小功率调频发射机的设计任务书

1、东北石油大学课程设计任务书课程 高频电子线路题目 小功率调频发射机的设计主要内容、基本要求、主要参考资料等1、主要内容 利用所学的高频电路知识，设计一个小功率调频发射机。通过在电路设计、安装和调试中发现问题、解决问题，加深对高频电子线路课程理论知识的理解，提高电路设计及电子实践能力。2、基本要求 设计一个小功率调频发射机，主要技术指标为： (1) 载波中心频率； (2) 发射功率； (3) 负载电阻； (4) 调制灵敏度； 3、主要参考资料 1 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社，2006. 2 张肃文，陆兆雄. 高频电子线路(第三版). 北京：高等教育出版社，1993. 3 谢

2、自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中科技大学出版社，2000. 4 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002.完成期限 2月28日-3月4日 指导教师 专业负责人 2011 年 2 月 25 日一、电路原理1电路原理及用途(采用集成电路的可对芯片进行介绍)实际功率激励输入功率为1.56mW拟定整机方框图的一般原则是，在满足技术指标要求的前提下，应力求电路简单、性能稳定可靠。单元电路级数尽可能少，以减少级间的相互感应、干扰和自激。由于本题要求的发射功率Po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，

3、整机电路可以设计得简单些，设组成框图如图3-2所示，各组成部分的作用是：(1)LC调频振荡器：产生频率f0=6MHz的高频振荡信号，变容二极管线性调频，最大频偏，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。缓冲隔离级电路常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

4、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50%而对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，故选用丙类功率放大器较好。考虑到频率稳定度的因素，调频电路采用克拉泼振荡器和变容二极管直接调频电路。电路的工作原理是：利用调制信号控制变容二极管的结电容，改变振荡器振荡回路的总电容，从而使调频振荡器输出信号的频率随调制信号的变化而变化，即实现调频。调频后的信号经过缓冲隔离、宽放和功放后通过天线发射出去。2主要技术指标(1)发射功率发射功率指发射机发射到天线上的功率。只有

5、当天线的长度与发射信号的波长相比拟时，天线才能有效地把信号发射出去。波长 与频率 的关系是 式中，c为电磁波传播速度，c=3*108m/s。若接收机的灵敏度VA=2uV，则通信距离s与发射功率Po间的关系为 当发射功率为大于500mW时通信距离为5.08Km以上。(2)工作频率或波段发射机的工作频率应根据调制方式，在国家有关部门规定的范围内选取。对于调频发射机，工作频段一般选择在超短波范围内。(3)总效率发射机发射的总功率PO其所消耗的总功率PT比，称为发射机的总效率，用 表示。(4)调制灵敏度Kf是单位调制信号电压所引起的最大频偏，其值越大，说明调制信号控制作用越强，产生频偏越大。二、设计步

6、骤和调试过程1、总体设计电路发射机的输出应具有一定的功率才能将信号发射出去，但是功率增益又不可能集中在末级功放，否则电路性能不稳，容易产生自激。因此要根据发射机的各组成部分的作用，适当地合理地分配功率增益。如果调频振荡器的输出比较稳定，又具有一定的功率，则功率激励级和末级功放的功率增益可适当小些。功率激励级一般采用高频宽带放大器，末级功放可采用丙类谐振功率放大器。缓冲级可以不分配功率。仅从输出功率Po100mW一项指标来看，可以采用丙类功放。其电路形式如图3-1所示。 图3-1 功率激励与末级功放电路丙类功率放大器(末级功放)设计1、基本关系式如图4-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压-VB

7、E是利用发射机电流的分量Ie0在射极电阻R14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Ucm= Icm1RP式中，Icm1为集电极基波电流的振幅；RP为集电极负载阻抗。(2)输出功率PoPo= Ucm.Icm1= Ucm2/(2 RP)(3)直流功率PvPv= Vcc.Ic0(4)集电极耗散功率PTPT= Pv- Po(5)集电极的效率= Po/ Pv(6)集电极电流分解系数()n()= Icmn/icmmax(7) 导通角 , （一般取

