精品【毕业设计】小功率FM发射机电路的设计-定

小功率 FM 发射机电路的设计 I 小功率小功率 FMFM 调频发射机电路的设计调频发射机电路的设计 摘要摘要 1933 年 世界上第一台发射机诞生 美国发明家阿姆斯特朗发明 了短波 FM 收音机 1939 年 FM 发射机的发明者阿姆斯特朗在美 国建立了第一个 FM 广播的发射站 同年 调幅收音机开始在美国出售 从此 FM 发射机技术开始迅速发展 在各行各业中得到应用 尤其是 小功率 FM 发射机的应用更为广泛 论文是关于小功率调频发射机电路的设计 通常小功率发射机采 用直接调频方式 其中调频振荡级主要是产生频率稳定 中心频率符 合指标要求的正弦波信号 且其频率受到外加音频信号电压调变 缓 冲级主要是对调频振荡信号进行放大 以提供末级所需的激励功率 同时对前后级起有一定的隔离作用 为避免末级功放的工作状态变化 而直接影响振荡级的频率稳定度 功放级的任务是确保高效率输出足 够大的高频功率 并馈送到天线进行发射 本设计采用 DSP 锁相环技术 频率更加稳定 频率不会随环境变 化而产生频飘 关键词 关键词 小功率调频发射机 直接调频 调频振荡 锁相环 AbstractAbstract 1933 the world s first transmitter was born American inventors Armstrong invented the short wave FM radio 1939 the inventor of FM transmitters Armstrong of the United States established the first FM radio transmitters The same year the AM radio began sale in the United States Since then FM transmitter technology has begun to develop rapidly In all walks of life to be applied particularly in low power FM transmitters of more extensive The paper is about the low power frequency modulated transmitter electric circuit design The usual low power transmitter selects the direct frequency modulation method frequency modulation vibrates the level mainly is has the frequency to be stable the center frequency conforms to the target request sine wave signal also its frequency receives the sur tonic train signalling voltage regulation the buffer mainly is vibrates the signal to the frequency modulation to carry on the enlargement by provides the grid driving power which the last stage needs at the same time plays to the around level has the certain isolation role for avoids the working mode active status change which the last stage merit puts but affecting the vibration level directly the frequency stability The merit puts the level the duty guarantees the high efficiency output enough big high frequency power and presents to the antenna carries on the launch This design USES the DSP phase locked loop technique frequency more stable frequency will not change with the environment and produce frequency wave Keywords Small power FM transmitter Direct FM FM oscillation Phase locked loop technique 目录目录 摘要 I ABSTRACT II 目录 III 前言 1 1 调频发射系统 2 1 1 调频发射机的性能指标概念 2 1 2 