无线遥控门铃的设计与制作

目录 第 1 章 绪论 4 1 1 课题背景 目的及意义 4 1 1 1 课题的背景 4 1 1 2 课题的目的及意义 4 1 2 论文的主要内容 5 第 2 章 系统的原理 6 2 1 系统总体原理 6 2 1 1 概述 6 2 1 2 发射机的技术指标 6 2 2 发射电路原理 7 2 2 1 低频信号振荡器 7 2 2 2 高频信号振荡器 7 2 2 3 幅度调制 8 2 2 4 小信号谐振放大 10 2 2 5 高频功放 14 2 3 接收电路原理 18 2 3 1 天线 18 2 3 2 检波 18 2 3 3 低频功放 20 第 3 章 系统的电路设计 22 3 1 方案的选择 22 3 2 方案比较 23 第 4 章 发射电路的设计 24 4 1 低频振荡器 24 4 1 1 555 定时器 24 4 1 2 555 定时器构成多谐振荡器 25 4 1 3 电路设计及仿真 26 4 2 高频振荡器 27 4 2 1 电路分析 27 4 2 2 振荡频率分析 28 4 2 3 电路设计与仿真 29 4 3 调幅 30 4 3 1 MC1496 30 4 3 2 MC1496 组成的调幅电路 31 4 4 小信号谐振放大 31 4 4 1 高频小信号放大器的主要技术指标 32 4 4 2 9018 三极管简介 32 4 4 3 小信号谐振放大电路的设计 33 4 5 高频功放 35 4 5 1 甲类功放 36 4 5 2 丙类功放 37 4 5 3 高频功放电路分析与设计 38 第 5 章 接收电路设计 41 5 1 天线 41 5 2 小信号谐振放大 41 5 3 检波 41 5 3 1 检波二极管 41 5 3 2 检波电路分析与设计 42 5 4 低频功放 44 第 6 章 系统的组装与调试 47 6 1 调试仪器及方法 47 6 2 电路组装和调试 47 6 3 调试过程中出现的故障 原因及解决方法 47 结 论 50 致 谢 51 参考文献 52 附录 1 发射电路原理图 53 附录 2 接收电路原理图 54 附录 3 焊接实物图 55 第 1 章 绪论 1 1 课题背景 目的及意义 1 1 1 课题的背景 遥控技术是对受控对象进行远距离控制和监测的技术 它是利用自动控 制技术 通信技术和计算机技术而形成的一门综合性技术 一般都是指对远 距离的受控对象的单一的或两种极限动作进行控制的技术 遥控技术用无线 电信道传输控制信息 指令 如遥控距离较近或被控对象在低空飞行 如反坦克导弹 也可用光通信线路或有线电通信方法传输控制信息 1913 年意大利人曾试验用 无线电操纵飞机 第一次世界大战 后 法国和 德国相继试验遥控飞机 第二次世界大战期间 德 美 苏等国都使用过 无线电操纵的轰炸机 50 年代以后 世界各国相继开始研制和试验各种导 弹和人造地球卫星 从此遥控技术在航天方面得到广泛的应用和发展 近年来 遥控技术在工业生产 家用电器 安全保卫以及人们的日常生活中 使用越来越广泛 随着人们生活水平的提高和科学技术的发展 高新技术日新月异 人们 对家居环境的要求更加智能化 加上现在不管是在城市还是农村 现在的人 们也越来越喜欢居住大房子 但因居住房间离大门口较远 来人敲门不容易 听到经常耽误事 因此门铃成为日常生活中常用的工具 普通的门铃有线门 铃布线长 维护等麻烦存在 使用起来已不太方便 本次的研究课题是无线 遥控门铃的设计与制作 运用遥控技术进行控制给人们的生活带来的许多方 便 因此越来越受到青睐 它是集安全可靠使用方便等优点于一体的智能化 门铃 与传统门铃相比 此无线遥控音乐门铃可靠性 抗干扰更强 使用更 方便 1 1 2 课题的目的及意义 本设计主要是应用高频电路 模拟电子技术的相关理论知识 设计出相 关的装置模块 实现相应的功能 目的在于把书本上学到的理论知识运用到 实际中 通过亲手做可以提高我们对高频电子线路 模拟电子技术相关理论 知识的理解和运用 同时还培养和提高了我们收集整理信息和克服困难的能 力 在设计的过程中 对 protel 和 multisim 等相关软件有了更深刻的认识和 运用 对各种测试仪器也有了更深刻的认识 使自己在整个毕业设计的过程 中学到了很多 1 2 论文的主要内容 全文的主要内容共分为 6 章 分别是 第 1 章 绪论 综合介绍了无线通信系统发展 应用和研究现状 以及 课题的目的和意义 第 2 章 系统的原理 介绍了系统设计的总体原理和设计相关模块的理 论知识 第 3 章 对多个总体方案进行了比较和选择 第 4 章 发射电路设计 具体介绍低频振荡器 高频振荡器 调幅 小 信号放大 高频功放部分的分析和设计 第 5 章 接收电路设计 具体介绍天线 检波 低频功放部分的分析和 设计 第 6 章 系统的组装与调试 主要介绍在电路组装 焊接和调试过程中 出现的问题和分析问题解决问题的方法 第 2 章 系统的原理 2 1 系统总体原理 2 1 1 概述 无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换 的一种通信方式 近些年信息通信领域中 发展最快 应用最广的就是无线 通信技术 无线电通信传输是利用无线电波的发射和接收 因此分为发射机 和接收机两部分 此次设计采用幅度调制 AM 发射机部分由高频振荡器产 生高频信号 555 定时器产生低频信号 通过幅度调制 