20M調(diào)頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與制作畢業(yè)論文

1、本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文) 題目： 調(diào)頻發(fā)射機(jī)教學(xué)單位 _電氣信息工程學(xué)院_姓 名 _肖 睿_學(xué) 號 _200931002152_年 級 _2009級_專 業(yè) _電子信息工程_ 指導(dǎo)教師 _王一冰 目 錄摘要2abstract3一、引言4二、發(fā)射機(jī)的原理分析與電路設(shè)計(jì)：42.1系統(tǒng)框圖：42.2振蕩器的設(shè)計(jì)：52.2.1振蕩器原理52.2.2變?nèi)荻O管部分接入調(diào)頻62.3穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)82.4諧振功放的設(shè)計(jì)82.4.1：高頻功放的簡介82.4.2諧振功放的工作原理：92.4.3輸出功率以及效率112.4.4諧振功率放大器的動態(tài)特性122.4.5諧振放大器電路的設(shè)計(jì)152.5信號的發(fā)

2、射16三、 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量與分析17四、參考文獻(xiàn)：19五、附錄205.1、系統(tǒng)總圖205.2 pcb toplayer圖205.3 pcb bottomlayer圖215.4實(shí)物圖215.5元件清單21六、 致謝22摘要 調(diào)頻發(fā)射機(jī)作為一種簡單的通信工具，由于它不需要中轉(zhuǎn)站和地面交換機(jī)站支持，就可以進(jìn)行有效的移動通信，因此深受人們的歡迎。而且方便廣泛的用于生產(chǎn)、保安、野外工程等領(lǐng)域的小范圍移動通信工程中。這次我們主要設(shè)計(jì)一個(gè)頻率20mhz的調(diào)頻發(fā)射機(jī)，對輸入信號進(jìn)行調(diào)頻發(fā)射。首先輸入信號控制變?nèi)荻O的電容值大小，進(jìn)行變?nèi)荻O管部分接入的電容三點(diǎn)式調(diào)頻，產(chǎn)生調(diào)頻信號。調(diào)頻信號利用兩級lc諧振功率

3、放大，功率大大提高，經(jīng)過lc濾波網(wǎng)絡(luò)濾除高次諧波，最后通過拉桿天線發(fā)射出去。在級間采用變壓器耦合，一來實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，二來實(shí)現(xiàn)了前后級的隔離，使晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立。其振蕩級用三端穩(wěn)壓芯片提供穩(wěn)定的電壓，保證振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的調(diào)頻信號。關(guān)鍵詞：變?nèi)荻O管，電容三點(diǎn)式，lc諧振放大，abstract fm transmitter as a simple communication tool, because it does not need to transfer station and the ground switch station support, can be effective m

4、obile communication, therefore is popular among people. convenient and widely used in the production, security, field engineering in areas such as small scale of mobile communication engineering. this time we mainly to design a frequency of 20 mhz fm transmitter, fm was carried out on the input sign

5、al. first the input signal control varactor diode capacitance value size, for varactor part connected to the three-point capacitance frequency modulation, frequency modulation signal is produced. frequency modulation signal of two-stage lc resonance power amplifier, power is greatly increased, the h

6、igher harmonic filtering through lc filter network, finally through the telescopic antenna. using transformer coupling between level, then realize the impedance matching, and achieve the isolation level before and after, the transistor quiescent point are independent of each other. the oscillation m

7、agnitude using three-terminal voltage regulator chip to provide stable voltage, guarantee the stability of oscillator to produce frequency modulation signal.key words: varactor diode, capacitor three-point, lc resonant amplification,一、引言 調(diào)頻發(fā)射機(jī)采用直接調(diào)頻或者間接調(diào)頻方式，其中高頻振蕩級主要是產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、中心頻率符合指標(biāo)要求的信號，緩沖級主要是對調(diào)頻振蕩

8、信號進(jìn)行放大，以提供末級所需要的激勵(lì)功率，同時(shí)還對前后級起有一定的隔離作用，同時(shí)使阻抗匹配，為避免級功放的因工作狀態(tài)變化而影響振蕩級的頻率穩(wěn)定度；功放級的任務(wù)是確保高效率輸出足夠大的高頻功率，并饋送到天線進(jìn)行發(fā)射。 學(xué)過了高頻電子線路這門課程后，可以自己制作一臺微型調(diào)頻發(fā)射機(jī)了。這樣即可以提高問自己的動手能力，更重要的是可以幫助他我更好地理解所學(xué)專業(yè)理論知識，進(jìn)一步激發(fā)我們對電子專業(yè)的熱愛與興趣。二、發(fā)射機(jī)的原理分析與電路設(shè)計(jì)：2.1系統(tǒng)框圖：部分接入調(diào)頻輸入信號f in變?nèi)荻O管三端穩(wěn)壓管lm7806 電容三端式振蕩器諧振功率放大推動 變壓器耦合拉桿天線發(fā)射諧振功率放大2.2振蕩器的設(shè)計(jì)：2

