小功率調頻發(fā)射機電路設計畢業(yè)設計

1、信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書(論文)設計(論文)題目: 小功率調頻發(fā)射機 電路的設計 專 業(yè): 通信技術 班 級: 學 號: 姓 名: 指導教師: 二八年十二月三十日息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）任務書學 生姓 名學號班級通技06-2專業(yè)通信技術設計（或論文）題目小功率調頻發(fā)射機電路的設計指導教師姓名職稱工作單位及所從事專業(yè)聯(lián)系方式備 注講師技術學院電子系教師高級工程師子科技股份有限公司18設計（論文）內(nèi)容：本次設計是小功率調頻發(fā)射機，對于小功率調頻發(fā)射機的應用此次采用的是主要針對無線調頻話筒的設計。基本任務如下：1.完成功率激勵與末級功放電路的設計。2.完成緩沖隔離電路的設計。3.完成LC

2、調頻振蕩電路的設計。進度安排：第一階段（2008，092008，10）：完成各單元電路的基本框圖設計；第二階段（2008，102008，11）：完成各單元電路的設計及整體工作原理的分析；第三階段（2008，112008，12）：進行仿真，編寫報告準備答辯。主要參考文獻、資料(寫清楚參考文獻名稱、作者、出版單位)：1熊建云，Protel99SE EDA技術及應用機械工業(yè)出版社，20072申功邁，鈕文良高頻電子線路西安電子科技大學出版社，20063謝自美電子線路設計·實驗·測試中華科技大學出版社，20064曾興雯，劉乃安，陳健高頻電路原理與分析西安電子科技大學出版社，20035

3、余宏生，吳建設電子CAD技能實訓人民郵電出版社，20066鄭應光模擬電子線路東南大學出版社，2006審批意見教研室負責人：年 月 日備注：任務書由指導教師填寫，一式二份。其中學生一份，指導教師一份。四川信息職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書目錄摘要1第1章緒論2第2章方案設計32.1方案比較與論證32.2方案選擇3第3章單元電路設計53.1功率激勵與末級功放電路設計53.1.1末級功放電路設計53.1.2激勵級寬帶功放電路設計83.2緩沖隔離級電路設計103.3LC調頻振蕩器設計123.3.1間接調頻電路設計133.3.2LC振蕩器的設計15總結17致謝18參考文獻19附錄1總電路原理圖20附錄2元器

4、件明細表21摘要在無線電通訊和廣播中，需要傳送由語言、音樂、文字、圖像等轉換成的電信號。由于這些信號頻率比較低，根據(jù)電磁理論，低頻信號不能直接以電磁波的形式有效地從天線上發(fā)射出去。因此，在發(fā)送端須采用調制的方式，將低頻信號加到高頻信號之上，然后將這種帶有低頻信號的高頻信號發(fā)射出去，在接收端則把帶有這種低頻信號的高頻信號接收下來，經(jīng)過頻率變換和相應的解調方式"檢出"原來的低頻信號，從而達到通訊和廣播的目的。本設計針對小功率調頻發(fā)射機進行設計，它主要有調頻振蕩、緩沖隔離、功率激勵和末級功放各部分電路組成。最主要將調制信號進行調制后，振蕩信號隨著調制信號的變化而產(chǎn)生變化，振蕩級將

5、產(chǎn)生5MHz的工作頻率，功率激勵即對電壓進行放大，末級功放將工作在丙類狀態(tài)A>50%，最后將對信號由天線發(fā)射出去。關鍵詞發(fā)射機；調頻；無線話筒第20頁共21頁第1章緒論無線電技術誕生以來，信息傳輸和信息處理始終是其主要任務。要將無線電信號有效地發(fā)射出去，天線的尺寸必須和電信號的波長為同一數(shù)量級，為了有效地進行傳輸。必須將攜帶信息的低頻電信號調制到幾十MHz至幾百MHz以上的高頻振蕩信號上，再經(jīng)天線發(fā)送出去，調頻是信號發(fā)射必不可少的一個環(huán)節(jié)。調頻發(fā)射機目前處于快速發(fā)展之中，在很多領域都有了很廣泛的應用，可以用于演講、教學、玩具、防盜監(jiān)控等諸多領域。低頻小功率調頻發(fā)射機是將待傳送的音頻信號通

