畢業(yè)設(shè)計（論文）基于鎖相環(huán)技術(shù)的無線接收與發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計

1、湖 南 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計說明書課題名稱: 基于鎖相環(huán)技術(shù)的無線接收與發(fā)射系統(tǒng)專業(yè)名稱:學(xué)生班級:學(xué)生姓名:學(xué)生學(xué)號:e-mail: 指導(dǎo)老師:制作日期:2007-5-29目 錄一、緒論-2二、設(shè)計任務(wù)書-4三、系統(tǒng)的解調(diào)設(shè)計-53.1系統(tǒng)的方案論證與選擇-53.2系統(tǒng)的任務(wù)分析之原理框圖-63.3鎖相環(huán)的單元電路設(shè)計-73.3.1鎖相環(huán)技術(shù)的概論-73.3.2鎖相環(huán)的構(gòu)成及工作原理-7四、無線發(fā)射的電路設(shè)計-214.1主要技術(shù)指標(biāo)-224.2設(shè)計原理之?dāng)M定發(fā)射機的組成方框圖-234.3 lc振蕩與調(diào)試電路-244.4緩沖隔離級-264.5功放激勵級-284.6末級功放-284.7增益分配-2

2、8五、鎖相環(huán)芯片的選擇-305.1 芯片的介紹-305.2 芯片的串行接口介紹-315.3trf4900芯片的設(shè)置-32六、電路裝調(diào)與測試-36七、參數(shù)計算-367.1 lc部分的計算-36 7.2 緩沖隔離級-38 7.3 高頻功放的參數(shù)計算-38 7.4 整機聯(lián)調(diào)時常見故障分析-40八、接收電路-428.1調(diào)頻接收機的實驗電路圖-42 8.2、圖 7.1mc3361的引腳功能-42 8.3 調(diào)頻接收機電路安裝與調(diào)試-43九、附錄-43一、 緒論早在中國的古代就有流傳說某些人有特殊的功能:如千里眼、順風(fēng)耳等等,現(xiàn)在我們通過自己的智慧在前人的基礎(chǔ)上結(jié)合自己的創(chuàng)造輕易實現(xiàn)了古人說的神話這就是大名

3、鼎鼎的無線電的發(fā)射與接收.無線發(fā)射與接收從誕生到現(xiàn)在已有上百年的歷史,技術(shù)日臻完善,短短一段時間里很多誤區(qū)禁區(qū)都得到了很好的改善,技術(shù)的突飛猛進著實讓世人驚嘆不已!無線電的出現(xiàn)實現(xiàn)了人們用科學(xué)創(chuàng)造社會的勇氣和決心,為后來人的創(chuàng)造奠定了不可磨滅的基礎(chǔ),無數(shù)的科學(xué)家為此孜孜不倦的努力和奮斗.由于無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的高新無線發(fā)射與接收技術(shù)陸續(xù)問世，但就目前來說很多地方仍然不能滿足現(xiàn)在人們對通信的需求,這是個不爭的事實,有待于咱們的共同努力.能實現(xiàn)無線接收與發(fā)射的系統(tǒng)有多種，如有通過紅外線的無線接收與發(fā)射系統(tǒng)、有通過電磁波的無線發(fā)射與接收系統(tǒng)和通過鎖相環(huán)的無線接收與發(fā)射系統(tǒng)。鑒于鎖相環(huán)的

4、穩(wěn)定特性和我 們現(xiàn)在所處的實際情況我們在就采用鎖相環(huán)來完成這次設(shè)計。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，鎖相環(huán)是一種非常有用的同步技術(shù)，因為通過鎖相環(huán)，可以使得不同的數(shù)據(jù)采集板卡共享同一個采樣時鐘。因此，所有板卡上各自的本地80mhz和20mhz時基的相位都是同步的，從而采樣時鐘也是同步的。因為每塊板卡的采樣時鐘都是同步的，所以都能嚴(yán)格地在同一時刻進行數(shù)據(jù)采集。 通過鎖相環(huán)同步多塊板卡的采樣時鐘所需要的編程技術(shù)會根據(jù)您所使用的硬件板卡的不同而不同。對于基于pci總線的產(chǎn)品（m系列數(shù)據(jù)采集卡，pci數(shù)字化儀等），所有的同步都是通過rtsi總線上的時鐘和觸發(fā)線來實現(xiàn)的；這時，其中一塊版板卡會作為主卡并且輸出其內(nèi)部時

