小功率调幅发射机设计

吉林建筑大学吉林建筑大学 电气与计算机学院电气与计算机学院 高频电子线路课程设计报告高频电子线路课程设计报告 设计题目 设计题目 小功率调幅发射机的设计小功率调幅发射机的设计 专业班级 专业班级 电子信息工程电子信息工程 121 班班 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 指导教师 指导教师 设计时间 设计时间 2015 12 14 2015 12 25 教师评语 成绩 评阅教师 日期 2 1 目录 2 摘要摘要 本文以一个小功率调幅发射机为设计对象 并对其主振级 缓冲级 高频电压放大 级 低频电压放大级 调制级 高频功率放大级进行了详细的设计 论证 调试及仿 真 并进行了整机的调试与仿真 早期的 VHF 频段的移动通信电台大都采用调幅方式 由于信道快衰落会使模拟调 幅产生附加调幅而造成失真 目前已很少采用 调频制在抗干扰和抗衰落性能方面优 于调幅制 对移动信道有较好的适应性 现在世界上几乎所有模拟蜂窝系统都使用频 率调制 由于高频信号的幅度很容易被周围环境所影响 所以调幅信号的传输并不十 分可靠 在传输的过程中也很容易被窃听 不安全 所以现在这种技术已经比较很少 被采用 但在简单设备的通信中还有采用 振幅调制根据频谱结构的不同可分为普通调幅 AM 波 抑制载波的双边带调幅 DSB SC AM 波和抑制载波的单边带调幅 SSB SC AM 波 本设计的调幅发射机指的 是 AM 调幅 关键词关键词 电容三点式 调幅发射机 Altium Designer Multisim 3 一 一 设计题目设计题目 小功率调幅发射机的设计 二 二 设计目的 内容及要求设计目的 内容及要求 本次课程设计的目的是 1 加深对高频电子线路理论知识的掌握 使所学的知识系统 深入地贯穿到实践 中 4 2 提高同学们自学和独立工作的实际能力 为今后课程的学习和从事相应工作打 下坚实基础 设计内容 小功率调幅发射机的设计 1 掌握小功率调幅发射机原理 2 设计出实现调幅功能的电路图 3 应用 Multisim 软件对所设计电路进行仿真验证 技术指标 载波频率 f0 1MHz 10MHz 低频调制信号 1KHz 正弦信号 调制系数 Ma 50 5 负载电阻 RA 50 三 三 工作原理工作原理 用调制信号去控制载波的某个参数的过程 叫调制 用调制信号去控制高频振荡 器的幅度 使其幅度的变化量随调制信号成正比的变化 这一过程叫做振幅调制 经 过幅度调制后的高频振荡称为幅度调制波 简称调幅波 小功率调幅发射机的工作原理是 由振荡产生一个固定频率的载波信号 载波信 号经缓冲级送至振幅调制电路 缓冲级将振荡级与调制级隔离 减小调制级对晶体振 荡级的影响 放大级将低频信号放大至足够的电压后送到振幅调制电路 振幅调制电 路的输出信号经高频功率放大器 高放级将载频信号的功率放大到所需的发射功率 调幅发射机常用于通信系统与其他无线电系统中 在中短波领域应用极为广泛 由于调幅简便 占用频带窄 设备简单等优点 因此在发射机系统中应用非常广泛 在实际的广播发射系统中 中波调幅的频率范围为 535 1605KHz 音频信号中 的高音频率应该被限制在 4 5 KHz 以下 发射功率需要达到 300W 以上才能使空间覆盖 面达到比较好的状态 此次设计需要在实验室环境中研究发射机的工作原理与原件选 择 因此 根据实验室条件适当降低技术指标 载波频率采用实验室较为常用的 6MHz 单音频调制信号选择 1KHz 发射机功率初步定为 1W 5 四 四 总体方案总体方案 