AM 方式把低频信号装 载到高频信号中然后经过天线进行发射 接收部分先把接收到的信号进行放 大 然后进行解调 即把高频信号中的低频电磁波卸载下来 最后把解调后 的信号进行功放使之推动喇叭发音 发射机 接收机框图分别如图 2 1 2 2 所示 低频振荡器 高频振荡器 幅度调制 AM 高频功放小信号放大 图图 2 12 1 发射部分框图发射部分框图 小信号放大检波低频功放 图图 2 22 2 接收部分框图接收部分框图 2 1 2 发射机的技术指标 1 发射功率 发射功率一般是指发射机输送到天线的功率 只有当天线的长度与发射 机高频振荡的波长 相比拟时 天线才能有效地把载波发射出去 波长 与 频率 f 的关系为 c f 式中 c 为电磁波传播速度 c 3 108m s 若接收机的灵敏度 UE 2 V 则通信距离 s 与发射功率之间的关系为 A P mW A Km Ps 4 07 1 功率发射系统的功率 PA与通信距离 s 的关系如表 2 1 所示 表表 2 12 1 发射功率发射功率 P PA A与通信距离与通信距离 s s 的关系的关系 PA mW50100200300400500 s km2 843 384 024 454 825 08 2 工作频率或波段 发射机的工作频率应根据调制方式在国家或有关部门所规定的范围内选 取 对调幅发射机 工作频率一般在超短波范围内 3 总效率 发射系统发射的总功率与其消耗的总功率之比称为发射系统的总效 A P D P 率 即 DA PP 2 2 发射电路原理 2 2 1 低频信号振荡器 调制就是对信号源的信息进行处理加到载波上 使其变为适合于信 道传输的形式的过程 就是使载波随信号 改变的技术 调制信号就是需 要加载到载波上的信号源 由 555 定时器构成的多谐振荡器产生调制信号 555 定时器有少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出 能力的优点 2 2 2 高频信号振荡器 石英晶体具有压电效应 当交流电压加在晶体两端 晶体先随电压变化 产生变化 然后机械振动又使晶体表面产生交变电荷 当晶体几何尺寸和结 构一定时 它本身有一个固有的机械振动频率 当外加交流电压的频率等于晶 体的固有频率时 晶体片的机械振动最大 晶体表面电荷量最多 外电路中 的交流电流最强 于是产生了谐振 将石英晶体按一定方位切割成片 两边 敷以电极 焊上引线 再用金属或玻璃外壳封装即构成石英晶体谐振器 简 称石英晶振 石英晶振的固有频率十分稳定 根据石英晶振在振荡器中的作 用原理 晶体振荡器可分成两类 一类是将其作为等效电感元件用在三点式 电路中 工作在感性区 称为并联型晶体振荡器 另一类是将其作为一个短 路元件串接于正反馈支路上 工作在它的串联谐振频率上 称为串联型晶体 振荡器 石英晶振的电抗频率特性和石英晶体的等效电路分别如图 2 3 2 4 所示 CL的电抗曲线 f X fs fp fN 图图 2 32 3 石英晶振的电抗频率特性石英晶振的电抗频率特性 图图 2 4 石英晶体的等效电路图石英晶体的等效电路图 并联谐振频率 0 0 0 0 1 1 2 q s ss qO q q q C f ff CC CC L CC CC 串联谐振频率 1 2 s qq f L C 2 2 3 幅度调制 幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度 使其按调制信号的 规律变化的过程 幅度调制器的一般模型如图 2 5 所示 图图 2 52 5 幅度调制幅度调制 图 2 5 中 为调制信号 为已调信号 为滤波器的冲激响应 则已调信号的时域和频域一般表达式分别为 2 1 2 2 式 2 2 中 为调制信号的频谱 为载波角频率 由2 1 2 2表达式可见 对于幅度调制信号 在波形上 它的幅度随基带 信号规律而变化 在频谱结构上 它的频谱完全是基带信号频谱在频域内的 简单搬移 由于这种搬移是线性的 因此幅度调制通常又称为线性调制 相 应地 幅度调制系统也称为线性调制系统 AM 信号的典型波形和频谱分别如图2 6 a b 所示 图中假定调制 信号的上限频率为 显然 调制信号的带宽为 H mH Bf 图图 2 62 6 调幅信号典型波形和频谱调幅信号典型波形和频谱 由频谱图可知 AM 信号的频谱是由载频分量和上 下两个边带组 通常称频谱中画斜线的部分为上边带 不画斜线的部分为下边带 上边带 的频谱与原调制信号的频谱结构相同 下边带是上边带的镜像 显然 无论 是上边带还是下边带 都含有原调制信号的完整信息 故 AM 信号是带有载 波的双边带信号 它的带宽为基带信号带宽的两倍 即 式中 为调制信号的带宽 为调制信号的最高频率 通常有低电平调幅和高电平调幅两种实现电路 低电平调幅电路输出功 率小 适用于低功率系统 它的电路形式有多种 如斩波调幅器 平衡调幅 器 模拟乘法器调幅等 比较常用的是采用模拟乘法器形式制成的集成调幅 电路 即集成模拟乘法器调幅 这种集成电路的出现 使产生高质量调幅信 号的过程变得极为简单 而且成本很低 2 2 4 小信号谐振放大 高频小信号放大电路作用是将微弱的有用信号进行线性放大并滤除不需 要的噪声和干扰信号 选频放大 它分为窄频带放大电路和宽频带放大电 路 前者对中心频率在几百赫兹 频谱宽度在几千赫兹到几兆赫兹的微弱信 号进行放大 