小功率调频发射机

1、小功率调频发射机课程设计摘要在广播、通信、控制等系统中，广泛采用频率调制（Frequency Modulation，缩写为FM）。频率调制的主要优点是抗干扰性强，主要用于调频广播、广播电视、通信以及遥测等。低频信号不能直接以电磁波的形式有效地从天线上发射出去，因此，在发送端须采用调制的方式，将低频信号加到高频信号之上，然后将这种带有低频信号的高频信号发射出去，在接收端则把带有这种低频信号的高频信号接收下来，经过频率变换和相应的解调方式"检出"原来的低频信号，从而达到通讯和广播的目的。本次课程设计针对小功率调频发射机进行设计，它主要有调频振荡、缓冲隔离、功率激励和末级功放各部

2、分电路组成。振荡级将产生5MHz的工作频率，功率激励即对电压进行放大，末级功放将工作在丙类状态A>50%，最后将对信号由天线发射出去。关键词：调频；发射机目录一、 设计目的、意义················3二、 设计内容·················&#

3、183;·31、 方案设计·················32、 方案选择·················33、 各组成部分的功能·········

4、3;···44、 各组成部分电路设计············4三、结果分析····················19四、设计心得··········

5、··········21五、参考文献····················22一、 设计目的、意义针对电子线路课程要求，进行实用型电子线路设计、安装、调试等各环节综合性的学习，学会运用课程中所学的理论与实践紧密结合，独立的解决实际问题的能力。二、 设计内容1、方案设计LC振荡调频电路中其采用的调频

6、方法有两种：一种是直接调频；另一种是间接调频。方案一：直接调频。这种方法一般采用调制电压直接控制振荡器的振荡频率，振荡频率f(t)按调制电压规律变化。在此设计的电路中被控制的是LC振荡器，则只需要控制振荡回路的某个元件（L或C），使其参数随调制电压变化，就可以达到直接调频的目的。此种方法电路简单、性能良好，是目前广泛采用的调频电路之一。但这种方法的缺点是频率稳定度差，在许多场合须对载频采取稳频措施或者对晶体振荡器进行直接调频。方案二：间接调频。这种方法是将调制信号积分，然后对载波进行调相，间接调频时，调制器与振荡器是分开的，因此对振荡器影响小，其频率稳定度高。在设计中若载频不稳，则有可能使调频

7、信号的频谱落到接收机通带外，因此对于调频电路不仅要满足一定频偏要求，而且振荡频率必须保持足够高的频率稳定度。2、方案选择本次设计我们采用的是间接调频，这样易于保持中心频率的稳定度，虽然间接调频不易获得最大频偏但是在设计中采用的是三级单回路变容管调相电路，这样既可以保持中心频率又可以获得最大频偏。设计要求的发射功率PA不大，工作中心频率f0也不高，因此，晶体管的参量影响及电路的分布参数的影响不会很大，整机电路设计的框图如图1所示。调制信号13dB13dB0dBmW500mW25mW1.25mW1.25LC振荡与调频缓冲隔离功率激励末级功放图13、各组成部分的功能1）LC调频振荡器：产生频率f05

8、MHz的高频振荡信号，变容二极管线性调频，最大频偏fm10kHz，整个发射机的频率稳定度由该级决定。2）缓冲隔离级：将振荡级与功放级隔离，以减小功放级对振荡级的影响。因为功放级输出信号较大，当其工作状态发生变化时（如谐振阻抗变化），会影响振荡器的频率稳定度，使波形产生失真或减小振荡器的输出电压。整机设计时，为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级，缓冲隔离级电路采用射极跟随器电路。3）功率激励级：为末级功放提供激励功率，如果发射功率不大，且振荡级的输出能够满足末级功放的输入要求，功率激励级可以省去。4）末级功放：将前级送来的信号进行功率放大，使负载（天线）上获得满足要求的发射功率。如果要求