6、過一定的方式調制到高頻載波信號上，放大到額定的功率，然后利用天線以電磁波的方式發(fā)射出去，覆蓋一定的范圍。隨著器件技術的發(fā)展，調頻發(fā)射機的體積越來越趨于微型化，工作電壓越來越低，信號覆蓋的范圍越來越廣。就目前接、發(fā)射技術來說，調頻發(fā)射因為起得天獨厚的性能優(yōu)勢，在接收機技術上可以有廣闊的發(fā)展前景是因為發(fā)送信號的頻率比較高，那么如何能夠最大限度的減少干擾，如何把這種信號很好的解出來，這成了調頻技術的一種考驗。本文主要就是研究利用頻率調制技術調制高頻信號，并把它發(fā)送出去。第2章方案設計2.1方案比較與論證無線調頻話筒的設計中在LC振蕩調頻電路中其采用的調頻方法有兩種：一種是直接調頻；另一種是間接調頻。

7、方案一：直接調頻。這種方法一般采用調制電壓直接控制振蕩器的振蕩頻率，振蕩頻率f(t)按調制電壓規(guī)律變化。在此設計的電路中被控制的是LC振蕩器，則只需要控制振蕩回路的某個元件（L或C），使其參數(shù)隨調制電壓變化，就可以達到直接調頻的目的。此種方法電路簡單、性能良好，是目前廣泛采用的調頻電路之一。但這種方法的缺點是頻率穩(wěn)定度差，在許多場合須對載頻采取穩(wěn)頻措施或者對晶體振蕩器進行直接調頻。方案二：間接調頻。這種方法是將調制信號積分，然后對載波進行調相，間接調頻時，調制器與振蕩器是分開的，因此對振蕩器影響小，其頻率穩(wěn)定度高。在設計中若載頻不穩(wěn)，則有可能使調頻信號的頻譜落到接收機通帶外，因此對于調頻電路不

8、僅要滿足一定頻偏要求，而且振蕩頻率必須保持足夠高的頻率穩(wěn)定度。2.2方案選擇本設計采用的是間接調頻，這樣易于保持中心頻率的穩(wěn)定度，雖然間接調頻不易獲得最大頻偏但是在設計中采用的是三級單回路變?nèi)莨苷{相電路，這樣既可以保持中心頻率又可以獲得最大頻偏。由于本設計要求的發(fā)射功率PA不大，工作中心頻率f0也不高，因此，晶體管的參量影響及電路的分布參數(shù)的影響不會很大，整機電路設計的框圖如圖2-1所示。調制信號13dB13dB0dBmW500mW25mW1.25mW1.25LC振蕩與調頻緩沖隔離功率激勵末級功放圖2-1實用調頻發(fā)射機的組成框圖各組成部分的功能如下：1LC調頻振蕩器：產(chǎn)生頻率f05MHz的高頻

9、振蕩信號，變?nèi)荻O管線性調頻，最大頻偏fm10kHz，整個發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度由該級決定。2緩沖隔離級：將振蕩級與功放級隔離，以減小功放級對振蕩級的影響。因為功放級輸出信號較大，當其工作狀態(tài)發(fā)生變化時（如諧振阻抗變化），會影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度，使波形產(chǎn)生失真或減小振蕩器的輸出電壓。整機設計時，為減小級間相互影響，通常在中間插入緩沖隔離級，緩沖隔離級電路采用射極跟隨器電路。3功率激勵級：為末級功放提供激勵功率，如果發(fā)射功率不大，且振蕩級的輸出能夠滿足末級功放的輸入要求，功率激勵級可以省去。4末級功放：將前級送來的信號進行功率放大，使負載（天線）上獲得滿足要求的發(fā)射功率。如果要求整機效率較高應采用