后者对频带宽度一般在几兆赫兹到几十吉赫兹甚至更高范围内 的微弱信号进行放大 它们共同的特点一是工作频率高 二是信号较小工作 在线性范围内 甲类放大器 高频小信号谐振放大电路属于窄频带放大电路 它由双极型晶体管 场效应管或集成电路等有源器件提供电压增益 由谐LC 振回路 陶瓷滤波器或者声表面滤波器等器件实现选频功能 它由两种主要 类型 以分立元件为主的谐振放大器和以集成电路为主的集中选频放大器 宽频带放大电路也是由晶体管 场效应管或集成电路提供电压增益 为了展 开带宽频带 不但要求有源器件的高频性能好 而且在电路结构上采取了一 些改进措施 1 晶体管共发射极的 Y 参数等效电路 由于谐振放大器的工作频段较窄 多数用 LC 并联回路选频 故采用晶体 管 Y 参数等效电路进行分析比较合适 晶体管 Y 参数等等效电路如图 2 7 所示 b e b U b I c I c U c e a b e b U yie creU y bfeU y yoe c e c U c I b I b 图图 2 7 晶体管晶体管 Y 参数等参数等等效电路等效电路 以共发射极接法 共射组态 的晶体管为例 将其看作一个双口网络 如图 2 7 所示 相应的 参数方程为 coebfec crebieb UyUyI UyUyI 其中 输入导纳为 0 c U b b ie U I y 反向传输导纳为 0 b U c b re U I y 正向传输导纳为 0 c U b c fe U I y 输出导纳为 0 b U c c oe U I y 图 2 7 中 受控电流源表示输出电压对输入电流的控制作用 反 rec y U 向控制 表示输入对输出电流的控制作用 正向控制 越大 feb y U fe y 表示晶体管的放大能力越强 越大 表示晶体管内部反馈越强 的存 re y re y 在对实际工作带来非常大的危害 是谐振放大器自激的根源 同时也使分析 过程变得复杂 因此应尽可能使其减小挥着削弱它影响 2 单管单调谐放大器 由于共射极放大电路的电压增益和电流增益都较大 因而是谐振放大器 的常用形式 单管单调谐放大器的电路原理图如图 2 8 所示 L Cc CR2 UCC Cb R3CeR1 图图 2 8 单管单调谐放大器的电路原理图单管单调谐放大器的电路原理图 是信号源 或前级放大器 负载 或后级放大器 耦合的电容 bC CC 是旁路电容 较大 电容 C 较小 与电感 L 组成并联谐振回路作为晶体 e C 管的集电极负载 其谐振频率应调谐在输入有用信号的中心频率上 1 电路性能分析 图 2 9 是单管单调谐放大器的交流等效电路 其中参数等效电路忽略了Y 因和一般都远大于中的 故也被忽略 输入用电流源并联 re y 1 R 2 R ie y 12 R s I 导纳表示 负载假定为另一级相同的单调谐放大器 所以用晶体管输入导 s Y 纳表示 ie y c U b I c I ie y fei y U oe y S I i U S Y eo g C ie y o U L L Y P U 1 n 2 n 图图 2 9 单管单调谐放大器的等效电路单管单调谐放大器的等效电路 单管单调谐放大器的电压增益 12 1 fe o u i n n y U A U gj c j L 谐振频率 0 1 2 f LC 要使电路的增益尽可能的大 在并联谐振选频网络中 电路谐振时LC 其增益达到最大 达到谐振选频 增强的目的 所以选择并联谐振方式 LC 2 多级单调谐放大器 如果多级放大器中的每一级都调谐在同一频率上 则称为多级单调谐放 大器 设放大器有 级 各级电压增益振幅分别为 u1 u2 un 则总电压 增益振幅是各级电压增益振幅的乘积 即 n u1 u2 un 如果每一级放大器的参数结构均相同 则总电压增益振幅 n e n fe n n un f fQ g ynn AA 2 0 21 1 2 1 可以看出 级相同的单调谐放大器总增益比单级放大器的增益提高了 单调谐放大器的矩形系数较大 多级单调谐的频带很窄 采用多级单管调谐 放大器可以同时改善矩形系数和通频带这性性能参数 3 谐振放大器的稳定性 我们在讨论谐振放大器时 都假设了反向传输导纳 即晶体管单0 re y 向工作时 输入电压可以控制输出电流 而输出电压不影响输入 实际上 即输出电压可以反馈到输入端 引起电流的变化 从而引起放大器0 re y 工作不稳定 如果这个反馈足够大 而且相位上满足正反馈条件 则会出现 自激震荡 为了提高放大器的性能 通常从两个方面着手 一方面是从晶体管本身 想办法 减小其反向传输导纳值 的大小主要取决于集电极和基极的结 re y re y 电容 所以制作晶体管时应该今年使减小 使反馈电容增大 反馈作 b c C b c C 用减小 另一方面是从电路上设法消除晶体管的反向作用 使它单向化 具 体的方法有中和法和失配法 1 中和法是在晶体管输出端与输入端之间引入一个附加的外部反馈电路 即中和电路 以抵消晶体管内部参数的反馈作用 re y 2 失配法是通过增加负载导纳 使输出电路严重失配 回路总导纳 L Y 增大 输出电压相应减小 从而反馈到输入端的电流减小 这样对输入端g 的影响也就减小了 可见 失配法是用牺牲增益来换取电路稳定的 当负载 导纳很大时 晶体管的输入导纳 其中反馈分量可以忽略 晶体管 L Y iie Yy 可以看成是单向工作 所以又称失配法为单向化方法 2 2 5 高频功放 功率放大电路的作用 