通信电子电路课程设计

通信电子电路课程设计题 目：小功率调频发射机姓 名：学 号： 3学 院：计算机科学与技术学院 专业班级： 通信工程10-1班指导老师：李亚 完成时间：2013年07月11日【摘要】作为通信系统的核心，射频技术越来越重要。本文研制一套射频发射系 统，包括收发信机、天线设备（含馈线）、输入输出设备（如话筒、耳机等）、供电 设备（如直流稳压电源）等。介绍了调频发射机的制作方法及其工作原理，给出了 系统组成框图及系统电路组成，设计了应刷电路板，并对设计的电路进行了安装 与调试。该发射机能实现音频信号在80MHz103MHz频段内的频率调制，并可以 利用调频收音机接收到清楚的话音。关键词：微型调频发射机音频信号载波调频波目 录摘要1一、选题背景3二、发射机原理31、调频发射机的一般架构.32、基于三极管的发射机结构及原理43、发射机的主要性能指标8三、仿真及仿真结果分析81、信号源的仿真图82、对发射机的总体测试9四、结论及心得体会11参考文献12、选题背景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发展，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。二、发射机原理1、调频发射机的一般架构F面介绍有种简单的小功率发射机。下面是原理图（图1）及分析VCC 3V-4-C4*30肝-rARI2.2kO : : : 22kO :C530pFCBX=1DinFC2JI-WinFQ1G1Q9018G3土 TOthiF-*-+R3C72200 ；-*图1一级调频发射机MIC是驻极体话筒，它的作用就是感应空气中声波的微弱振动，并输出跟声 音变化规律一样的电信号。本站选用的是灵敏度较高的话筒，一般可以输出几十 毫伏以上的音频信号，这个信号足以调制下一级的高频振荡信号的频率。注意： 话筒有正负极之分，一般和外壳相通的是负极。R1是MIC驻极话筒的偏置电阻， 有了这个电阻，话筒才能输出音频信号，这是因为MIC话筒内部本身有一极场效 应管放大电路，用来阻抗匹配和提高输出能力等作用。注意：话筒不要选灵敏度 太高的话筒，否则容易出现声反馈，出现自激叫声C2是音频信号耦合电容，将 话筒感应输出的声音电信号专递到下一级C3是Q9018的基极滤波电容，一方面滤 除高频杂音，另一方面让Q9018的高频电位为0,对50MHz以上的高频电路来说， Q9018是一个共基极放大电路，这是最后能形成振荡的基础。因为振荡电路的基 础条件就是必须具备一定的增益，再就是具备合适相位的反馈（一般是正反馈）。 R2是Q9018的基极偏置电阻，给Q提供一个较小的基极电流，Q将会有一个较大的 发射极电流到过R3。由于R2、R3中的电流作用会在各自电阻上产生压降并互相影 响，结果会自动稳定在某一数值状态，这就是书上讲的射极跟随器，直流负反馈 不稳定直流工作点的作用。R3是Q9018的发射极电阻，这里起稳定直流工作点作用，和C7还组成了高频 信号负载电阻作用，也是整个高频振荡回路的一部分。C4和L组成并联谐振回路，起到选择振荡频率的主要作用，改变C4的容量或 者改变L的形状（包括圈数），可以方便的改变发射频率。C6是高频信号输出耦合电容，目的是为了让高频信号变成无线电波幅射到天 空中。因此，天线最好坚直向上，长度最好等于无线电波频率波长（或者整数倍）， 四周应该开阔，不要有金属物阻挡。说明：波长等于频率的倒数，频率变化，波 长也会变化，再说，天线具体的长度还与电路输出阻抗、天线粗细等等有关，在 业余情况下，随便接一段电线就行了。（如果为了追求最远的发射距离，大家可 以自行多做这方面的尝试。）C5是反馈电容，电路起振的关键元件就是它了。分析本电路的高频状态时， 集电极是输出，发射极是输入，输出信号通过C5加到输入端，产生强烈的正反馈， 自然就产生振荡了。这实际上也就是书中所说的电容三点式振荡电路。C1是电源 滤波电容，给交流信号提供回路，减小电源的交流内阻。2、基于三极管的发射机结构及原理原理图（图2）及工作原理如下：图2多级调频发射机增强型无线话筒，FM调频工作方式，音质好，用普通的收音机即可收听。话 筒把声音信号变为电信号后，先经一级音频电压放大再送调制级，这样可以拾取 更远更微弱的声音。振荡调制后的高频信号再经一级调谐功率放大才送天线发 射，发射距离更远及减少手碰天线对振荡级的影响，减少谐波。按照本电路装好 后，频率大概在83MHz左右，只需把线圈L的匝距拨开一点，使其振荡频率工作在 88MHz108MHz即可，就可以配合任何FM收音机接收到该高频信号，并从该高频 信号还原出声音信号。另外装有外接音频插座及可调电阻调节输入音频信号的衰 减量。此微型发射机主要由基本放大电路.载波产生电路、调频波产生电路三个 部分构成。(1) 基本放大电路。