5、鐘，通過rtsi線，其他從板卡就可以獲得這個用于同步的時鐘信號，對于基于pxi總線的產(chǎn)品，則通過將所有板卡的時鐘于pxi內(nèi)置的10mhz背板時鐘同步來實現(xiàn)鎖相環(huán)同步的。在物理學(xué)中產(chǎn)生調(diào)制載波,并將遙感數(shù)據(jù)調(diào)制到發(fā)射頻段的這部分設(shè)備,我們稱為發(fā)射機.傳統(tǒng)方式的發(fā)射機由多個部件組成:中頻調(diào)制器、中頻本振源、變頻器本振源、上變頻器以及必需的濾波器、隔離器等.將所接收到的波進行解調(diào)、濾波、整流這部我們稱之位接收部分.二、設(shè)計任務(wù)書 本次設(shè)計主要是為了實現(xiàn)如下目的 1、掌握基于鎖相環(huán)電路調(diào)頻發(fā)射機與接收整機電路的設(shè)計與調(diào)試方法;2、掌握高頻電路的調(diào)試中常見故障的分析與排除;3、學(xué)會如何將高頻單元電路組合

6、起來實現(xiàn)滿足工程實際要求的整機電路的設(shè)計與調(diào)試技術(shù).三、系統(tǒng)的調(diào)制設(shè)計 2.1系統(tǒng)的方案論證與選擇方案一:用紅外線做無線接收與發(fā)射優(yōu)點: 1、本身發(fā)射任何類型的輻射少; 2、器件功耗小;3、價低廉;缺點: 1、容易受各種熱源、光源干擾; 2、易受射頻輻射的干擾; 3、被動紅外穿透力差,傳輸距離不遠(yuǎn);方案二:用電磁波做無線接收與發(fā)射優(yōu)點: 1、傳輸?shù)木嚯x遠(yuǎn); 2、 3、缺點: 1、發(fā)射各種類型的輻射大,對人體的傷害較大; 2、發(fā)射功率較大,所花的費用多; 3、方案三:用鎖相環(huán)做無線接收與發(fā)射優(yōu)點: 1、可以輕松控制多個頻道數(shù); 2、接收和發(fā)射的頻率相對較穩(wěn)定; 3、缺點: 1、 2、 3、綜合上

7、述考慮結(jié)合我們自己的實際情況我們采用鎖相環(huán)做無線的接收與發(fā)射.2.2系統(tǒng)的任務(wù)分析之原理框圖2.3鎖相的單元電路設(shè)計2.3.1鎖相環(huán)技術(shù)的概論 鎖相環(huán)（英文名phase-locked loop 簡稱pll）是一種反饋電路，其作用是使得電路上的時鐘和某一外部時鐘的相位同步。pll通過比較外部信號的相位和由壓控晶振（vcxo）的相位來實現(xiàn)同步的，在比較的過程中，鎖相環(huán)電路會不斷根據(jù)外部信號的相位來調(diào)整本地晶振的時鐘相位，直到兩個信號的相位同步。 2.3.2鎖相環(huán)的構(gòu)成及工作原理1、鎖相環(huán)的構(gòu)成 工程實踐中使用的鎖相環(huán)是各種各樣的，但無論多么復(fù)雜的鎖相環(huán)都包含鑒相器（pdphase detector

8、）、環(huán)路濾波器（lfloop filter）以及壓控震蕩器（vcovoltage controlled oscillator）這三個基本部件。由這三個基本部件組成的鎖相環(huán)如荼1-1所示，我們稱之為基本鎖相環(huán)。 基本組成框圖如下：(圖1-1) 圖1-1 基本鎖相環(huán)組成實際使用的鎖相環(huán)還可能包含有放大器、混頻器、分頻器、濾波器等部件，但這些部件不影響鎖相環(huán)的工作原理，可不予考慮。由圖1-1可見，鎖相環(huán)是一個反饋系統(tǒng)（或叫閉環(huán)控制系統(tǒng)）?；炬i相環(huán)是一個全反饋系統(tǒng)，它的反饋信號uf（t）等于輸出信號u0（t）。pd對輸入信號ui（t）和反饋信號uf（t）的相位作比較、運算處理，其輸出信號可表示為ud

9、（t）=fe（t）式中的e（t）表示輸入信號與反饋信號的相位差，f表示運算關(guān)系。lf是一個線形低通網(wǎng)絡(luò)，用來濾除ud（t）中的高頻成分和調(diào)整環(huán)路參數(shù)，它對環(huán)路的性能指標(biāo)有重要影響。lf的輸出信號uc（t）被用來控制vco的頻率和相位。常稱ud（t）為誤差信號，uc（t）為控制信號，它們之間的關(guān)系可表示為uc（t）=f（p）ud（t）式中p為微分算子符號，f（p）為lf的傳輸算子。 vco是一個電壓/頻率變換裝置，它的頻率wv（t）隨uc（t）變化，一般可把它們表示為線形關(guān)系w v（t）=wo +kou c（t）式中ko 為vco的控制靈敏度，簡稱為壓控靈敏度，單位是rad/（sv）或hz/vo