是放大电路的输出级 去推动负载工作 例如使 扬声器发声 继电器动作 仪表指针偏转 电动机旋转等 1 根据放大器电流导通角 的范围可分为甲类 乙类 丙类及丁类等不 同类型的功率放大器 甲类功率放大器 是指当输入信号较小时 在整个信 号周期中 晶体管都工作于它的放大区 电流的导通角为 180 度 适用于小 信号低频功率放大 且静态工作点在负载线的中点 乙类功率放大是指其集 电极电流只能在半个周期内导通 导通角为 90 度 丙类功率放大是指其集 电极电流导通时间小于半个周期工作在的放大状态 导通角小于 90 度 丙 类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的 1 甲类放大 输入正弦信号的一个周期内三极管都导通 都有电流流过三极管 这种 工作方式称为甲类放大 或称 A 类放大 此时整个周期都有 功率管的导电 角 2 甲类工作状态如图 2 10 所示 图图 2 10 甲类工作状态甲类工作状态 2 乙类放大 在输入正弦信号的一个周期内 只有半个周期三极管导通 称为乙类放 大 时功率管的导电角 乙类工作状态如图 2 11 所示 图图 2 11 乙类放大工作状态乙类放大工作状态 3 丙类放大 功率管的导通角小于半个周期 即 0 Vsmmin D 截止 使输出调制信号电压在其负峰值附近将被削平 出现负峰切割失真 波形如图 2 19 所示 图图 2 19 负峰切割失真波形负峰切割失真波形 克服失真条件 为了克服负峰切割失真 要求可得到克服失真 minAsm VV 的条件 R 为交流负载 可见 交直流 22 22 1 iiL a iLiLLL RR RR M RRRRRR 负载电阻越接近 不产生负峰切割失真所允许的值越接近于 1 一定 a M a M 时 交直流负载电阻值的差别受到不产生负峰切割失真的限制 I 若很大 可将分为取 12 R L R 12LL RR 1 2 0 20 1 L L R R 12 12 12 LL LLL RR RRRR R II 若很小 则在与之间接一射随器 高输入阻抗低输出阻抗 起 2L R L R 12 R 到阻抗匹配的作用 2 3 3 低频功放 低频功率放大器的任务就是供给负载一个不失真或失真较小的额电功率 1 功率放大器的特点和要求 1 在功率管安全工作的前提下 给负载提供足够大的功率 即尽限应用 2 大信号工作 便于图解法分析 3 非线性失真矛盾突出 4 提高效率成为重要的关注点 5 放大器常采用乙类或甲乙类工作状态 6 功率器件的安全问题必须考虑 如散热问题 2 TDA2030 由一块 TDA2030 和较少元件组成的低频放大电路 装置调整方便 性能 指标好等突出的优点 特别是集成块内部设计有完整的保护电路 能自我保 护 TDA2030 是德律风根生产的音频功放电路 采用 V 型 5 脚单列直插式塑 料封装结构 如图所示 按引脚的形状可分为 H 型和 V 型 该集成电路广泛 应用于汽车立体声收录音机 中功率音响设备 具有体积小 输出功率大 谐波失真和交越失真小等特点 并设有短路和过热保护电路等 多用于高级 收录机及高传真立体声扩音装置 1 TDA2030A 功率放大管利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控 制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流 因为声音是不同振幅 和不同频率的波 即交流信号电流 三极管的集电极电流永远是基极电流的 倍 是三极管的交流放大倍数 应用这一点 若将小信号注入基极 则 集电极流过的电流会等于基极电流的 倍 然后将这个信号用隔直电容隔离 出来 就得到了电流 或电压 是原先的 倍的大信号 这现象成为三极管的 放大作用 经过不断的电流及电压放大 就完成了功率放大 2 TDA2030 功放电路特点 电路以 TDA2030 为中心组成的功率放大器 特点有 失真小 外围元件 少 装配简单 功率大 保真度高等 第 3 章 系统的电路设计 3 1 方案的选择 系统共由两部分组成 一是发射部分 二是接收部分 根据设计的要求 对于本题目我们共提出了两种备选方案 方案选择 方案一 调制部分采用调频技术 调频 FM 就是高频载波的频率不是一个常数 是 随调制信号而在一定范围内变化的调制方式 其幅值则是一个常数 发射部 分和接收部分原理框图分别如图 3 1 3 2 所示 调制信号调频高频功放 载波信号 图图 3 13 1 发射部分原理框图发射部分原理框图 小信号放大鉴频低频功放 图图 3 23 2 接收部分原框图接收部分原框图 方案二 调制部分采用条幅技术 调幅 AM 使高频载波的频率随信号改变的 调制 AM 其中 载波信号的振幅随着调制信号的某种特征的变换而变化 发射部分和接收部分原理框图分别如图 3 3 3 4 所示 低频振荡器调幅小信号放大 高频振荡器 高频功放 图图 3 33 3 发射部分原理框图发射部分原理框图 小信号放大检波低频功放 图图 3 43 4 接收部分原理框图接收部分原理框图 3 2 方案比较 虽然调频技术比调幅技术相比有许多优点 但是从电路实现上来说方案 一发射部分中的调频部分需要制作中轴 制作麻烦且效果不理想 而方案二 的调幅部分直接用一块 MC1496 芯片及相关电路完成 制作简单且调幅效果 很好 方案一接收部分中的解调部分需要鉴频器 