调频发射机整机系统

兰州理工大学课程设计报告 摘要调频可以有两种实现方法，一是直接调频，就是用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。另一种就是间接调频，先对调制信号进行积分，再对载波进行相位调制。两种调频电路性能上的一个重大差别是受到调频特性非线性限制的参数不同，间接调频电路提供的最大频偏较小，而直接调频则可得到较大的频偏。倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率度，这样可降低对调制信号的放大要求。采作倍频器的另一个好处是：少高频自激现象的产生，提高整机工作稳定性。由晶体三极管组成的倍频电路如下图所示，它的基本原理是：三极管的基极不设置或设置很低的静态工作点，三关键字：调频倍频功率放大目录一.TOC\o"1-3"\h\u前言 3二．设计指标 3三．系统总述 4四．单元电路设计与仿真 74.1变容二极管直接调频电路及原理 74.2变容二极管间接调频电路及原理 84.3振荡器调频电路及原理 104.4上混频电路 114.5三极管倍频电路及原理 134.6.丙类谐振功率放大器 14五．整机电路设计图 16六．高频实验平台整机联调 17七．设计总结 18八．参考文献 18一.前言调频发射机现在处于快速发展之中，在很多领域都有比较广泛的应用。它可以应用于教学，玩具防盗系统等诸多领域。本次试验是关于设计高频发射机系统。通过本次课设，我们可以更好地巩固和理解高频电子线路中非线性电子线路。学会基本理论知识并解决实际问题的能力。本课题设计围绕人们熟悉的调频发射机进行展开，随着经济的飞速发展，调频发射机也进行着高速的更新与换代，性能明显提升，性价比也有所下降，

同时在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。本设计首先根据设计的要求构建设计的总框图，充分考虑各个单元电路之间的信号传输和阻抗匹配。理解各个要求的参数的意义，针对各参数再分别在各具体电路中加以实现，并且保证电路的正常运行。本次课设结合multisim和proteus等仿真软件，对我们所设计的核心单元电路以及外围电路进行了仿真，通过仿真和观察波形，使我们更加具体的了解了每个单元电路的作用，同时也提高了我们的动手能力。实验目的：巩固已学的理论知识，建立起高频发射机系统概念，了解调频发射机整机各单元电路之间的关系及相互影响，正确设计出整机系统及各单元电路。二．设计指标2.1中心频率：滤波器通带中间的频率，为12MHZ。2.2频率稳定度：指在规定的时间间隔内，合成器频率偏离规定值得数值。是衡量通信系统好坏的重要指标，小于等于0.0001。2.3最大频偏：指鉴频特性曲线单方向上保持线性曲线的最大频率，大于10kHZ。2.4输出功率:为30mW。2.5电源电压：9V。三．系统总述拟定整机方框图的原则是，在满足技术指标的前提下，应力求电路简单，性能稳定可靠。单元电路尽可能少，以减小级与级之间的相互感应，干扰和自激。在实际应用中，很多都是采用调频方式，与调幅相比较，调频系统有很多优点。调频比调幅抗干扰能力强，频带宽，功率利用率大等。调频可以有两种实现方法，一是直接调频，就是用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。另一种就是间接调频，先对调制信号进行积分，再对载波进行相位调制。两种调频电路性能上的一个重大差别是受到调频特性非线性限制的参数不同，间接调频电路提供的最大频偏较小，而直接调频则可得到较大的频偏。系统原理框图如下:调制器音频放大器信号源调制器音频放大器信号源载波振荡器载波振荡器天线天线功率放大器倍频混频功率放大器倍频混频图3-1图为系统整体原理框图

