小功率调幅发射机的设计

第0页共18页摘要调幅发射机的主要任务是完成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。本设计的发射机包括高频部分、低频部分、电源部分三个模块。低频信号采用音频放大器对调制信号进行放大，以便对高频末级功率放大器进行调制；高频部分包括主振荡器、缓冲放大、末级功放三部分，主振器采用频率稳定度高的石英晶体振荡器，并在它后面加上缓冲级，以削弱后级对主振器的影响，经过音频放大后的信号在高频部分的末级功放实现对载波信号的调幅。关键词调幅；石英晶体振荡器；发射机目录摘要.1第章系统方案设计.21.1调幅方案选择.21.2各级增益分配.3第2章单元电路设计.42.1高频振荡器电路设计.42.1.1电路结构及工作原理.42.1.2参数计算及元件选择.42.1.3电路仿真测试与验证.62.2隔离放大器电路设计.62.2.1电路结构与工作原理.62.2.2参数计算及元件选择.72.2.3电路仿真测试与验证.72.3受调放大级电路设计.82.3.1电路结构及工作原理.82.3.2参数计算及元件选择.92.3.3电路仿真测试与验证.92.4话筒和音频放大电路设计.102.4.1电路结构及工作原理.102.4.2参数计算及元件选择.112.4.3电路仿真测试与验证.11第3章调幅发射机系统测试.123.1晶体振荡器的测试.123.2调制器的测试.123.3整机测试及其常见的故障分析.12致谢.15第I页共18页参考文献.17附录总电路原理图.18第0页共18页第1章系统方案设计1.1调幅方案选择要将无线电信号有效地发射出去，天线的尺寸必须和电信号的波长为同一数量级。为了有效地进行传输，必须将携带信息的低频电信号调制到几十kHz几百MHz以上的高频振荡信号上，再经天线发送出去。低频小功率调幅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。由于设计任务所要求的调幅发射机输出功率小，因此可选用最基本的发射机结构，系统框图如图1-1所示，由主振、放大和被调级构成。由石英晶体构成的振荡电路产生载频，通过隔离放大网络加载到受调放大电路上，同时将调制信号也加载到受调放大电路中，利用三极管集电极调幅进行调制，然后进行功率放大并通过天线辐射出去。高频振荡器隔离放大受调放大音频放大器1.25mW500mW25mW5mV0dB13dB13dB25mW话筒fi声音图1-1点频调幅发射机组成方框图由于晶体稳定性好、Q值很高，故频率稳定度也很高。因此，主振级采用晶体振荡器，以满足所需的频率稳定度。因电路工作在较低的7MHz频率，一般的晶体振荡器都能实现，而无须进行倍频。由于发射功率小，一级末级功放就能达到要求。本设计的末级功放采用串联馈第1页共18页电方式，电源靠近的一端杂散电容小，可减小对谐振回路的影响，使电路稳定工作。为了有较高的效率，可采用基极电流的直流分量在基极偏置电阻上产生所需要的负偏压，使其工作在丙类状态。输出回路采用变压器耦合式谐振回路，利用电感抽头实现阻抗匹配，调整末级功放管的工作状态，从而达到有效的集电极调幅，有最佳的功率输出。1.2各级增益分配发射机的输出需要有一定的功率才能将信号发射出去，但是每一级的功率又不能太大，否则会引起电路工作不稳定，再加上功率增益又不可能集中在末级功放，否则电路性能不稳定，很容易自激。因此，应根据发射机各组成部分的作用，合理地分配各级的功率增益指标。本设计各级电路的输出功率及增益分配如图1-1所示。第0页共18页第2章单元电路设计2.1高频振荡器电路设计2.1.1电路结构及工作原理高频振荡器是无线电发射的心脏部分，用于产生频率稳定的载波，它的频率叫做载频。本设计选用频率稳定度高的石英晶体振荡器，工作频率为7MHz，具体电路如图2-1所示。频率输出需要通过C4微调。C1、C2为回路电容，改变C8可以改变耦合程度，R1、R2为偏置电阻，R3为集电极负载电阻，R4为发射极电阻，C3为旁路电容，Z1为高频扼流圈，C6、C7为电容退耦电容。R25.1KR31.2KR4810R11.5KC21000pFC60.047uFC7100uFC40.25C520pFC982pFC80.25C30.033uFT11122JTC1470uFVCC+-图2-1高频振荡器电路原理图2.1.2参数计算及元件选择已知条件：，又根据本设计要求，按公试MHzfV7120C，LCLf21)(2210第1页共18页(试中L1+L2+2M为考虑互感的谐振回路总电感。)