无线电话筒的设计

任务书学生姓名学号班级专业通信技术设计（或论文）题目无线电话筒的设计指导教师姓名职称工作单位及所从事专业联系方式备注设计（论文）内容：（1）设计指标发射频率为87108MHz；发射距离为30100m；采用收音机接收信号；整机体积应尽量小；（2）设计要求画出电路原理图（或仿真电路图）；电路仿真。进度安排：第14周：查找资料，选择参考方案；第58周：查找资料，进行单元电路的设计；第912周：整机电路原理与分析；第1314周：整理报告，确定初稿；第15周：检查定稿；第1617周：答辩。主要参考文献、资料(写清楚参考文献名称、作者、出版单位)：1姜邈电子线路课程设计指导书北京：高等教育出版社，19962谢嘉奎电子线路（第4版）北京：高等教育出版社，19993童诗白，华成英模拟电子技术基础（第3版）北京：高等教育出版社，20014康华光电子技术基础（第4版）北京：高等教育出版社，19995林玉江模拟电子技术基础哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997审批意见教研室负责人：年月日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。目录摘要.1第1章绪论.21.1无线电的发展.21.1.1无线话筒的构造.21.1.2无线话筒的使用.31.2无线话筒的类型.31.2.1调幅无线话筒.31.2.2调频无线话筒.31.3设计的主要技术指标.3第2章无线电话筒的设计.42.1设计的系统框图及组成.42.1.1系统框图.42.2低频放大电路的设计.42.2.1低频放大电路的工作原理.42.2.2工作原理.52.2.3分压式偏置电路的设计.72.3高频振荡电路的设计.102.3.1电感三点式振荡器.102.3.2电容三点式振荡器.112.3.3电容三点式振荡器的工作原理.132.4参数的选择.142.4.1低频放大电路.142.4.2高频振荡电路.15I第3章整体电路.16第4章仿真电路.17总结.18致谢.19参考文献.20附录元件清单.21第0页共21页摘要无线话筒实际是一个微型无线电调频广播系统，它由发射机和接收机两部分组成。发射机由电容话筒，调频发射电路紧凑地组合在一起，用拖在话筒外的一段软线做发射天线。无线话筒采用调频的方式调制信号，具有体积小，使用方便的特点。发射功率很小，接收范围不超过100米。本文对调频式的无线话筒进行了研究并设计出一款简单的无线话筒。关键词无线电；低频放大电路；高频振荡电路第1页共21页第1章绪论1.1无线电的发展无线电是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波，其频率300GHz以下(下限频率一般情况下是不统一的，在各种射频规范书中，常见的有以下三种（3KHz300GHz,9KHz300GHz,10KHz300GHz)无线电技术是通过无线电波传播信号的技术。无线电技术的原理在于导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。无线话筒是一个微型无线电发射和接收系统，教学中教师佩戴微型话筒，不用导线相连就可以扩音，不受位置和移动的限制，讲授、演讲都很方便。1.1.1无线话筒的构造无线话筒实际是一个微型无线电调频广播系统，它由发射机和接收机两部分组成。发射机由电容话筒，调频发射电路紧凑地组合在一起，用拖在话筒外的一段软线做发射天线。无线话筒采用调频的方式调制信号，具有体积小，使用方便的特点。发射功率很小，接收范围不超过100米。无线话筒使用的载波频率在VHF和UHF频段内，通常使用在88MHz110MHz之间。