需要先把信号进行转换 根据不同的鉴频方法转换形式也不同 如斜率鉴频就需要先进行频 幅转换 相位鉴频需要频 相转换 接着都需要通过滤波器输出信号 而方案二中解调 中的检波部分直接用检波二极管及相关电路实现解调 方案的确定 基于以上一些因素 决定采用方案二 系统原理框图如图 3 3 3 4 所示 第 4 章 发射电路的设计 4 1 低频振荡器 低频振荡器有 LC 振荡器 RC 振荡器等 这次设计采用 555 定时器构成的 多谐振荡器产生 1KHz 的信号 4 1 1 555 定时器 555 定时器是一个模拟与数字混合型的集成电路 图 4 1 是 555 定时器内 部组成框图 它主要由两个高精度电压比较器 A1 A2 一个 RS 触发器 一 个放电三极管和三个 5K 电阻的分压器而构成 555 定时器内部组成框图如 图 4 1 所示 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 22 Jun 2005Sheet of File E 书书书 书书书书书书书 书书书书 ddbDrawn By 5K 5K 5K T Q Q A A S R V1 V2 1 D Q V TH TL VR CC VSS 1 2 84 5 6 3 7 1 2 C D 图图 4 1 555 定时器内部组成框图定时器内部组成框图 它的各个引脚功能如下 1 脚 外接电源负端 VSS或接地 一般情况下接地 8 脚 外接电源 VCC 双极型时基电路 VCC的范围是 4 5 16V CMOS 型时基电路 VCC的范围为 3 18V 一般用 5V 3 脚 输出端 Vo 2 脚 低触发端 TL 6 脚 TH 高触发端 4 脚 是直接清零端 当端接低电平 则时基电路不工作 此时不DRDR 论 TH 处于何电平 时基电路输出为 0 该端不用时应接高电平 TL 5 脚 VC为控制电压端 若此端外接电压 则可改变内部两个比较器的 基准电压 当该端不用时 应将该端串入一只 0 01 F 电容接地 以防引入干 扰 7 脚 放电端 该端与放电管集电极相连 用做定时器时电容的放电 在 1 脚接地 5 脚未外接电压 两个比较器 A1 A2基准电压分别为 的情况下 555 时基电路的功能表如表 4 1 示 CCCC V 3 1 V 3 2 表表 4 1 555 定时器的功能表定时器的功能表 清零端DR高触发端 TH低触发端TLQn 1 放电管 T 功能 0 00导通直接清零 1 CC V 3 2 CC V 3 1 00导通置 0 1 CC V 3 2 CC V 3 1 11截止置 1 1 CC V 3 2 CC V 3 1 Q不变保持 4 1 2 555 定时器构成多谐振荡器 555 定时器构成多谐振荡器及波形如图 4 2 所示 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 11 Jul 2005Sheet of File E 书书书 书书书书书书书 书书书书 ddbDrawn By R2 R1 C 0 01uF 48 7 6 3 15 2 VCC vO vC 555 t VO VC VOH VOL t VCC 3 2 1 3V CC O O T TPHTPL C1 0 1uF 10K 1K TH TL 5V t t tt PHPL 图图 4 24 2 555555 定时器构成多谐振荡器及波形定时器构成多谐振荡器及波形 输出高电平时间 121 0 7 PH tRR C 输出低电平时间 21 0 7 PL tR C 振荡周期 121 0 7 2 PHPL TttRR C 输出方波的占空比 12 12 2 PH tRR D tRR 4 1 3 电路设计及仿真 根据以上要求设计输出频率为 1KHz 的方波多谐振荡器原理图如图 4 3 所示 图图 4 3 555555 定时器构成多谐振荡器原理图定时器构成多谐振荡器原理图 555 定时器构成多谐振荡器电路原理图的仿真波形如图 4 4 所示 图图 4 44 4 555555 定时器构成多谐振荡器电路原理图的仿真波形定时器构成多谐振荡器电路原理图的仿真波形 理论上 由 122 30 72 3 10RK RK CnF 得 39 212 0 7 2 0 7 72 32 30 1010 100 00092TRRC 即1 086zfKH 实际上测得 1 12fKHz 4 2 高频振荡器 振荡器分为 RC 振荡器 LC 振荡器 桥式振荡器 晶体振荡器等 本设计 采用 12MHz 晶体振荡器产生 12MHz 高频信号 4 2 1 电路分析 利用石英晶体的压电效应可以形成晶体谐振器 简称石英晶振 将石 英晶振作为高 Q 值谐振问路元件接入正反馈电路中 就组成了晶体振荡器 在 2 3 图中 当频率在与之间 石英晶体呈感性 可将它与两个 C 构成 s f p f 电容三点式正弦波振荡电路 形成并联型石英晶体正弦波振荡电路如图 4 5 所 示 Rb1 Rb2 Re Cb C1 C2 12 Jt ZL VCC C3 C4 书书 图图 4 5 并联谐振型晶体振荡器并联谐振型晶体振荡器 1 振荡回路与晶体管 负载之间的耦合很弱 晶体管 端 端和 端的接入系数分别是 以上三个接入系数一般均小于 所以外电路中的不稳定参数对 4 3 10 10 振荡回路影响很小 提高了回路的标准性 2 由于振荡频率一般调谐在标称频率上 