9、整机效率较高应采用丙类功率放大器，若整机效率要求不高如A<50%波形失真要求较小时可以采用甲类功率放大器，但是本题要求故A>50%选用丙类功率放大器较好。4、各组成部分电路设计4.1.1末级功放电路设计a基本关系式末级功放采用丙类功率放大器，其电路原理如图3-1所示。丙类功率放大器的基极偏置电压-VBE是利用发射机电流的分量Ieo在射极电阻R21上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号Vi为正弦波时，集电极的输出电流iC为余弦脉冲波。利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压uC、电流iC1。(1)集电极基波电压的振幅式中，Icm1为集电极基波电流的振幅；RP

10、为集电极负载阻抗。(2)输出功率PO （3-1）(3)直流功率PV(4)集电极耗散功率PT(5)集电极的效率(6)集电极电流分解系数(7)导通角（一般取）b确定丙类放大器的工作状态为了获得较高的效率和最大的输出功率P，选丙类放大器的工作状态为临界状态，功放管为3DA1。3DA1的参数如表3-1所示。表3-13DA1参数表PCMICMVCEShfefTAP1W750mA1.5V1070MHz13dB(1)最佳匹配负载RP=110.25由P=0.5UcmIcm1=Ucm2/(2RP)可得：集电极最大输出电压Ucm=10.5V。(2)集电极基波电流振幅：Icm1=95.24mA集电极电流最大值Icm

11、=Icm1/1(700)=95.24/0.44=216.45mA。(3)集电极电流直流分量Ico=Icm×0(700)=216.45×0.25=54.11mA，电源供给的直流功率Pv=Vcc×Ico=649.35mW。(4)集电极的耗散功率PT=Pv-P=649.35-500=149.35mW(小于PCM =1W)(5)总效率=Po/Pv=500/649.35=77.00%输入功率Pi=25mW，若设本级功率增益Ap=13dB(20倍)，则输入功率Pi=P/Ap=25mW(6)基极余弦脉冲电流的最大值Ibm(设晶体管3DA1的=10)Ibm=Icm/=21.45m

12、A基极基波电流的振幅Ibm1=Ibm1(700)=21.45×0.44=9.44Ma基极电流直流分量Ib0=Ibm0(700)=21.45×0.25=5.36mA基极输入电压的振幅Ubm=2Pi/Ibm1=5.30V丙类功放的输入阻抗c计算谐振回路及耦合回路的参数(1)输出变压器线圈匝数比N5/N3(解决最佳匹配负载问题)取N5=2，N3=3。(2)谐振回路电容C20=100PF谐振回路电感L(3)输出变压器初级线圈总匝数比N=N3+N4高频变压器及高频电感的磁芯应采用镍锌(NXO)铁氧体，而不能采用硅钢铁芯，因其在高频工作时铁损耗过大。NXO-100环形铁氧体作高频变压器

13、磁芯时，工作频率可达十几兆赫兹。若采用外径×内径×高度=10mm×6mm×5mm的NXO-100环来绕制输出耦合变压器，由公式（3-2）所示： （3-2）式中，=100H/m为磁导率；N为变压器初级线圈匝数；A=25mm2为磁芯截面积；l=25mm为平均磁路长度。计算得N=8，则N4=5或，则Oe取值210，上述公式(3-2)取2。需要指出的是，变压器的匝数N3、N4、N5的计算值只能作为参考值，由于分布参数的影响，与设计值可能相差较大。为调整方便，通常采用磁芯位置可调节的高频变压器。d基极偏置电路发射极电阻R21，由公式R21=20，可得： （3-3）

14、R21=20.33，由公式(3-3)取标称值高频旁路电容C18=0.01uF，电容C20=0.01Fe元件清单R21=20 C18=0.01uF C20=100pF L10HN3=5，N4=3，N5=2 三极管为3DA1。4.1.2激励级宽带功放电路设计利用宽带变压器作耦合回路的功率放大器称为宽带功率放大器，常见宽带变压器有用高频磁心绕制的高频变压器和传输线变压器。宽带功率一般不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得线性放大，但功率较低，一般只有20%左右。它通常作为发射机的中间级，以提供较大的功率激励。功率激励级功放管为3DG130。3DG130的参数如表3-2所示。表3-23DG130参数