10、丙類功率放大器，若整機效率要求不高如A<50%波形失真要求較小時可以采用甲類功率放大器，但是本題要求故A>50%選用丙類功率放大器較好。第3章單元電路設計3.1功率激勵與末級功放電路設計發(fā)射機的輸出應具有一定的功率才能將信號發(fā)射出去，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)射機的各組成部分的作用，適當合理的分配功率增益。本設計中，功率增益的具體分配如圖2-1所示。如果調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的功率增益可適當小些。功率激勵級一般采用高頻寬帶放大器，末級功放可采用丙類諧振功率放大器，緩沖級可以不分配功率。

11、功率激勵與末級功放電路如圖3-1所示。圖3-1功率激勵與末級功放3.1.1末級功放電路設計1基本關系式末級功放采用丙類功率放大器，其電路原理如圖3-1所示。丙類功率放大器的基極偏置電壓-VBE是利用發(fā)射機電流的分量Ieo在射極電阻R21上產(chǎn)生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。當放大器的輸入信號Vi為正弦波時，集電極的輸出電流iC為余弦脈沖波。利用諧振回路LC的選頻作用可輸出基波諧振電壓uC、電流iC1。(1)集電極基波電壓的振幅式中，Icm1為集電極基波電流的振幅；RP為集電極負載阻抗。(2)輸出功率PO （3-1）(3)直流功率PV(4)集電極耗散功率PT(5)集電極的效率(6)集電極電流

12、分解系數(shù)(7)導通角（一般?。?確定丙類放大器的工作狀態(tài)為了獲得較高的效率和最大的輸出功率P，選丙類放大器的工作狀態(tài)為臨界狀態(tài)，功放管為3DA1。3DA1的參數(shù)如表3-1所示。表3-13DA1參數(shù)表PCMICMVCEShfefTAP1W750mA1.5V1070MHz13dB(1)最佳匹配負載RP=110.25由P=0.5UcmIcm1=Ucm2/(2RP)可得：集電極最大輸出電壓Ucm=10.5V。(2)集電極基波電流振幅：Icm1=95.24mA集電極電流最大值Icm=Icm1/1(700)=95.24/0.44=216.45mA。(3)集電極電流直流分量Ico=Icm×0(70

13、0)=216.45×0.25=54.11mA，電源供給的直流功率Pv=Vcc×Ico=649.35mW。(4)集電極的耗散功率PT=Pv-P=649.35-500=149.35mW(小于PCM =1W)(5)總效率=Po/Pv=500/649.35=77.00%輸入功率Pi=25mW，若設本級功率增益Ap=13dB(20倍)，則輸入功率Pi=P/Ap=25mW(6)基極余弦脈沖電流的最大值Ibm(設晶體管3DA1的=10)Ibm=Icm/=21.45mA基極基波電流的振幅Ibm1=Ibm1(700)=21.45×0.44=9.44Ma基極電流直流分量Ib0=Ibm

14、0(700)=21.45×0.25=5.36mA基極輸入電壓的振幅Ubm=2Pi/Ibm1=5.30V丙類功放的輸入阻抗3計算諧振回路及耦合回路的參數(shù)(1)輸出變壓器線圈匝數(shù)比N5/N3(解決最佳匹配負載問題)取N5=2，N3=3。(2)諧振回路電容C20=100PF諧振回路電感L(3)輸出變壓器初級線圈總匝數(shù)比N=N3+N4高頻變壓器及高頻電感的磁芯應采用鎳鋅(NXO)鐵氧體，而不能采用硅鋼鐵芯，因其在高頻工作時鐵損耗過大。NXO-100環(huán)形鐵氧體作高頻變壓器磁芯時，工作頻率可達十幾兆赫茲。若采用外徑×內(nèi)徑×高度=10mm×6mm×5mm的N