位于晶体的感性区内 osc f N f 电抗曲线陡峭 稳频性能极好 3 石英晶体的 Q 值和特性阻抗都很高 所以晶体的谐振电阻 q q L C 也很高 一般可达对振荡回路影响很小 提高了回路的标准性 4 振荡频率几乎由石英晶体的参数决定 而石英晶体本身的参数具有 高度的稳定性 振荡频率 其中是和晶体两端并联的 0 1 q oscs q L ff CC 外电路各电容的等效值 即根据产品要求的负载电容 在实用时 一般需加 入微调电容 用以微调回路的谐振频率 保证电路工作在晶体外壳以上 这 样即使外电路接入系数很小 此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大 使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求 根据条件设计晶体振荡器 原理图如图 2 3 其中原理图可以分为两级电路 即第一级皮尔斯振荡电路 和第二级射极跟随器电路 皮尔斯振荡电路主要完成晶振的起振以及频率要 求和幅度要求 因为射极跟随器 高输入电阻 低输出电阻 电压增益近似 为 1 完成后级电路的良好隔离 4 2 2 振荡频率分析 由高频交流等效电路可知 三极管发射极与集电极之间有一个 LC 回路 其谐振频率为 MHzMHz LC f1087037 9 10 12 2 10 6 1302 1 2 1 0 此 LC 回路等效为一个电容 可见 这是一个皮尔斯振荡电路 晶振等效为电 感 满足三点式振荡电路组成法则 实际上 因为晶振工作频率为FFC35 0 301001010 6 6 此时 LC 回路等效为一个电容 因此并不影响 由于并联 LC 回 0 12MHzf 路的阻抗特性是负斜率 因此满足相位稳定条件 另外 30pF 的可调电容起微 调作用 使振荡器工作在晶振的标准频率 12MHz 上 C5 0 01uF 为大电容 高频时视为短路 Q1 管则作为射随器 高输入电阻 低输出电阻 电压增益 近似为 1 可以与后级电路有良好的隔离 晶振的负载电容 分别接在晶振的两个脚上和对地电容 一般都在几十 皮法 它会影响到晶振的谐振频率输出幅度 所以一般晶体振荡器的振荡幅 度比较容易满足设计要求 即 A 500mV 硬件测试得到实际频率为 11 9987MHz 幅度最大为 504mV 4 2 3 电路设计与仿真 根据分析设计高频振荡器电路原理图如 4 6 所示 图图 4 64 6 高频振荡器原理图高频振荡器原理图 高频振荡器仿真结果如图 4 7 所示 图图 4 7 高频振荡器的仿真波形高频振荡器的仿真波形 4 3 调幅 幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度 使其按调制信号的 规律变化的过程 本设计采用 MC1496 构成的调幅电路 4 3 1 MC1496 MC1496 为平衡调制器的核心器件 其内部结构原理图如图 4 8 所示 图图 4 84 8 MC1496MC1496 内部结构原理图内部结构原理图 MC1496 中包含了由带双电流源的标准差动放大器驱动的四个高位放大 器 输出集电极交叉耦合 故产生了两输入电压的全波平衡调制乘积现象 其中载波输入至 4 个三极管组成的双差分放大器 信号输入至 2 个三极管组 成的单差分放大器用以激励载波 图 4 8 中 最上面的四个三极管构成两对差动放大器 中间两个三极管 也构成一对差动放大器 用于激励上述两对差动放大器及相关的偏置电路 下面两个三极管构成恒流源电路 引脚 8 与 1O 接输入电压 引脚 1 与 4 接 1 V 另一输入电压 输出电压从引脚 6 与 12 输出 引脚 2 和 3 外接电阻 2 V 0 V 对中间一对差分放大器产生电流负反馈 以扩展输入电压的线性动态范围 y R 采用单电源供电 脚 14 接地 4 3 2 MC1496 组成的调幅电路 用 MC1496 设计调幅电路时除了遵循上述原则外 还要考虑共模摆幅 互 导纳带宽 耦合和旁路电容 输出信号 信号端口的稳定性等因素的影响 综上所述 最终设计出的 AM 调制器的原理图如图 4 9 所示 图图 4 94 9 MC1496MC1496 组成的调幅电路原理图组成的调幅电路原理图 4 4 小信号谐振放大 高频小信号放大器若按器件分可分为晶体管放大器 场效应管放大器 集成电路放大器 若按通带分可分为窄带放大器 宽带放大器 若按负载分 可分为谐振放大器 非谐振放大器 本设计主要采用窄带负载为调谐回路的谐振放大器 这种放大器不仅LC 有放大作用 而且有选频作用 4 4 1 高频小信号放大器的主要技术指标 1 中心频率 即调谐放大器的工作频率 是调谐放大器的主要指标 0 f 2 增益 放大系数 表示对有用信号的放大能力 电压增益 0 U i U A U 功率增益 0 P i P A P 常用分贝表示 00 20lg 10lg UP i UP AA UPi 3 通频带 带宽 在无线电技术中 常把谐振回路 U Um从 1 下降到 以 dB 表示是从 0 下降 到 3dB 处的两个频率 2 f0 7的范围称作通频带 0 7HL BWff 通频带越宽 表明放大电路对不同信号的适应能力越强 通频带越窄 表明电路对通频带中心频率的选择项越强 n 级放大器的通频带 1 0 7 21 n n BWBW 4 选择性 从各种不同频率信号的总和 有用的 无用的和有害的 中 