小功率調幅發(fā)射機設計

1、一、設計題目 小功率調幅發(fā)射機二、設計目的、內容及要求2.1 設計目的（1）加深對高頻電子線路理論知識的掌握，使所學的知識系統(tǒng)、深入地貫穿到實踐中。 （2）提高同學們自學和獨立工作的實際能力，為今后課程的學習和從事相應工作打下堅實基礎。2.2 設計原理 小功率調幅發(fā)射機的設計 （1）掌握小功率調幅發(fā)射機原理； （2）設計出實現(xiàn)調幅功能的電路圖； （3）應用multisim軟件對所設計電路進行仿真驗證。 技術指標：載波頻率f0=1MHz 10MHz；低頻調制信號1KHz正弦信號；調制系數 Ma=50±5；負載電阻RA=50。 2.3 設計要求 根據原理，要求設計一個小功率調幅發(fā)射機，

2、（1)主要參數：已知+Vcc=+10V、-VEE=-10V；話音放大級輸出電壓為5mV；負載電阻RA=50 (2)主要元器件：主要元件有MC1496、3DG100、3DG130、4MHz晶振、NXO-10磁環(huán)； (3)技術指標：載波頻率f0=8MHz；低頻調制信號1KHz正弦信號；調制系數Ma=50；發(fā)射功率P0=300mW 三、調幅發(fā)射機的原理與分析3.1調幅發(fā)射機的原理框圖 所謂調幅，就是按照調制信號的變化規(guī)律去改變載波的幅度，使輸出信號的頻譜搬移到高頻波段，而輸出信號的振幅攜帶調制信號的相關信息。調幅發(fā)射機的主要任務是完成有用的低頻信號對高頻載波的幅度調制,將其變?yōu)樵谀骋恢行念l率上具有一

3、定帶寬、適合通過天線發(fā)射的電磁波。 通常，調幅發(fā)射機包括三個部分：高頻部分，低頻部分，和調制部分。 高頻部分一般包括主振蕩器、緩沖放大、倍頻器、中間放大、功放推動級與末級功放。主振器的作用是產生頻率穩(wěn)定的載波。為了提高頻率穩(wěn)定性，主振級往往采用石英晶體振蕩器或LC振蕩電路，并在它后面加上緩沖級，以削弱后級對主振器的影響。 低頻部分包括話筒、低頻電壓放大級、低頻功率放大級與末級低頻功率放大級。低頻信號通過逐漸放大，在末級功放處獲得所需的功率電平，以便對高頻末級功率放大器進行調制。 調制部分即振幅調制電路，它將要傳送的信息裝載到某一高頻振蕩(載頻)信號上去的過程。調幅發(fā)射機的原理框圖如圖1示：低頻

4、信號主振級低頻功放隔離放大調制器被調級圖1 調幅發(fā)射機原理框圖3.2調幅發(fā)射機的設計方案基本要求：輸出功率P0=0.5W工作頻率f0=5MHz調幅度ma=30%100% 電源電壓12v頻率準確度f/f05×10-4；根據課程設計要求，其工作頻率為5MHz,輸出載波頻率為0.5W。由于輸出功率小，所以可選用最基本的發(fā)射機結構。該結構由主振蕩器、緩沖放大電路、低頻放大器、振幅調制電路和高頻功率放大電路構成。3.2.1 主振蕩器主振器就是高頻振蕩器，根據載波頻率的高低和頻率穩(wěn)定度來確定電路形式。在頻率穩(wěn)定度要求不高的情況下，可以采用電容反饋三點式振蕩電路，如克拉潑、西勒電路。頻率穩(wěn)定度要求

5、高的情況下，可以采用晶體振蕩器，也可以采用單片集成振蕩電路。1、電容三點式振蕩器工作原理分析 所謂三點式振蕩器，是晶體管的三個電極（B、E、C），分別與三個電抗性元件相連接，形成三個接點，故稱為三點式振蕩器，其基本電路如圖2示： 圖2 三點式振蕩器的基本電路根據相位平衡條件，圖 (a)中構成振蕩電路的三個電抗元件，X1、X2必須為同性質的電抗，X3必須為異性質的電抗，若X1和X2均為容抗，X3為感抗，則為電容三點式振蕩電路（如圖 (b)）；若X2和X1均為感抗，X3為容抗，則為電感三點式振蕩器（如圖 (c)）。由此可見，為射同余異?；陔娙萑c式振蕩器原理的常用電路有克拉潑電路和西勒電路。（1