选择3DG6A型晶体管作为振荡管取，MHzfT27050；mAIKhdBKCMiep20175根据3DG6A的静态特性曲线选取工作点为。；zfpFCTob4；，VVUmAICEE2.16.2取。；CEC4098.0则有，KIREC.123KIURE2.10.3取VBCBB24064.60.53212，根据图2-1可确定C1C2乘积的极限值。在计算时，可由下试计算的值ebr221261221)(3450)6(50)10(6506pFfRwrIrebEeb，根据负载电容的定义，对于图2-1所示的电路可以得出试中，5,42,1CLC1,2为C1与C2相串联的电容值，由上试可得LC5,42,1若取一般应略大于负载电容值，则354，pFL21035,42,1由反馈系数和两试联立求解，并取则21CF21,FpFCp630)12(0)1(,35).0()(2,1根据电容量的标称值，取60,21F可见该值远小于确定C1C2乘积的极221)(4)(8630pC限值，故该电路满足起振条件。第2页共18页2.1.3电路仿真测试与验证为了给调制与解调器提供与输入信号载波同频的信号常采用高频振荡器电路，该本机振荡电路的输出是发射机的载波信号源，要求它的振荡频率应十分稳定。一般的石英晶体振荡电路，其日频率稳定度约为10-210-3，晶体振荡电路的Q值可能达到数万，其日频率稳定度可以达到10-510-6。因此，本机振荡电路采用晶体振荡器，经电路的仿真测试以后，高频振荡器产生了频率为7MHz的载波信号，波形如图2-2所示，从而达到了使用高频振荡器的要求了。图2-2振荡器仿真输出波形2.2隔离放大器电路设计2.2.1电路结构与工作原理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，该电路采用自给负偏压丙类谐振功率放大器，通过R5可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B1耦合输出。Z2、Z3为高频扼流圈，C10为旁路电容，C11、C12为回路电容，C16、C17为耦合电容，C14、C15为电源退耦电容，具体电路如图2-3所示。第0页共18页图2-3隔离放大器电路原理图2.2.2参数计算及元件选择一般选取晶体管的原则是V(BR)ceo、Pcm、Icm必须满足要求。末级功率放大器管：工作频率为7MHz，最大输出功率为0.5W，当ma1时，Vcmax4Vcc41248V，可选用3DA1B，其参数为：V(BR)ceo0，Pcm=7.5W，Icm=0.75A，f=70MHz10fo=70MHz，Ap=13dB。集电极瞬时电压为VcVcmcoswctVcc，其最大值为Vcmax=Vcm+Vc=Vcc（ma1）。当ma1时，Vcmax24V。集电极输出的功率为156.25mW，末级激励功率125mW，若取Ap10dB（10倍），则末级激励功率为156.25mW/10=15.6mW，可选用3DG12B，其参数为Icm300mA，fT200MHz，V(BR)ceo45V，Pcm=0.7W，振荡管的选择，要求放大倍数50，fT10fo仍选用3DG12B。已知条件：Vcc=12V，fo=7MHz，末级激励功率P1=31.25mW，系数P1=0.2，P2=0.4，管子选3DG12B，其Ap=10，Cbc=15pF。同理，取C1285.5pF，则L26H，用Q表测得其圈数n=12匝，n1=P1n=2匝，n2=P2n=5匝.C02Cbc=30pF，折合到回路上从而算出回路所需电容为80.8pF。如果取C12=68pF，C11=0.25pF，R5=1K，C14=0.047F，C15=100F，Z3=Z2=100H，C100.033F。C100.033uFC1782uFC140.047uFR51KT2Z2100uFB1C1268pFC110.25pFZ3100uFC160.25pFC130.047uFC15100uFN1N2第1页共18页2.2.3电路仿真测试与验证将高频振荡级与受调放大级相隔离，以减少受调放大级对石英晶体振荡级的影响；以减少受调放大级对高频振荡级电路的影响，因为受调放大级的输出信号较大，工作状态的变化（如谐振阻抗变化）会影响高频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，通常在中间插入隔离放大级。