小信号调频发射机

目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1章绪论 PAGEREF_Toc374477341\h11.1小功率调频发射机研究意义PAGEREF_Toc374477341\h11.2调频发射机研究现状PAGEREF_Toc374477341\h11.3发射机的主要技术指标PAGEREF_Toc374477341\h1第2章总体方案设计PAGEREF_Toc374477345\h32.1设计方案比拟PAGEREF_Toc374477345\h32.2总设计框图PAGEREF_Toc374477345\h3第3章电路组成方案PAGEREF_Toc374477348\h53.1振荡电路的选择PAGEREF_Toc374477348\h53.2振荡电路参数计算 PAGEREF_Toc374477348\h53.3调频电路的设计PAGEREF_Toc374477351\h73.4调频参数的计算PAGEREF_Toc374477352\h83.5缓冲隔离级电路的设计PAGEREF_Toc374477353\h103.6缓冲隔离级电路参数计算PAGEREF_Toc374477354\h113.7末级功放电路选择PAGEREF_Toc374477355\h123.8末级功放电路参数计算PAGEREF_Toc374477356\h13第4章Multisim仿真结果 PAGEREF_Toc374477357\h154.1LC振荡电路仿真波形PAGEREF_Toc374477357\h15第5章实验数据与误差分析 PAGEREF_Toc374477359\h185.1实验数据与设计要求比拟 1PAGEREF_Toc374477352\h85.2误差分析 1PAGEREF_Toc374477352\h8结束语PAGEREF_Toc374477359\h19参考文献 20致谢21附录22课程设计要求要求有课程设计说明书，并对总个所设计系统进行仿真调试，说明书中要有仿真结果和调试环节。实验仪器设备EDA软件1套计算机1台主要技术指标输出功率工作频率总效率负载电阻最大频偏第1章绪论1.1小功率调频发射机研究意义高频电子线路本是一门较为复杂的电路。其中更有精髓的知识值的我们去学习。同时随着计算机技术与高频电子技术的开展，模拟电子技术，得到广泛应用，在模拟电子电路中尤其得到广泛应用，成为现代电子电器必不可少的电子技术。在高频电子线路中，LC振荡电路是无孔不入，无所不在。应用于发射机中，加上简单的电路及连线，就可以组成各种形式的、任意信号，广泛应用。小功率调频发射机在使用中，控制方法科学、简单、明了，控制电路及连线简单、易行，工作稳定性好，从而得到广泛应用。在此，我们就调频发射机的应用作较完整和系统的研究，促进小功率调频发射机的正确使用。1.2调频发射机研究现状目前，世界范围内的经济危机席卷全球，中国在全球性经济萧条的形势下，经济开展速度迅速下滑，国内需求不振，进出口量急剧萎缩，实体企业受国际经济形势影响严重。2023年，我国经济开展速度放缓，全年GDP下滑到9.0%，2023年四季度中国经济同比增长6.8％，四季度进口同比下降8.8%，出口同比增长4.3%。预计2023年，国际经济形式将进一步恶化，我国经济也将面临更多的不确定因素。从发射机总行业特点出发，紧紧围绕小功率总成产品市场总量及增长速度、产品市场份额、市场供需情况、市场竞争格局、产品价格、进出口状况及趋势和小功率总成生产企业根本情况和经营状况、功率调频发射机成市场开展前景和趋势等众多市场开展因素进行研究，提供了大量有价值的信息和资料。本报告依据国家统计局、工商局、海关总署和行业协会提供的权威数据，结合市场调查的第一手资料，以严谨的内容、直观的图表和详实的数据进行研究，帮助业内企业、投资公司及政府部门准确把握行业开展趋势，洞悉行业竞争格局、躲避经营和投资风险、制定正确竞争和投资战略决策。1.3发射机的主要技术指标1.3.1发射功率一般是指发射机输送到天线上的功率输出功率高频功放的输出功率是指放大器的负载RL上得到的最大不失真功率。也就是集电极的输出功率，即(1-1)(1-1)工作频率或波段发射机的工作频率应根据调制方式，在国家或有关部门所规定的范围内选取。总效率发射机发射的总功率与其消耗的总功率P’C之比，称为发射机的总效率。最大频偏指在一定的调制电压作用下所能到达的最大频率偏移值。将称为相对频偏。频率稳定度主振频率fo的相对稳定性用频率稳定度表示。(1-2)(1-2)主振频率LC振荡器的输出频率fo称为主振频率或载波频率。用数字频率计测量回路的谐振频率fo，高频电压表测量谐振电压Vo，示波器监测振荡波形。非线性失真要求调频发射机的非线性失真系数应小于1%。