6、）串聯(lián)型改進電容三端式振蕩器（克拉波電路） 電路組成如圖3示：圖3 克拉潑振蕩電路電路特點是在共基電容三點式振蕩器的基礎上，用一電容C3，串聯(lián)于電感L支路。 功用主要是以增加回路總電容和減小管子與回路間的耦合來提高振蕩回路的標準性。使振蕩頻率的穩(wěn)定度得以提高。 因為C3遠遠小于C1或C2，所以電容串聯(lián)后的等效電容約為C3。電路的振蕩頻率為：它有以下特點：1、 振蕩頻率改變可不影響反饋系數。2、振蕩幅度比較穩(wěn)定；但C3不能太小，否則導致停振，所以克拉潑振蕩器頻率覆蓋率較小，僅達； 為此，克拉潑振蕩器適合與作固定頻率的振蕩器 。 （2）并聯(lián)型改進電容三段式振蕩器（西勒電路） 電路組成如圖4示：圖4

7、 西勒振蕩電路電路特點是在克拉潑振蕩器的基礎上，用一電容C4，并聯(lián)于電感L兩端。功用是保持了晶體管與振蕩回路弱藕合，振蕩頻率的穩(wěn)定度高，調整范圍大。電路的振蕩頻率為：特點：1.振蕩幅度比較穩(wěn)定； 2.振蕩頻率可以比較高，如可達千兆赫；頻率覆蓋率比較大，可達；所以在一些短波、超短波通信機，電視接收機中用的比較多。 2 石英晶體振蕩器 把晶體作為一個感性元件置于反饋網絡的振蕩電路中，與其他回路元件一起構成三點式振蕩器。 并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路的電路原理如圖。振蕩電路的選頻網絡由石英晶體和電容C1、C2組成。電路的交流等效電路如圖(b)所示。圖中Rb=Rb1Rb2。該等效電路類似于改進型電容三

8、點式振蕩器。 圖 5 晶體振蕩器電路 石英晶體振蕩器相當于一個高Q值的LC電路。 當要求正弦波振蕩電路具有很高的頻率穩(wěn)定性時，可以采用石英晶體振蕩器，其振蕩頻率決定于石英晶體的固有頻率，頻率穩(wěn)定度可達10-610-8的數量級。 鑒于石英晶體在仿真時有一定的難度，本次設計選擇了西勒電路作為調幅發(fā)射機的振蕩級電路。3.2.2 低頻放大器生活中音頻信號的頻率范圍是300Hz3400Hz，所以對音頻信號的放大一般采用低頻放大器即可。低頻信號放大器的作用就是放大音頻信號，使其達到調制電路輸入信號的要求。低頻信號放大電路可以用三極管來實現(xiàn)，也可以用集成的運算放大器來實現(xiàn)。本次設計采用LM741的芯片來實現(xiàn)

9、放大功能。振幅調制器振幅調制器的任務是將所需傳送的信息“加載”到高頻振蕩中，以調幅波的調制形式傳送出去。通常采用低電平調制和高電平調制兩種方式。采用集電極調幅電路實現(xiàn)調制的方式屬于高電平調制。如果集電極調幅電路的輸出功率能夠滿足發(fā)射功率的要求，就可以在調制級將信號直接發(fā)射出去。 集電極調幅的電路圖如圖6：圖6 集電極調幅原理電路其基本工作原理是利用某一極的直流電壓來控制集電極高頻電壓的振幅。等幅載波由高頻變壓器T1輸入到被調放大級的基極，調制信號通過低頻變壓器T2加到集電極回路且與電源電壓串聯(lián)，即集電極電源電壓隨調制信號而變。 采用模擬乘法器實現(xiàn)調制的方法是屬于低電平調制，輸出功率小，必須使用