10、 wo為vco的固有震蕩頻率，即控制電壓為0時的震蕩頻率。2、閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理 為了說明鎖相環(huán)的工作原理，我們先簡單介紹一下閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理。閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1-2所示。 圖 1-2 閉環(huán)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的目的是使系統(tǒng)的輸出量按照預(yù)定規(guī)律變化，或達(dá)到某一預(yù)定值。系統(tǒng)的輸出量與預(yù)定值成對應(yīng)關(guān)系。反饋網(wǎng)絡(luò)測量輸出量并形成反饋量?？刂破饔脕頇z測輸出量與反饋量之間的偏差并產(chǎn)生一個控制信號。在這個控制信號的作用下，控制對象的輸出向著預(yù)定值變化，最終消除或減小偏差。我們用遙控器對空調(diào)器設(shè)置某一溫度，在空調(diào)器的控制板上就形成了一個與這一溫度相對應(yīng)的電信號，這個電信號就是輸入量，感溫頭

11、用來測量環(huán)境溫度，形成一個反饋電信號。只要反饋電信號和輸入電信號不相等，空調(diào)就產(chǎn)生冷風(fēng)（或熱風(fēng)），使房間溫度向預(yù)定溫度方向變化。此溫度控制系統(tǒng)中，房間是控制對象，房間溫度是輸出量，空調(diào)器中包括了控制器和反饋網(wǎng)絡(luò)兩個部件?？梢姡]環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理可簡單地概括為：檢測偏差，產(chǎn)生控制信號，消除或減少偏差。檢測偏差，就是用輸入量減反饋量。所以此處所說的閉環(huán)控制系統(tǒng)是一個負(fù)反饋系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的指標(biāo)主要是穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性。比如打開空調(diào)器，我們希望房間溫度快速、準(zhǔn)確地達(dá)到設(shè)定值，而且不出現(xiàn)周期性的高低溫變化。為了使這些指標(biāo)滿足一定要求，往往需要在控制器和控制對象之間串接一個校正網(wǎng)絡(luò)。這種帶有校

12、正網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1-3所示。(見下頁) 圖 1-3 有校正網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)控制系統(tǒng)在自動控制理論中，常稱輸入量為控制量，輸出量為被控制量，控制對象的輸入信號為控制信號3、鎖相環(huán)的工作原理 在鎖相環(huán)中，pd為控制器，vco是控制對象，lf是校正網(wǎng)絡(luò)，基本鎖相環(huán)中反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為1。反饋網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為1的環(huán)路稱為單位反饋環(huán)，它的反饋信號等于輸出信號，反饋量等于輸出量。在本書中，無特殊說明的鎖相環(huán)皆是單位反饋環(huán)。 鑒相器檢測輸入信號與反饋信號之間的相位偏差，利用相位偏差產(chǎn)生控制信號，從而減小或消除相位偏差。這就是鎖相環(huán)的工作原理。 在鎖相環(huán)中把相位偏差叫相位誤差，簡稱相差。由于偏差是輸入量與反

13、饋量之差，所以鎖相環(huán)的輸入量是輸入信號 的相位，輸出量是輸出信號的相位。下面我們在對鎖相環(huán)的工作原理作一簡單的定量分析。為方便分析，設(shè)輸入為固定頻率信號ui(t)=uisina(i+)環(huán)路的輸入相位為i+ ，反饋相位為0t+k0u e(t)/p ，環(huán)路的瞬時相位誤差為e(t)= it+i-0t+k0u e(t)/p對上式兩邊微分，得de(t) / d t =0- k0u e(t)式上0=i -0 為輸入信號頻率與vco固有頻率之差，稱為環(huán)路固有頻率。k0u e(t) 表示控制電壓是vco產(chǎn)生的頻率變化，稱為控制頻差。 de(t) / d t 為瞬時頻差（可簡稱頻差）。因此，可以得到這三個頻差之