话筒BM、电容C1、电阻R1、R2、R3、R4、三极管T1组成基本放大电路。话 筒可以将话音转换成音频信号，信号经过耦合电容C1传到三极管T1的基极，实现 音频信号的放大，从而获得所需要的功率，以便对高频载波进行调制。(2) 载波产生电路。高频时，三极管的结电容Cbe的作用不可忽略。三极管T2、电感L、结电容 Cbe、电容C4，C5组成了改进型电容三点式高频振荡电路，产生高频振荡信号， 即载波。载波的频率主要由电感L、结电容Cbe、电容C4, C5决定。(3) 调频波产生电路。用放大了的音频信号去控制T2的结电容Cbe，便可控制载波的频率，使得载 波的频率随着音频信号的改变而改变，从而实现调频。调频信号通过电容C6传 送到发射天线，向外发射100MHz左右的调频电磁波。其中R1为话筒MIC的偏置电 阻，一般在2K5.6K选取。R4为集电极电阻。R5为基极电阻，给Q1提供偏置电流。 R6为发射极电阻，起稳定Q1直流工作点的作用；Q2、R7、R8、C4、C5、L1、C6、 C7组成高频振荡电路，R7给Q2基极提供偏流，C5和L1振荡回路，改变其值可以改 变发射频率，C4为反馈电容，R8起稳定Q2直流工作点作用，C7隔直流通交流电容; Q3、R9、R10、L2、C10、C11组成高频功率放大电路。R9给功率管Q3提供基极电 流, C10和L2放大调谐回路，和振荡回路C5和L1调谐在同一频点时获得最大输出 功率，发射距离最远。频率范围：80MHz103MHz （按电路图参数，只调整线圈 匝距）工作电压：1.5V -9。V发射半径：大于100米，4.5V电压，普通收音机接 收，无线话筒天线为50cm长的细导线。要想使三极管具有放大作用，必须发射结 处于正向偏置，集电结处于反向偏置。人说出来的语音信号通过MIC转换为音频电压信号，送到第一个三极管（Q19014）的基级放大，这个三级管是个高频管（频率在3MHz以上在以下及时低 频了），这就是微弱的信号进行放大后的一级电路。第二个三级管（Q29018）这是个超高频管，主要用作载频，调频发射电路是 将待传送的音频信号通过一定的方式调制到载波信号上，并放大为额定的功率, 然后利用天线以电磁波的方式发射出去。信号波和高频载波的数学表达式如下：V = V cos 3 t = V cos 2 兀f tccmccmcV = V cos 3 t = V cos 2吋 tssmssmc其中Vcm为信号波的最大振幅和Vsm为载波信号的最大振幅。载波频率fc 称之为中心频率，随着频率的变化，角频率3也会发生变化，因此 3=3+ 3 cos 3mcst这时的频率变化厶f称之为最大频率偏移。经过调频后的信号称之为被调频波 Vm，可表示为：V = V sin 9mcmm被调频波vm会随信号波vs而变化，其瞬间相位为时间积分。因此，相位角8 m可由下式计算:sin w ts则被调频波可表示为:V = V sin 0= V sin( w t + m sin w t)mcmmcmcs(6)其中m=w /3 s。典型的调频发射电路典型的调频发射电路中，一般音频 输入部分的电路通常是驻极体话筒内的场效应晶体管（FET）将声音通过话筒前 的振膜转换成为阻抗的变化，从而控制音频放大级晶体管的工作状态。音频放大 级晶体管的作用，增益约20至50DB，将放大的信号送往振荡级（RF）晶体管的 基极。咼频振荡电路由振荡线圈L和电容C与振荡级晶体管组成，调频波段的振 荡频率一般为87.5108MHz。振荡级晶体管会在L和C的控制下高速导通和截 止。基极输入放大的音频信号，经过振荡级晶体管的放大作用，使音频信号与高 频振荡信号完成调制。特定频率的载波信号通过天线发射出去，可以将信号覆盖 一定的范围。范围的大小取决于发射的功率。发射的频率取决于振荡电路的振荡 频率。电路工作时，随着振荡级晶体管基极电容C逐渐充电电位升高，其发射极 电容C则经振荡线圈L和电阻R充电，其充电时间更短；同时，其集电极电容C 也充电（其两端虽仅得很小的电压）。同时线圈L中产生磁场。振荡级晶体管的基极电压逐渐上升时，晶体管振荡 级晶体管导通，并有效地将内阻并接在发射极电容两侧。基极电压继续上升，发 射极电容C试图阻止发射极电位的移动。当电容的能量耗尽，不再阻止发射极电 位的移动时，基极与发射极之间电压差降低，晶体管振荡级晶体管截止，流入 线圈的电流也停止，同时线圈中产生一个反向电压，集电极电位在瞬间升高，并 以相反方向向集电极电容充电，这时反向电压也同时对发射极电容C充电，增大 了电阻R上的电压降，使晶体管进入更深的截止状态。随着线圈L上反电势能的 消耗，振荡级晶体管的发射极电位下降，使振荡级晶体管开始导通，电流流入线 圈使线圈上的电压再次反转，形成集电极电位下降,并通过发射极C传送到射极, 使振荡级晶体管饱和导通，周期再开始重复，使振荡级晶体管形成振荡，产生一 定频率的交流信号。