高频电子信号发生器

1 高频信号发生器设计 1 方案论证 一般高频信号发生器由主振级 调制级 输出级 缓冲级等几大部分组成 如图 1 1 所示 图 1 1 高频信号发生器方框图 本课题是一小型简易高频信号发生器 我们可采用只包含主振级和调制级 两部分 可供检修调试收音机 电视机及遥控设备之用 1 1 方案一 主振级与调制级是高频信号发生器的主要电路 这两部分可采用两级电路 也可合为一级电路 主振级是一个 LC 自激正弦波振荡器 它输出一定频率范围 的正弦波 又可送给调制级作为载波 调制级的输出是提供测试接收机灵敏度 选择性等指标用的已调信号 它可以是调幅波 调频波 也可以是脉冲信号 本课题采用简化调幅电路 在这里将主振级与调制级合二为一 主振级本身就 是一个正弦波振荡器 当振荡管的某一个电极同时输入了音频信号时 则高频 振荡将被音频信号所调制 此时振荡器输出的波形就不再是等幅波而是调幅波 这样在主振级的基础上加上适当的音频信号可实现简易的调制级 这里调制方 式仅限调幅制一种 高频信号发生器还要求有音频信号输出 因此 仪器中还 要包含一个音频振荡器 即上图所示中的内调制振荡器 此振荡器既可输出音 2 频信号 又可提供内调制信号 不难看出 我们设计的高频信号发生器实际上 只有两部分 一是音频振荡电路 一是高频振荡电路 它们既能产生不同频率 的正弦波 又能共同产生调幅波 下图 1 2 即是其组成框图 图 1 2 方案一输出方框图 1 2 方案二 方案二在方案一的基础上有些改变 没有将主振级和调制级和二为一 而 是采用了专门的调制电路将主振级与音频信号进行调制输出调幅波 以下图 1 3 为器实现框图 高频 振荡 信 号 音频 振荡 信 号 调 制 电 路 正弦 信 号 调幅 信 号 图 1 3 方案二输出框图 1 3 方案三 采用直接数字频率合成 DDFS 技术产生波形 作为波形的产生技术是以 Nyquist 时域采样定理为基础 在时域中进行频率合成 用 RAM 存储器存储所 需的波形量化数据 按照不同频率要求以频率控制字 K 为步进对相位增进进行 累加 以累加器相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据 经 D A 转 3 换和幅度控制 再滤波即可得所需波形 DDFS 具有相对带宽很宽 频率转换 时间转换时间极短 可小于 20ns 频率分辨率可以做到很高等优点 另外 全数字化结构便于集成 输出相位连续 频率 相位和幅度均可实现程控 完 全能够满足题目的要求 图 1 4 方案三的框图 1 4 方案对比选择 前两种方案对比有很多相似之处 但是很显然方案二比方案一多出一个调 制电路 为了使调幅波更容易应用软件仿真出来 在此我决定选用方案二 由 于方案三涉及到单片机的应用虽然结果更为精确但是还不宜操作需要对这方面 软件及硬件的掌握 所以不选此方案 4 2 单元电路设计 2 1 音频振荡器 音频振荡电路有多种形式 它可以是文氏电桥振荡器 也可以是 LC 振荡 器 这里只谈 LC 正弦波振荡器设计 LC 正弦波振荡器有变压器反馈式 电感三点式及电容三点式几种 其中电 容三点式振荡器的振荡频率较高 不适于作音频振荡器 而电感三点式振荡器 的反馈电压取自电感支路 对高次谐波阻抗大 振荡频率不易很高 但作音频 振荡器是适宜的 因此 这里选用共基极电感三点式振荡器 电路如下图 2 1 所示 下图 2 2 所示是其交流等效电路 图 2 1 中的 C1 是隔直电容 同时形成 反馈支路 图 2 1 共基极电感三点式振荡器 图 2 2 交流等效电路 2 1 1 选管 音频振荡器属小功率振荡器 选用一般的小功率高频管即可 从稳频和易 于起振考虑 应尽量选取特征频率高的管子 另外 应选电流放大系数 高的 5 管子 这样即使晶体管与回路处于松耦合状态时也易于满足起振条件 通常可 选用 3DG 系列管 2 1 2 直流工作状态与偏置电阻的选择 振荡管的静态工作电流对振荡器工作的稳定性及波形有很大影响 应合理 选择工作点 当振荡器的振荡幅度稳定后 一般应工作于非线性区域 晶体管必然出现 饱和与截止状态 晶体管饱和时输出阻抗低 它并联在 LC 谐振回路上将使 Q 值大为降低 从而降低频率稳定度 波形会出现失真 所以应当把工作点选在 偏向截止一边的放大区 即工作电流不能过大 通常对小功率振荡器的工作电 流应选 IcQ 1 5mA 若 IcQ偏大 可使振荡幅度增加一些 