工作点对 U0 波形失真的影响 的负半周将被削底 如上图 2 所示 如工作点偏低则易产生截止失真 即 Uo 的 正半周被削顶 一般截止失真不如饱合失真明显 如图 2 所示 这些情况都不 符合不失真放大的要求 所以在选定工作点以后还必须进行动态调试 即在放 大器的输入端加入一定的输入电压 Ui 检查输出电压 Uo 的大小和波形是否满 足要求 如不满足 则应调节静态工作点的位置 这是电路的一级放大 由于通过 调制电路的信号很小所以要用甲类放 大器 以防止失真或无法达到放大作 用 这里负载采用 L2 C8 并联谐振回 路达到选聘和匹配作用 R5 的作用是 给基极提供偏置电压 设置三极管的 精品文档 12欢迎下载 静态工作点和设置放大倍数 C12 滤波减小干扰 4 高频功率放大电路设计 功率放大器的基极偏置电压 VBE 是利用发射极电流的直流分量 IEO ICO 在射极电阻上产生的压降来提供的 故称为自给偏压电路 当放 大器的输入信号为正弦波时 集电极的输出电流 iC 为余弦脉冲波 利用谐振 i v 回路 LC 的选频作用可输出基波谐振电压 vc1 电流 ic1 图 1 3 画出了丙类功率 放大器的基极与集电极间的电流 电压波形关系 分析可得下列基本关系式 011 RIV mcmc 式中 为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅 mc V 1 为集电极基波电流振幅 为集电极回路的谐振阻 mc I 10 R 抗 0 2 1 0 2 111 2 1 2 1 2 1 R V RIIVP mc mcmcmcC 式中 PC 为集电极输出功率 COCCD IVP 式中 PD 为电源 VCC 供给的直流功率 ICO 为集电极电流 脉冲 iC 的直流分量 图 1 3 放大器的效率为 CO mc CC mc I I V V 11 2 1 最后一级设为丙类放大 以提高发 射功率使已调信号可以发射更远 集电极同样采用 L3 C11 并联谐振 电路选频匹配 后面通过旁路电容 C14 220uF 的极性电容滤除无用的 小信号 减小干扰 再通过 C13 将 调制信号耦合到天线上去 精品文档 13欢迎下载 6 6 系统调试及测试结果系统调试及测试结果 实物图接好后 对着 PCB 图和原理图查看电路 确定元件焊接没有错误后 接入 12V 的电压 发现当一接上 12V 的电源时 电源的二极管熄灭 判断为电 路出现短路问题 用万用表测量各点之间电阻 由于电路比较简单 因此很快 就查处短路点了 由于麦克风的正负极焊点相离很近 因此焊接的时候短路了 于是用刀子刮去短路的部分后 问题就解决了 当接上示波器 用示波器测量 调制输出端 检测到的是未知信号 一开始以为是元件接触不良 摆弄后出现 了失真的波形 后听一同学提醒 发现有个 2 2K 的电阻接成了 22K 了 于是换 掉了电阻 继续测量有检测到正弦信号但是输出的频率只有几 HZ 到几 KHZ 根 本达不到 M 的频率要求 此时只有改变 L1 的电感值 当拨弄电感 使其变疏时 发现确实出现了 59M 的正弦信号 但是很不稳定 而且跳动范围很大 此时从 第一级输出开始测量 检查前两级都有信号后 示波器在第三级也测出 59M 多 的频率信号后用音频音乐作为输入信号 用听力耳机跳到 59M 的频率听是否能 收到音频信号 一开始能听到声音 但有干扰信号 而且接受的距离很有限 只到门口就没有了 声音也非常不稳定 于是继续进行调试 由于电感没接好 所以我又重新接过电感 此效果会比上次好多了 可以多走 10 米左右 但是后 面信号很弱 用示波器测量天线输出电压才 60 毫伏左右 而甲类放大输出还是 80 多毫伏 后后级不仅没有放大 还变得更小了 猜想可能是后级放大不够 所以我找了各种阻值的电阻与 R6 并联看示波器的输出 但是输出基本上不变 调电感也没有变化 拉长天线也没办法发射更远 想了很久都没有思路 突然 想到会不会是天线通过耦合电容将阻抗折合到功放级呢 带着这个想法 我把 天线剪短了一些 结果发现天线输出电压达到了 1 04 伏以上了 频率在 69 3MHz 处 带上耳麦调到自己的频率后接收到了所播放的音乐 这走到楼梯 那里还能听得到 于是赶紧进行测量 相关波形如图下图所示 精品文档 14欢迎下载 7 7 心得体会 心得体会 本次设计使我深刻认识到 凡事不能投机取巧 无论做什么事情都要脚踏 实地 一步