10、高頻功率放大器才能達到發(fā)射功率的要求。模擬乘法器是完成兩個模擬量（電壓或電流）相乘的電子器件。高頻電子線路中的振幅解調，同步檢波，混頻，倍頻，鑒頻，鑒相等調制和解調的過程，均可視為兩個信號相乘或包含相乘的過程。采用集成模擬乘法器實現(xiàn)上述功能比采用分立器件要簡單得多，而且性能優(yōu)越。模擬乘法器的電路原理圖如圖7示，常用集成芯片MC1496實現(xiàn)此功能。MC1496圖7 MC1496的引腳圖 MC1496是雙平衡四象限模擬乘法器。其中V1、V2與V3、V4組成雙差分放大器，V5、V6組成的單差分放大器用以激勵V1V4。V7、V8及其偏置電路組成差分放大器V5、V6的恒流源。引腳8與10接輸入電壓，1與

11、4接另一輸入電壓，輸出電壓從引腳6與12輸出。引腳2與3外接電阻RE，對差分放大器V5、V6產生串聯(lián)電流負反饋，以擴展輸入電壓的線性動態(tài)范圍。引腳14為負電源端（雙電源供電時）或接地端（單電源供電時），引腳5外接電阻R5。用來調節(jié)偏置電流I5及鏡像電流I0的值。運用模擬乘法器進行調幅的電路圖如圖8示：圖8 模擬乘法器調幅原理電路本次設計選用模擬乘法器的調制方式，完成音頻信號的載波調幅。高頻功率放大器高頻功率放大器是調幅發(fā)射機的末級，它的任務是要給出發(fā)射機所需要的輸出功率。本設計研究的是小功率調幅發(fā)射系統(tǒng)，通過前面的電路以后，進入功率放大級的是已調信號。但由于信號的功率太小，發(fā)射出去存在很大衰減

12、，影響信號的傳送，所以要進行功率放大。末極放大可以采用高頻小信號諧振放大器電路。高頻小信號諧振放大器的主要性能指標有：（1）中心頻率 指放大器的工作頻率。它是設計放大電路時，選擇有源器件、計算諧振回路元器件參數的依據。（2）增益 指放大器對有用信號的放大能力。通常表示為在中心頻率上的電壓增益和功率增益。電壓增益 式5功率增益 式6式中，、分別為放大器中心頻率上的輸出、輸入電壓；、分別為放大器中心頻率上的輸出、輸入功率。通頻帶 指放大電路增益由最大值下降3dB時所對應的頻帶寬度，用表示。它相當于輸入不變時，輸出電壓由最大值下降到0.707倍或功率下降到一半時對應的頻帶寬度。高頻小信號的原理電路圖

13、如圖9示：圖9 高頻小信號原理電路四、模塊電路設計 本次設計電路主要有四個模塊：主振蕩器模塊、低頻放大模塊、調制電路模塊和功率放大模塊。4.1主振蕩器的電路設計主振蕩器采用西勒電路，因為其振蕩頻率可以做得比較高，并且中心頻率也相對穩(wěn)定。本次設計的調幅發(fā)射機，其主振蕩器應輸出2V,7MHz的正弦波信號。根據高頻課程的理論學習，設計出如下的電路原理圖如圖10示：圖10 主振蕩器模塊 在設置靜態(tài)工作點時，應首先設定晶體管的集電極電流ICQ，一般取0.5mA4mA，ICQ太大會引起輸出波形失真，產生高次諧波。為了減少后級對主振級振蕩電路振蕩頻率的影響，采用緩沖級。主振級與緩沖級聯(lián)調時會出現(xiàn)緩沖級輸出電

14、壓明顯減小或波形失真的情況，可通過增大緩沖級的射極電阻來提高緩沖輸入級輸入阻抗，也可通過減小，如圖所示。4.2 低頻放大模塊設計話音放大信號用來對話音信號進行放大。話音放大電路通過運放實現(xiàn)話音信號放大。它的電路原理框圖如下圖所示。實際電路通過話筒輸入信號，在仿真時用一個電源代替。因為話音信號頻率在kHz左右，電壓幅度很小，所以選擇幅度為2KHz，幅值為8mv的正弦波信號代替。此話音信號經過運放，實現(xiàn)了10倍放大。如圖11示：圖11 低頻信號放大模塊4.3調制模塊設計調制模塊的主要部件是模擬乘法器，因為在軟件中找不到這個集成元件，其內部電路需要自己畫出。模擬乘法器的內部電路如圖12示：圖12 乘