较高档的无线话筒载波频率为135MHz165MHz，这个频段不容易被外界信号干扰，性能稳定，音质较好。使用UHF频段的无线话筒通常占用400MHz和900MHz这两个频段，其性能非常稳定，音质极佳，但价格较贵。无线话筒接收机是一个专用的调频接收机，使用88MHz110MHz之间的无线第2页共21页话筒，因正在调频广播频段的范围内，所以可以利用普通调频收音机来接收。但容易受到调频广播的干扰，音质稍差，因价格低廉，在教学中仍有一定的使用。1.1.2无线话筒的使用(1)使用前要准确调整接收机频率，调好音量。(2)话筒与声源距离3040cm，过近容易失真，过远则会使音量减弱。(3)天线要自然下垂，不得卷曲，以免影响发射效果，也不要随意加长。(4)长期不用应取出电池，短时不用要关闭电源。(5)使用中讲话者不可靠近本系统的扬声器。(6)同一教室或相邻教室不能使用同样频率的无线话筒，否则会相互干扰。1.2无线话筒的类型1.2.1调幅无线话筒调幅无线电话筒是利用话筒将声音信号变成音频电信号，经放大后调制高频振荡信号的幅度再经天线以电磁波的形式发射出去。调幅无线电话筒采用短波发送。1.2.2调频无线话筒调频无线电话筒首先将声音通过话筒变成音频电信号，经放大后调制高频振荡信号的频率，再通过天线将信号以电磁波的形式发射出去。电路形式有：单管无线电话筒，双管无线电话筒和三管无线电话筒三种。选择调频方式的原因：外界干扰少。1.3设计的主要技术指标(1)发射频率为87108MHz；(2)发射距离为30100m；(3)采用收音机接收信号；(4)整机体积应尽量小。第3页共21页第2章无线电话筒的设计2.1设计的系统框图及组成2.1.1系统框图无线话筒由两部分组成，调频振荡器和低频放大器，如图2-1所示。图2-1无线话筒的结构原理图话筒是将声音转换成是电信号，然后送到低频放大电路进行放大，作为调制信号送到调频电路中进行调频，实现声音信号的转换。最后由天线将信号发送出去。此信号可以用无线调频收音机进行接收信号。2.2低频放大电路的设计2.2.1低频放大电路的工作原理图2-2共射极基本放大电路原理图第4页共21页共射极基本放大的原理电路图如图2-2所示，三极管V是放大电路的核心，起电流放大作用。基极回路的电源通过既保证管子的发射结为正偏，又供给基CVbR极合适的直流电流。基极电阻既和配合，使电路又一合适偏流，又保证BIbBI在输入信号作用下能作相应的变化，否则若，则就不会变化，电路就没i0bBEu有放大作用。集电极回路的电源通过是集电结反偏，保证三极管工作在放大CVR区，同时也给输出信号提供能量。CV集电极电阻的作用是把电流放大转换为电压放大，从而使电路具有电压放大R的能力，否则若恒等于，输出电压就等于零，电路将失去电压CECUO则,CVou放大的作用。由于这种电路是依靠电容和信号源及负载相耦合的，因此称为阻容耦合放大电路。在放大电路中，未加信号时电路各处的电压、电流都是不变的直流，这时称电路的状态为直流状态或静止工作状态，简称静态。静态时，三极管具有固定的，它们分别确定输入和输出特性曲线上的一个点，称为静态工作点，CEBUI,简称工作点，常用Q示。当输入交流信号时，电路中各处的电压、电流是变动的，这时电路处于交流状态或动态工作状态，简称动态。2.2.2工作原理如图2-2所示未加输入信号时，电路的工作状态为静态，其各处的电压、电iu流都有固定的静态值，如，输出电压。静态时，通过和信号源CEBUI,CVbR给充电，通过载给充电，使和两端的电压分别为和。1CCVR212BEUC当正弦信号输入时，发射结两端电压等于电容两端电压之和，即iuBEu1在静态值的基础上变化了，则BEuBEU)(ibe第5页共21页（2-1）iBEbeBEuUu如果，且很小，则在的整个周期内，三极管均工作在输入特性曲onBEUii线的线性区域，随的变化而变化。