9、.2.1振蕩器原理三點(diǎn)式lc正弦波振蕩器的組成法則（相位條件）是“射同基反”，即與晶體管發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗元件應(yīng)為同性質(zhì)的電抗，而與晶體管集電極基極相連的電抗元件應(yīng)與前者性質(zhì)相反。圖一.所示為滿足組成法則的基本電容反饋lc振蕩器共基極接法的典型電路。當(dāng)電路參數(shù)選取合適，滿足振幅起振條件時(shí)，電路起振。當(dāng)忽略負(fù)載電阻、晶體管參數(shù)及分布電容等因素影響時(shí)，振蕩頻率可近似認(rèn)為等于諧振回路的固有振蕩頻率，即 （1）式中 近似等于與的串聯(lián)值 （2） 圖一該電路為共基極放大器，從發(fā)射級和基極間輸入，集電極和基極間輸出。輸出電壓經(jīng)過電容組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，從兩端取得反饋電壓，加到放大器的輸入端，從而構(gòu)成正反饋?？?/p>

10、看出該電路的反饋網(wǎng)絡(luò)由與構(gòu)成(忽略輸入端電容)。該反饋的反饋系數(shù)，基本放大器的放大倍數(shù),其中g(shù)m是晶體管的導(dǎo)納，rl是晶體管放大器集電極和基極間的等效負(fù)載電阻,其中 (忽略三極管結(jié)電阻）。該電路起振和平衡的條件是： 和 振蕩器的主要指標(biāo)是輸出波形失真度與頻率穩(wěn)定度。對于后者，晶體振蕩器是最好的，但應(yīng)用中有其缺點(diǎn)，一是頻點(diǎn)固定且不易購買;二是直接調(diào)制時(shí)頻偏太小，因而不得不多次倍頻，使電路復(fù)雜且波形變壞，影響發(fā)射器的效果。其實(shí)一般采用電容三點(diǎn)式或克拉潑振蕩電路完全能夠勝任，頻率穩(wěn)定度與波形失真已能滿足要求。 電容三點(diǎn)式電路(見圖)的正反饋量由c1、c2決定，而c1、c2并聯(lián)在三極管的結(jié)電容上，能減

11、小結(jié)電容變化對頻率的影響，微調(diào)l可在較大范圍內(nèi)改變頻率。 克拉潑振蕩電路（見圖），因?yàn)閏3c1,c3c2.所以頻率僅由c3和l決定，隨著c3的減小，雖然頻率更加穩(wěn)定，但正反饋量變小，當(dāng)改變頻率時(shí)容易在頻率高端停振，故改變c3或l只能在較小的范圍內(nèi)改變振蕩頻率，該電路宜采用ft較高的振蕩管以利于起振。 提高振蕩器頻穩(wěn)度和改善輸出波形的方法有：晶體管結(jié)電容要小，ft要高供電要穩(wěn)壓使用低損耗的高頻電容。靜態(tài)工作點(diǎn)低一些，則ieq小，rbe大，au小，有利于改善振蕩器的輸出波形。2.2.2變?nèi)荻O管部分接入調(diào)頻變?nèi)荻O管(varactor diodes)為特殊二極管的一種。當(dāng)外加順向偏壓時(shí)，有大量電流

12、產(chǎn)生，pn（正負(fù)極）結(jié)的耗盡區(qū)變窄，電容變大，產(chǎn)生擴(kuò)散電容效應(yīng)；當(dāng)外加反向偏壓時(shí)，則會產(chǎn)生過渡電容效應(yīng)。但因加順向偏壓時(shí)會有漏電流的產(chǎn)生，所以在應(yīng)用上均供給反向偏壓。變?nèi)荻O管也稱為壓控變?nèi)萜?，是根?jù)所提供的電壓變化而改變結(jié)電容的半導(dǎo)體。變?nèi)荻O管部分接入調(diào)頻是指加到變?nèi)荻O管上的信號是直流偏置vo和調(diào)頻信號即，隨時(shí)間變化二極管兩端的電壓改變，控制變?nèi)荻O管電容的改變，接入到振蕩器的電容值改變，使振蕩器輸出信號頻率改變，完成變?nèi)荻O管部分接入調(diào)頻。 其中2cc13電容變化值為30125pf，電壓范圍為010v。三極管s9018是npn型三極管，ft=1100mhz，cob=1.3pf，pcma

