小功率高频FM发射机的设计

-课题：小功率高频(FM)发射机的设计系别： 专业： 班级： *： *： 指导老师： 目录1、引言.32、摘要.43、设计课题.44、设计报告正文.54.1 方案比较与选择.5直接调频.5 4.1.2间接接调频.64.2 总体方案设计.74.2.1系统框图.74.2.2方案原理分析.75、 各单元模块说明.85.1 获取音频信号电路.85.2 前级音频放大电路.85.3 高频振荡电路.95.4 末级功率放大电路.106、 系统安装于调试.11 6.1 原理设计图纸.11 6.2 PCB设计图纸.12 6.3 系统调试.127、 设计总结.138、 参考文献.149、 附录.141、引言 无线电发射与接收设备是高频电子线路的综合应用，是现代化通信系统、广播与电视系统、无线安全防*系统、无线遥控和遥测系统、雷达系统、电子对抗系统、无线电制导系统等，必不可少的设备。发射机就是可以将信号按一定频率发射出去的装置。广泛应用与电视，广播，雷达等各种民用，军用设备。主要可分为调频发射机、调幅发射机、光发射机、哈里斯发射机等多种类型。 调频发射机，首先将音频信号和高频载波调制为调频波,使高频载波的频率随音频信号发生变化,再对所产生的高频信号进行放大、激励、功放和一系列的阻抗匹配,使信号输出到天线,并将信号发送出去的装置.高频信号的产生现在有频率合成、PLL等方式.现在我国商业调频广播的频率*围为88-108MHZ,校园为76-87MHZ,西方国家为70-90MHZ。2、摘要本次课程设计围绕人们熟悉的调频发射机进行展开，随着经济的飞速发展，调频发射机也进行着高速的更新与换代，性能明显提升，性价比也有所下降，同时在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。这次我们主要来设计一个小功率调频发射机，它主要是由前级音频放大、西勒振荡器和一级功率放大器组成，各单元电路共同作用，最终将音频信号通过天线辐射到空间。在电路设计时首先根据设计的要求构建设计的总框图，充分考虑各个单元电路之间的信号传输和阻抗匹配。理解各个要求的参数的意义，针对各参数再分别在各具体电路中加以实现，并且保证电路的正常运行。关键词： 音频放大 振荡器 调制波 功率放大器 3、设计课题 小功率高频(FM)发射机的设计4、设计报告正文4.1 方案比较与选择 实现调频的方法很多，大致可分为两类，一类是直接调频，另一类是间接调频。直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率（实质上是改变振荡器的定频元件），变容二极管调频便属于此类。间接调频则是利用频率和相位之间的关系，将调制信号进行适当处理（如积分）后，再对高频振荡进行调相，以达到调频的目的。两种调频法各有优缺点。直接调频的稳定性较差，但得到的频偏大，线路简单，故应用较广；间接调频稳定性较高，但不易获得较大的频偏。考虑到电路的复杂度故采用直接调频的方案。 直接调频最常见有变容二极管调频，使用VCO实现变容二极管直接调频。许多中小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。 另外一种更为简单的直接调频方法是用三极管直接调频。原理是三极管组成共基极超高频振荡器，基极与集电极的电压随基极输入的音频信号变化而变化，从而改变高频振荡的频率，最终实现频率的调制。 由于采用变容二级管调频，对高频轭流圈的参数要求比较苛刻。这样会使设计电路变得困难。因此采用三极管直接调制的方法，这样不仅能够实现FM调频，而且使电路变得非常简洁。4.1.1 直接调频直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。直接调频可用如下方法实现：在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感L和电容C。在RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子反射极上的反射极电压。因此，只需将调制信号加至反射极即可实现调频。若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。4.1.2间接调频如图4.2.2(a)所示，不直接针对载波，而是通过后一级的可控的移相网络。 将先进行积分，而后以此积分值进行调相，即得间接调频。图4.2.2(a) 间接调频实现可控移相网络的实现方法如图4.2.2(b)所示。将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。电路中，由于调制信号的作用使回路谐振频率改变，当载波通过这个回路时由于失谐而产生相移，从而获得调相。图4.2.2(b) 单级回路变容管调相电路4.2 总体方案设计 4.2.1 系统框图采用FM调制的调频发射机其原理框图如下图所示，它由调制器、前置功放、末级功放和直流稳压电源等部分组成。前置功放FM调制器末级功放直流稳压源发射天线图 FM发射机原理框图框图音频信号4.2.2方案原理分析载波，调制信号；通过FM调制，使得频率变化量与调制信号的大小成正比。即已调信号的瞬时角频率已调信号的瞬时相位为实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类。本调频发射机的总体电路如下：声-电转换、音频放大、高频振荡调制和高频功率放大等。声-电转换由驻极体话筒担任，它拾取周围环境声波信号后即输出相就应电信号，经电容C5、可调电阻R10 、C11输入到晶体管Q1，Q1担任音频放大功能，对音频信号进行放大，经C4送至晶体管Q2进行频率调制；Q2组成共基极高频振荡器，基极与集电极的电压随基极输入的音频信号变化而变化，从而改变高频振荡的频率，最终实现频率调制。