调频发射机性能指标及设计要求 3 1 3 调频发射机基本原理方框图 4 1 4 发射机系统各部分波形图 4 1 5 调频发射机系统方框图各部分简介 5 1 6 调频发射机的工作原理 6 2 锁相环路 PLL 8 2 1 锁相环路作用及原理 8 2 2 锁相环路的各组成部分及具体工作过程 9 3 高频振荡电路的选取 11 3 1 高频振荡电路的设计要求及选取 11 3 1 1 方案一 变压器反馈式 LC 正弦波振荡器 11 3 1 2 方案二 石英晶体振荡器 12 3 2 振荡器的选择 15 4 频率调制 16 4 1 频率调制的性能指标 16 4 2 频率调制方案选取 16 4 2 1 方案一 变容二极管直接调频电路 16 4 2 2 方案二 变容二极管间接调频电路 18 4 3 所选变容二极管直接调频电路参数的估算 19 5 高频功率放大器 21 5 1 高频功率放大器概述 21 5 2 谐振功率放大电路 22 6 整机电路分析与调试 23 6 1 液晶显示控制电路 23 6 2 实验整机电路图及相关程序 24 6 3 整机主要元器件选用及简介 25 总结 29 致谢 30 参考文献 31 附录 A 32 附录 B 33 附录 C 34 小功率 FM 发射机电路的设计 1 前言前言 自 20 世纪 90 年代以来 无线通信在全球范围内取得了突飞猛进 的发展 无论是军用或民用通信 在各种频段上出现了许多新的系统 和模式 满足了社会上各种各样的需求 发射机作为无线通信设备的 重要组成部分 其发展极大的促进了无线通信技术的发展 无线电技术诞生以来 信息传输和信息处理始终是其主要任务 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 MHz 几百 MHz 以上的高频振荡信号上 再经天线发送出去 为减小 各种因素引起的系统不稳定 增强系统的可靠性 系统必须包括自动 增益控制 自动频率控制和自动相位控制 锁相环 在内的反馈控制 电路 本文所讨论的就是一个利用锁相环组成的直接调频信号发射器 FM 发射机具有使接收机接收灵敏度高 抗干扰力强 音质清晰 等特点 但往往在制作 调试过程中易出现电路易停振 抗干扰力差 容易跑频 失真等故障 该 FM 发射机电路工作频率稳定 抗干扰力 强 制作调试简单 通过教师的悉心指导和自己的不断努力 最终完成了毕业设计的 各项任务 成功设计一小功率调频广播发射器 基本完成其各项功能 论文的正文部分主要包括 3 个要点 如下 简述设计原理 设计框图和设计要求 阐述各单元电路的设计原理及其功能 概述整个电路的设计原理和设计总图 最后再由结论 致谢 参考文献和附件构成该论文 1 1 调频发射系统调频发射系统 1 1 调频发射机的性能指标调频发射机的性能指标概念概念 与调幅系统相比 调频系统由于高频振荡器输出的振幅不变 因 而具有较强的抗干扰能力和较高的效率 所以在无线通信 广播电视 遥控遥测等方面获得广泛应用 调频发射机的性能指标的概验如下 1 发射功率 一般是指发射机输送到天线上的功率 只有当天线 的长度与发射机频率的波长 可比拟时 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 若接受机的灵敏度V A 2 V 则通信距离 s 与发射机功率PA的关系为 mw A kmp s 4 107 表 1 1 1 列出了小功率发射机的功率PA与通信距离 s 的关系 表 1 1 发射机功率与距离关系表 PA mw50100200300400500600700 S km2 843 384 024 454 825 085 275 50 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 家或有关部门规定的范围内选取 广播通信常用波段的划分如表 1 1 2 所示 对于调频发射机 工作频率一般在超短波范围内 表 1 2 广播通信波段划分表 波段名称波长范围频率范围频段名称 超长波100 10km3 30kHz甚低频 长波10 1km30 300 kHz低频 中波1000 200m0 3 1 5 MHz中频 短波200 10m1 5 30 MHz高频 超短波 米波 10 1m30 300 MHz甚高频 3 总效率 发射机发射的总效率PA与其消耗的总功率 PC 之比称 为发射机的总效率 A 即 A PA PC 4 非线形失真 当最大频偏为 75KHz 调制信号的频率为 100Hz 7500Hz 时 要求调频发射机的非线形失真系数 应小于 1 5 杂音电平 调频发射机的寄生调幅应小于载波电平的 5 10 杂音电平应小于 65dB 6 输出阻抗 对调频广播而言 一般要求输出阻抗为 50 欧 对 电视差转而言一般要求 75 欧 7 残波辐射 残波辐射是指杂波与输出功率之比 8 信杂比 信杂比是指已调波在规定频偏的情况下经理想解调后 有用信号功率与载波功率之比 9 频率响应 频率响应是指已调波在规定频偏的情况下经理想解 调后输出音频的幅频响应 1 2 调频发射机性能指标及设计要求调频发射机性能指标及设计要求 1 发射功率 A P 80mW 2 负载电阻 L R 75 3 工作中心频率 0 f 