因此，也在静态值的基础上变化了，iBEuBiBIbi即（2-2）bBiIi由于三极管的电流放大作用，则（2-3）cCbBCiIiIi式中，。该式说明，集电极电流也在静态值的基础上叠BCibcCI加了交流分量。ci由图可以看出，。因此，当时，cCCERiVu0iuCIi；当加入时，由于，则cCEIUucCI（2-4）ceEcCcCEuURiiu)(式中，。该式也表明，也在静态值基础上变化了。cceRiEuCce输出电压等于减去两端的电压，即ouCE2C（2-5）cceRiuU式中负号表明与相位相反，或的变化与的变化相反。由于与、ouciCECicib相位相同，因此与相位相反。只要电路的参数选择适当，的幅值将比的iuiouiu幅值大得多，从而达到放大的目的。这个电路的基极静态电流的大小为。由于小信号放电路中变bBEcBRUVIBE化不大，故可近似认为是以知的：硅管的，常取0.7V；锗管的BEUVC8.06第6页共21页，常取0.2V。一般，则VUCE3.01BEUVbcbBEcRVUI可见，这个电路的偏流决定于和的大小。当一定时，偏流由BICbRcBI决定；当和都一定时，偏流就是固定的。bRCbRBI2.2.3分压式偏置电路的设计为了稳定工作点，最简单的方法是把放大电路置于恒温设备中，但代价太高，很少采用。一般多从改进电路入手，即在承认温度变化使工作点变化的前提下，通过电路的改进尽量减少这种变化。分压式偏置电路就是具有稳定工作点作用的常用电路，所以设计采用此电路。1稳定工作点的原理图2-3分压式偏置电路分压式偏置电路的特点之一，是利用和组成的分压器来稳定基极电位。1bR2BU由图2-3可以看出，当流过的电流时，流过的电流。1bBI2b112II则。因此，当电路参数确定后，基本不变，与温度就基本无关。2bCBRVUU分压式偏置电路的特点之二，是利用发射极电阻的负反馈作用来稳定。如eRCI果温度升高使增大，则也增大发射极电位升高。由于，CIEIeEIEBEU故减小，也减小，于是限制了的增大，其总的效果是使基本不变。上述BEUBCICI第7页共21页稳定过程表示为CBEECIUIT)(温度这样，温度升高引起的增大将被电路本身的的减小所牵制。这种将输出量送回到输入回路，进而控制输入回路的某一电量的作用，称为反馈。如果反馈的结果是使输出量的变化减弱，则称为负反馈。这个电路是通过输出电流的作用产生CI负反馈，又利用和作为分压器，从而实现稳定的目的所以称为分压式电流1bR2CI负反馈偏置稳定电路，简称分压式电路偏置。实际上，如果满足，则，由BEUBEBUeBECRUI于基本不变，因此也基本稳定不变，即基本不受温度和管子值变化的影BUCICI响。综上所述，分压式偏置电路的稳定条件为和。BI1BEU2静态分析在满足稳定条件下，不难得到（2-6）21bCBRVU（2-7）eBeEECUI（2-8）)(ecCcERIVV（2-9）CBI在上述公式中若得不到满足，则不能忽略。EBUBEU3动态分析当不并联时，可画出其交流通路，再画出微变等效电路，图2-4中eReC。21bb第8页共21页（2-10）)1(ebeLuRrA（2-11）)1(/2ebebiiLRrR式中，。当较大，以致时，由于图2-4一般cLR/eee)(，故（2-12）eLuRA为了研究的接入对输出电阻的影响，需把三极管的输出电阻也考虑进去。画出考虑时求的等效电路。为了更具有普遍性，该等效电路还考虑到信号ceroR源内阻。可以得到s图2-4微变等效电路式中，。显然，故)1(esbecoRrR21/bsRceor。