因此，隔离放大器电路常采用自给负偏压的方式来实现，经电路的仿真测试以后，输出波形如图2-4所示，频率没有发生改变，只是波形的幅度发生了改变，为受调放大级提供适合的与输入信号载波同频的信号，由隔离放大器的输出波形可知，从而达到了使用隔离放大电路的要求了。隔离放大级的输出波形如图2-4所示。图2-4隔离放大器输出波形2.3受调放大级电路设计2.3.1电路结构及工作原理在谐振功率放大器中，当U、bm及Rp保持不变时，只要使放大器工作于过压状态，通过改变集电极电源电压Vcc便可使Ic1m发生变化，这就是所谓集电极调制特性，应用谐振功率放大器的集电极调制特性，才可以构成集电极调幅电路。该末级采用串联馈电的方式。为了有较高的效率，本级利用基极电流的直流分量在基极偏置电阻上产生所需要的负偏压，使其工作在丙类状态。输出回路采用变压器耦合式谐振回路，利用电感抽头实现阻抗匹配，调整末级功放的工作状态，从而达到有效的集电极调幅，有最佳的功率输出。为加强耦合度，可在变压器初次级之间接一个小耦合电容C22，C20和C21为回路电容，具体电路如图2-5所示。第2页共18页C2168pFC180.033ufC190.033uFC228pFZ4100uHZ5100uHB2R61KT3RL51C200.25pFB3N3N4图2-5受调放大级电路原理图2.3.2参数计算及元件选择已知条件：Vcc=12V，f0=7MHz，Ql=5，P0=0.5W，RL51，hfe=10，Q0=150，系数P1=0.15，P2=0.2，三级管型号3DA1B。通过计算，可得：Ic1m=0.104A，Icm=0.238A，Ico=0.06APD=IcoVcc=0.72WPc=PD-Po=0.098Wc=Po/PD=86.8%Ap=1010（Po/PD）=13dB(20倍)所以，激励功率PiPo/20=31.25mWIbm=Icm/hfe=0.0238AIb1m=0.01AVbm=2Pi/Ib1m=6.24VVbb=VBZ-VbmcoswtVIbo=6mAR5=|Vbb|/Ibo=310，标称值可取R5390可变电压。取耦合电容C22=8pF，旁路电容C18=C190.033F，高频扼流圈Z4=Z5=100H，从而得到各项功率的计算。2.3.3电路仿真测试与验证对前级送来的信号进行功率放大，使负载上获得满足要求的发射功率，为了给末级功放提供足够的功率，如果发射功率不大就很难把同频的载波信号发射出去，将前级送来的信号进行受调放大，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，则应采用丙类功率放大器；若整机效率要求不高，若整机的VCC第3页共18页工作效率小于50%，波形失真要小时，则可以采用甲类功率放大器。但是本设计要求工作效率不小于50%，故选用丙类功率放大器较好。因此，受调放大级电路采用了串联馈电的方式，经电路的测试仿真以后，输出波形如图2-6所示，即能够为天线提供适合的功率放大信号，由受调放大器的输出波形可知，从而达到了使用受调放大电路的要求了。图2-6受调放大级的输出波形2.4话筒和音频放大电路设计2.4.1电路结构及工作原理音频放大器采用芯片LA4101,芯片LA4101主要的功能是给音响放大器的负载RL（扬声器）提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出信号的非线性失真尽可能的小，效率尽可能高。芯片LA4101常见的电路形式有OTL电路和OCL电路，此电路采用的是OCL电路，其中引脚1为输出端，直流电平应为VCC/2，3引脚为接地端（或接负电源），4、5引脚为了消除振荡，应接相位补偿电容，6引脚为负反馈端，一般接RC串联网络到地，以构成电压串联负反馈，9引脚为输入端，引脚10、12为抑制纹波电压，应接入大的电解电容到地，引脚13为自举端，应接大的电容到端起自举作用，引脚14为电源端，接电源VCC。此话筒和音频放大电路的电源由14脚接入，3脚接地，10脚与地之间接退耦电容C20，12脚与地之间接有源滤波退耦电容C21。信号由9脚输入，经放大后由1脚经数出电容C26送到受调放大级。6脚到地之间接入C19和Rf组成的负反馈电路，决定放大倍数的大小。