但对其他指标不利 现选 IcQ 3mA UCEQ应选大些 以使振荡器偏向截止方向工作 现取 UCEQ 3 6V UCC 4 5V 由此可算得发射极电阻 300 3 6 35 4 UU CQ CEQC E mA VV I R C 2 1 选择基极分压偏置电阻 RB1 RB2 UBQ UEQ UBEQ UCC UCEQ UBEQ 4 5V 3 6V 0 7V 1 6V 2 2 mA06 0 50 mA3 I I Q BQ C 2 3 取 I1 5IBQ 5 0 06mA 0 3mA 2 4 取 k10 6 9 3 0 6 15 4 UU 1 BQC B1 k mA VV I R C 2 5 取 k1 5 3 5 3 0 6 1 U 1 BQ B2 k mA V I R 2 6 6 为便于调整静态工作电流 RB1采用电位器与电阻串接 待电路调整好后 再换相应值的电阻 2 1 3 振荡回路元件的确定 振荡回路的元件值可根据振荡频率的要求来确定 根据要求选用 Hz1000 LC2 1 f0 2 7 因为振荡频率较低 故回路元件值较大 现取 C 0 33uF 计算回路电感 mH 8 76 1033 0 102 1 Cf2 1 L 6232 0 2 8 反馈系数 Kf L1 L2 它决定电感抽头位置 一般在 0 1 0 5 范围内选择 Kf太小 则振荡器不易起振幅度太小 Kf太大 则振荡幅度大 易工作到饱和 区 造成波形失真和频率稳定度低 所以应选取适中值 本例选取 Kf 0 2 由上面的参数设定可以得到以下的音频部分电路图 2 3 所示 图 2 3 音频振荡器电路 7 2 2 高频振荡器 高频振荡器一般采用电容三点式或变压器反馈式 在此先说明共基极变压 器反馈式 其原理如图所示 图 2 4 共基极变压器反馈式振荡器 变压器反馈振荡器的优点是容易起振 输出电压大 结构简单 调节频率 方便 调节频率时输出电压变化不大 当振荡管的基极输入音频信号时 高频振荡将被音频信号所调制 振荡器 即成为调幅器 由于高频振荡器的振荡频率较高 在选管时应注意选超高频小功率三极管 特征频率 fT也要比音频振荡管的要求高 通常选 fT 3 10 f0 f0为振荡器的中 心频率 FT高则管子的高频性能好 晶体管内部相移小 有利于稳频 在高频 工作时 振荡器的增益仍较大 易于起振 本例中选用 3DG56 超高频管 其针 fT 500MHz 高频振荡器的直流工作状态与偏置电阻的计算同本例音频振荡器的计算方 法相同 但注意集电极电流 ICQ为 2 4mA 基极偏置电阻最好也采用电位器 以便调整静态电流 如果高频振荡器需要有有 3 挡频率 3 个波段 可用一个四刀三位拨动式波 段开关进行转换 各挡频率由双连电容器作连续频率微调 另外一种是采用电容三点式构成的高频振荡 反馈电压取自电容 电容对 晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗 所以反馈电压中高次谐波分量 很小 因而输出波行好 为了在改变频率的过程中不影响反馈系数我们采用克 拉泼振荡器电路 偏执电路以及振荡电路的参数设定和上面音频的电感三点式 8 一致 但选择的振荡频率要高 两种电路分别如下 图 2 5 共基极变压器反馈式振荡器 图 2 6 电容三点式振荡器 9 2 3 调制电路 我们选用 MC1496 构成的模拟乘法器电路作为调制电路 下面是 1496 的内 部结构和他组成的模拟乘法器调制电路 图 2 7 MC1496 的内部结构图 10 图 2 8 模拟乘法器构成的调制电路 用集成模拟相乘器来实现各种调幅电路 电路简单 性能优越且稳定 调 整方便 利于设备的小型化 模拟乘法器是对两个以上互不相关的模拟信号实 现相乘功能的非线性函数电路 通常它有两个输入端 x 端和 y 端 及一个输 出端 其电路符号分别可用如图 2 9 中的 a 或 b 所示 a 模拟乘法器的电路符号 b 乘法器的电路符号 图 2 9 乘法器的符号 MC1496 是一种四象限模拟相乘器 其内部电路如图 2 7 所示 由图可见 电路中采用了以反极性方式连接的两组差分对 Q1 Q4 且这两组差分对的 恒流源管 Q5 Q6 又组成了一个差分对 因而亦称为双差分对模拟相乘器 其典型用法是 脚间接一路输入 称为上输入 v1 脚间接另一 路输入 称为下输入 v2 脚分别经由集电极电阻 Rc 接到正电源 12V 上 并从 脚间取输出 vo 