发射设备是无线电通信系统的重要组成部分 它是将电信号变换为适应与空间传 播特性的信号的一种传输装置 它首先要产生频率较高的并且具有一定功率的振荡 因为只有频率较高的振荡才能被天线有效的辐射 还需要有一定的功率才可能在空间 建立一定强度的电磁场 并传播到较远的地方 高频功率的产生通常是利用电子管或 晶体管 把直流能量转化为高频能量 这是由高频振荡器和高频功率放大器完成的 由于在无线通信系统中 只有馈送到天线上的信号波长与天线的尺寸相比拟时 天线才能有效的辐射和接受电磁波因此需要对信号进行调制 使其以高频的信号辐射 出去 发射机的主要任务是是有用的低频信号对高频载波的调制 将其变为在某一中心频率上 具有一定带宽 适合通过天线发射的电磁波 高频部分一般包括主振荡器 缓冲放大 倍频器 中间放大 功放推动级与末级 功放 主振器的作用是产生频率稳定的载波 低频部分包括音频收集 低频电压放大级 低频功率放大级与末级低频功率放大 级 低频信号通过逐渐放大 在末级功放处获得所需的功率电平 以便对高频末级功 率放大器进行调制 因此 末级低频功率放大级也叫调制器 调幅发射机主要包括三个组成部分 高频部分 音频部分和电源部分 在此此可以 省去省电源这一部分 调幅发射机通常由主振级 缓冲级 倍频级 中间放大级 振幅调制 音频放大 和输出网络组成 根据设计要求 载波频率 f 10MHz 主振级采用克拉泼振荡电路 输出的载波的频率可以直接满足要求 不需要倍频器 系统原理图如图所示 6 图 4 1 总体方案框图 其工作原理 本机振荡产生一个固定频率的载波信号 载波信号经缓冲倍频送至 振幅调制电路 话音放大电路将低频信号 例如语音信号 放大至足够的电压送到振 幅调制电路 振幅调制电路的输出信号经高频功率放大器 高放级将载频信号的功率 放大到所需的发射功率 然后经天线输出 五 五 单元电路设计单元电路设计 5 1 主振荡器模块 调频振荡器的电路形式主要有晶体振荡器直接调频 电抗管调频和变容二极管调 频 晶体振荡器直接调频电路的优点是提高了振荡器中心频率的稳定性 但是价格比 较的昂贵 电抗管调频电路与变容二极管调频电路相比 要复杂一些 考虑到本设计 任务要求中心频率的稳定性不高 所以我选择了电抗管调频电路 所谓电抗管 就是 由一只晶体管或场效应管加上由电抗和电阻元件构成的移相网络组成 它与普通的电 抗元件不同 其参量可以随调制信号而变化 电抗管的放大器件可以是电子管 晶体 管或场效应晶体管移相电路也有多种型式 如 RC 或 RL 移相网络 其作用是使放大管 Q4 的输出阻抗具有一个电抗分量 Xe 当 Xe 随输入信号变化时 即可获得调频信号 电 抗管调频器的缺点是振荡频率稳定度不高 频移也不能太大 阻抗 Ze 通常还具有电阻 分量 这个分量也随输入信号而变化 使振荡器产生寄生调幅 常见的电抗管调频电路 主要有电容三点式振荡器和电感三点式振荡器 振荡器电路图如图 5 1 所示 7 图 5 1 振荡器电路原理图 振荡器电路仿真图形如图 5 2 所示 8 图 5 2 主振器仿真波形图 5 2 缓冲器模块 缓冲隔离级将振荡级与功放级隔离 以减小功放级对振荡级的影响 因为功放级输 出信号较大 工作状态的变化会影响振荡器的频率稳定度或波形失真或输出电压减小 为减小级间相互影响 通常在中间插入缓冲隔离级 缓冲隔离级经常采用射极跟随器 电路 缓冲放大器需将振荡器输出电压 以提高电平调幅电路所需的载波输入信号 所以要有合适且可调的增益 如图 5 3 所示 9 C1 C2 R B1 R B2 R E1 RL R E2 VCC Vi GND 图 5 3 缓冲器电路图 缓冲器仿真电路图如图 