调频收音机的设计.doc

武汉理工大学高频电子线路课程设计说明书题 目：调频收音机 初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。要求完成的主要任务：1. 采用分离元件或集成电路设计一个调频收音机2. 接收频率范围 88168 MHz3. 采用3V 电池供电；采用耳机或喇叭放音；4. 接收 FM 波段的无线广播清晰、可靠，无明显杂波；5. 立体声解码电路作为本设计的发挥部分；6. 完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结等）。时间安排：12010年6月4日分班集中，布置课程设计任务、选题；讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求；课设答疑事项。22010年6月5日 至2010年6月10日完成资料查阅、设计、制作与调试；完成课程设计报告撰写。3. 2010年6月11日提交课程设计报告，进行课程设计验收和答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录摘要IAbstractII1 调频接收机的主要技术指标12 调频接收机设计22.1 工作原理22.2 单元电路设计22.2.1 高频小信号放大电路22.2.2 混频电路32.2.3 中频放大电路72.2.4 鉴频电路92.3 总体设计103 仿真与分析124 总结与体会145 参考文献15附录1615调频收音机设计摘要此设计思路为将超外差式调频接收机分成摄入调谐回路、高频放大、混频、本机振荡、中频放大、鉴频、低频功放等几个部分，分别讲述如何实现将天线接收到的高频信号进行选频、放大、混频，最后解调出低频调制信号等功能。将设计参数要求分解到各模块的设计中以分别实现。关键词：超外差 鉴频AbstractThis design concept for the superheterodyne FM receiver will be divided into intake tuning, bribery, high-frequency amplification, mixing, the local oscillation, IF amplification, frequency, low-frequency amplifier, and several other parts, respectively, said the antenna to receive high-frequency signals selected frequency, amplification, mixing, the final demodulator to low-frequency modulation signals, and other functions. Decomposition will require the design parameters of various modules in the design were to achieve.Key words: super-heterodyne discriminator frequency1 调频收音机的主要技术指标调频接收机的主要技术指标有：工作频率范围接收机可以接受到的无线电波的频率范围称为接收机的工作频率范围或波段覆盖。接收机的工作频率必须与发射机的工作频率相对应。如调频广播收音机的频率范围为88108 MHz，是因为调频广播发射机的工作范围也为88108MHz灵敏度接收机接收微弱信号的能力称为灵敏度，通常用输入信号电压的大小来表示，接收的输入信号越小，灵敏度越高。调频广播收音机的灵敏度一般为2V30V。选择性接收机从各种信号和干扰中选出所需信号（或衰减不需要的信号）的能力称为选择性，单位用dB（分贝）表示，dB数越高，选择性越好。调频收音机的中频干扰应大于50dB。频率特性接收机的频率响应范围称为频率特性或通频带。调频机的通频带一般为200KHz。输出功率接收机的负载上获得的最大不失真（或非线性失真系数为给定值时）功率称为输出功率。2 调频接收机设计2.1 工作原理一般调频接收机的组成框图如图2-1所示。其工作原理是：天线接受到的高频信号，经输入调谐回路选频为，再经高频放大级放大进入混频级。本机振荡器输出的另一高频亦进入混频级，则混频级的输出为含有、()、()等频率分量的信号。混频级的输出接调频回路选出中频信号()，再经中频放大器放大，获得足够高增益，然后鉴频器解调出低频调制信号，由低频功放级放大。由于天线接收到的高频信号经过混频成为固定的中频，再加以放大，因此接收机的灵敏度较高，选择性较好，性能也比较稳定。本地振荡低频功放鉴频中频放大混频高频放大输入调谐回路图2-1 超外差式调频接收机组成框图2.2 单元电路设计2.2.1 高频小信号放大电路如下图2-2所示为共射级接法的晶体管高频小信号放大器。它不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此晶体管的负载为LC并联谐振回路。