100KHz 4 最大频偏 m f 75KHz 5 总效率 A 50 6 发射距离 1Km 7 调制方式 FM 1 3 调频发射机基本原理方框图调频发射机基本原理方框图 图 1 1 直接调频发射系统组成框图 1 4 发射机系统各部分波形图发射机系统各部分波形图 图 1 2 发射机系统各部分波形图 1 5 调频发射机系统方框图各部分调频发射机系统方框图各部分简介简介 1 参考分频器作用 合理的分割各单元的工作频段 合理进行各单元 功率分配 使各单元之间具有恰当的相位关系以减少各单元的工作中 出现声干扰失真 利用分频电路的特性以弥补单元在某频段里的声缺 陷 将各频段圆滑平顺的对接起来 2 鉴相器作用 鉴相器是一个相位比较装置 又称为相位比较器 它 的输出误差电压 v d t 是 v i t 与 v o t 的瞬时相位之差的函数 图 1 3 鉴相器 3 环路滤波器作用 在鉴相器的输出端衰减高频误差分量 以提高抗 干扰性能 在环路跳出锁定状态时 提高环路以短期存储 并迅速恢 复信号 4 压控振荡器作用 压控振荡器受控制电压控制 使严控振荡器的频 率向参考信号频率接近 也就是使差拍频率越来越近 直至消除频率 差而锁定 5 缓冲放大器作用 提高负载能力和减少负载对信号源的影响 兼有 增加抗干扰能力 6 可变分频器作用 信号处理步骤 通过根据施加到控制端上的信号 的电平 反相 不反相施加到输入端的输入时钟信号 来形成分频前 的时钟信号 根据具有比分频前的时钟信号中的预定脉冲宽度大的脉 冲宽度的时钟脉冲中的转变点 按照预定的分频数 对分频前的时钟 信号进行分频 所述转变点对应于输入时钟信号一个方向上的转变点 并从输出端输出分频信号 作为输出时钟信号 连接 断开步骤 根 据外部控制信号 连接 断开形成在输出端和控制端之间并用作返回 控制端的信号路径的反馈路径 延迟步骤 使施加到输入端上的信号 通过反馈路径返回到控制端的延迟时间大于输入时钟信号的脉冲宽度 7 高频放大器作用 高频功率放大器用于发射机的末级 作用是将高 频已调波信号进行功率放大 以满足发送功率的要求 然后经过天线 将其辐射到空间 保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号 电平 并且不干扰相邻信道的通信 1 6 调频发射机的工作原理调频发射机的工作原理 工作原理 语言或音乐的声波 使话筒内的膜片及线圈产生相应 的机械振动 由于电磁感应的作用 又将膜片及线圈的机械振动转换 为相应的音频电流或电压信号 并将微弱的音频电流或电压信号送到 音频放大器放大幅度 在将放大后的音频电信号送到频率调制中 采 用直接调频的方式 使音频电信号直接去控制高频振荡器产生的高频 信号 为了稳定高频振荡器的频率 采用缓冲隔离 为达到预订的频 率采用倍频使高频信号频率整倍升高到所需值 将已调信号的功率放 大以使负载 天线 获得令人满意的发射功率有远距离的发送 调频广播具有抗干扰性能强 声音清晰等优点 获得了快速的发 展 调频电台的频带通常大约是 200 250kHz 其频带宽度是调幅电 台的数十倍 便于传送高保真立体声信号 由于调幅波受到频带宽度 的限制 在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾 因此音频信号的 频率局限于 30 8000Hz 的范围内 在调频时 可以将音频信号的频率 范围扩大至 30 15000Hz 使音频信号的频谱分量更为丰富 声音质 量大为提高 2 2 锁相环路 锁相环路 PLLPLL 2 1 锁相环路作用锁相环路作用及原理及原理 一 作用 锁相环路是一种以消除频率误差为目的的自动控制电路 锁相环 电路是一种相位负反馈系统 利用相位误差信号电压去消除频率误差 二 原理 锁相环路基本组成如图 2 1 所示 它是由鉴相器 环路滤波器 和 压控振荡器组成的闭合环路 鉴相器是相位比较部件 它能够检测出 两个输入信号之间的相位误差 输出反映相位误差的电压 环路低通 滤波器是用来消除误差信号中的高频分量及噪声 提高系统的稳定性 压控振荡器受控于环路滤波器输出电压 即其振荡频率受环路滤波器 输出电压控制 图 2 1 锁相环路基本组成框图 众所周知 当两个正弦信号频率相等是 这两个信号之间的相位 差必然保持恒定 若两个正弦信号不相等 则它们之间的瞬时相位差 将随时间的变化而不断变化 换句话说 如果能保证两个信号之间的 相位差恒定 则这两个信号频率必定相等 锁相环路就是利用两个信 号之间的相位误差来控制压控振荡器输出信号的频率 最终使两个信 号之间的相位保持恒定 从而达到两个信号频率相等的目的 2 2 锁相环路的各组成部分及具体工作过程锁相环路的各组成部分及具体工作过程 一 锁相环路的新能主要取决于鉴相器 压控振荡器和环路滤波 器三个基本组成部件 鉴相器 PD 是进行相位比较的装置 它把压控振荡器的输出信 号Vo t 与输入信号vi t 的相位进行比较 产生对应于两信号相位差的 误差电压Vd t 起到相位差 电压变换作用 低通滤波器 LPF 是个线性电路 它的作用是 滤除鉴相器输 出电压 Vd t 中的高频分量和噪声 起平滑滤波的作用 以保证系统所 要求的性能 增加系统的稳定性 