13、x=400mw，icmax=50ma。 圖 二 在圖二中，c0是輸入信號耦合電容，c1為電源濾波電容，滑變器r2分壓為變?nèi)荻O管提供反偏電壓，r4*和r8為三極管提供靜態(tài)工作點(diǎn)。r1,r3，r2是輸入信號的衰減器，衰減輸入信號的幅度，從而減小變?nèi)荻O管的電容變化值，最終減小振蕩器輸出的頻率變化范圍。變?nèi)荻O管電容cj，c3，c4，c12構(gòu)成振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)電容c。其中c為等效總電容。c是c4和c12串聯(lián)，cj和c3串聯(lián)之后再并聯(lián)得到的總電容即 (此為不考慮三極管結(jié)電容情況下的理想值)振蕩頻率為： 要想增加或者減小頻偏可以改變變?nèi)荻O管在等效總電容中所占的比例。微調(diào)電感值可以較大的改變振蕩器頻率。

14、2.3穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)圖三 圖三中，78l06是三端穩(wěn)壓管，其中2腳是直流電平的輸入，vinmax=35v,2腳接地，三腳是穩(wěn)壓管的輸出vout=6.0v。可以提供超過1a的輸出電流。在其輸入級接大小兩個(gè)濾波電容濾除高次諧波?？梢杂行У母纳齐娫磳φ袷幤鞯挠绊憽?.4諧振功放的設(shè)計(jì)2.4.1：高頻功放的簡介在發(fā)射機(jī)中，振蕩器產(chǎn)生的信號功率很小，為了獲得足夠大的功率，高頻功率放大器通常由工作于不同狀態(tài)的多級放大電路組成，包括緩沖放大，中間放大，推挽放大，末級功率放大。這些都屬于高頻功率放大的范疇。高頻功率放大器和低頻功率放大器的共同點(diǎn)是輸出功率大和效率高。不同點(diǎn)是二者的工作頻率和相對帶寬不同。低頻功

15、率放大器的工作頻率低，相對頻帶寬度很大，如一般工作在20-20khz。高端頻率與低端頻率相差1000倍，因此他們都是采用無調(diào)諧負(fù)載，如電阻，變壓器等。高頻功率放大器工作頻率高，幾百千赫茲直到幾百，幾千甚至幾萬兆赫茲。相對頻帶寬度很小，如調(diào)幅廣播的帶寬是9k赫茲。若中心頻率為900khz，則相對頻帶寬度僅為1% 。因此高頻功率放大器一般采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。故又稱為諧振功率放大器。所謂諧振放大器，就是采用諧振回路作負(fù)載的放大器。根據(jù)諧振回路的特性，諧振放大器對于靠近諧振頻率的信號，有較大的增益；對于遠(yuǎn)離諧振頻率的信號，增益迅速下降。所以，諧振放大器不僅有放大作用，而且也起著濾波或選頻的作用。

16、放大器按照電流導(dǎo)通角的不同可以分為甲乙丙三種類型。甲類工作時(shí)=180，乙類工作時(shí)=90，丙類工作時(shí)90，低頻功率放大器可工作于甲類，甲乙類或乙類。甲類工作時(shí)其理想效率為50%，乙類工作時(shí)理想效率為78.5%。甲乙類工作時(shí)其理想效率為50%78.5%。為了提高效率，高頻功率放大器多工作于丙類狀態(tài)。近年來又出現(xiàn)了丁類和戊類等開關(guān)型功率放大器，其理想效率可達(dá)100% 。2.4.2諧振功放的工作原理： 諧振功率放大器的基本工作原理如圖四所示 圖四其中ra為ca等效損耗電阻，rr為電感線圈l的損耗電阻，ube，uce分別為加在三極管基極與發(fā)射集，集電極與發(fā)射極之間的電壓。ui是信號源電壓，vbb,vcc