14、間的關(guān)系為瞬時頻差=固有頻差-控制頻差下面分析一種最簡單的鎖相環(huán)的瞬時相差和瞬時頻差的變化規(guī)律。在這種環(huán)路下中，f（p）=1，ud(t)= kde(t) ，由式（1-1）和式（1-2）得uc(t)= kde(t)將式（1-7）代入（1-6），得de(t) / d t=0- ke(t)式中k=kdk0。解此一階微分方程，得e(t) =式中第一為零狀態(tài)響應(yīng)，第二項為零輸入響應(yīng)， 為起始相差，即式（1-8）的初始狀態(tài)。1=0由式（1-9）得e(t)=此兩式分別表示環(huán)路相差和頻差的變化規(guī)律，變化曲線如圖1-4（a）、(b)所示。 圖1-4 有起始相差時的相差、頻差曲線可見，環(huán)路可消除起始相差。為消除起

15、始，控制電壓使vco的頻率在一定時間內(nèi)高于輸入信號頻率，頻差為負(fù)值。頻差曲線的積分與起始大小相等，符號相反，以抵消起始相差。若起始相差小于零，則相差與頻差的符號與圖1-4相反。20 e(0)=0由式（1-9）得e(t)=相差和頻差的變化曲線如圖1-5（a）、(b)所示。 (a) (b) 圖1-5 有起始頻差是的相差，頻差曲線可見，環(huán)路可以消除固有頻差，但存在一定相差。若環(huán)路斷開，則輸入信號和vco的信號之間的固有頻差無法消除，相差會越來越大。環(huán)路閉合后雖不能消除相差，但仍可把相差減小到一定范圍之內(nèi)。這一固定相差是為消除固有頻差所必須存在的。頻差為零馬廄以為著vco的頻率由 變?yōu)閕 ，變化量為

16、，這就需要一個控制電壓 /k ，它對應(yīng)的相差就是/k 。若0 ，則相差、頻差的符號與圖1-5相反。當(dāng)lf是一個低通濾波器時，由于環(huán)路動態(tài)方程是一個二階或高階微分方程，在歧視相差或固有頻差的作用下，環(huán)路相差及頻差的變化過程可能比較復(fù)雜，但總的變化趨勢與上述情況是相同的?？傊?，當(dāng)鎖相環(huán)輸入信號的頻率固定時，它的輸出信號頻率可以與輸入信號頻率相同，即鎖相環(huán)可以消除頻差。但能否消除相差取決于所用lf的形式。若lf的直流增益為無窮大，則可消除相差。因為這時雖然e(t) 與 ud(t) 都等于零，但通過一個直流增益為無窮大的lf，可得到所需要的控制電壓/k。 。若lf的直流增益為有限值，則不能消除相差。當(dāng)

17、然，設(shè)計一個鎖相環(huán)不只是為了得到一個與輸入同頻的信號，實際的鑒相器輸出也不一定與相差成正比關(guān)系，這些問題在后面在作詳細(xì)介紹。3 鎖相環(huán)的工作狀態(tài)鎖相環(huán)的輸入信號不同，環(huán)路參數(shù)不同，起工作狀態(tài)也不同。本節(jié)直接給出不同輸入信號下的環(huán)路工作狀態(tài)，而不對這種工作狀態(tài)作詳細(xì)的數(shù)學(xué)分析。在縮相頻率合成、鎖相調(diào)頻中輸入信號來自晶體震蕩器，是一個固有頻率信號。在縮相解調(diào)中，輸入信號來自接受機的前置放大器，是一個調(diào)角（調(diào)頻或調(diào)相）信號。3.1輸入為固定頻率信號有1.1分析可見，當(dāng)鑒相器輸出正比于相差時，不管固有頻率多大，環(huán)路總可到達(dá)頻差為零的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)然，實際鎖相器的輸出只是在一定的范圍內(nèi)與相差成線性關(guān)系，但

18、分析表明，只有固有頻差滿足一定條件，鎖相環(huán)就可以消除頻差，達(dá)到頻差為零、相差為某一常數(shù)的穩(wěn)定狀態(tài)。我們稱這一狀態(tài)為鎖相狀態(tài)。鎖定狀態(tài)下控制頻差等于固有頻差，控制電壓和誤差電壓都是直流。uc=w0/k0 ud=w0/k0f(j0)式中f（ j0）表示lf的直流增益。當(dāng)環(huán)路固有頻率不滿足一定條件時，環(huán)路不可能消除頻差，只能達(dá)到使頻差按某一規(guī)律變化的穩(wěn)定狀態(tài)。這種頻差不為零的狀態(tài)叫失鎖狀態(tài)。失鎖狀態(tài)下uc(t),ud(t)不是直流。環(huán)路能鎖定的條件是，固有頻率小于捕捉帶。這一問題我們在1.3再進一步介紹?？傊?，當(dāng)輸入為固定頻率信號時，環(huán)路頻差為零的穩(wěn)定狀態(tài)叫鎖定狀態(tài)，頻差不為零的穩(wěn)定狀態(tài)叫失鎖狀態(tài)。