电路通常由电阻 电容或电感等组 成 有时也包含运算放大器 电压控制振荡器 VCO 是一个电压 频率 或称电压 相位 变换电路 其振荡瞬时角频率受控制电压的控制 使输出信号频率向 输入信号频率靠拢 两个信号间的相位差减小 二 锁相环路的具体工作过程如下 相位比较器把输入信号作为标准 将它的频率和相位与从VCO输 出端送来的信号进行比较 如果在它的工作范围内检测出任何相位 频率 差 就产生一个误差信号Vd t 这个误差信号正比于输入信 号和VCO输出信号之间的相位差 通常是以交流分量调制的直流电平 由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量 产生信号Ve t 去控制 VCO 强制VCO朝着减小相位 频率误差的方向改变其频率 使输入基 准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为0 这 时我们就称环路已被锁定 对于已经锁定的环路 若输入信号的频率或相位稍有变化 立刻 会在两个输入信号的相位差上反映出来 鉴相器的输出也会随着改变 并驱动VCO的频率和相位以同样的规律跟着变化 环路的这种状态称 为跟踪状态 因此可以说锁相环是一个相位自动控制系统 其锁定状 态的取得是靠相位差的作用 锁定状态的维持也仍然依靠相位差的作 用 锁相环路基本特性有 1 环路锁定后 没有频率误差 当锁相环 路锁定时 压控振荡器的输出频率严格等于输入信号频率 而只有不 大的剩余相位误差 2 频率跟踪特性 锁相环路锁定时 压控振荡 器的输出频率能在一定的范围内跟踪输入信号频率变化 3 窄带滤 波特性 锁相环路通过环路滤波器的作用后具有窄带滤波特性 当压 控振荡器输出信号的频率锁定在输入信号上时 位于信号频率附近的 频率分量 通过鉴相器变成低频信号而平移到零频率附近 这样环路 滤波器的低通作用对输入信号而言 就相当于一个高频带通滤波器 只要把环路滤波器的带通做的比较窄 整个环路就具有很窄的带通特 性 锁相环路的这些特点 使它在自动频率控制中得到应用 以达到 精确的频率控制 而其它的频率控制系统总是存在剩余频差 3 3 高频振荡高频振荡电路的选取电路的选取 3 1 高频振荡电路的高频振荡电路的设计要设计要求求及选取及选取 满足振荡的性能指标要求 1 振荡中心频率 0 f MHz50 2 稳定度为 5 10 量级以上 3 电路容易起振 输出波形好 3 1 1 方案一方案一 变压器反馈式变压器反馈式LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器 变压器反馈式LC正弦波振荡器电路如图 3 1 所示 图 3 1 变压器反馈式 LC 正弦波振荡器电路 一 电路组成 1 放大电路 图中由 V 组成采用分压式偏置的共射电路 耦合 电容Cb和发射极旁路电容Ce 容量较大 在振荡频率上 交流阻抗小 可视短路 2 选频网络 选频网络由L1和C构成 作为三极管集电极负载 3 反馈网络 变压器二次侧绕组 N2作为反馈绕组 将输出的一 部分 经Cb反馈到输入端 变压器二次侧绕组 N3接输出负载 二 电路能否振荡的判断 1 相位平衡条件判断 在反馈输入端 K 处断开 用瞬时极性法进行判断 设 V 基极上的 瞬时极性为正 则集电极为负 即L1的瞬时极性为上正下负 根据同 名端的概念 N2上端瞬时极性为正 反馈至 K 处的瞬时极性为正 为 正反馈 满足振荡的相位平衡条件 2 振幅起振条件的判断 本电路中 N1 N2同绕在一磁芯上为紧耦合 放大电路为共射电路 放大倍数较大 这种电路是利用三极管的非线性实现内稳幅的 实践 中 只要设置合适的静态工作点 增减 N2的匝数或改变同一磁棒上 N1 N2的相对位置调节反馈系数的大小 使反馈量合适 即可满足起 振条件 三 振荡频率f0的估算 振荡器的振荡频率网络的固有谐振频率 振荡频率可用下式计算 式中 L为谐振回路总电感量 C为谐振回路总电容量 3 1 2 方案二方案二 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 一 石英晶体振荡器的基本原理 1 石英晶体振荡器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体 二氧化硅的结晶体 的压电效应 制成的一种谐振器件 它的基本构成大致是 从一块石英晶体上按一 定方位角切下薄片 简称为晶片 它可以是正方形 矩形或圆形等 在它的两个对应面上涂敷银层作为电极 在每个电极上各焊一根引线 接到管脚 上 再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器 简称为石英 晶体或晶体 晶振 其产品一般用金属外壳封装 也有用玻璃壳 陶 瓷或塑料封装的 2 压电效应 若在石英晶体的两个电极上加一电场 晶片就会产生机械变形 反 之 若在晶片的两侧施加机械压力 则在晶片相应的方向上将产生电 场 这种物理现象称为压电效应 如果在晶片的两极上加交变电压 晶片就会产生机械振动 同时晶片的机械振动又会产生交变电场 在 一般情况下 晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小 但当 外加交变电压的频率为某一特定值时 振幅明显加大 比其他频率下 的振幅大得多 这种现象称为压电谐振 它与 LC 回路的谐振现象十 分相似 它的谐振频率与晶片的切割方式 几何形状 尺寸等有关 3 谐振频率 从石英晶体谐振器的等效电路可知 它有两个谐振频率 即 1 当 L C R 支路发生串联谐振时 它的等效阻抗最小 等于 R 串联揩振频率用 fs 表示 石英晶体对于串联揩振频率 fs 呈纯阻性 2 当频率高于 fs 时 L C R 支路呈感性 可与电容 C 发生 并联谐振 其并联频率用 fd 表示 二 石英晶体振荡器的主要参数 石英晶体振荡器的主要参数有标称频率 负载电容 激励电平 工作温度范围及温度频差等 1 标称频率 标称频率是指石英晶体振荡器的振荡频率 它与负 载电容的容量值有关 2 负载电容 负载电容是指与石英晶体振荡器各引脚相关联的总 有效电容 包括应用电路内部与外围各电容 之和 负载电容常用的 标准值有 16PF 20PF 30PF 50PF 100PF 3 激励电平 激励电平是指石英晶体振荡器工作时所消耗的有效 功率 该值决定电路工作频率的确良稳定程度 激励电平常用的标准 值有 0 1 mW 0 5 mW 1 mW 2 mW 4 mW 4 工作温度范围 工作温度范围是指石英晶体振荡器正常工作时 所允许的最低温度至最高温度 环境温度 5 温度频差 温度频差是指石英晶体振荡器在工作温度范围内的 工作频率相对于基准温度下工作频率的最大偏离值 它用来反映石英 晶体振荡器的频率温度特性 三 原理工作特性 1 石英晶体是利用压电效应实现机械振动和电信的交换 当晶 片的几何尺寸和结构一定时 它本身具有固有的机械振动频率 当外 加交流电压的频率等于晶片固有的机械振动频率时 晶片的振动幅度 最大 外电路中的交流电最大 既显现出电的谐振特性 2 石英晶体的振动具有多谐性 除基频振动外 还有奇次谐波的 泛音振动 1 专门用于基频振动的晶体称为基音晶体 2 专门用于泛音振动的晶体称为泛音晶体 四 等效电路和频率 1 石英晶体振荡器的等效电路和频率如 3 2 所示 a b 图 3 2 石英晶体振荡器的等效电路和频率 a 等效电路 b 频率特性 对于石英晶体振荡器的等效电路 可以产生两个谐振频率 现 分析如下 2 当 R L C 支路发生串联谐振时 等效于纯电阻 R 阻抗最 小 其串联谐振频率 s f LC 2 1 3 当外加信号频率高于 s f时 L X 增大 C X 减小 R L C 串 联支路呈感性 可与 C0 所在电容支路发生并联谐振 其并联谐振频率 为 p f 2 1 0 0 CC CC L LC 2 1 0 1 C C 0 f 0 1 C C 石英晶体的电抗 频率特性如图 3 2 b 所示 从图中可以看出 凡信号频率低于串联谐振频率 s f或高于并联谐振频率 p f时 石英晶体 均显容性 只有信号频率在 s f和 p f之间才显感性 在感性区域 它振 荡频率稳定度极高 4 石英晶体构成的正弦波振荡器基本电路有两类 一类是石英 晶体作为高 Q 电感元件与回路中的其他元件形成并联谐振 称为并联 型晶体振荡器 另一类是石英晶体工作在串联谐振状态 作为高选择 性短路元件 称为串联型晶体振荡器 五 石英晶体振荡电路优缺点 1 容易起振 2 频率调节不方便 3 工作频率泛音式振荡可达MHzf200 4 振荡波形好 5 稳定度可达 11 10 数量级 3 2 振荡器的选择振荡器的选择 一 变压器反馈式LC正弦波振荡器 电路易起振 频率调节方便但波形差工作在低频段 二 采用石英晶体振荡器 石英晶体谐振器具有很高的标准性 电路的频率稳定度高 输出 波形好 电路简单 只有该电路的稳定度才能满足指标要求 为使电 路工作的稳定度提高采用 50MHz的泛音式振荡 通过对比采用石英晶体振荡器 4 4 频率调制频率调制 4 1 频率调制的频率调制的性能指标性能指标 1 中心频率要稳定 2 最大频偏 m f KHz75 3 非线性失真要小 4 调制灵敏度要要高 4 2 频率调制方案选取频率调制方案选取 4 2 1 方案一 变容二极管直接调频电路方案一 变容二极管直接调频电路 一 变容二极管的特性 变容二极管是根据 PN 结的结电容随反向电压改变而变化的原理设 计的一种二极管 它的极间结构 伏安特性与一般检波二极管没有多 大差别 不同的是在加反向偏压时 变容二管呈现一个较大的结电容 这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化 正是利用了变容二极 管这一特性 将变容二极管接到振荡器的振荡回路中 作为可控电容 元件 则回路的电容量会明显地随调制电压而变化 从而改变振荡频 率 达到调频的目的 二 变容二极管直接调频电路图如 4 1 所示 图 4 1 变容二极管直接调频电路 工作原理 图中 1 R 2 R是变容二极管的偏置电阻 3 R为隔直电阻 主要是隔离音频放大与振荡之间相互干扰 2 C 是高频噪声消除电容 1b R 2b R 为射随器的基极偏置电阻 由 Q 3 C 4 C 5 C JT j C 组 成并联型晶体振荡电路产生MHz50的振荡频率 