17、分別為加到基極與集電極的直流電壓。vbb又稱為偏置電壓。輸出回路實(shí)質(zhì)上是典型的并聯(lián)諧振回路。并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因素,諧振電阻。實(shí)際工作時(shí)回路應(yīng)該調(diào)節(jié)在輸入信號的頻率上。晶體管導(dǎo)通電壓vbz 0.7v時(shí)，當(dāng)vbb0.7v就可以工作在丙類。設(shè)輸入信號。則 uc是諧振回路兩端的電壓。 從圖五可以看出，當(dāng)時(shí)ic達(dá)到最大值icmax。由于該電流的周期與輸入信號周期相同，可以用傅里葉級數(shù)分解為無數(shù)多個(gè)正弦波之和 式中，ic0是集電極電流的直流分量，ic1m,ic2m,.,icnm分別為集電極電流的基波，二次諧波，n次諧波的振幅。 當(dāng)集電極調(diào)諧在輸入信號的頻率上時(shí)，即與輸入信號的基波諧振時(shí)，諧振回路對基波電

18、流呈現(xiàn)阻抗re，對直流和其它各次諧波呈現(xiàn)很小的阻抗，可以近似的看做是短路。這樣，包含有直流 ，基波，高次諧波的信號經(jīng)諧振回路時(shí)，只有基波產(chǎn)生壓降。因而lc諧振回路兩端輸出不失真的高頻信號電壓。若諧振電阻為re，則 可見集電極的交流輸出電壓是與輸入信號相同的余弦電壓，但是相位相反。同時(shí)諧振回路還將含有電抗分量的外接負(fù)載變化為諧振電阻re，通過調(diào)節(jié)l和c，還能使并聯(lián)諧振回路諧振阻抗re與晶體管所需要的集電極負(fù)載值相等，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。因此，諧振回路在電路中起到了濾波和阻抗匹配的雙重作用。圖五 諧振功率放大器的轉(zhuǎn)移特性曲線2.4.3輸出功率以及效率 由于輸出回路調(diào)諧在基波的頻率上，輸出電路中的高次諧波

19、處于失諧狀態(tài)，相應(yīng)的輸出電壓很小，因此諧振功率放大器的集電極輸出電壓波形uce中只是包含直流分量與交流分量，其交流分量與輸入信號ui波形一樣，但相位相差。放大器輸出的交流功率等于集電極基波電流分量在負(fù)載re上的平均功率，即電源的輸入直流功率pd等于集電極直流分量ic0與vcc的乘積，即 集電極的耗散功率pc等于直流功率pd與交流功率po只差，即 集電極效率為式中，稱為集電極電壓利用系數(shù)，1；稱為波形系數(shù)。g1（）是導(dǎo)通角的函數(shù)。圖六是0（），1（），2（），3（）分解系數(shù)的曲線圖。圖六2.4.4諧振功率放大器的動態(tài)特性、負(fù)載特性 負(fù)載特性是指當(dāng)保持晶體管及vcc,vbb,uim不變時(shí)，改變負(fù)載

20、電阻re，諧振功率放大器的電流ic0，ic1，輸出電壓ucm，輸出功率po，集電極耗散pc，電源功率pd及集電極效率c隨之變化的曲線。 當(dāng)re從小變大時(shí)，工作狀態(tài)由欠壓變到臨界再進(jìn)入過壓狀態(tài)。集電極電流變化如下圖七所示。 圖七工作由欠壓到臨界再到過壓，相應(yīng)的集電極電流由余弦脈沖變成凹陷脈沖。圖八 諧振功率放大器的負(fù)載特性圖八所示是諧振功率放大器的負(fù)載特性，從欠壓到臨界再到過壓，ic1m,ic0,ucm及pd,pc,po,c的變化曲線。、集電極調(diào)制特性 集電極調(diào)制特性即集電極直流電壓vcc的變化對ic脈沖及ic1m,ic0,ucm的影響如圖九所示圖九 集電極調(diào)制特性、放大特性 諧振功率放大器的放

21、大特性是指當(dāng)vcc,vbb,re不變時(shí)，改變輸入信號uim對放大器特性影響的特性。 當(dāng)uim由小到大時(shí)，管子的導(dǎo)通時(shí)間增長，放大器由欠壓狀態(tài)進(jìn)入過壓狀態(tài)。其ic,ic1m,ic0,ucm的變化如圖十圖十、vbb對放大器狀態(tài)的影響 vbb對放大器狀態(tài)的影響即在vcc , re，uim不變得時(shí)候vbb對放大器狀態(tài)的影響。由于ubemax=vbb+uim,所以改變vbb和改變uim的情況是類似的，放大器依然有欠壓狀態(tài)進(jìn)入過壓狀態(tài)。其變化如圖十所示。2.4.5諧振放大器電路的設(shè)計(jì)圖 十一 電路中r5，r7是放大器的偏置電阻，提供靜態(tài)工作點(diǎn)，同時(shí)也可以調(diào)節(jié)r5,r7控制放大器的增益。第一級諧振放大器工作