15、表PCMICMVCEShfefTAP700mW300mA0.6V30150MHz13dBa计算电路参数(1)有效输出功率PH与输出电阻RH宽带功率放大器的输出功率PH应等于下级丙类功放的输入功率Pi=25mW其输出负载RH等于丙类功放的输入的输入阻抗|Zi|=86即PH=25mW，RH=86。(2)实际输出功率P，设高频变压器的效率=80%，则Po=PH/=31.25mW(3)集电极电压振幅Ucm与等效负载电阻RH。若取功放的静态电流ICQ=Icm=7mA，则Ucm=2P/ICQ=2P/Icm=8.93V 约为1.3k(4)高频变压器匝数比N1/N2取变压器次级线圈匝数N2=2，则初级线圈匝数

16、N1=6。(5)发射极直流负反馈电阻R20 取标称值360(6)功放输入功率Pi本级功放采用3DG130晶体管，若取功率增益AP=13dB(20倍)，则输入功率(7)功放输入阻抗Ri(取rbb=25 =30)若取交流负反馈电阻为10，则Ri=325(8)本级输入电压振幅Uimb计算电路静态工作点(1)VBQ、IBQ(2)R17、R18 (I1=510倍IBQ)若取基极偏置电路的电流I1=5IBQ=5×0.23mA=1.15mA，则取标称值R18=3k。为了调节电路的静态工作点，R17可由标称值为5.1k的电阻与10k的电位器组成。(3)高频旁路电容C17=0.02uF，输入耦合电容C

17、12=0.02uF。此外，还可以在直流电源VCC支路上加高频电源去耦合滤波网络，通常采用LC的型低通滤波器。电容可取0.01F，电感可取47H的色码电感或环形磁芯绕制。还可在输出变压器次级与负载之间插入LC滤波器，以改善负载输出波形。c元件清单C17=0.02F C12=0.02F R18=3K R交负=10N1=6，N2=2 R20=360 三极管为3DG1304.2缓冲隔离级电路设计从振荡器的什么地方取输出电压也是十分重要的。一般尽可能从低阻抗点取出信号，并加入隔离缓冲级如射极输出器，以减弱外接负载对振荡器幅度、波形以及频率稳定度的影响。射极输出器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍

18、数接近于1。由于待传输信号是高频调频波，主要考虑的是输入抗高，传输系数大且工作稳定。选择电路的固定分压偏置与自给偏压相结合，具有稳定工作点特点的偏置电路。如图3-2所示。射极加R16可改变输入阻抗。图3-2射级输出电路射级输出器具有输入阻抗高，输出阻抗低，电压放大倍数近似等于1的特点。晶体管的静态工作点，一般取VCEQ =1/2VCC，ICQ=(310)mA。对于图3-2所示电路：1已知Vcc=+12V，负载电阻RL=325(宽带放大器输入电阻)，输出电压振幅等于高频宽带放大器输入电压振幅，即Uom=1.0V，晶体管为3DG100（3DG6）。3DG100的参数如表3-3所示。表3-3DG10

19、0参数表PCMICMVCEShfefTAP100mW30mA30200150MHz0=60。晶体管的静态工作点应位于交流负载线的中点，一般取UCEQ=0.5Vcc，ICQ=(310)mA。(1)根据已知条件选取ICQ=4mA，VCEQ=0.5×Vcc=6V，则(2)R15、R16：取R15=1k，R16为1k的电位器。(3)R13、R14VEQ=6.0VVBQ=VEQ+0.7=6.7VIBQ=ICQ/0=66.67uA取标称值R14=10k取标称值R13=8kW(4)输入电阻Ri若忽略晶体管基取体电阻的影响，有（R18=325） （3-4）(5)输入电压Uim （3-5）(6)耦合电