在高频情况下，晶体管本身的极间电容及连接导线的分布参数等会影响的频率和相位。晶体管的静态工作点由电阻RA2,RA3,RA4及RA6决定，其计算方法与低频单管放大器相同。从天线ANTA1接收到的高频信号经过CA1、CCA1、LA1组成的选频回路，选取信号为fs=10.7MHZ的有用信号，经晶体管QA1进行放大，由CA3、TA1初级组成的调谐回路，进一步滤除无用信号，将有用信号经变压器和CB1耦合进入FS2204。图2-2 晶体管高频小信号放大器2.2.2 混频电路因为中频比外来信号频率低且固定不变，中频放大器容易获得比较大的增益，从而提高收音机的灵敏度。在较低而又固定的中频上，还可以用较复杂的回路系统或滤波器进行选频。它们具有接近理想矩形的选择性曲线，因此有较高的邻道选择性。如果器件仅实现变频，振荡信号由其它器件产生则称之为混频器。(a)原理电路(b)等效电路图2-3 二极管环形混频器A、原理电路及其等效电路四个二极管组成平衡电路如图2-3所示。构成的二极管环形混频电路中，各二极管均工作在受参考信号控制的开关的状态，它是另一类开关工作的乘法器。对于图2-3（a）原理电路所示，通常将信号输入端口称之为R端口，本振电压输入端口称之为L端口，中频输出信号端口称之为I端口 。 二极管环形混频器产品已形成完整的系列，它用保证二极管开关工作所需本振功率电平的高低进行分类，其中常用的是 Level 7，Level 17，Level 23三种系列，它们所需的本振功率分别为7dBm(5mW)，17dBm(50mW)和23dBm(200mW)，显然，本振功率电平越高，相应的1dB压缩电平也就越高，混频器的动态范围也就越大。对应于上述三种系列，1dB压缩电平所对应的最大输入信号功率分别为1dBm(1.25mW)、10dBm(10mW)、15dBm(32mW) 。 二极管环形混频器具有工作频带宽（从几十千赫到几千兆赫）、噪声系数低（约6dB）、混频失真小、动态范围大等优点。 二极管环形混频器的主要缺点是没有混频增益，端口之间的隔离度较低，其中L端口到R端口的隔离度一般小于40dB，且随着工作频率的提高而下降。实验表明，工作频率提高一倍，隔离度下降5dB。B 、原理分析 电路工作条件：二极管伏安特性为过原点斜率等于的直线；输入电压中， ，且，此时，二极管将在的控制下轮流工作在导通区和截止区。 由图2-3(a)知，流过负载 的总电流为： 。当 时，二极管D3、D2导通，D1、D4截止，相应的等效电路为图2-3(c)：列出的 KVL 方程为： 所以，流过各二极管的电流为： 图2-3 (c) (公式2-1)流过负载的总电流为： (公式2-2)当 0 时，二极管D1、D4导通，D3、D2截止，相的等效电路如图2-3 (d) 图2-3(d) 等效电路列出的 KVL 方程为： 流过各二极管的电流为： (公式2-3)流过负载的总电流为： (公式2-4)在 的整个周期内，流过负载的总电流可以表示为： (公式2-5)利用开关函数，可以将上式表示为： 即 (公式2-6)由此可见，电流中包含的频率分量为： 中的有用中频分量为 (公式2-7)电路特点：若二极管特性一致，变压器中心抽头上、下又完全对称，则环形电路的最重要特点就是各端口之间有良好的隔离。 C 、插入损耗 根据定义，由图 2-3(a)知，流过输入信号源端的电流为 将式(公式2-2)和(公式2-4)代入上式中得： (公式2-8)所以接在信号源端的等效负载电阻为： (公式2-9)若令 ，实现功率匹配，信号源提供的信号功率最大，为 (公式2-10)输出端输出的中频电压幅值为 (公式2-11)相应的输出中频功率为： (公式2-12)因此，电路的插入损耗为： (公式2-13)实际二极管环形混频器各端口的匹配阻抗均为 50 。应用时，各端口都必须接入滤波匹配网络，分别实现混频器与输入信号源、本振信号源、输出负载之间的阻抗匹配。2.2.3 中频放大电路中频放大电路的任务是把变频得到的中频信号加以放大，然后送到检波器检波。中频放大电路对超外差收音机的灵敏度、选择性和通频带等性能指标起着极其重要的作用。图2-4是LC单调谐中频放大电路，图2-5为它的交流等效电路。图中Tr1、Tr2为中频变压器，它们分别与C1、C4组成输入和输出选频网络，同时还起阻抗变换的作用，因此，中频变压器是中放电路的关键元件。图2-4 中频放大电路图2-5 中频放大器交流等效电路中频变压器的初级线圈与电容组成LC并联谐振回路，它谐振于中频465kHz。由于并联谐振回路对谐振频率的信号阻抗很大，对非谐振频率的信号阻抗较小。所以中频信号在中频变压器的初级线圈上产生很大的压降，并且耦合到下一级放大，对非谐振频率信号压降很小，几乎被短路（通常说它只能通过中频信号），从而完成选频作用，提高了收音机的选择性。中频变压器的另一作用是阻抗变换。因为晶体管共射极电路输入阻抗低，输出阻抗高，所以一般用变压器耦合，使前后级之间实现阻抗匹配。一般收音机采用两级中放，有3个中频变压器（常称中周）。第一个中频变压器要求有较好的选择性，第二个中频变压器要求有适当的通频带和选择性，第三个中频变压器要求有足够的通频带和电压传输系数，由于各中频变压器的要求不同，匝数比不一样，通常磁帽用不同颜色标志，以示区别，所以不能互换使用。 