其中正反馈电压取自 3 C两端 1 变容二极管直接调频电路的调制非线性是由相对频偏 W Wc 的非理想变容特性引起的 因此在保证一定失真要求的前提下 通过提高载波 Wc 可以扩大电路的最大有效频偏 m W 该图是 MHz50的 直接调频电路 由晶体 变容二极管 一个 3 C和 4 C 的电容和三极 管一起构成了调频电路的主体 2 又振荡电路的知识我们知道三极管集电极支路中 按频分 方式共存有较大的基频群已调波和较小的二倍频群已调波 这时在该 支路中接入并联谐振回路 使它谐振于二倍频群 完成对二倍频群的 已调波分量的提取 并同时满足基频分量的低阻抗特性 减小对振荡 的影响 3 总之 这种先在较低的载频上进行调频 然后再通过提取 较高载频已调波的扩展频偏方法 使的我们可以在调频时采用高稳定 的晶体型调频电路 而不用考虑频偏的不足 4 需要指出的是 直接调频电路在具有调制频偏大的相对优 势外 还存在着控制精度差和稳定性不好的缺陷 这些缺陷可归纳为 以下两个原因 a 调制信号对震荡频率直接控制时带来的瞬态过程较长 b 震荡和调控信号在部分电路中共存所形成的相互影响 4 电路中输出采用的是射极输出器 它具有以下的特点 可以作为高输入电阻的输入级 可以作为低输出电阻的输出级 可以作为两极共射放大电路之间的隔离级 起到阻抗匹配作 用 4 2 2 方案二 变容二极管间接调频电路方案二 变容二极管间接调频电路 变容二极管直接调频电路图如 4 2 所示 图 4 2 间接调频原理方框图 变容二极管直接调频电路图如 4 3 所示 图 4 3 变容二极管间接调频电路 工作原理 图中三极管 V 构成载波放大器 其输入信号来自高稳 太的晶体振荡器 输出电压通过 R1 C1 加到由 L 和变容二极管结电 容 Cj构成的并联谐振回路调相电路 C1 C2为隔直电容 对载波可视 为短路 所以载波输出电压 tus经 R1变成电流输入调相电路 R2用 来减轻后级电路对回路的影响 9V 直流电压通过 R3 R 供给变容二 极管的反向偏置电压 R3 用作调制信号与偏压源之间的隔离电阻 C3 为调制信号耦合电容 R C 为积分电路 4 3 所选变容二极管直接调频电路参数的估算所选变容二极管直接调频电路参数的估算 选取变容二极管直接调频电路 该电路原理简单 容易获得较大 的频偏 1 1 R 2 R 3 R的估算 因为 1 R 2 R是变容二极管的静态偏置电压电阻 所以 Q V 21 2 RR RVcc 取 Q V 4V 1 R 10K 则 2 R 12 5K 取 2 R标称值 10K 隔离电阻 3 R取 3 9K 2 1 C的取值 因为 1 C为高频滤波电容 取值如表 2 1 所以 1 C取值为 1000p 3 JT 的选择 JT 选用大约MHz50的泛音式振荡 4 射极输出元件的估算 因为 Vcc 9V L R 75 100 取 CQ I 1 5mA e R 560 eQ V CQ I e R 0 84V b V eQ V 0 7V 1 54V bQ I CQ I 1 100 14 85 A 取流过 1b R 的电流为 10 bQ I 则 1b R bQ bCC I VV 10 50 24 K bQ b b I V R 3 2 K21 35 取标称值 1b R 47 K 2b R 33 K 5 5 C的估算 C 耦 3 10 2 LLR f 10 2 3 14 50M 0 75 43 pF 5 C取标称值 47 pF 5 5 高频功率放大器高频功率放大器 5 1 高频功率放大器概述高频功率放大器概述 一 高频功率放大器的功能 高频功率放大器的主要功能是用小功率的高频输入信号去控制高 频功率放大器 将直流电源供给的能量转换为大功率高频能量输出 它 主要应用于各种无线电发射机中 二 高频功率放大器的主要技术指标 1 高频输出功率 输出功率 Po 2 效率 输出功率 Po 直流电源功率 P 3 功率增益 输出功率 Po 输入功率 Pi 4 带宽 7 0 B 5 矩形系数 Kr0 1 带宽 B0 1 带宽 B0 7 三 高频功率放大器的分类 高频功率放大器可分为窄带放大器和宽带放大器两类 例如 中波 段调幅广播的载波频率为 535 1605 kHz 而传送信息的相对带宽只有 0 6 1 7 发射机中的高频功率放大器一般采用窄带选频网络为负载 而对某些特殊要求的通信机 要求频率相对变化的范围大 由于调谐系 统复杂 窄带高频功率放大器的应用就受到很大的限制 采用传输线变 压器作负载可构成宽带高频功率放大器 高频功率放大器希望输出的谐波分量尽可能小 以免对其它频道产生干 扰 国际对谐波辐射规定是 1 对中波广播来说 在空间任一点的谐波场强不得超过基波场强 的 0 02 2 无论电台的功率有多大 在距电台一公里处的谐波场强不得大 于 50 v m 在一般情况下 假如任一谐波的辐射功率不超过 25mW 即可 认为满足上述要求 5 2 谐振功率放大电路谐振功率放大电路 谐振功率放大器是由输入回路 晶体管和输出回路组成 输入 输 出回路在谐振功率放大器中的作用是 提供放大器所需的正常偏置 实 现滤波 调谐于基波频率 保证阻抗匹配 可认为它是由直流馈电电路 和匹配网络两部分组成 一 