第2章总体方案设计2.1设计方案比拟方案一：纯硬件实现所谓的纯硬件实现是只通过电路，不需要编程。其原理是通过高频振荡电路产生信号载波信号，为了减小功放级对振荡级的影响，要插入缓冲隔离极，最后加一极宽带功放和丙类功放。该方案电路稍复杂，可能精确度不高，误差较大。但不需要编程，花的时间可能少些。方案二：硬软件结合实现硬件和软件结合是通过高频振荡电路，单片机编程实现。第一个模块电路是一样的，都是通过高频振荡电路，然后将产生的波形脉冲送入单片机内，通过编程算出其CX值。然后将其值通过示波器显示出来。这种方法，电路简单，但需要编程。2.1.3方案总结综上所述，本课题决定选用硬件实现。熟悉小功率调频发射机设计原理，了解高频电路。其实高频电路功能强大，很多单片机能实现的，通过高频模拟电路也能实现，它优点就是不需要编程，相对来说要简单。由于时间仓促，所以选择这个方案。2.2总设计框图拟定整机方框图的一般原那么是，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。由于此题要求的发射功率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，整机电路可以设计得简单些，设组成框图如图3所示，各组成局部的作用是：图1总设计框图(1)LC调频振荡器：产生频率f0=10MHz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)功率鼓励级：为末级功放提供鼓励功率。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，功率鼓励级可以省去。(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。假设整机效率要求不高如而对波形失真要求较小时，可以采用甲类功率放大器。但是此题要求，应选用丙类功率放大器较好。丙类功放为获得最大不失真输出功率，静态工作点Q应选在交流负载线AB的中点。〔如图2所示〕为到达效率大于50%的要求，本级需要使用丙类功图2〔左〕输入电压与集电极电流脉冲的波形关系〔右〕丙类功放负载特性第3章电路组成方案3.1振荡电路的选择图3振荡电路振荡电路主要是产生频率稳定且中心频率符合指标要求的正弦波信号，目前应用较为广泛的是三点式振荡电路和差分对管振荡电路。三点式振荡电路又可分为电感和电容三点式振荡电路，由于是固定的中心频率，因而采用频率稳定度较高的克拉拨振荡电路来作振荡级。其电路原理图如图3图3振荡电路电路的差异，仅在回路中多加一个与C2、C3相串接的电容C6。图中克拉拨振荡电路的频稳度大体上比电容三点式电路高一个量级。图4为在Multisim中LC振荡电路的仿真电路图。图4LC振荡电路在上图中积极偏置电阻加滑动变阻器的目的，是为了调节基级电阻的分压比，方便调节静态工作点。3.2振荡电路参数计算晶体管Q2组成电容三点式振荡器的改良型电路即克拉波电路，它被接成共基组态，C1为基极耦合电容，其静态工作点由R1、R2、R3、R4及R5决定，首先计算电路的静态工作点。小功率振荡器的集电极静态工作电流ICQ一般为(1~4)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。〔3-1〔3-1〕由上式可得R3+R4=3kΩ，为了提高电路的稳定性，R4的值可适当增大，取R4=1kΩ，那么R3=2kΩ。〔〔3-2〕〔3-3〕〔3-3〕〔3-4〕〔3-4〕为了提高电路的稳定性，取流过电阻R2上的电流〔3-6〕〔〔3-6〕〔3-5〕取标称值R2=8.2kΩ。 根据公式〔3-7〕〔3-7〕故R1=28.2KΩ。实际运用时R1取20kΩ电阻与47kΩ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。L1、C2、C3、C4组成并联谐振回路，其中C3两端的电压构成振荡器的反应电压VBE,以满足相位平衡条件Σδ=2nπ。比值C2/C3=F决定反应电压的大小，当AVOF=1时，振荡器满足振荡平衡条件为AVOF>1。为减小晶体管的极间电容对回路得影响C2、C3的取值要大。如果选C4<<C2，C4<<C3，那么回路的谐振频率主要由C4决定，即：〔3-8〕〔3-8〕假设f0=10MHz，那么取C4为50uF,L1=5uH。C2/C3=F,F一般取1/8--1/2，取F=1/6，那么C2=500pF、C3=3000pF。3.3调频电路的设计由于是调频发射机，频率受到外加调制信号电压调变，因此，回路中的电抗要能够随调制信号的改变而改变，用一可变电抗器件，它的电容量或电感量受调制信号控制，将它接入振荡回路中，就能实现调频。