8、） 2、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Po，选丙类放大器的工作状态为临界状态，=700，功放管为3DA1。3DA1的参数如表3-1所示。表3-1 3DA1参数表PCMICMVCEShfefTAP1W750mA1.5V1070MHz13dB(1) 最佳匹配负载 (2)由Po=0.1Ucm.Icm1= Ucm2/(2 RP)可得：集电极最大输出电压Ucm=10.5V(3)集电极基波电流振幅：Icm1=95.24mA(4)集电极电流最大值Icm= Icm1/1(700)=95.24/0.44=216.45mA(5)集电极电流直流分量Ic0= Icm*0(700)=216.

9、45*0.25=54.11mA(6)电源供给的直流功率Pv= Vcc* Ic0=649.35mW(7)集电极的耗散功率PT=Pv-Po=649.35-500=149.35mW(小于PCM =1W)(8)总效率=Po/Pv=500/649.35=77.00%(9)输入功率若设本级功率增益Ap=13dB(20倍)，则输入功率Pi=Po/Ap=5mW(10)基极余弦脉冲电流的最大值Ibm(设晶体管3DA1的=10)Ibm= Icm/=21.45mA(11)基极基波电流的振幅Ibm1= Ibm1(700)=21.45*0.44=9.44mA(12)基极电流直流分量Ib0= Ibm0(700)=21.4

10、5*0.25=5.36mA(13)基极输入电压的振幅Ubm=2Pi/ Ibm1=5.30V(14)丙类功放的输入阻抗3、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)N5/N3=71/110=0.82取N5=4，N3=5。(2) 谐振回路电容C11=100pF(3) 谐振回路电感L(4)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-

11、100环来绕制输出耦合变压器，由公式式中，=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 N=WoL/Rl*Oe*N5=16 取值210，上述公式取2。则 ，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。4、基极偏置电路(1)发射极电阻R14由公式可得， 取标称值(2)高频旁路电容C12=0.01uF。(3)高频扼流圈ZL2=47uH。(4)可变电容CT=(520)pF。5、元件清单CT=(520)pF

12、 ZL2=47uH C12=0.01uFC11=100pF N3=5，N4=3, N5=2 、3DA1管子 宽带功率放大器(功率激励级)设计功率激励级功放管为3DG130。3DG130的参数如表3-2所示。表3-2 3DG130参数表PCMICMVCEShfefTAP700mW300mA0.6V30150MHz13dB1、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PO设高频变压器的效率=80%，则Po= PH/=3

13、1.25mW(3)集电极电压振幅Ucm与等效负载电阻若取功放的静态电流ICQ=ICm=7mA，则Ucm= 2Po /ICQ=2Po /ICm=8.93V 约为1.3K(4)高频变压器匝数比N1/N2取变压器次极线圈匝数N2=2，则初级线圈匝数N1=6。(5)发射极直流负反馈电阻R13 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 )若取交流负反馈电阻为10，则(8)本级输入电压振幅Uim2、计算电路静态工作点(1)、(2)R11、R12 (I1=510倍IBQ )若取基极偏置电路的电流I1=5=

14、5*0.23mA=1.15mA，则取标称值R12=3k。 为了调节电路的静态工作点，R11可由标称值为5.1 k的电阻与10 k的电位器组成。(3)高频旁路电容C10=0.02uF。(4)输入耦合电容C9=0.02uF。此外,还可以在直流电源VCC 支路上加高频电源去耦滤波网络,通常采用LC的型低通滤波器。电容可取0.01uF,电感可取47uH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。3、元件清单C9=0.02uF C10=0.02uF N1=6， N2=2 R13 =360 3DG130管子缓冲隔离级电路(射极输出器)设计从振荡器的什么地方取