19、3.2、輸入為調(diào)角信號調(diào)角信號可表示為式中i為載頻，i（t）為基帶信號產(chǎn)生的調(diào)制相位。與信號一起進入環(huán)路的還有噪聲，使用鎖相環(huán)的目的是濾除噪聲，提取載波或解調(diào)出基帶信號，由后續(xù)章節(jié)的分析知道，欲達(dá)此目的，環(huán)路鑒相器必須工作在線性范圍，這就要求相位誤差應(yīng)小于某一值i（t）0, ud 為上寬、下窄的不對稱正弦波，如圖1-7所示。且隨i 減小，不對稱程度增大，i 等于i2 時，ud 突然變?yōu)橹绷?；?） i由 i2向i3 減小時，ud為直流，且隨i 減小而減??；（4） i由i3 向 i4增大時，00,ud為上窄、下寬的不對稱正弦波，如圖1-8所示。且隨i 增大，不對稱程度增大，i等于i4 時，突然變

20、為直流；（5） 直流ud 的變化范圍不會超過交流ud 的變化范圍。分析的波形圖如下：把上述實驗重復(fù)做若干次，每次得到的i1、i2、i3、i4值可能不相同，分別對它們作平均處理，得到四個平均值。然后求出兩個頻差p=h=求出這兩個頻差值后，再作如下實驗。斷開k或斷開鎖相環(huán)的電源，在不同的i 下關(guān)閉k或接通環(huán)路電源?？梢园l(fā)現(xiàn)，只要滿足，環(huán)路就可以鎖定。否則不能鎖定。環(huán)路鎖定后，緩慢變化i ，只要滿足，環(huán)路就可以保持鎖定，且ud隨fi增大而增大，隨fi減小而減小。 可見，fp是環(huán)路能進入鎖存狀態(tài)的最大固有頻差，fh是環(huán)路能保持鎖定狀態(tài)的最大固有頻差。我們稱fp為捕捉帶（pull-in rang或acq

21、uisition range）,稱fh為同步帶（hold range）. 捕捉帶和同步帶也可用角頻率wp和wh表示。 當(dāng)環(huán)路的鑒相特性為式（1-18）時，whwp ，環(huán)路失鎖時ud(t)為不對稱的正弦波。在以后的有關(guān)章節(jié)中再對此結(jié)論作詳細(xì)分析并給出各種鎖相環(huán)的wp和wh計算公式。 下面再對捕捉帶和同步帶這兩個重要概念的物理意義作進一步闡述。 任何一個振蕩器，由于它的有源器件和振蕩回路元器件參數(shù)都是隨溫度、濕度等周圍環(huán)境及使用時間做緩慢變化的。鎖相環(huán)路的vco是一個振蕩器，它的固有震蕩頻率fo也是一個變化范圍。輸出信號也是由某一振蕩器產(chǎn)生的，故fi也是在一定范圍內(nèi)變化的，這樣，環(huán)路的固有頻差就不

22、是一個固定值，而是有一個變化范圍，要想使環(huán)路接通后能進入鎖定狀態(tài)，必須滿足|fo|fp這一條件。環(huán)路鎖定后，fo也是在不斷變化的，要想環(huán)路保持鎖定狀態(tài)，必須滿足|fo|fh這一條件。 總之，鎖相環(huán)能夠進入鎖定狀態(tài)（簡述為環(huán)路能夠鎖定）的條件是 |fo|fp （1-21）或 fi-fpfifo+fp （1-22）環(huán)路能夠保持鎖定的條件是 |fo|fh （1-23）或 fo-fhfir2,r3r1,以減小調(diào)制信號對vq的影響。c5與高頻扼流圈l2給vi提供通路，c6起到高頻濾波的作用。 變?nèi)荻O管dc通過cc部分接入振蕩回路，有利于提高穩(wěn)定的主振頻率f0，減小調(diào)制信號的失真。4.4 緩沖隔離級將振

23、蕩級與功放級隔離,以減少功放級對振蕩級的影響.因為功放級輸出信號較大,工作狀態(tài)的變化(如諧振阻抗變化)會影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度,或波形失真或輸出電壓減少.為減少級間相互影響,通常在中國插入緩沖隔離級.緩沖隔離級常采用射極跟隨器電路,如圖（3）所示:圖（3）調(diào)節(jié)射極電阻re2,可以改變射極跟隨器輸入阻抗.如果忽略晶體管基極體電阻rbe的影響,則射極輸出器的輸入電阻ri = /輸出電阻 r0=(re1+re2)r0式中, r0很小,所以可將射極輸出器的輸出電阻等效為一個恒壓源.電壓放大倍數(shù)av= 一般情況下,gm1,所以圖（3）所示射極輸出器具有輸入阻抗高,輸出阻抗低,電壓放大倍數(shù)近似等于1的特點