15、XO-100環(huán)來繞制輸出耦合變壓器，由公式（3-2）所示： （3-2）式中，=100H/m為磁導率；N為變壓器初級線圈匝數(shù)；A=25mm2為磁芯截面積；l=25mm為平均磁路長度。計算得N=8，則N4=5或，則Oe取值210，上述公式(3-2)取2。需要指出的是，變壓器的匝數(shù)N3、N4、N5的計算值只能作為參考值，由于分布參數(shù)的影響，與設計值可能相差較大。為調整方便，通常采用磁芯位置可調節(jié)的高頻變壓器。4基極偏置電路發(fā)射極電阻R21，由公式R21=20，可得： （3-3）R21=20.33，由公式(3-3)取標稱值高頻旁路電容C18=0.01uF，電容C20=0.01F5元件清單R21=20

16、C18=0.01uF C20=100pF L10HN3=5，N4=3，N5=2 三極管為3DA1。3.1.2激勵級寬帶功放電路設計利用寬帶變壓器作耦合回路的功率放大器稱為寬帶功率放大器，常見寬帶變壓器有用高頻磁心繞制的高頻變壓器和傳輸線變壓器。寬帶功率一般不需要調諧回路，可在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得線性放大，但功率較低，一般只有20%左右。它通常作為發(fā)射機的中間級，以提供較大的功率激勵。功率激勵級功放管為3DG130。3DG130的參數(shù)如表3-2所示。表3-23DG130參數(shù)表PCMICMVCEShfefTAP700mW300mA0.6V30150MHz13dB1計算電路參數(shù)(1)有效輸出功率PH

17、與輸出電阻RH寬帶功率放大器的輸出功率PH應等于下級丙類功放的輸入功率Pi=25mW其輸出負載RH等于丙類功放的輸入的輸入阻抗|Zi|=86即PH=25mW，RH=86。(2)實際輸出功率P，設高頻變壓器的效率=80%，則Po=PH/=31.25mW(3)集電極電壓振幅Ucm與等效負載電阻RH。若取功放的靜態(tài)電流ICQ=Icm=7mA，則Ucm=2P/ICQ=2P/Icm=8.93V 約為1.3k(4)高頻變壓器匝數(shù)比N1/N2取變壓器次級線圈匝數(shù)N2=2，則初級線圈匝數(shù)N1=6。(5)發(fā)射極直流負反饋電阻R20 取標稱值360(6)功放輸入功率Pi本級功放采用3DG130晶體管，若取功率增益

18、AP=13dB(20倍)，則輸入功率(7)功放輸入阻抗Ri(取rbb=25 =30)若取交流負反饋電阻為10，則Ri=325(8)本級輸入電壓振幅Uim2計算電路靜態(tài)工作點(1)VBQ、IBQ(2)R17、R18 (I1=510倍IBQ)若取基極偏置電路的電流I1=5IBQ=5×0.23mA=1.15mA，則取標稱值R18=3k。為了調節(jié)電路的靜態(tài)工作點，R17可由標稱值為5.1k的電阻與10k的電位器組成。(3)高頻旁路電容C17=0.02uF，輸入耦合電容C12=0.02uF。此外，還可以在直流電源VCC支路上加高頻電源去耦合濾波網(wǎng)絡，通常采用LC的型低通濾波器。電容可取0.01

19、F，電感可取47H的色碼電感或環(huán)形磁芯繞制。還可在輸出變壓器次級與負載之間插入LC濾波器，以改善負載輸出波形。3元件清單C17=0.02F C12=0.02F R18=3K R交負=10N1=6，N2=2 R20=360 三極管為3DG1303.2緩沖隔離級電路設計從振蕩器的什么地方取輸出電壓也是十分重要的。一般盡可能從低阻抗點取出信號，并加入隔離緩沖級如射極輸出器，以減弱外接負載對振蕩器幅度、波形以及頻率穩(wěn)定度的影響。射極輸出器的特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低，電壓放大倍數(shù)接近于1。由于待傳輸信號是高頻調頻波，主要考慮的是輸入抗高，傳輸系數(shù)大且工作穩(wěn)定。選擇電路的固定分壓偏置與自給偏壓相結合，