15、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，放大倍数接近于1。1、电路形式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4-2所示。射极加RW2可改变输入阻抗。图4-2 射极输出器电路2、估算偏置电路元件(1)已知条件：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3DG1

16、00（3DG6）。3DG100的参数如表3-3所示。表4-3 3DG100参数表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。根据已知条件选取ICQ=4mA,，VCEQ=0.5Vcc=6V，则(2)R10、Rw2：取R10=1k，Rw2为1k的电位器。(3) R8、R9VEQ=6.0VVBQ= VEQ+0.7=6.7VIBQ=ICQ/0 =66.67uA 取标称值R9=10k。取标称值R8=8.0k。(4)输入电阻Ri若忽略晶体管基区体电阻的影响，有 （RL=3

17、25） (5)输入电压Uim(6)耦合电容C8、C9为了减小射极跟随器对前一级电路的影响，C8的值不能过大，一般为数十pF，这里取C8=20pF，C9=0.02uF。3、元件清单C8=20pF C9=0.02uF R10=1k Rw2为1k的电位器 晶体管为3DG1003.3、调频振荡器设计调频振荡电路的作用是产生频率的高频振荡信号。变容二极管为线性调频，最大频偏。发射机的频率稳定度由该级决定。调频振荡器电路如图4-3所示。 图3-3 调频振荡器电路LC调频振荡器是直接调频电路，是利用调制信号直接线性地改变载波瞬时频率。如果为LC振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路电感和电容。将受到调制信号控

18、制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号规律变化，实现直接调频。 1、LC 振荡器主要技术指标：工作中心频率：f0=5MHz；最大频偏：；频率稳定度：(1)确定电路形式，设置静态工作点本题对频率稳定度要求不是很高，故选用图1-7所示的改进型电容三点式振荡器与变容二极管调频电路。(2)三点式振荡器设计：基极偏置电路元件R1、R2、R3、R4、C1的计算图中，晶体管V1与C2、C3、C4、C5、Cj、L1组成改进型电容三点式振荡器，V1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V1选择3DG100，其参数见表1-4所示。小功率振荡器的集电极

19、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,测得三极管的。 由(1-3)可得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=4k。根据公式 得R1=13.7K实际运用时R1取10k电阻与5k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=0.01uF。C8=0.01uF,输出耦合电容。2、调频电路设计调频电路由变容二极管Cj和耦合电容C5组成，R6和R

20、7 为变容二极管提供静态时的反向偏置电压VQ，。R5为隔离电阻，为了减小调制信号Ui对VQ的影响，一般要求R5远远大于R6和R7。C6和高频扼流圈ZL1对Ui相当于短路，C7为滤波电容。变容二极管Cj通过C5部分接入振荡回路，有利于提高主振频率的稳定性，减小调制失真。变容二极管的接入系数，式中，Cj为变容二极管的结电容，它与外加电压的关系为 ( Cj0 为变容管0偏时结电容,UD 为其PN结内建电位差, 为变容指数) 变容二极管参数选择测变容二极管的特性曲线，设置合适的静态工作点。本题给定变容二极管为2CC1C，并取变容管静态反向偏压，由特性曲线可得变容管的静态电容。计算主振回路元件值：C2、

21、C3、C4、C5、L1C2、C3、C4、C5、Cj、L1组成并联谐振回路，其中C3两端的电压构成振荡器的反馈电压，满足相位平衡条件。比值C2/ C3=F，决定反馈系数的大小，F一般取0.1250.5之间的值。为了减小晶体管极间电容对振荡器振荡频率的影响，C2、C3的值要大。如果C4取几十皮法，则C2、C3在几百皮法以上。因接入系数，一般接入系数，为减小振荡回路输出的高频电压对变容晶体管的影响，p值应取小，但p值过小又会使频偏达不到指标要求，可以先取p=0.2。则 ，取标称值。（VQ=-4V时Cj =75pF）若取C4=100pF， 电容C2、C3由反馈系数F及电路条件C2&