脚间接负反馈电阻 Rt 脚到地之间接 电阻 RB 它决定了恒流源电流 I7 I8 的数值 典型值为 6 8kO 脚接负电 源 8V 脚悬空不用 由于两路输入 v1 v2 的极性皆可取正或 负 因而称之为四象限模拟相乘器 用 1496 集成电路构成的调幅器电路图如图 2 8 所示 由图可见 当进行调幅 时 载波信号加在 V1 V4 的输入端 即引脚 8 10 之间 调制信号加在差动放大器 V5 V6 的输入端 VR8 用来调节引脚 1 和 4 之间的平衡 同时也用来调节 1 和 4 脚间的电压以达到全载波与抑制载波调制目的 2 3 脚外接 1K 电阻 以 11 扩大调制信号动态范围 3 总电路图 3 1 变压器反馈式振荡器构成的信号发生器变压器反馈式振荡器构成的信号发生器 图 3 1 高频信号发生器电路 1 图 3 1 所示是高频信号发生器的整机电路 它是由高频和音频振荡电路组 成 其中晶体管 T1和音频振荡变压器 Tr4等组成了共基极电感三点式振荡电路 产生音频信号 振荡频率为 lkHz 音频信号由变压器的次级输出 一路经 R6 C4 衰减电位器 Rw2加至音频信号输出插孔 XS2 以便输出音频信号 另 一路经 C5藕合至 T2的基极 以便作为高频已调波的调制信号 图中晶体管 T2与 3 个波段的高频变压器 Tr1 Tr2 Tr3等组成共基极变压器 12 反馈式振荡电路 产生高频信号 由于 T2的基极同时还输入了音频信号 所以 高频载波被音频信号所调制 高频信号输出分 3 个波段 由 S2 转换 各挡频率 由双联电容器 C7 C8作连续调节 通过开关 S2 1 的转换 在 A B 挡时 C7 C8并联接入电路 而在 C 挡时 断开了 C7 高频信号通过 C12 衰减电位 器 Rwl 从 XSl 插孔输出 3 2 电容三点式振荡器构成的信号发生器 图 3 2 高频信号发生器电路 2 此电路分为两部分 前面一部分为音频信号的发生作为调制信号 高频振 荡器一方面可以发出高频的正弦振荡波 频率可以通过改变便容器的值来实现 另外一方面作为载波进行调制 载波和调制信号分别送入 am 调制电路进行调 制 输出为已调信号 这两个图分别是方案一和方案二的总体图 图 3 1 在频率的分段调节上做 的很好 可实现三段频率 且每段连续可调 但是整体电路复杂 不易在仿真 软件上进行仿真 图 3 2 虽然实现了基本要求 但在频率的可调方面还不够 只能实现简单 的频率调节 且调节的范围不大 但电路的元器件简单 易实现仿真分析 13 4 电路仿真 4 1 音频部分电路的仿真 图 4 1 音频信号的仿真结果 由结果可以看出音频部分的电路输出了比较正规的正弦波形 从波形下面 的时间轴上读出每格的时间 大致可以计算出频率为 769HZ 这符合了我们之 前在参数设置过程中设定的要求 14 4 2 高频振荡器电路的仿真 图 4 2 高频振荡器仿真结果 这是当可变电容的值为 50 时得到的输出波形 可以大致计算出频率为 1480KHZ 图 4 3 高频振荡器仿真结果 15 这是当可变电容的值改为 70 时得到的输出波形 我们可以大致计算出频 率为 3098KHZ 与上面的相比频率变化了很多 从这也看到了频率输出的变化 16 5 心得体会 这次课程设计最大的体会就是自己能独立解决仿真中出现的一些问题 根 据仿真中出现的错误信息适当的调整电路 达到最终的结果 对于高频的内容 并不是很难 理解电路的原理工作过程也可以做的很好 但要在实际中实现我 们所设计的电路 有可能会出现种种问题 理论与现实有一定的差别 这就需 要我们学会如何解决实际问题 在错误的实验结果的提示下要知道哪里出错了 再检查各个可能导致出错的原因 虽然不是一个很轻松的过程但对锻炼我们的 能力很有帮助 做这个设计也教会我如何在图书馆 网上查找到自己想要的资源 如今各 种资料很多 如何在有限的时间内找到种类多的 有可比较性的东西 需要我 们知道如何查 如何筛选资料 这在以后的工作和学习中是不可缺少的一种技 能 通过这一电路综合性实践训练也达到了深化所学的理论知识 培养综合运用 所学知识的能力 掌握一般电路的分析方法 增强独立分析问题与解决问题的能力 熟 悉应用本专业所包括的仿真设计软件 通过这一综合训练培养自己严肃认真的 工作态度和科学作风 为今后从事电路设计和研制电子产品打下初步基础 在仿真过程中遇到的问题很多 由于设计的是简易的高频信号发生器 所 以电路原理并不难 但仿真很困难