来自前级的音频信号经耦合电容注入振荡级晶体管的基极、 改变振荡频率，产生所需的调频信号。第三个是调谐功率管。调谐回路通过调整回路的LC参数，使LC谐振频率与需 要接收的电台频率相同，对该频率呈高阻抗，使它能够进入高放级，对其它频率 呈低阻抗近似短路，不能进入高放级，从而达到选择电台的目的。3、发射机的主要性能指标(1) 发射机的工作频段射频通信系统的工作频率愈高，愈容易获得较宽的通频带和较大的通信容 量。同时天线设备也具有更尖锐的方向性，而且体积重量减小，雾、雨或雪的吸 收显著，传播损耗、衰减和接收设备噪声也愈高。本课题主要应用在室内传输语 音信号，通频带和容量不需要太大，因此频率范围定在80MHz103MHz。同时环 境对信号的衰减和吸收也可以不予考虑.(2) 发射功率发射功率是指发信机在未调制情况下，传递到标准输出负载上的平均功率， 它和很多因素有关。例如，通话路数愈多。频带愈宽，为保持同样的通信质量， 必须有更大的发射功率。另外，也和站址选择、多径衰落、采用分集接收等诸多 因素有关。一般情况下，数字微波发射机输出功率有时只需几十毫瓦到几百毫瓦 功率，只有长距离情况下才需要几瓦量级。考虑到本系统主要应用在室内传输语 音，工作频带为40MHz，且不需要考虑多径衰落的影响，因此选定发射功率为 20dBm.(3) 频率稳定度发射机的每个工作信道都有一个标称的射频中心工作频率，用九表示。设实 际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为A f，则频率稳定度的定义为：射频通信对频率稳定度的要求决定于所采用的通信制式及对通话质量的要 求。如果频率稳定度很高，建立通信后接收机不需要因频率变化而进行微调，从 而提高了通信的可靠性。三、仿真及仿真结果分析1、信号源的仿真图：辔 O sc i 11 osco p e -XSC111|I仿真波T2riTimebaseScaleChannel_A Channel_B 7斗9叫5习ReverseSaveExt. TriggerX position |0|诉Add 坐型|Time z图：Chann亡I dSale 1忖 position |oA匚| 0 | DC 柠Channel BScale 10 mV/Div Y position -nrniType Sing.nil0Nor.TriggerEdge 匀 |LevelAuto I NoneTimeChannel A Channel B16.812V1.204 s在仿真即、别调节L1 L2 L3使输出中心频率达6.5MHz。出现匝失真的波Scale失真则可以调节L3,但由于这三级电路互为谐振回路，三者之间会相互影响， 其中一个会对其余两个造成影响。如调解LT 中心频率达到6.5MHz后，调节W. Add | B/A I A/B |ACDCAC IC Type Sing. | Nor. | Auto None!次调节L2使满足峰峰值要求时，随着Vpp的上升，中心频率也会有所上升，这时再微 调L1,确保中心频率的值，加上1kHz的音频信号，用频偏移测出角频。点击仿 真按钮进行仿真，得出仿真图。2、对发射机的总体测试具体在以下三点，如框图所示：音频信号| T |一级放大|A T |信号调频B T |信号调谐C T |天线在12端接上音频信号，大概的频率和人平时说话的频率相当。并在3端接上 示波器，调节滑动的变阻器，并观察示波器上的波形：(1) 是什么波形(2) 频率在什么范围内，记下试验数据并与理路论数据相比，看看是否误差很 大，(3) 经过调节，在有音频信号的输入下，示波器所显示的是正弦波，频率再 80MHz103MHz,符合理论要求。在C点的波形:四、结论及心得体会通过本次关于小功率调频发射机工作原理分析设计，从一开始的电路原理分 析，参数的计算，再结合仿真软件Multisim进行仿真，我从中更好地巩固和加 深对小功率调频发射机工作原理和非线性电子线路的进一步理解。尤其是更深层 次的掌握了谐振功率放大器的工作原理，以及滤波匹配网络参数的计算，同时通 过电脑仿真，使自己对仿真软件的具体操作有了更深了解。为以后更多的电子设 计奠定了坚实的基础。作为电子信息工程专业的本科生，我们离一名合格的技术人员还有很长的路 要走，我们还需要不断的努力，打好坚实的专业基础知识，并通过实践更好的掌 握和巩固专业知识，培养较好的实践操作技巧，不断充实自己，使得自己能更好 的为国家电子事业奉献自己的力量。参考文献1MultisimIO电路设计及应用王冠华编著，国防工业出版社，2008第一 版2于洪珍.通信电子线路.北京：清华大学出版社,2008年.3高吉祥.高频电子线路.北京：电子工业出版社,2007年.4高频电子线路张肃文第三版高等教育出版社，2005年5张肃文高频电子线路高等教育出版社，2005年.