最简便、最常用的方法是利用变容二极管的特性直接产生调频波，因要求的频偏不大，故采用变容二极管局部接入振荡回路的直接调频方式，调频电路由变容二极管Cj通过C1局部接入振荡回路，有利于主振频率f0的稳定性，减小调制失真。其原理电路如图5所示，它具有工作频率高、固定损耗小和使用方便等优点。变容二极管Cj通过耦合电容C1并接在LCN回路的两端，形成振荡回路总容的一局部。图5变容二极管调频电路图6为在Multisim中LC振荡电路及变容二极管调频电路的仿真电路图，将调频电路和LC振荡电路级联在一起，即在LC电路采用克拉拨电路的根底上，形成了典型的西勒电路。图6LC正弦波振荡器与变容二极管调频电路3．4调频参数的计算调频电路由变容二极管Cj和耦合电容C5组成，R6和R7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L2对Ui相当于短路，C7为滤波电容。变容二极管Cj通过C5局部接入振荡回路，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:〔C〔Cj0为变容二极管为0时的节点容，UD为其PN结内建立的电位差，γ为变容指数〕①变容二极管参数选择测变容二极管的特性曲线，设置适宜的静态工作点。选定变容二极管为FMMV2109，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。因接入系数，一般取，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。那么，取标称值Cc=10pF。〔VQ=-4V时Cj=75pF〕〔3-9〕〔3-9〕②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：(3-10)(3-10)假设取，那么，那么等于3.6V。实际运用时R6=20kΩ,可用10kΩ电阻与47kΩ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=150kΩ。低频调制信号Ui的耦合支路电容C6及电感ZL1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到达最大频偏的要求，调制信号的幅度，可由以下关系式求出(3-11)(3-11)因式中，——静态时谐振回路的总电容，即(3-12)(3-12)那么回路总电容的变化量(3-13)(3-13)(3-14)变容管的结电容的最大变化量(3-14)参考变容二极管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(3-15)(3-15)(3-16)那么调制灵敏为(3-16)(3-17)此时最大频偏(3-17)Δfm=1/2f0ΔCΣ/CQΣ(3-18)ΔCΣ=2ΔfmCQΣ/f0==2.5pF(3-18)(3-19)所以：Δfm=1/2f0ΔCΣ/CQΣ=1/2*10**2.5/59=20KHz(3-19)满足要求设计要求3.5缓冲隔离级电路的设计缓冲隔离级常采用射级跟随器电路，如图7所示。调节射极的电阻RP1可以改变射级跟随器输入阻抗。一般情况下，gmR’L>>1,所以图所示射极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。图7缓冲隔离级电路图8为在Multisim中LC振荡电路及变容二极管调频电路和缓冲隔离级的仿真电路图图8射级跟随电路3.6缓冲隔离级电路参数计算条件：Vcc=+12V，负载电阻RL=51Ω(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，β0=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=(3--10)mA，对于图所示电路，假设取VCEQ=6V,IEQ=4mA。(3-20)根据条件选取ICQ=4mA,，VCEQ=0.5Vcc=6V，那么(3-20) (2)R10、Rw2：取R10=1kΩ，Rw2为1kΩ的电位器。 (3)R8、R9(3-22)(3-21)VEQ=6.0V(3-22)(3-21)(3-23)VBQ=VEQ+0.7=6.7V(3-23)IBQ=ICQ/β0=66.67uA(3-24)(3-24)取标称值R9=10kΩ。(3-25)(3-25)取标称值R8=8.0kΩ。 (4)输入电阻Ri(3-26)〔R(3-26)〔RL=51Ω〕(3-27) (5)输入电压Uim(3-27) (6)耦合电容、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=33pF，C9=0.047uF。