5 4 所示 图 5 4 缓冲器电路仿真图 10 仿真图中 R1 R2 R3 R4 为偏置电阻 通过调节 R6 可以连续改变输出正弦波 的幅值的大小 输入为图 5 5 所示时 图 5 5 函数发生器参数图 R6 接入 50 时的仿真图形为图 5 6 所示 11 图 5 6 缓冲器输出波形图 所以 可以看出调节 R6 可以得到所需幅值的正弦波 5 3 高频放大器模块 高频电压放大器的任务是将振荡电压放大以后送到振幅调制器 可以选用高频调 谐放大器 采用集电极调幅电路 就要使用一级高频电压放大器 以满足集电极调幅 的大信号输入 高频放大器仿真电路图如图 5 7 所示 12 图 5 7 高频放大器仿真电路图 高频放大器输出波形如图 5 8 所示 13 图 5 8 高频放大器输出波形图 5 4 音频放大模块 音频放大器仿真电路图如图 5 9 所示 14 图 5 9 音频放大器仿真电路图 输入如下频率为 1kHZ 幅值为 1V 的正弦波时如图 5 10 所示 图 5 10 函数发生器参数图 音频放大器仿真波形图形为图 5 11 所示 15 图 5 11 音频放大器输出波形图 可以通过改变 R3 值的大小来改变放大倍数 5 5 振幅调制模块 集电极调幅电路具有调制线性好 集电极效率高的优点 广泛用于输出功率较大 的发射机中 振幅调制仿真电路图如图 5 12 所示 16 图 5 12 振幅调制仿真电路图 振幅调制输出波形图如图 5 13 所示 图 5 13 振幅调输出波形图 17 输出波形原理分析 载波 直接加到放大器的基极 调制信号 加到集电极电路且与直流电源相 C U 0c U 串联 集电极谐振回路 LC 调谐在载频 上 C 由于与 相串联 因此 丙类被调放大器集电极等效电源 将随变化 0c U C E CC U 0C U 从而导致被调放大器工作状态发生变化 在过压状态下 集电极电流 的基波分量振 C I 幅 随成正比变化 从而实现调幅 1C I 0C U 5 6 高频功放模块 功率激励级 为末级功放提供激励功率 末级功放 将前级送来的信号进行功率放大 使负载 天线 上获得满足要求的 发射功率 如果要求整机效率较高 应采用丙类功率放大器 本题要求 故选50 用丙类功率放大器较好 隔离的作用是为了防止发射的部分高频信号对载波信号产生 干扰 放大的作用是为下一级提供足够的功率 采用自给负偏压丙类谐振功率放大器 通过改变电位器改变负偏压大小 回路谐振在工作频率 可以改变变压器耦合输出 功率放大器电路如图 5 14 所示 18 图 5 14 功率放大器电路图 公路放大器输出波形如图 5 15 所示 19 图 5 15 功率放大器输出波形 5 7 整体电路原理 整机电路是由 LC 电容三点式主振级 缓冲级 高频电压放大级 低频电压放大级 调制级 高频功率放大级 其中 LC 电容三点式振荡电路产生高频率且相对稳定的输 入载波信号 倍频器电路是将振荡电路产生的载波信号进行进一步的放大 使其变化 为更高频率的信号 调幅电路是将载波信号与低频信号源产生的调制信号相乘来产生 调幅信号 混频电路是实现将已调信号与本振信号相乘进行变频 其中 fi fo fs 功 率放大电路是将调制信号的能量放大同时滤除不需要的频率 高次谐波 以免造成 对其他电台的干扰 20 六 电路设计总结六 电路设计总结 整体电路共分为六个模块 分别为主振级 缓冲级 高频电压放大级 低频电压 放大级 调制级 高频功率放大级 首先由克拉波振荡器产生频率为 10MHZ 的载波信 号 再经过缓冲级 让振荡器与振幅调制器隔离开来 不影响载波频率的稳定 然后 经过高频电压放大器 