c/因此，接入使下降，这时由于对交流信号也产生负反馈的缘微为了避euAe免出现这种情况在的两端并联一个大电容eReC对于交流信号,相当于短路也被短路了，故称为设计旁路电容，接后，eCeeeCQ点得计算不变，但性能指标变为第9页共21页（2-13）beLurRA（2-14）ebi/21（2-15）cceoRrR/可见，其性能指标与固定偏流电路相同。应当指出，分压式偏置电路只能使工作点基本不变。实际上，当温度变化时，还是有少量变化。在对工作点的稳定性要求较高的场合，常在分压式偏置电路中CI引进一个与三极管的温度特性相类似的非线性元件，如热敏电阻、二极管，构成温度补偿偏置电路。2.3高频振荡电路的设计对于调频振荡器首先应实现高频振荡，然后再实现频率调制。高频自激振荡器有变压器耦合LC振荡器、电感三点式振荡器和电容三点式振荡器多种。2.3.1电感三点式振荡器图2-5电感三点式振荡器电感三点式振荡器的特点是：这种电路有较宽的可调频率范围，适合工作于几kHz到几MHz。电感三点式振荡器又称为哈特莱振荡器其电路图如图2-5所示。第10页共21页图2-6交流通路图中，L是具有抽头的电感线圈，L和C组成振荡回路，反馈电压取自L的一部分的两端，和均对高频旁路。图2-6为该振荡器的交流通路，其中2bCe。由图可见，管子的输出端和输入端都采用接入LC回路的方式。由/bR于三极管的三个电极分别与电感L的三个引出点相接，故称为电感三点式振荡器。电感三点式振荡器特点是容易起振，输出电压较大；C采用可变电容后容易实现振荡频率在较宽频段内的调节，且调节频率时基本上不影响反馈系数。但是，由于反馈电压取自电感的两端，它对高次谐波的阻抗大，故对LC回路的高次谐波2L反馈较强，因而输出电压中谐波成分多，输出波形差；此外，由于和的分布电2L1容及管子的输出和输入电容分别并联于和的两端，使振荡频率较高时减小，2L1uF甚至不满足起振条件。因此，这种振荡器多用在振荡频率在几十兆赫以下的电路中。第11页共21页2.3.2电容三点式振荡器图2-7电容三点式振荡器电容三点式振荡器又称为考毕兹振荡器，其电路如图所示。图2-7中，L和、1C组成振荡回路，反馈电压取自电容的两端，和均对高频旁路；高频扼流2C2CbcC圈构成集电极的直流通路，而对高频信号可视为开路，有时也可用电阻代替。cLccR可以看出，管子的输出端和输入端也采用部分接入LC回路的方式。由于三极管的三个电极分别与、的三个引点相接，故称为电容三点式振荡器。1C2图2-8交流通路第12页共21页电容三点式振荡器的优点是：由于反馈电压取自电容的两端，它对高次谐波2C的阻抗小，故LC回路中高次谐波反馈很弱，因而输出电压中谐波成分很小，输出波形耗；由于不稳定电容和外接的回路电容相并联，所以适当加大回路电容量，可减弱不稳定电容对振荡频率的影响，从而提高频率稳定度；若不外接回路电容，直接利用管子的输入和输出电容作为回路电容，则振荡频率可以很高，可达几百到上千兆赫。但是，电容三点式振荡器调节频率不方便，因为若通过改变某一电容来改变振荡频率时，反馈系数也跟着改变，从而导致振荡器工作状态的变化，因此这个电路只适用于作固频振荡器；另外，由于受管子输入和输出电容的影响，为保证振荡频率的稳定，振荡频率的提高将受到限制。根据这三种振荡器的特点及适用范围，显然应选择电容三点式振荡器。2.3.3电容三点式振荡器的工作原理1相位平衡条件断开图中的K点，对于，L和、构成的并联回路的谐振频率，回路呈1C20f纯阻性，则即（）与（）的相位差为。在忽略回路的损耗、偏置电oUceibeU阻和管子的输入、输出电阻的情况下，回路在谐振时只有循环电流在流动。