选出有用信号 抑制干扰信号的能力称为放大器的选择性 选择性常采用矩 形系数和抑制比来表示 1 矩形系数 按理想情况 谐振曲线为一矩形 为了表示实际曲线接近理想曲线的程 度 引入 矩形系数 它表示对邻道干扰的抑制能力 2 抑制比 抗拒比 表示电路对某个干扰信号的抑制能力 5 噪声系数 放大器的噪声系数定义为输入信噪比和输出信噪比的比值 si ni so no P P NF P P 用分贝表示可以写成 10lg si ni so no P P NFdB P P 是一个大雨等于 1 的数 其值越接近于 1 则表示该放大器的内部噪NF 声性能越好 所谓信噪比 是指四端口网络某一端口处信号功率和噪声功率之比 信 噪比通常用分贝数表示 通常写成 10lg s n P SNRdB P 其中 分别为信号功率和噪声功率 s P n P 4 4 2 9018 三极管简介 9018 三极管是半导体三极管 常在 AM FM 的中频放大器和 AM FM 调谐器 的本级振荡器中作放大和振荡作用 9018 实物图如图 4 10 所示 图图 4 10 9018 三极管三极管 4 4 3 小信号谐振放大电路的设计 1 电路设计 小信号谐振放大电路是是该设计的核心部分 采用单管单调谐电路可以 达到比较稳定的高增益 一级单管单调谐放大电路如 4 11 图图 4 114 11 一级单管单调谐放电路一级单管单调谐放电路 如图 4 11 所示 电路采用基极分压式放大电路 由组成型 125 C L CLC 电源去耦电路 通过和分压电阻分压来调节三极管的静态工作点 选频 2 R 3 R 网络采用并联谐振回路 将电感固定为 调节可调电容来选择频率点 一LC 级放大电路很难实现稳定的高增益 所以这里采用的两级级联的方式可以达 到上的高增益 在两级之间加上一个 RC 滞后相位补偿电路 主要用于50dB 消除高频自激 两级级联电路如图 4 12 所示 图图 4 124 12 两级谐振放大器两级谐振放大器 2 小信号谐振放大电路参数计算 1 选频回路参数计算 对于选频回路由于中心频率有 0 1 2 f LC 0 12zfMH 则有 22 0 1 4 LC f 若选择 那么可以算出 所以电容选择的固定 1 3 3LuH 53 3pC 50pF 电容和的可调电容并联来调节得到达到选频的目的 30pF 2 静态工作点计算 1 电路静态工作点及相关参数的计算 在该放大电路的直流通路 331 0 0025m CQ IA 2 8 CEQ VV 0 05 CM IA 74 3 62 80 005157 eCCCEQCQ RRRVVI 取 则 7 51R 4 100R 0 0025 1570 3925 EQCQe VVRV 0 0053310 015 BQCQ IIAmA 若取流过的电流为 则 3 R 3b I10 BQ I 3 100 15 bBQ IImA 则取 3 32 0 70 39250 71 0925 b BQCCEQ bb R VVVVVV RR 33 1 09255 0 157 2 bBQb RVIk 2 11 8 b Rk 实际电路中 第一级放大电路中取 第二级放大 3 8 2 b Rk 2 15 b Rk 电路中取 3 6 8 b Rk 2 15 b Rk 4 5 高频功放 利用宽带变压器作耦合回路的功放称为甲类功放 甲类功放不需要调谐 回路 可在很宽的频率范围内获得线性放大 但是效率较低 一般只有 20 左右 它作为发射机的中间级 以提供较大的激励效率 利用选频网络作为 负载的回路的的功放称为谐振功放 根据放大器电流导通角 的范围可分为 甲类 乙类 丙类及丁类等不同类型的功率放大器 电流导通角越小 放大 器的效率越高 丙类功放效率可达到 80 作为发射机的末级 以获得较大 的输出功率和较高的效率 所以本设计采用甲类功放与丙类功放相结合的高 频功放电路 4 5 1 甲类功放 1 静态工作点 由功放管组成的甲类功放工作在甲类状态 图 4 13 中 为基极偏置电阻 为直流负反馈电阻 以稳定 1B R 2B R 1E R 电路的静态工作点 为交流负反馈电阻 可以提高放大器的输入阻抗 稳 F R 定增益 电路的静态工作点由下式确定 式中 一般为几欧姆至几十欧姆 11 EQEQFECQE VIRRIR F R CQBQ II 0 7 BQEQ VVV 1 CEQCCCQFE VVIRR 2 高频变压器 高频变压器仍然是应用变压器原理 依靠磁芯中的公共磁通将初级线圈 的能量传输到初级线圈 由变压器原理可得 带宽功放集电极的输出功率 式中 为输出负载上的实际功率 为变压器的传输功率 CHT PP H P T 一般 0 750 85 T 集电极的输出功率 式中 为集电极等效负载 2 m Cm 11 22 C CCm H V PVI R H R 电阻 为集电极交流电压的振幅 其表达式为 mC V m1 CC CCQECES VVIRV 式中 称为饱和压降 约为 1V 为集电极交流电流的振幅 其表达 CES V mC I 式为 mCCQ II 如果变压器的初级线圈匝数为 次级线圈的匝数为 则 1 N 2 N 式中 为变压器刺激接入的负载电阻 即下级丙类功放的输 1 2 TH H NR NR H R 入阻抗 i z 3 功率增益 与电压放大器不同的是带宽功放应有一定的功率效益 对于图 4 13 所示 电路 带宽的功放要为下一级的丙类功放提供一定的激励效率 