3.7末级功放电路选择图9л型滤波网络为了获得较大的功率增益和较高的集电极功率，设计中采用共发射极电路，同时使其工作在丙类状态，组成丙类谐振功率放大器．由设计电路图知L3、C12图9л型滤波网络VB3应设置在功率管的截止区．在输出回路中，从结构简单和调节方便考虑，设计采用л型滤波网络，如图9。L3、C12和C13构成π型输出，Q3管工作在丙类状态，调节偏置电阻可以改变Q3管的导通角。导通角越小，效率越高,同时防止T3管产生高频自激而引成回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，即将天线阻抗变换为功放管所要求的负载值，并滤除不必要的高次谐波分量。图10在Multisim中末级功放电路加上前三级电路的仿真电路图。这样逐级加电路，防止了设计单元电路后，整体级联时级联的调试。图10末级功放电路加上前三级电路的总电路图3.8末级功放电路参数计算〔1〕在选择功率管时要求(3-28)(3-28)(3-29)(3-29)(3-30)(3-30)(3-31)(3-31)综上可知，我们选择2N2222A高频功率管．(3-32)，(3-32)由于：,一般取Qe=8～10且(3-33)所以(3-33)解得：L3=5µH计算得，C12＝200PF，C13＝300PF.高频功放的输出功率是指放大器的负载RL得到的最大不失真功率。在图10所示电路中，由于负载与丙类功放的谐振回路之间采用变压器耦合方式，实现了阻抗匹配，那么集电极回路的谐振阻抗R0上的功率等于负载RL上的功率，所以集电极的输出功率视为高频功放的输出功率，即。在末级功放电路中参加型LC低通滤波器是做高频电路的电源去耦滤波网络。L2、L3可按经验值取47uF，C10、C11、C13、C17按经验值取0.01uF。常将集电级的效率视为高频功放的效率，用表示，当集电极回路谐振时，的值由下式计算：(3-34)(3-34)(3-35)取θ=70，得此时的集电极的等效负载电阻(3-35)Rq=(Vcc-Vces)×〔Vcc-Vces〕/2P0=706Ω集电极电流脉冲的最大值Icm及其直流分量Ic0分别为(3-36)Icm=Ic1m/α1θ=95mA/0.44=341mAU(3-36)(3-37)Ic0=Icm×θ=341mA*0.25=85mA(3-37)(3-38)输出功率(3-38)=4.34/51=85mw总效率 (3-39)=175/(85*12)=83.4%(3-39)发射机输出最大功率Po=85mw负载电阻RL=51Ω第4章Multisim仿真结果4.1LC振荡电路仿真波形用示波器观察LC振荡电路输出端的输出波形，如图11所示：图11LC振荡电路输出端的输出波形由上图可知，采用通道B，每一格为2V，那么该级电路的输出波形的幅度为3V.用频率计观察LC振荡电路输出端的输出波形的频率，如图12所示：图12LC振荡电路输出端的输出波形的频率由上图可知，载波电路的输出波形的频率为10MHz.用示波器观察调频电路输出端所产生的波形，如图13所示：图13调频电路输出端所产生的波形由上图可知，采用通道B，每一个为2V,那么该级电路的输出波形的幅度为2V.用示波器观察射级跟随电路输出端所产生的波形，如图14所示：图14射级跟随电路输出端所产生的波形由上图可知，射级跟随器级前两级电路产生的波形的幅度为3V〔采用通道A，每格为1V〕。〔5〕用示波器观察总电路输出端所产生的波形，如图15所示：图15总电路图中在RL端产生的波形在总电路图中，用示波器观察RL两端产生的波形时，起振的较慢，起振后有寄生振荡现象，要等到电路运行一段时间再观察波形，这种现象就会消失，该波形的幅度为15V。第5章实验数据与误差分析5.1实验数据与设计要求比拟1、输出功率=4.34/51=85mw2、总效率=175/(85*12)=83.4%3、工作频率 4、最大频偏=1/2*10**2.5/59=20K5.2误差分析由仿真波形可看到，波形有失真且存在寄生调幅，但是本次所设计的电路根本到达了任务书的要求，所设计电路的仿真水平，离设计指标所要求的还一段距离。出现这些原因主要有以下四点：设计电路时选择元件不同会产生误差；电路的参数设置会产生误差；电路本身设计存在问题有待改良；电路中分布参数、级间的相互影响。结束语本次小功率调频发射机的设计，综合运用到高频电子线路这门课程近乎所有的知识点，其中包括：第1章无线电波段的划分、第2章谐振回路、第3章丙类谐振功率放大器、第4章电容三点式振荡器和第6章变容二极管的直接调频电路等。这是一个比拟综合的课程设计，这个课程设计使我们将理论课上学到的知识与实际的电路设计工作结合起来，稳固和加深了我们对高频电子线路根本知识的理解，提高了综合运用所学