1I在图中所示的流向情况下，两端的滞后的相位为；而在两端1I1Co1I22C的电压的规定下，通过电流的流向应与图中所规定的流向方向相反，因fU2I1I此和的相位关系，不是滞后，而是朝超前了。综上所述，反馈一周的f1I2相位关系如下：foiUIU212因此，即与同相，满足相位平衡条件。该电路2AFfi也可用瞬时极性法来判断它满足相位平衡条件，相应的瞬时极性已用（）、（）标在图中。第13页共21页2振荡频率电容三点式振荡器的振荡频率（2-16）LCf210式中，为回路的总电容。考虑到和的影响，实际振荡频212Cberc率稍高于L3起振条件可以推得，该振荡器得起振条件为21Crceb式中，为反馈系数得模。uF如果考虑管子得输入电容和输出电容，由于和并联，和并联，iCo1C2o1C因此，若令，并用、分别代替上述各式中得和oC1i21，就得考虑管子的输入和输出电容时的起振条件和振荡频率。此时，反馈系数2，回路总电容21Fu212C2.4参数的选择2.4.1低频放大电路各种小信号低频放大器中，这种电路应用得最为广泛。集电极电流选CI0.55mA，小，可显著降低噪声，单过小，管子的值将显著下降。CICIfeh发射极电阻使电路工作稳定。这是一种直流电流串联负反馈电路。的值选几eR百欧的居多。实用中可以使三极管的值和Vcc值处于合适的位置上，这时失真最小。1CI和值太大或太小，都会引起失真、为三极管基极偏流电阻，、的CIV1R21R2第14页共21页阻值越小，则三极管工作点稳定，但、对输入信号的分流作用也大。通常设定1R2为的1020倍（IB约几十至几百A），确定以后，就可以估算、。集2IBI1R2电极负载电阻通常取几百欧至几千欧。大，则电压增益高。CE取几十至几百CRCF。、取几至几十F。122.4.2高频振荡电路考虑静态工作点的设置，该电路采用分压式电流负反馈偏置，调节上偏流电阻即可使电路获得合的静态工作点。振荡频率可用下式计算：0f（2-17）LCf210其中C是、与的串联值，即12（2-18）212第15页共21页第3章整体电路根据前面对低频电路和高频振荡电路的设计，现将其综合成本课题所设计的电路。电路如图3-1所示。图3-1整体电路图中S为驻极体话筒，将声音变成音频电信号，由晶体管等组成共发射极音1T频放器，将音频信号放大。放大后的音频信号送入振荡级的基极。由等组成的振2荡级，其频率主要由振荡线圈和决定，同时受晶体管工作状态、电容、2L4C5C和电感的影响。音频信号经馈入，产生FM信号，然后通过天线发射出6C2L2T去。接收机采用普通FM收音机即可。第16页共21页第4章仿真电路4-1仿真波形以上为输入40mv/10KHz的信号所产生的波形图。4-2仿真波形以上为输入20mv/5KHz的信号所产生的波形图。第17页共21页总结本次我设计的题目是无线电话筒，该设计从无线电的发展入题,采用了总分总的结构进行介绍的。思路清晰、逻辑合理，将个人所学的专业知识得到了全面的运用，更提高了个人的专业知识水平。无线电话筒是目前使用最广泛的微型无线电发射和接收系统，它主要运用的是模拟电子技术方面的知识，涉及到低频放大电路、高频振荡两个模拟电路，而其中最主要的元器件是三极管、电容和电阻。本次课程设计的优点是：无线电话筒不用导线相连就可以扩音，不受位置和移动的限制输出功率大，便于携带等优点。课程设计是理论和实践的结合。通过本次毕业设计不仅让我们巩固和加深了以前所学知识，同时也让我们发现了自身的不足。学习不能只学表面的，很多知识是需要我们深入了解的。学习也不能是一时的，知识的日新月异需要我们长期的坚持和日积月累。知识是博大精深的，由于电子技术的发展日新月异。且个人能力有限，设计中难免出现错误和不妥之处，恳请读者批评指证。第18页共21页致谢本文是在王刚老师的精心指导下完成的。在此向他