必须将前级 输入的信号进行功率放大 功率增益为 式中 为带宽功放的输 c Pi APP i P 入功率 输入功率的带宽功放的输入电压及输入电阻的关系为 im V i R 式中 又可以表示为式中 为共发射极 imii 2VR P i R 1 iiefeF RhhR ie h 接法晶体管的输入电阻 高频工作时 可认为他近似等于晶体管的基极体电 阻 为晶体管共射电流放大系数 即 bb r fe h 4 5 2 丙类功放 1 基本关系式 丙类功放的基极偏置电压是利用发射极电流的直流分量在设计电 BE V 0E I 阻上产生的压降来提供 当放大器的输入信号为正弦波时 集电极的输 2E R i v 出电流为预先脉冲 利用谐振回路中 的选频作用可输出基波谐振电 c i 2 L 2 C 压 电流 1c v 1c i 集电极基波电压的振幅 式中 为集电极基波电流的振 11mC mCP VIR 1mC I 幅 为集电极负载阻抗 集电极输出功率 P R 直流电源供给的直流功率 2 2 1m 1m1m1m 111 222 C CCCCP P V PVIIR R CC V 式中 为集电极电流脉冲经傅里叶级数分解 可得峰值与 0DCCC PVI 0C I c i mC I 分解系数的关系式 n m1m1 CC II 01m0 CC II 集电极的耗散功率 CDC PPP 集电极的效率 1m1m 0 1 2 CCC DCCC PVI PVI 基极基波输入功率 11m 1 2 iB mB PVI 丙类功放的效率增益 0 P i P A P 丙类功放的输出回路采用变压器耦合方式 其作用 一是实现阻抗匹配 将集电极的输出功率送至负载 二是与谐振回路配合 滤除谐波分量 L R 集电极谐振回路为部分接入 谐振频率 0 1 2 f LC 由变压器原理可得 4 3 11m 2 CL C P RN NV 1 2 3 LOL L Q wN NR 4 2 式 4 1 4 2 中 为集电极接入初级的匝数 为初级线圈总匝数 为 1 N 2 N 3 N 次级线圈总匝数 为初级回路又载品质因数 一般取值 L Q210 丙类功放的输入回路亦采用变压器耦合方式 以使输入阻抗与前级输出 阻抗匹配 分析表明 这种耦合方式的输入阻抗为 i Z 式中 为晶体管基极体电阻 1 1 cos bb i r Z bb r 25 bb r 4 5 3 高频功放电路分析与设计 本次设计采用的高频功放电路原理图如图 4 13 示 1 C 1B R 2B R 1 T F R 1E R 1E C 1 N 1 L 1r T CC V 2 N 2 T 2E R 2E C 10 L 1 0 C 11 C 2 N 1 N 2 C 3 N L R 2 0 L 2 0 C 2 1 C C C V 图图 4 134 13 高频功放电路原理图高频功放电路原理图 1 甲类功放参数设计 带宽功放的输出功率应等于下级丙类功放的输入功率 其输出负载 H P i P 等于丙类功放的输入阻抗 即 H R i Z25 86 HiHi PPmW RZ 设高频变压器的效率 射极直流负反馈电阻 0 8 T 取标称值 1 357 CCCmCES E CQ VVV R I 360 高频变压器匝数比 若取次级匝数 则初级匝 1 2 3 TH H NR NR 2 2N 数 1 6N 本级带宽功放采用 S8050 晶体管 设 若取功率增益 30 13 P AdB 若取交流负反馈电阻 基极偏置电路的电流 则 3 10R 1 5 BQ II 取标称值 2 52 8 BQBQ RVIk 2k 由 实际调整时取的电位器 12 8 25 CCBQ B BQ VV RRk V 1 5 110Rkk 取高频旁路电容 输入耦合电容 1 0 01 E CF 1 0 01CF 2 丙类功放参数设计 根据晶体管 3DG130 的主要参数 700m CM PW 300mA CM I 为获得较高的效率及最大0 6 CES Vv 30 fe h 150 T fMHz 6dB P A 输出功率 将丙类功放的工作状态选为临界状态 取 0 P 0 70 1 谐振回路及耦合回路的参数 输出变压器线圈匝数比为 取 3 11m 22 0 5 51 0 68 12 1 5 CL C P RN NV 若集电极并联谐振回路的电容 得回路电感 31 2 3NN 100CPF 4 2 2 53 10 10 0z PF LH fMHC 计算变压器初级线圈的总匝数 即 2 N 2 23 22 410 8 cm H m cm A LNN l 2 基极偏置电路参数计算 基极直流偏置电压 cos1 1 BjBm VVVv 射极电阻 20 20 EBC RVI 取高频旁路电容 2 0 01 E CF 第 5 章 接收电路设计 5 1 天线 磁性天线是用来接收电磁波的 它是由一个铁氧体磁棒和漆包线围绕组 成 对电磁波的吸收能力很强 磁力线通过它就像很多棉纱线被一个铁箍束 得很紧一样 因此 在线圈绕组内能够感应出比较高的高频电压 所以磁性 天线具有放大高频信号的作用 1 磁棒的选择 磁性天线接收信号的能力与磁棒的长度 L 及截面积的大小有关 磁棒越 长 截面积越大 其接收能力越强 这是因为 发射电路的电磁波的磁力线 在天空中的分布是很密集的 磁棒的截面越大 它所容纳的数目就越多 线 圈上感应的电压就越大 灵敏度就高 另一方面 磁棒越长 它所吸收的磁 力线的强度就越大 在线圈上感应出的电压