24、.晶體管的靜態(tài)工作點位于交流負(fù)載線的中點,一般取vceq=vcc/2,icq=(3-10)ma.對于圖(3)所示電路,若取vceq=6v,icq=4ma,則re1+re2=veq/icq=1.5k取re1=1k 電阻,re2=1k 電位器.rb2=10krb1=因為功率激勵級的輸入阻抗為325 k，即射隨器的負(fù)載電阻rl=325 k，所以可計算出射隨器的輸入電阻ri= / 3.6 k輸入電壓 vi= 2.1v為減小射極跟隨器對前級振蕩起的影響,藕合電容c1不能太大,一般為數(shù)十皮法;c2為0.022uf左右.4.5 功放激勵級為末級功放提供激勵功率.如果發(fā)射功率不大,且振蕩級的輸出功率能夠滿足末

25、級功放的輸入要求,則功率激勵級可以省去.4.6 末級功放將前級送來的信號進行功率放大,使負(fù)載(天線)上獲的滿足要求的發(fā)射功率.如果要求整機效率較高,則應(yīng)采用丙類功放;若整機效率不高;如50%,故選用丙類功放較好.4.7 增益分配 發(fā)射機的輸出應(yīng)具有一定的功率才能將信號放送出去,但是功率增益又不可能集中在末級功放,否則電路性能不穩(wěn),容易產(chǎn)生自激.因此要根據(jù)發(fā)射機各組成部分的作用,適當(dāng)?shù)?合理地分配功率增益.如果調(diào)頻振蕩器的輸出比較穩(wěn)定,又具有一定的功率,則功率激勵級和末級功放級的功率增益可適當(dāng)小些,否則功率增益主要集中在這兩級.緩沖級可以不分配功率增益.設(shè)各級增益如圖(1)所示4.8 功率激勵級

26、與末級功放的電路如圖(4)所示.圖（4）利用后寬帶變壓器作耦合回路的功放。常見寬帶變壓器的用高頻磁芯繞制的高頻變壓器的傳輸線變壓器。寬帶功放不需要調(diào)諧回路，可在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得放大。但是他的效率是比較的低，一般只有20%左右，它通常是作為發(fā)射級的中間級，以提供較大的激勵功率。利用選頻網(wǎng)絡(luò)作負(fù)載回路的功放稱為諧振功放，根據(jù)防大器的電流導(dǎo)通角的范圍，可以分為甲類，乙類，丙類，丁類等功放，導(dǎo)通角越小它的效率就越高，一般是用丙類作為發(fā)射機的末級，以獲得較大的功率和提高它的效率。上圖就是利用兩級功放組成高頻功放電路的，其中第一個晶體管和第一個變壓器組成寬帶功放，第二個晶體管和選頻網(wǎng)絡(luò)組成的是丙類功放

27、。五、芯片的選擇5.1 芯片的介紹本次設(shè)計我們采用的是trf4900芯片,下面介紹下該芯片的一些基本的情況.trf4900芯片是ti公司生產(chǎn)的、單片集成的、低價格的、能提供完全功能的多通道fsk發(fā)射器。芯片能滿足在歐洲868 mhz頻帶和北美915 mhz ism頻帶的線性(fm)或者數(shù)字（fsk）發(fā)射應(yīng)用。單片發(fā)射器芯片工作電壓2.23.6 v，典型發(fā)射功率為7 dbm，并具有低的功率消耗。24位直接數(shù)字合成器有11位dac，合成器有大約230 hz的通道空間，允許窄帶和寬帶應(yīng)用。兩個完全可編程工作模式-模式0和模式1，允許非?？斓卦趦蓚€預(yù)先編程的設(shè)置之間轉(zhuǎn)換（例如發(fā)射頻率0或者發(fā)射頻率1）

28、。芯片內(nèi)集成壓控振蕩器（vco）、鎖相環(huán)（pll）和基準(zhǔn)振蕩器，僅需要極少的外部元件即可構(gòu)成一個完整的發(fā)射電路。trf4900通過串行接口連接到ti msp430微控制器。發(fā)射器的每一個功能塊能夠通過串行接口編程設(shè)置其功能。trf4900應(yīng)用電路如圖1所示。圖 15.2 芯片的串行接口介紹trf4900通過串行接口連接到ti的msp430微控制器,如圖2所示。圖2 與msp430微控制器的連接圖5.3 trf4900芯片的設(shè)置trf4900芯片的直接數(shù)字合成器dds是基于用數(shù)字辦法產(chǎn)生正弦波信號的。dds由累加器、正弦波查找表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器組成。所有數(shù)字功能塊的時鐘由基準(zhǔn)振蕩器提供