20、具有穩(wěn)定工作點特點的偏置電路。如圖3-2所示。射極加R16可改變輸入阻抗。圖3-2射級輸出電路射級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。晶體管的靜態(tài)工作點，一般取VCEQ =1/2VCC，ICQ=(310)mA。對于圖3-2所示電路：1已知Vcc=+12V，負載電阻RL=325(寬帶放大器輸入電阻)，輸出電壓振幅等于高頻寬帶放大器輸入電壓振幅，即Uom=1.0V，晶體管為3DG100（3DG6）。3DG100的參數(shù)如表3-3所示。表3-3DG100參數(shù)表PCMICMVCEShfefTAP100mW30mA30200150MHz0=60。晶體管的靜態(tài)工作點應位于交流負載

21、線的中點，一般取UCEQ=0.5Vcc，ICQ=(310)mA。(1)根據(jù)已知條件選取ICQ=4mA，VCEQ=0.5×Vcc=6V，則(2)R15、R16：取R15=1k，R16為1k的電位器。(3)R13、R14VEQ=6.0VVBQ=VEQ+0.7=6.7VIBQ=ICQ/0=66.67uA取標稱值R14=10k取標稱值R13=8kW(4)輸入電阻Ri若忽略晶體管基取體電阻的影響，有（R18=325） （3-4）(5)輸入電壓Uim （3-5）(6)耦合電容C12、C16為了減小射極跟隨器對前一級電路的影響，C12的值不能過大，一般為數(shù)十pF，這里取C12=20PF、C16=0

22、.02F2元件清單C12=20PF C16=0.02F R13=8k R14=10k R15=1k R16為1k的電位器 三級管為3DG1003.3LC調頻振蕩器設計調頻振蕩電路的作用是產(chǎn)生頻率f0=5MHz的高頻振蕩信號。變?nèi)荻O管為線性調頻，最大頻偏fm10kHz。發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度由該級決定，調頻振蕩器電路如圖3-3所示。圖3-3調頻振蕩電路3.3.1間接調頻電路設計1間接調頻方框圖u'ucuou積分調相器圖3-4間接調頻方框圖間接調頻是對調制信號u進行積分，再加到調相器對載波信號調相，從而完成調頻。間接調頻電路方框圖如圖3-4所示。2變?nèi)莨苷{相電路設調制信號經(jīng)積分后得 （3-6

23、）式（3-6）中，k為積分增益。用積分后的調制信號對載波進行調相，則得 （3-7），上式（3-7）中與調頻波表示式完全相同。由此可見，實現(xiàn)間接調頻的關鍵電路是調相。本次設計采用的是變?nèi)荻O管調相電路，電路如圖3-5所示。圖3-5變?nèi)荻O管調相電路圖中，L與變?nèi)荻O管結電容Cj構成并聯(lián)諧振回路；載波電壓uc(t)經(jīng)R1后作為電流源輸入；調制信號u經(jīng)耦合電容C3加到R3、C4組成的積分電路，因此加到變?nèi)荻O管的調制信號為u'，使變?nèi)荻O管的電容Cj隨調制信號積分電壓的變化而變化，從而使諧振回路的諧振頻率隨調制信號積分電壓的變化而變化。它使固定頻率的高頻載波電流在流過諧振頻率變化的振蕩回路時

24、，由于失諧而產(chǎn)生相移，從而產(chǎn)生高頻調相信號電壓輸出，從而實現(xiàn)調相。合理的選擇變?nèi)荻O管和調整電路參數(shù)，可將相位變化與調制信號成線性關系。如果將調制信號先經(jīng)過積分電路后再輸入，即加到變?nèi)荻O管上的電壓為u(t)dt，則輸出的調相電壓的相移與u(t)dt成線性關系，而頻率與調制信號成線性關系，這就實現(xiàn)了間接調頻。3三級單回路變?nèi)莨苷{相電路圖3-6實際間接調頻電路圖（三級單回路變?nèi)莨苷{相電路）由于回路產(chǎn)生的相移按輸入調制信號的規(guī)律變化，若調制信號在積分后輸入，則輸出調相波的相位偏移與被積分的調制信號呈線性關系，其頻率與積分前的信號亦成線性關系。由于回路相移特性線性范圍不大，因此圖3-5單回路變?nèi)莨苷{