直流馈电电路直流馈电线路包括集电极馈电和基极馈电线路 图 5 1 是集电极馈电线路的两种形式 串联馈电线路和并联馈电 线路 图 5 1 a 晶体管 负载回路 电源三者是串联的 故称为串 连馈电 图 5 1 b 中晶体管 电源 谐振回路三者是并联连接的 故称为并联馈电 图 5 1 集电极馈电线路两种形式 a 串联馈电 b 并联馈电 二 匹配网络双端口网络应具有这样的几个特点 1 以保证放大器传输到负载的功率最大 即起到阻抗匹配的作用 2 抑制工作频率范围以外的不需要频率 即有良好的滤波作用 3 大多数发射机为波段工作 LC 匹配网络 6 6 整机电路分析与调试整机电路分析与调试 6 1 液晶显示控制电路液晶显示控制电路 1 2 3 4 J1 CO N4 VCC VCC C4 104 VCC LC D C LK LC D R ST LC D SC E LC D D C LC D D A K EY 1 K EY 2 K EY 3 REST VOUT GND OSC SCE D C SDIN SCLK VDD LED LED CO N1 LCD5110 VCC C7 104 VCC R9 22R R F SD A R F SC L C1 10uF S2 S3 S1 K EY 3 K EY 2 K EY 1 制制制制制制制 RST P3 6 1 RXD 2 TXD 3 X1 4 X2 5 P3 3 6 P3 4 7 GND 8 P3 7 9 P1 0 10 P1 1 11 P1 2 12 P1 5 13 P1 6 14 P1 7 15 VCC 16 U4STC11L04E 图 6 1 液晶显示控制电路 1 液晶显示采用 STC11L04E 控制 STC11L04E 为 1T 单时钟周期 单片机 工作电压 2 4V 3 6V 4K 的 flash 256 字节的 SRAM 1K 的 EEPROM 采用 SOP16 封装 其引脚 图如下 图 6 2 STC11L04E 引脚图 2 液晶屏幕选用 LCD5110 图 6 3LCD5110 LCD5110 特点 性价比高 可显示 15 个汉字 30 个字符 接口简单 仅四根 I O 线即可驱动 速度快 是 LCD12846 的 20 倍 是 LCD1602 的 40 倍 其工作电压 3 3V 正常显示时工作电流 200uA 以下 且有 掉电模式 6 2 实验整机电路图实验整机电路图及相关程序及相关程序 实验整机电路图见附录 B 试验相关程序见附录 C 下图 6 4 为实验电源电路图 12V C43 104 R20 100 R21 1K C45 220uF C44 104 VCC ADJVin 3 ADJ 1 Vout 2 U5 LM 317 图 6 4 实验电源电路图 电源要求 1 输入电压 直流 12V 2 输入电流 1 0A 6 3 整机主要元器件选用及简介整机主要元器件选用及简介 所有部件型号参数见附录 A 表一 1 FM 发射芯片采用 QN8027 QN8027 是一颗低能耗 高性能的单芯片立体声 FM 调频发射芯片 主 要适用于多种便携式多媒体产品 包括 MP3 MP4 数码像框 Audio 手机 GPS 以及个人数字广播等领域 QN8027 现已被国际知 名公司品牌上使用如 IPOD 贝尔金 该芯片通过了 FCC 认证 同时 具备优良性能 信噪比达到 65dB 且每个 IC 引脚的 ESD 均有 2000V 从而使产品具备高直通率和大大降低了在 FM 发射方面出现问题造成 的返修比例 QN8027 集成了完整的发射功能 从立体声输入和 RF 天线发射等功能 可满足应用于全球的 FM 带宽的调频发射广播 它包含可变的输入增 益调节 可选的预加重电路 高精确度 抗干扰的立体声编码和导频 控制 低燥音的 PLL 合成调制 可调输出功率放大器以及带通滤波功 能等等以确保最清洁的发射频谱 QN8027 拥有集成晶振驱动和单芯片数字校验电路 完全无需外围扩展 电路就能确保音频的良好通行 支持 7 6MHz 参考时钟和晶振 保证 了高品质的音频效果 它同时集合了实时过调制监测器和可编程的音 频接口以排除失真 使音质最优化 以支持更为宽广的音频输入 由 于它的低功耗 充分的延长电池寿命 基于 LDO 的构造 使得 QN8027 可以直接联接电池和提供高水准的 PSRR 以更高效的控制音噪 特别是对于来自于 GSM GPRS 手机的 TDMA 的噪音 QN8027 可以支持固定频点发射 能不间断的支持 76 108MHz 全频段 能同时支持包括北美 欧洲 亚洲 日本等在内的 FM 调频频率 支 持两线 三线控制以实现单一操作控制所有的可编程功能 同时 GPIO 控制总线在无需使用 MCU 时使操作控制更方便简单化 图 6 6 发射芯片 QN8027 引脚图 引脚定义 XTAL2 晶振接入 XTAL1 晶振接入 VCC 电源接入 GND 接地 RFO 射频输出 ALI 左声道输入 ARI 右声道输入 VIO 输入 输出控制 SDA I2C 总线 SCL I2C 总线 2 运算放大电器采用 LM358 LM358 内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿的双运算放大 