20、容C12、C16为了减小射极跟随器对前一级电路的影响，C12的值不能过大，一般为数十pF，这里取C12=20PF、C16=0.02F2元件清单C12=20PF C16=0.02F R13=8k R14=10k R15=1k R16为1k的电位器 三级管为3DG1004.3 LC调频振荡器设计调频振荡电路的作用是产生频率f0=5MHz的高频振荡信号。变容二极管为线性调频，最大频偏fm10kHz。发射机的频率稳定度由该级决定，调频振荡器电路如图3-3所示。图3-3调频振荡电路4.3.1间接调频电路设计1间接调频方框图u'ucuou积分调相器图3-4间接调频方框图间接调频是对调制信号u进行积

21、分，再加到调相器对载波信号调相，从而完成调频。间接调频电路方框图如图3-4所示。2变容管调相电路设调制信号经积分后得 （3-6）式（3-6）中，k为积分增益。用积分后的调制信号对载波进行调相，则得 （3-7），上式（3-7）中与调频波表示式完全相同。由此可见，实现间接调频的关键电路是调相。本次设计采用的是变容二极管调相电路，电路如图3-5所示。图3-5变容二极管调相电路图中，L与变容二极管结电容Cj构成并联谐振回路；载波电压uc(t)经R1后作为电流源输入；调制信号u经耦合电容C3加到R3、C4组成的积分电路，因此加到变容二极管的调制信号为u'，使变容二极管的电容Cj随调制信号积分电压

22、的变化而变化，从而使谐振回路的谐振频率随调制信号积分电压的变化而变化。它使固定频率的高频载波电流在流过谐振频率变化的振荡回路时，由于失谐而产生相移，从而产生高频调相信号电压输出，从而实现调相。合理的选择变容二极管和调整电路参数，可将相位变化与调制信号成线性关系。如果将调制信号先经过积分电路后再输入，即加到变容二极管上的电压为u(t)dt，则输出的调相电压的相移与u(t)dt成线性关系，而频率与调制信号成线性关系，这就实现了间接调频。3三级单回路变容管调相电路图3-6实际间接调频电路图（三级单回路变容管调相电路）由于回路产生的相移按输入调制信号的规律变化，若调制信号在积分后输入，则输出调相波的相

23、位偏移与被积分的调制信号呈线性关系，其频率与积分前的信号亦成线性关系。由于回路相移特性线性范围不大，因此图3-5单回路变容管调相电路得到的频偏是不大的，必须采取扩大频偏措施除了用倍频方法增大频偏外，还应改进调相电路本身。在此设计中由于要求要有足够大的频偏，为了得以实现在调频中采用的是如图3-6所用的为三级单振荡回路组成的调相电路。4.3.2 LC振荡器的设计主要技术指标：工作中心频率：f0=5MHz；最大频偏：fm10kHz；1电路形式，设置静态工作点本设计对频率稳定度ff0要求不是很高，故选用图3-3所示的改进型电容三点式振荡器与三级单回路变容二极管调频电路。2三点式振荡器设计：基极偏置电路

24、元件R1、R2、R3、R4、C1的计算图中，晶体管T1与C2、C3、C4、C5、Cj、L1组成改进型电容三点式振荡器，T1为共基组态，C1为基级耦合电容。其静态工作点由R1、R2、R3、R4共同决定。晶体管T1选择3DG100，其参数见表3-3所示。小功率振荡器的集电极静态工作电流ICQ一般为(14)mA。ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真严重，频率稳定性降低。ICQ偏小对应放大倍数减小，起振困难。为了使电路工作稳定，振荡器的静态工作点取ICQ=2mA，测得三极管的=60。由R3+R4=3k，为了提高电路的稳定性，R4的值可适当增大，取R4=1k，则R3=2k。为了提高电路的稳定性，取流过电阻R2上的电流取标称值R2=8.2k根据公式（3-8）所示：则 （3-8）得R1=28.2k实际运用时R1取20k电阻与47k电位器串联，以便调整静态工作点。C1为基极旁路电容，可取C1=0.01