其中高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，且其频率受到外加调制信号电压不变；缓冲级主要是对调频振荡信号进行放大，以提供末级所需要的激励功率，同时还对前后级起到一定的隔离作用，为避免供放级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进行发送。图3-2调频振荡电路缓冲级作为前级振荡器与末级功率放大部分的桥梁，为了使第三级能够达到额定功率必须加大激励即Vbm，所以对缓冲级的增益有一定增益要求，由于本调频发射机的中心频率固定在12MHz，因此可采用以LC并联回路作负载的小信号谐振放大器电路。对该级管子的要求是：；。根据2SC9018的数据手册可知，其的典型值为1100M，的最小值为18V，的最小值为25V，因此2SC9018的参数符合设计要求。至于谐振回路的计算，一般先根据计算出LC的乘积值，然后选择合适的C再求出L。C根据实验书上的提示本例电容取100pF—200pF。由，当C取100pF（101瓷片电容）时，可得L≈1.67uH，在实际的调试过程中，可以通过改变中周磁芯的位置来改变其电感量。根据上述分析可设计出如下电路图：电路中的C10为调频震荡级与缓冲级的耦合电容，使得调频震荡级与缓冲级的静态工作点相互独立，但是电容的取值很有讲究，如果该值取得大一些，则两级的耦合效果好，但是这增加了两级之间的相互影响；如果该值取得小一些，则两级之间的相互影响小，但是电容的容抗变大，耦合效果变差，经过试验该值在180pF-220pF之间均可。C11与L2并联谐振回路作为该级的负载，可通过调谐使其谐振在12M频率上，并实现阻抗匹配。由于功率输出级有较大的功耗，所以对于该级的功率增集电极效率有一定的求，因此该级可采用共发组态，且工作在丙类状态。输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤波。原功率输出级电路左下图所示，该电路为型滤波匹配网络，结构简单、调节方便。但是其实现条件为Re<RL。本例中的负载为75欧天线（实际中用100欧电阻做负载），而根据C9018三极管的芯片资料可知，其匹输出配欧阻抗为337欧。及Re>RL，因此要想实现阻抗匹配使其输出较大功率相对困难，因此，此处改用另一种型滤波匹配网络，并用高频扼流圈为集电极供电，如右下图所示。其实现条件为Re<RL（1+Qe2），可以较为容易的实现调谐和并将75欧负载匹配成337欧，以提高放大器功率增益。其中Qe为品质因数，其值越大，滤波效果越好，但同时增益下降。综合考虑滤波效果和功率增益，本例中Qe取3。RL为100欧，Re为337欧。然后由XC1=-Re/Qe-XC0XC2=-RL{(Re/RL)/[(Q2+1)-Re/RL]}1/2XL=[QeRe-(ReRL/XC2)]/(1+Q2)求得C1=118pF，C2=200pF，L=1.6uH。因此本例中118pF用C15（101电容）和C16（20pF电容）并联，200pF用C17（221电容）近似代替。为了进一步提高增益，将R15减小为12欧。从而减小交直流负反馈。电路如右下方所示。图3-3原功率输出级图3-4改进后的功率输出级四．单元电路设计与仿真4.1变容二极管直接调频电路及原理图4-1变容二极管直接调频电路图4-2变容二极管直接调频电路仿真结果变容二极管直接调频原理变容二极管直接调频原理就是用调制信号去控制振荡器的工作状态，改变其振荡频率，以产生调频信号。例如，被控制电路是LC振荡器，那么LC振荡器的振荡频率主要由振荡回路的电感L和电容C决定。若在LC振荡回路加入可变电阻，用低频调制信号去控制可变电抗的参数，即可产生振荡频率随调制信号变化的调频波。变容二极管调频就是用调制信号控制变容二极管的电容，变容二极管通常接在LC振荡器电路的电路中作为随调制信号变化的可变电容，从而使振荡器的频率随调制信号的变化而变化，从而达到调频的目的。4.2变容二极管间接调频电路及原理图4-3变容二极管间接调频电路仿真图4-4变容二极管间接调频仿真结果图4-5变容二极管间接调频仿真频谱图变容二极管间接调频原理先将信号进行积分处理，然后用它控制载波的相位变化，从而实现间接调频控制载波的瞬时频率变化的方法，称为间接调频。根据调频与调相关系可知调频波可看成将调制信号积分后的调相波。调相输出的信号相对积分后的调制信号而言是调相波，但对原调制信号而言则为调频波。这种实现调相的电路独立于高频载波振荡器以外，所以这种调频波突出的优点是载波中心频率的稳定性可以做的较高，但可能得到的最大频偏较小，故要接频谱仪去观察仿真波形。4.3振荡器调频电路及原理图4-6振荡器调频电路仿真图图4-7振荡器调频电路仿真结果石英晶体振荡器的基本原理：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。当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十mH到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。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。根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗—频率特性曲线。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fs＜f＜fd极窄的范围内，石英晶体呈感性。4.4上混频电路图4-8上混频电路仿真图图4-9上混频电路仿真结果图4-10产生不同频率的正弦波上混频电路原理高频电路中的混频器利用电路的非线性，可以对两个输入信号进行频率加或减，产生和平信号和差频信号。这次仿真用三极管做混频电路，产生差频信号，将高频信号转化为低频信号。4.5三极管倍频电路及原理图4-11三极管倍频电路仿真图图4-12三极管倍频仿真结果三级管倍频原理倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率度，这样可降低对调制信号的放大要求。采作倍频器的另一个好处是：少高频自激现象的产生，提高整机工作稳定性。由晶体三极管组成的倍频电路如下图所示，它的基本原理是：三极管的基极不设置或设置很低的静态工作点，三4.6.丙类谐振功率放大器图4-13丙类功放电路图丙类功率放大器工作原理其负载是LC谐振回路。丙类放大器工作效率高，放大器工作于丙类时，输出电流不足半周，存在高次谐波分量，因此在放大器输出端需要接一个选频网络，滤除谐波，减小失真。图4-14丙类功放仿真结果

五．整机电路设计图

图5-1整机电路图六．高频实验平台整机联调通过在实验室的整机联调，最终波形如图所示。