器 适合于电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模 式 在推荐的工作条件下 电源电流与电源电压无关 特性 内部频率补偿 直流电压增益高 约 100dB 单位增益频带 宽 约 1MHz 电源电压范围宽 单电源 3 30V 双电源 1 5 一 15V 低功耗电流 适用于电池供电 低输入偏流 低输入失真 电压和电流 共模输入电压范围宽 包括接地 差模输入电压范围宽 等于电源电压范围 输出电压摆幅大 0 至 Vcc 1 5V 图 6 7 运算放大器 LM358 参数 输入偏置电流 45 nA 输入失调电流 50 nA 输入失调电压 2 9mV 输入共模电压最大值 VCC 1 5 V 共模抑制比 80dB 电源抑制比 100dB 3 稳压芯片采用 LM317 和 LM117 LM317 稳压器电路图如下 图 6 8LM317 稳压器电路图 LM117 LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路 LM117 LM317 的输出电压范围是 1 2V 至 37V 负载电流最大为 1 5A 它的使用非常简单 仅需两个外接电阻来设置输出电压 此外它的线 性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好 LM117 LM317 内置 有过载保护 安全区保护等多种保护电路 通常 LM117 LM317 不需要 外接电容 除非输入滤波电容到 LM117 LM317 输入端的连线超过 6 英寸 约 15 厘米 使用输出电容能改变瞬态响应 调整端使用滤 波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比 LM117 LM317 能 够有许多特殊的用法 比如把调整端悬浮到一个较高的电压上 可以 用来调节高达数百伏的电压 只要输入输出压差不超过 LM117 LM317 的极限就行 当然还要避免输出端短路 还可以把调整端接到一个可 编程电压上 实现可编程的电源输出 可调整输出电压低到 1 2V 保 证 1 5A 输出电流 典型线性调整率 0 01 典型负载调整率 0 1 80dB 纹波抑制比 输出短路保护 过流 过热保护 调整管安 全工作区保护 标准三端晶体管封装 LM117 LM317 1 25V 至 37V 连续可调 总结总结 本论文首先确立出什么是小功率 FM 发射机电路 拟定了调配发射 的系统框图 以及部分的波形图 然后通过各部分系统优缺点的对比 确定的电路最优形式 计算 各级电路元件的参数并选取元件 总的来说 此次毕业实习及毕业设计完成了任务书规定的各项要 求 掌握了小功率调频发射机的调试过程 熟悉各种仪器的调试 特 别是关于频偏的测试 选择各级电路的静态工作点 掌握了调频发射 机整机电路的设计与调试方法 以及高频电路的调试中常见故障的分 析与排除 学会如何将高频单元电路组合起来实现满足工程实际要求 的整机电路的设计与调试技术 在设计中使我对电子设计软件 EDA protel99 办公软件 word Excel 等的操作过程更加熟练 最后敬请各位专家 老师和同学对论文和今后的研究工作提出宝 贵的指导意见和建议 致谢致谢 此次毕业实习 毕业设计和学位论文撰写过程中 得到了多位老 师 同学 朋友的关心 指导和帮助 入学以来 各位老师一直以来 的辛勤工作和教诲使我能顺利地度过这难忘的四年 使我在综合素质 提高 专业理论知识学习和实践工作能力等各方面受益匪浅 感谢四年以来众多同学和朋友的帮助 大家一起在紧张的学习之 余度过了许多愉快的时光 感谢父母多年以来的关爱 参考文献参考文献 1 胡宴如 高频电子线路 第二版 北京 高等教育出版社 2 杨翠娥 高频电子线路实验与课程设计 哈尔滨 哈尔滨工程大学 出版社 3 杨素行 模拟电子技术基础简明教程 第二版 北京 高等教育出 版社 4 王军伟 音响设备原理与维修技术 北京 高等教育出版社 5 张庆双 电子元器件的选用与检测 北京 机械工业出版社 7 刘守义 高频电子技术 第一版 北京 电子工业出版社 8 张义芳 冯建华 高频电子线路 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 9 武秀玲 沈伟慈 高频电子线路 西安 西安电子科技大学出版社 附录附录 A A 附录附录 B B C18 105 C19 105 C5 105 5 6 7 U1B LM 358 3 2 1 84 U1A LM 358 R3100 R4 47K 6V 6V R73K3 R8 3K3 6V C24 5P R5 47K R6 47K C10 104 C6104 R15 47K R10 100 R14 100 R13 100 Q1 9018 Q4 2SC1971 Q2 2SC3355 Q3 2SC2053 C21 22P C31 75P C9 104 C22 22P C8 104 C33 75P C35 75P C15 104 C36 75P C41 75P C40 75P C34 75P C25 22P C29