将输入电压进行放大 使输出电压满足高电平的集电极调制器 接着将调制信号经过音频放大器放大 最后将载波信号与调制信号输入到集电极调制 电路进行普通调幅 然后进行丙类功率放大 经天线输出普通调幅波 由于选用的仿真软件为 multisim 有些元件在元件库里没有 仿真时就选用了理想 的虚拟元件 比如型号为 BJT NPN VIRTUAL 的三极管就是理想的三极管 由于改变 了三极管的型号 所以在实际仿真调试时改变了好多偏置电阻的阻值以便是电路输出 所需的波形 七 收获 体会七 收获 体会 这次课程设计对于自己来说是一次很大的挑战 做起来我感觉比较吃力 虽然刚 刚学完了高频电子线路 但是一直有种云里雾里的感觉 虽然知道应该由哪几部分构 成 每一部分的原理也知道 但是实际做起来就很吃力了 要根据实际元件的特性去 设计元件的参数 感觉无从下手 但是有困难不能够放弃 于是我查阅了一些资料 和同学们一起讨论计算 并且去请教学长 慢慢的我有了一点眉目 接着我便开始设 计各个单元模块 对于各个模块的比较选择还是比较容易 就是参数设计比较困难 主要原因是因为对于电路的分析不清楚 我只有接着查找资料 结合老师所将知识 慢慢的一点点的明白计算 最终才算是有些明白 然而在使用软件进行仿真时有些三极管找不到 就是用了理想化的模型进行了代 替 致使在仿真的过程中修改了一些电阻的阻值 使电路正常工作 21 当然这次课程设计也教会了我许多 首先它将我平时的所学结合在一起 有了一 个系统的框架 然后再去补充这个框架的内容 使我有了一个课程设计的基本方向和 目的 不至于太过盲目 其次也锻炼了我查阅资料的能力 以及对有用资料的筛选能 力 再者通过跟同学们的讨论研究 我懂得了合作的重要性 课程设计是一项很能锻炼人的实践 虽然它看起来充满着困难 但是不管怎么样我们 都得敢于去挑战 以后还有毕业设计 这将是一次更大的考验 不管是从设计原则 设计思路以及报告格式还有心理上来说都是一次很好的锻炼 八 参考文献八 参考文献 1 曹才开 高频电子线路原理与实践 湖南 中南大学出版社 2010 2 康光华 电子技术基础 模拟部分 第五版 北京 高等教育出版社 2006 3 谢自美 电子线路设计 实验 测试 第三版 武汉 华中科技大学出版社 2000 4 王尧 电子线路实验 南京 东南大学出版社 2000 5 曾兴雯 高频电路原理与分析 西安 西安电子科技大学出版社 2002 6 李新平 实用电子仿真技术 北京 机械工业出版社 2003 22 23 24 附录一 系统总原理图附录一 系统总原理图 C1 0 01 F R1 15k R2 5 1k R3 1 92k R4 800 L1 100 H C2 80pF C3 400pF C4 0 01 F C5 0 01 F L2 22 H C6 10pF L3 25 H Q1 2N2222A VCC 12V C7 0 01 F C8 0 01 F C9 0 01 F C10 0 01 F R5 400 R6 56k R7 560 R8 510 Q2 2N2222A L4 22 H R9 1k Key A 50 R10 10k Key A 55 R11 20 VCC 12V Q3 2N2222A R12 100k Key A 50 R13 30k R14 16k R15 1 5k C11 0 01 F C12 51F T1 2 C13 0 01 F C14 0 01 F VCC 12V C15 0 01 F R16 16k R17 16k C16 0 01 F R18 50k Key A50 R19 10k R20 600 C17 10