25、相電路得到的頻偏是不大的，必須采取擴大頻偏措施除了用倍頻方法增大頻偏外，還應改進調相電路本身。在此設計中由于要求要有足夠大的頻偏，為了得以實現(xiàn)在調頻中采用的是如圖3-6所用的為三級單振蕩回路組成的調相電路。3.3.2LC振蕩器的設計主要技術指標：工作中心頻率：f0=5MHz；最大頻偏：fm10kHz；頻率穩(wěn)定度：fmf05×104小時1電路形式，設置靜態(tài)工作點本設計對頻率穩(wěn)定度ff0要求不是很高，故選用圖3-3所示的改進型電容三點式振蕩器與三級單回路變?nèi)荻O管調頻電路。2三點式振蕩器設計：基極偏置電路元件R1、R2、R3、R4、C1的計算圖中，晶體管T1與C2、C3、C4、C5、Cj

26、、L1組成改進型電容三點式振蕩器，T1為共基組態(tài)，C1為基級耦合電容。其靜態(tài)工作點由R1、R2、R3、R4共同決定。晶體管T1選擇3DG100，其參數(shù)見表3-3所示。小功率振蕩器的集電極靜態(tài)工作電流ICQ一般為(14)mA。ICQ偏大，振蕩幅度增加，但波形失真嚴重，頻率穩(wěn)定性降低。ICQ偏小對應放大倍數(shù)減小，起振困難。為了使電路工作穩(wěn)定，振蕩器的靜態(tài)工作點取ICQ=2mA，測得三極管的=60。由R3+R4=3k，為了提高電路的穩(wěn)定性，R4的值可適當增大，取R4=1k，則R3=2k。為了提高電路的穩(wěn)定性，取流過電阻R2上的電流取標稱值R2=8.2k根據(jù)公式（3-8）所示：則 （3-8）得R1=2

27、8.2k實際運用時R1取20k電阻與47k電位器串聯(lián)，以便調整靜態(tài)工作點。C1為基極旁路電容，可取C1=0.01F。C8=0.02F，輸出耦合電容?？偨Y通過將近兩個月的畢業(yè)設計，這是我三年大學以來最重要的環(huán)節(jié)，是我們對所學專業(yè)知識的一次實踐運用。在這次的畢業(yè)設計中我由最初的選題到由各自到網(wǎng)上或者圖書館查找一些有關于課題設計方面的一些資料，這些都讓我學到很多。在此次的設計中，我設計的是小功率調頻發(fā)射機，之所以會選擇這個課題我覺得它在我們的日常生活中比較實用，較貼近生活中，這樣對我理解這個課題的設計是比較有用的。在老師的耐心指導下，我通過對各單元電路的分析及設計，每一個過程都是對自己能力的一次檢驗

28、和充實。通過這次的設計我了解并掌握了無線調頻話筒的工作原理，熟悉它設計的每一個步驟，這樣不僅對我所學知識的一次應用同時也是我自己的一次鍛煉機會。通過這次的畢業(yè)設計我知道在平時的知識積累是多么的重要，因為在這次的設計中差不多的內(nèi)容都是我們以前所接觸過的。畢業(yè)設計不僅僅是對知識的一次實踐應用也是對我們知識的一次復習，在由最初的設計到最后的排版都是對我們的一次鍛煉，因為這些細小的情節(jié)我們在平時是很少接觸到的，只有通過自己的實際應用才能掌握的更好，我很高興能有這次做畢業(yè)設計的機會這是對我能力的一次證明。致謝在這次的設計中我非常感謝我的指導老師和我的同學，在設計中我遇到不少問題，都是在他們的耐心講解和交流下我才能得以順利完成！通過這次畢業(yè)設計我收獲到很多，比如學會了如何查找相關資料的標準，分析數(shù)據(jù)，同時也提高了自己的繪圖能力，懂得了許多經(jīng)驗公式的獲得是前人不懈努力的結果。我很高興能有這次畢業(yè)設計的機會，它是對我們設計能力的一次證明！同時也對以后工作打下一定的基礎。在這次設計中我學會了基本的排版要求，并更加熟悉Protel程序的繪圖，