29、。dds利用一個n位加法器從0到2n計數(shù),根據(jù)在頻率寄存器中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換規(guī)范產(chǎn)生數(shù)字階梯波,來構(gòu)造一個模擬正弦波。n位計數(shù)器的輸出寄存器的每一個數(shù)字,用來選擇正弦波查找表中相應(yīng)的正弦波數(shù)值輸出。在數(shù)/模轉(zhuǎn)換后,低通濾波器用來抑制不需要的寄生響應(yīng)。模擬輸出信號能用來作為pll的參考輸入信號。pll電路根據(jù)預(yù)先確定的系數(shù)倍乘基準(zhǔn)頻率。 基準(zhǔn)振蕩器的頻率fref是dds的采樣頻率,同時也確定最高的dds輸出頻率,與累加器的位數(shù)一起,可以計算dds的頻率分辨率。trf4900的最小頻率步長可由下式計算： 24位的累加器能夠通過兩個22位的頻率設(shè)置寄存器編程（a字確定模式0的頻率,b字確定模式1的頻率）,

30、同時寄存器的兩個msb位設(shè)置為0。因此,dds系統(tǒng)的最大位權(quán)減少到1/8,如圖4所示。圖4 dds頻率和fsk頻偏在dds頻率寄存器中的格式這個位權(quán)與vco輸出頻率（fref/8）n相適應(yīng)。根據(jù)在mode端的邏輯電平,內(nèi)部選擇邏輯裝載dds-0或者dds-1頻率到頻率寄存器。vco的輸出頻率fout是由dds-x頻率設(shè)置決定的（dss-0在a字中,dds-1在b字中）,vco的輸出頻率fout計算公式如下：如果選擇fsk調(diào)制（mm=0,c字,16位）,則8位fsk頻偏寄存器能被用來編程2-fsk調(diào)制的頻偏。頻偏寄存器的8位在24位dds頻率寄存器中,lsb設(shè)置為0,總的fsk頻偏由下式計算：因

31、此,2-fsk頻率由在tx-data上的電平設(shè)置,計算公式如下：這個調(diào)頻輸出信號用來作為pll電路的基準(zhǔn)輸入信號。2-fsk調(diào)制信道寬度（頻偏）和信道間距是軟件可編程的。最小信道寬度和最小信道間距取決于rf系統(tǒng)頻率設(shè)計,中心頻率fcenter = (fout1 + fout2)/2。當(dāng)fsk發(fā)射時,中心頻率fcenter被認(rèn)為是有效的載波頻率。鎖相環(huán)由相位檢波器（pd）、鑒頻器（pd）、充電泵、vco、外接的回路濾波器和在反饋回路中的可編程的預(yù)分頻器（n分頻器）組成。當(dāng)使用外部vco時,x-vco位將被設(shè)置為0。分頻器是可編程的,分頻系數(shù)n能由c字設(shè)置成256或512。 功率放大器(pa)能夠

32、由在d字中的p0和p1兩位編程,提供可變的輸出功率電平。 trf4900的控制字是24位。第1個引入位是最高有效位(msb),完成對trf4900的編程;4個24位的字必須設(shè)置,即必須設(shè)置a、b、c、d字。圖5 給出定義的4個控制字。表1、表2和表3描述每個參數(shù)的功能,表4為在fsk模式下的發(fā)射頻率。圖5 串行控制字格式六、電路裝調(diào)與測試整機電路的設(shè)計計算順序一般是從末級單元電路開始,向前逐級進行的.而電路的裝調(diào)順序一般從前級單元電路開始,向逐級進行.電路的調(diào)試順序為先分級調(diào)整單元電路的靜態(tài)工作點,測量其性能參數(shù);然后再逐級進行聯(lián)調(diào)為止,直到整機調(diào)試為止;最后進行整機指標(biāo)測試.由于功放運用的是

33、折線分析方法,其理論計算為近似值.此外單元電路的設(shè)計計算沒有考慮實際電路中分布參數(shù)的影響,級間的相互影響,所以電路的實際工作狀態(tài)與理論工作狀態(tài)相差較大,原器件參數(shù)在整機調(diào)整過程中,修改比較大,這在高頻電路整機調(diào)試中需要特別注意的.圖所示的為設(shè)計整機調(diào)試完成后的電路.七、參數(shù)計算6.1 lc部分的計算以為本題的對頻率的穩(wěn)定度不是很高，所以選用的是lc振蕩器與變?nèi)荻O管調(diào)頻電路。振蕩的靜態(tài)工作點取icq=2ma，vceq=6v，又因為三極管的放大倍數(shù)為60，所以由icq=得re+rc= =3k為了提高電路的穩(wěn)定性，re可以適當(dāng)?shù)脑龃笠稽c，取re=1k，則rc=2k，再由veq=vbqvbeicqr