22、于甲類狀態(tài)。集電極是由變壓器前級線圈電感和c6組成的lc選頻網(wǎng)絡(luò)，其諧振在輸入信號頻率上，即f=20mhz。變壓器初級線圈電感為1.26uh。由可以算出c=50pf。在實(shí)際中是采用30pf的電容并聯(lián)一個(gè)25pf的可變電容，這樣可以準(zhǔn)確的諧振在f=20mhz上。 兩級諧振放大用變壓器耦合，變壓器耦合一是為了選頻，二是為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，三是做耦合元件使用。做阻抗匹配時(shí)，由于變壓器變比是3:1.所以r1：r2=9:1.這樣，后級電阻在前級等效電阻增加，增加了功率放大器的適應(yīng)負(fù)載變化能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，再者，增加了集電極的等效負(fù)載re，由于，增加了回路的品質(zhì)因數(shù)。在做耦合元件使用時(shí)，隔離兩級放大

23、器的直流成分，使兩級放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)獨(dú)立。第一級功放的輸出幅度可以達(dá)到600mv，經(jīng)過變壓器耦合到次級輸入為200mv。同樣200mvvbz=0.7v,第二級功率放大器依舊工作在全導(dǎo)通狀態(tài)，即甲類狀態(tài)。經(jīng)過第二級功率放大器后幅度可以達(dá)到3.56v，進(jìn)過變壓器耦合最后輸出幅度可以到1.6v。因?yàn)?，在此模塊中，減小rb(r5，r7)，可以增加ieq,從而減小了rbe ，au增大。2.5信號的發(fā)射 信號的發(fā)射是調(diào)頻發(fā)射機(jī)的末級電路，它是把已調(diào)信號通過天線發(fā)射。其原理圖如下圖十二所示圖 十二 已調(diào)信號通過變壓器t2的次級線圈與l2，c10組成并聯(lián)濾波網(wǎng)絡(luò)選頻后通過天線e1發(fā)射。l=lt2 +l2 2

24、.5uh，=20mhz，則c1025pf.,實(shí)際中因?yàn)樘炀€也是一個(gè)電感，所以用一個(gè)10pf的電容與一個(gè)025pf的可變電容并聯(lián)。通過調(diào)節(jié)可變電容可以使信號在輸入信號頻率上以最大的幅度發(fā)射。3、 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量與分析振蕩級發(fā)射級（天線）頻偏f1（mhz）f2（mhz）f(mhz)118.7518.600.15219.0018.880.12319.5019.370.13419.7019.670.13519.8019.770.13619.9019.770.13720.0019.870,13820.1019.980.12920.1320.000.131020.2020.070.131120.2520.

25、120.13表1 上表是改變變?nèi)荻O管的兩端的電壓從而改變變?nèi)荻O管電容值所測數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析可以看出，在振蕩級和發(fā)射天線出存在一個(gè)=0.13mhz,也就是說存在一個(gè)系統(tǒng)誤差，但是在實(shí)際應(yīng)用中該誤差是可以通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的電壓使輸出頻率為20m。從而減小該誤差對系統(tǒng)的影響。 測試點(diǎn)測試值名稱vpp波形有無失真f（mhz)（中心頻率）f(mhz)頻率穩(wěn)定度（%）振蕩級輸出368mv無20.14680.31.5推動級輸出176mv有20.00760.351.75功放級輸出（變壓器前）3.56v無19.98760.42功放級輸出（變壓器后）1.68v有20.00190.52.5天線輸出（空載）1.60v無20.00350.52.5天線輸出（10負(fù)載）1.37無19.99720.52.5表2 1）該系統(tǒng)在20.00mhz時(shí)在帶10歐姆負(fù)載時(shí)的輸出幅度可以達(dá)到1370mv,即輸出功率； 2）信號在兩處都有失真，因?yàn)樽儔浩鳛樽灾频模詈闲盘柌焕硐?，所以出現(xiàn)波形部分失真，但是經(jīng)過再次選頻可以使信號恢復(fù)。 3)該系統(tǒng)用的頻率穩(wěn)定度如上表2所示，看似頻率穩(wěn)定度不好，實(shí)際上測該信號時(shí)是使用示波器測量的，示波器對頻率測量不理想（本人用示波器觀察了信號源的輸出信號，在低頻（1khz）穩(wěn)定度較高可以達(dá)到0.01%，在高頻