Rf越小，电路增益越高；反之，增益越小。13、14之间接入自举电容C24、C21和C23，以防止产生寄生振荡，具体如图2-7所示。第4页共18页Rf0.1kC2422uFC2310uFVi9C2010uFC2750pFC28560uFC2147uFC29100uFC30220uF6VoVCCC31470uF510121314413LA4101图2-7音频放大电路原理图2.4.2参数计算及元件选择采用如图2-7所示电路，其它器件如图所示，由Rf、C24组成的交流负反馈支路，控制功放级的电压增益AVF，即AVF=1+R/RfR/Rf。功放的电压增益AV=VO/Vi=10V，若取Rf=100，则C24=22uF。ifOVRP如果功放级前级是音量控制电位器，则Rf=110以保证功放级的输入阻抗远大于前级的输出阻抗.若取静态电流IO=1mA，因静态时VC=0，所以IVCCVDRf=12V-0.7V/Rf则Rf=100.2.4.3电路仿真测试与验证把花筒信号电压放大到调制器所需的调制电压，这样才能把话音信号调制到载波上，产生已调波。因此，话筒和音频放大电路经电路的测试仿真以后，得知把已调高频信号由传输线送至天线，变成电磁波，辐射到空中去，实现无线电波的发射，从而达到了使用话筒和音频放大电路的要求了。第5页共18页第3章系统测试3.1晶体振荡器的测试调整晶体振荡器时，应先短开晶振，使振荡器不振荡，再用完用表测三极管的各级电压。VEQ/（R2+R3）ICQ=2mA，若不满足则可以调整R1的值。将三极管的静态工作点调试正确后，再接上晶体振荡器，测量晶体振荡器的振荡频率和输出电压的幅度。测量时要正确选择测试点，使仪器的输入阻抗远大于电路测试点的输入阻抗。在输出端还应接负载电阻RL，RL应与下一级电路的等效输入阻抗相等。若仪器的输入阻抗较高则可选择测试点A来测量；若仪器的输入阻抗较低，则应选择测试点B来测量，这时耦合电容C17的取值约为82uF。3.2调制器的测试测量调制器电路静态工作点时，应使本振信号VO=0，调制信号VT=0。调整R5的值，然后测量各点静态工作电压，其值应与设计值大致相同。加本振电压VO=100mV，使调治电压VT=0V，调节R6使输出信号为最小值，再使VT=100mV，这时测得的输出波形应为载波被抑制的双边带信号波形，再调节R6使输出波形为ma=100%的调幅波。3.3整机测试及其常见的故障分析高频振荡级与隔离放大级联调时会出现隔离放大级输出电压明显减小或波形失真的情况。产生的主要原因是高频振荡级的输入阻抗不够大，使晶振级负载加重。这可通过增大高频振荡级的发射级R4来提高隔离放大级输入电阻；也可以通过减小C10来改变，即减小高频振荡级与隔离放大级的耦合来实现。本机高频振荡级、隔离放大级、音频放大级以及受调放大级联调时，往往会出现过调幅。产生的原因可能是经发射极跟随器输出的本振电压偏小或是话音放大级输出的调治电压V过大。可调节R5使Vo=100mV150mV，并测量调制器输出波形。调整话音放大级的增益，以满足调幅度ma=100%的技术指标要求。隔离放大级与受调放大级联调时，往往会出现低频调制、高频自激、输出功率小、波形失真大等现象。产生的原因可能是级间通过电源产生串扰或是甲类功放与第6页共18页丙类功放的阻抗不匹配，级间相互影响。这可在每一级单元电路的电源上加低、高频去耦合电路，以消除来自电源的串扰；也可以重新调整谐振回路，使回路谐振。调整时可以通过拨动磁环上线圈间的间距来调整电感量，间距越密电感量越大。由于甲类功放的负载就是丙类功放的输入阻抗，因此，调试时相互之间会有影响，调试时应前、后级反复调，直至两级间为最佳匹配、输出功率最大、失真最小。在与功放级联时，还会出现寄生振荡，其产生的原因有很多，消除高频寄生振荡的有效方法是尽量减少引线的长度、合理布局元器件或基极回路接入防抗。第0页共18页致谢大学毕业设计是我们所必须面对的，毕业设计心得体会也是必须上缴的一种论文！因此我在这里总结一下这次的毕业设计！同时希望能得到毕业设计心得体会的毕业生朋友一点帮助！以便完成我的毕业设计，顺利地写出我的心得体会！随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在此要感谢我的指导老师曾老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