15、法器內部結構電路運用模擬乘法器實現(xiàn)調制的電路圖如圖13示：圖13 調制模塊4.4 末極放大模塊設計末極放大模塊采用了常用的小信號放大器，輸入為調制信號。經過小信號高頻放大器后，調制信號的幅度可以實現(xiàn)一定程度的放大。設計電路圖如圖14示：圖14 高頻小信號放大模塊五、電路元件參數的選擇5.1主振蕩器的電路參數選擇確定靜態(tài)工作電流合理地選擇振蕩器的靜態(tài)工作點，對振蕩器的起振，工作的穩(wěn)定性，波形質量的好壞有著密切的關系。般小功率振蕩器的靜態(tài)工作點應選在遠離飽和區(qū)而靠近截止區(qū)的地方。根據上述原則，一般小功率振蕩器集電極電流ICQ大約在0.8-4mA之間選取，故本實驗電路中： 選ICQ=2mA VCEQ

16、=6V =100 則有為提高電路的穩(wěn)定性Re值適當增大，取Re=1K則Rc2K 因：UEQ=ICQ·RE 則： UEQ =2mA×1K=2V 因： IBQ=ICQ/ 則： IBQ =2mA/100=0.02mA 一般取流過Rb2的電流為5-10IBQ , 若取10IBQ 因： 則： 取標稱電阻12K。因： ： 為調整振蕩管靜態(tài)集電極電流的方便，Rb1由27K電阻與27K電位器串聯(lián)構成。確定主震回路元器件回路中的各種電抗元件都可歸結為總電容C和總電感L兩部分。確定這些元件參量的方法，是根據經驗先選定一種，而后按振蕩器工作頻率再計算出另一種電抗元件量。從原理來講，先選定哪種元件

17、都一樣，但從提高回路標準性的觀點出發(fā)，以保證回路電容Cp遠大于總的不穩(wěn)定電容Cd原則，先選定Cp為宜。若從頻率穩(wěn)定性角度出發(fā)，回路電容應取大一些，這有利于減小并聯(lián)在回路上的晶體管的極間電容等變化的影響。但C不能過大，C過大，L就小，Q值就會降低，使振蕩幅度減小，為了解決頻穩(wěn)與幅度的矛盾，通常采用部分接入。反饋系數F=C1/C2，不能過大或過小，適宜1/81/2。因振蕩器的工作頻率為： 當LC振蕩時，f0=6MHz L10H 本電路中，則回路的諧振頻率fo主要由C3、C4決定，即有 。取C3 =120pf，C4=51pf（用33Pf與5-20Pf的可調電容并聯(lián)），因要遵循C1，C2>>

18、;C3,C4，C1/C2=1/81/2的條件，故取C1=200pf，則C2=510pf。4.2高頻小信號放大器的諧振回路參數選擇1）回路中的總電容C因為： 則:： 2）回路電容C因有 ，所以 取C為標稱值40pf。六、電路仿真6.1主振蕩器與緩沖級的仿真首先應該確定三極管的靜態(tài)工作點，其VEQ應滿足VEQ（R2+R3）Icq=2mA，若不滿足則可調整R1的值。將三極管的靜態(tài)工作點調試正確以后，再測量振蕩器的振蕩頻率和輸出電壓幅度，如圖15示：圖15 主振蕩器輸出信號 主振蕩器的輸出信號：峰峰值為2V，頻率為7MHz的正弦波。6.2 話音放大電路仿真話音信號放大電路的仿真結果圖如圖16示:圖16 經過放大的音頻信號6.3調制電路仿真調制電路的仿真結果圖如圖17示：圖17 調幅信號輸出調幅信號：峰峰值為1V 的調幅信號。6.4功放電路的仿真高頻小信號放大電路的仿真結果圖如圖18示：圖18 經過放大的調制信號 由波形可以看出，經過高頻小信號放大器后，調幅波的幅度大概變?yōu)榱嗽瓉淼?-8倍，峰峰值為6V左右，基本滿足小功率調幅信號的輸出標準。七、心得體會本次課程設計通過對高頻知識的運用，利用EWA軟件設計了一個小功率調幅發(fā)射機。調幅發(fā)射機的設計分為四個模塊，主振蕩器模塊、低頻放大模塊、調制模塊和高頻放大模塊，設計時先將各部分電路設計出來，并且單獨進行仿真和調試，