34、e得vcq=icqre=2v若流過rb2的電流ib2=10ibq/=0.33ma，則rb2=vbq/ib28.2k由vbq=得rb2/（rb1+rb2）=vbq/vcc即rb1=rb2vcc/vbq-1=28.2krb1用20k電阻與47k的電位器串聯(lián)的到，以便調(diào)整靜態(tài)工作點。由f0得f0= 若取c1=100pf，則l110uh，實驗中可以適當(dāng)調(diào)整l1的線圈數(shù)或c1的值。電容c2、c3有反饋系數(shù)f及電路條件c1c2，c1c3所決定，若取c2=510pf，由f=c2/c3=1/81/2則取c3=3000pf，取偶合電容cb=0.01uf.6.2 緩沖隔離級晶體管的靜態(tài)工作點位于交流負(fù)載線的中點,

35、一般取vceq=vcc/2,icq=(3-10)ma.對于圖(3)所示電路,若取vceq=6v,icq=4ma,則re1+re2=veq/icq=1.5k取re1=1k 電阻,re2=1k 電位器.rb2=10krb1=因為功率激勵級的輸入阻抗為325 k，即射隨器的負(fù)載電阻rl=325 k，所以可計算出射隨器的輸入電阻ri= / 3.6 k輸入電壓 vi= 2.1v為減小射極跟隨器對前級振蕩起的影響,藕合電容c1不能太大,一般為數(shù)十皮法;c2為0.022uf左右.6.3 高頻功放的參數(shù)計算變壓器的效率=0.8。寬帶功放集電極的輸出功率由pc=ph/得pc=31mw若取寬帶功放的靜態(tài)電流icq

36、icm=7ma再由pc=0.5vcmicm= 得集電極電壓的振幅vcm vcm=2pc/icm=8.9v然后由vcm=vcc-icqre1-vces得射極直流反饋電阻re1= 再由 得變壓器的匝數(shù)比為3靜態(tài)工作點的計算由上述計算的結(jié)果的靜態(tài)是的晶體管的射極電位veq=icqre1=2.5v則vbq=veq+0.7v=3.2vibq=icq/=0.23ma若取基極偏置電路的電流i1=5ibq。則r2=vbq/5ibq=2.8kr1= 實驗調(diào)整的時候取r1=5.1k+10k電位器，取高頻旁路電容ce1=0.02uf,輸入的耦合電容c1=0.02uf.高頻電路電源去耦濾波網(wǎng)絡(luò)通常采用的是型lc低通濾

37、波器，l3、l4可以按照經(jīng)驗取50uh100uh,ca、cb、cc、cd,按照經(jīng)驗可以取0.01uf，l3、l4還可以用環(huán)行磁芯繞制，此外，還可以在輸出變壓器的次級與負(fù)載rl之間插入lc濾波器，用以改變rl上的輸出的波形。下圖為調(diào)頻發(fā)射機的實驗電路：6.4 整機聯(lián)調(diào)時常見故障分析6.4.1如前所述,高頻電路由于受分布參數(shù)及各種耦合與干擾的影響,其穩(wěn)定性比起低頻電路來要差些,因此調(diào)試工作比較復(fù)雜,特別是整機調(diào)試,需要細(xì)致耐心,前后級要多次反復(fù)調(diào)整,直到滿足技術(shù)指標(biāo)要求為止.切記不要急噪,更不能盲目地更改參數(shù),否則事半功倍,達(dá)不到預(yù)期效果.整機聯(lián)調(diào)時常見故障分為以下兩類.6.4.2 調(diào)頻振蕩級與緩沖級相聯(lián)時的故障調(diào)頻振蕩級與緩沖級相聯(lián)時,可能出現(xiàn)振蕩級的輸出電壓幅度明顯減少或波形失真變大的情況,產(chǎn)生的主要原因是可能是射極跟隨器的輸入阻抗不夠大,使振蕩級的輸出負(fù)載加重,可通過改變射極電阻rp1,提高射級跟隨器的輸入阻抗.6.4.3 功放級與前級級聯(lián)時的常見故障(1) 輸出功率明顯減少,波形失真增大.產(chǎn)生的原因可能是級間相互影響,使末級丙類功放諧振