实际电路中常采用具有中间抽头的并联谐振回路,如图2-6(a)所示,(b)是它的等效电路。可以看出，它是由两个阻抗性质不同的支路组成。由于L1、L2都绕在同一磁芯上，实际上是一个自耦变压器。(a)电路 (b)等效电路图2-6 LC回路部分接入法利用变压器的阻抗变换关系，可求得等效谐振电路的谐振阻抗： (公式2-14)（式中为电感线圈的总匝数）。即具有抽头并联谐振电路的谐振阻抗等于没有抽头的谐振阻抗的 倍。由于 1，所以，适当选择变比可取得所需求的，从而实现阻抗匹配。上述中放电路结构简单，回路损耗小，调试方便，所以应用广泛。2.2.4 鉴频电路实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类,第一类是调频-调幅调频变换型。这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波,然后用振幅检波器进行振幅检波。第二类是相移乘法鉴频型。这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波,其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系,然后将调相调频波与原调频波进行相位比较,通过低通滤波器取出解调信号。因为相位比较器通常用乘法器组成,所以称为相移乘法鉴频。第三类是脉冲均值型。这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相等的单极性等幅脉冲序列,然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值,这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。图2-7是双失谐回路鉴频器的原理图。它是由三个调谐回路组成的调频-调幅调频变换电路和上下对称的两个振幅检波器组成。初级回路谐振于调频信号的中心频率 ,其通带较宽。次级两个回路的谐振频率分别01 、02 ,并使01 、02 与c成对称失谐。即：图2-7 双失谐回路鉴频器原理图图2-7左边是双失谐回路鉴频器的幅频特性,其中实线表示第一个回路的幅频特性,虚线表示第二个回路的幅频特性,这两个幅频特性对于c 是对称的。当输入调频信号的频率为c 时,两个次级回路输出电压幅度相等,经检波后输出电压。当输入调频信号的频率由c向升高的方向偏离时, L2C2回路输出电压大,而L1C1回路输出电压小,则经检波后,则0。2.3 总体设计根据设计要求及给定的主要元器件，确定元件参数。其中，输入耦合回路直接采用6.5MHz电视伴音中频变压器，本机振荡器为17.8MHz的晶振与三极管组成的考毕兹电路，微调电容可以使本振输出频率为17.2MHz；三极管与中频变压器组成混频器，输出10.7MHz中频信号；FS2204为单电源工作方式，输出端接电容，组成OTL电路。为使混频管易进入非线性区，的静态工作点应较低，取，设，则 为使本机振荡器易于起振且输出电压较大，晶体管的静态工作点比要高。取，设，则电阻的作用是降低混频级中晶体管的静态工作点并滤除电源纹波。可由下式计算：此设计利用芯片FS2204作为核心，其内部包含中频放大器、调幅检波器、调幅混频器、调频减贫其、AGC自动增益控制、AFC自动频率控制及音频功放等功能。故只需调整好芯片外部电路和相关参数既可实现要求的调频接收机除混频外全部功能。混频级出了完成高频调频信号与本机振荡信号的差拍混频外，还要有一定的电压增益，以满足FS2204内部中方与鉴频器的要求。本机振荡器由于采用了晶振，输出固定频率，所以电路不需要反复调谐。但要注意的是，在电路不起振时，可以改变晶体管的静态工作点及有关参数。本振的束缚电压不能太低，一般要大于200mV。3 仿真与分析由于系统设计所需主体芯片FS2204在Multisim仿真库中并不存在，其内部包含中频放大器、调幅检波器、调幅混频器、调频减贫其、AGC自动增益控制、AFC自动频率控制及音频功放等功能。所以只对混频电路(图3-1)进行部分仿真，仿真结果如图3-2所示。图3-1 混频电路考虑实际应用，三极管3DG100型号较旧，且性能交叉；故模拟采用ZTX337A。图3-2 混频电路仿真结果输出频率为10MHz，理论设计混频电路输出为10.7MHz，由此可以看出混频电路部分达到了设计指标。4 总结与体会无线电信号的接受过程正好和发送过程相反。在接收处，先用接收天线将收到的电磁波转变为已调波电流，然后从已调波电流中检出原始的信号。最后再用听筒或扬声器将检波取出的音频电流转为声能，人就听到了发射机处发送的语言、音乐等信号。但是，接收天线所收到的电磁波很微弱。为了提高接收机的灵敏度，可在检波器之前加一级至几级高频小信号放大器，然后再检波。检波之后，再经过适当的低频放大，最后送到扬声器或耳机中转为声音，这样的接收机叫做直接放大式接收机。它的缺点是，对于不同的频率，接收机的灵敏度和选择性变化叫剧烈，而且灵敏度因为