22、gt;>C4、C3>>C4 决定，若取C2=510pF，由F= C2/ C3= 0.1250.5取C3=2000pF。则静态时谐振回路的总电容为代入元件值可得 由公式 可得 计算调频电路元件值变容管的静态反偏压由电阻与分压决定，即    已知，若取，则。实际运用时可用10k电阻与47k电位器串联，以便调整静态偏压。隔离电阻R5应远大于R6、R7，取R5=150k。低频调制信号Ui的耦合支路电容C6及电感L1应对Ui提供通路，一般的频率为几十赫至几十千赫兹，故取，（固定电感）。高频旁路电容C7应对调制信号Ui呈现高阻，取。3、计算调制信号的幅度为达到最大频偏

23、的要求，调制信号的幅度，可由下列关系式求出。 因 式中，静态时谐振回路的总电容，即则回路总电容的变化量 变容管的结电容的最大变化量  由变容二极管2CC1C的特性曲线可得，当 时，特性曲线的斜率，故调制信号的幅度 则调制灵敏为 2.元件清单C1=0.01uF、R1为10K+5K电位器、R2=4K、R3=2K、R4=1K、3DG100管子、C2=510PF、C3=2000PF、C4=100PF、C5=20PF、L1=8.7uH、2CCIC变容二极管、C8=33PF、C6=4.7uF、C7=5100pF、ZL1=47uH、R5=150K、R6=20 K、 R7=10K。2、电路

24、工作状态或元件参数的确定已在电路设计中列出3、仿真及仿真结果分析信号源的仿真图：仿真波形图在仿真时分别调节L1 L2 L3使输出中心频率达6.5MHz。并出现不失真的波形，调节L1主要改变中心频率，调节L2主要调节峰峰值的大小，波形失真则可以调节L3，但由于这三级电路互为谐振回路，三者之间会相互影响，一次调节其中一个会对其余两个造成影响。如调解L1使中心频率达到6.5MHz后，调节L2使满足峰峰值要求时，随着Vpp的上升，中心频率也会有所上升，这时再微调L1，确保中心频率的值，加上1kHz的音频信号，用频偏移测出角频。点击仿真按钮进行仿真，得出仿真图。4、设计电路的性能评测(经分析或测试是否达

25、到了设计要求)频率合成器对馈电电源、地线分布等电磁兼容问题都有着较严格的要求。这是因为电源和数据总线的噪声能耦合到锁相环系统中，使得相噪和杂散变坏。因此，在布局PCB版图时，应做到一下几点。-(1)对鉴相器、压控振荡器分别单独供电、单独稳压，稳压器的输入、输出端都接有型滤波电路；-(2)布线、元件排列应该尽量整齐；-(3)电源线应该加宽，约为1mm宽，信号线宽度也要达到0.75mm。-采取以上措施能够有效地滤除所有无用频率和电源纹波，抑制各种干扰和噪声，降低频率合成器的相位噪声和杂散。下面表1和表2给出了在载频为100MHz时的各项测试指标，表3则给出了该电路在各载频频点的调频信噪比指标。-从

26、表中的数据可以看出，本电路完全满足了系统的要求，并且在相位噪声、非线性失真、音频频率响应和调频信噪比等方面都有很好的特性。相位噪声小于 -100dBc/Hz/10kHz，非线性失真小于0.1%，音频频率响应非常理想，调频信噪比达到80dB以上。与此同时，载波频率稳定度控制在200Hz以内，输出信号频率偏差不超过1kHz，各项指标满足国家广电总局的技术要求。而且，本电路调试量小，成本也不高，更易于进行批量生产。三、结论及心得体会 这个实验是关于小功率调频发射机工作原理分析及其安装调试，通过这次实验我们可以更好地巩固和加深对小功率调频发射机工作原理和非线性电子线路的进一步理解。学会基本的实验技能，提高运用理论知识解决实际问题的能力。在实