系统总体电路图如图4.3所示：图4.2.2 系统总体电路图5、 电路各单元模块5.1 获取音频信号电路 由于要接入麦克风，亦可从J1接音频插座输入，所以要给麦克风提供驱动电压但又不能太大，通过22k的电阻R1实现，C5,C11为耦合电容防止过大的电流将晶体三极管烧坏。图4.4.1 麦克风模块电路5.2 前级音频放大电路 电阻R5，R9，R11，三极管Q1组成基本放大电路。信号经过耦合电容C11传到三极管Q1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。而要使共射放大电路工作在放大区，必须有合适的静态工作点。首先在输入信号Ui=0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流Ic以及各电极对地的电位UB、Uc、UE。一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压UE或Uc，然后算出Ic的方法，例如，只要测出UE，即可用：算出Ic(也可根据，由Uc确定Ic)同时也能算出UBE= UB-UE，UcE= Uc-UE。如图4.4.2所示音频放大电路5.3高频振荡电路 高频时，三极管的结电容Cbe 的作用不可忽略。三极管Q2、电感L2、结电容C12电容C2，C10 ，C13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。 Q2（9018)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: 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，角频率也会发生变化， 因此这时的频率变化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: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m可由下式计算:则被调频波可表示为:其中m=/s。高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*围。*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。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。其电路图如4.4.3所示图4.4.3高频振荡电路5.4 末级功率放大电路Q3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。功率放大器的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的直流分量IEO在发射极电阻上产生的压降来提供的。当放大器的输入信号vi为正弦波时，集电极输出电流ic为余弦脉冲波。得用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压vc1，电流ic1。分析可得：式中，为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；为集电极基波电流振幅；为集电极回路的谐振阻抗。式中，PC为集电极输出功率式中，PD为电源VCC供给的直流功率；ICO为集电极电流脉冲iC的直流分量。放大器的效率为图4.4.4 高频功率放大电路6、 系统安装与调试6.1 原理设计图纸通过使用Altium Designer软件将原理图转化为PCB图并合理布线，经转印机转印至铜板上，并用环保腐蚀剂进行腐蚀。再打孔焊接元器件。6.2 PCB设计图纸6.3 系统的调试将本系统接入5V电源,指示灯亮,系统工作正常。用示波器测发射天线端的输出波形，通过不断地对电感进行调节，使发射频率处于88-108MHz之间的*一个相对稳定值，用普通调频收音机选频，并在话筒旁边播放音乐。通过调节音频放大电路的偏置电阻及末级功放来改变发射距离和接收音质。天线发射端的输出波形如下图所示:7、设计总结经过这次的高频课程设计,我对高频有了更深刻的理解.一、 方案的比较和选择,选择一个好的方案是成功的一半,此次选择三极管直接调频的方法简单易调试是个很不错也是一个很基础的选择。二、 对高频电路设计的计算,参数的准确计算式非常关键的,它将影响整个电路的正常工作和电路性能。三、 电路的安装与调试,这里又包括PCB排版、制作PCB铜板的好坏和器件的性能。 起初,我的调试过程遇到了很多挫折。主要遇到以下几个问题:1、 高频振荡电路无法起振。这个问题很多人都遇到过,主要原因是振荡电容参数取值不合适,导致电路无法起振或者很难起振,即使起振,振荡的信号很微弱,若将示波器探头直接接入观测,根本没有波形,其原因是示波器的探头会影响振荡的微弱信号,导致电路停振,因此需将示波器探头接一小电容后再接入测试点观察。2、 振荡信号不稳定。引起的原因有PCB排版；线绕电感不稳定,易动；电感的分布要互相垂直放置,不能平行放置,以免有互感影响。3、 天线发出功率太小。本电路已用甲类功放以增大功率,但发出的功率任然不是很理想,原因可能有偏置电路设置不是可合理,以及有机选频网络调节很难达到理想状态。经过一番的错误排查和不断检测,最终,发射机成功调试出来,并且效果还不错,音质清晰功率一般,后期调试Vpp为1.75V,频率为96.7MHz,前期调试Vpp达到了3V多,后面由于调试过多可能电容调坏,怎么也调不回去了。在此也非常感谢老师的指导。8、参考文献1.高吉祥 高频电子线路 电子工业 2.华成英 模拟电子技术基本教程清华大学9、附录小功率调频（FM）发射机设计器件清单：序号元件名称元件规格数量备注1电阻2.2K4222K231002433251M16电位器200K17电容1045810319102110681pF11130pF1210pF213电容（电解）220uF114三极管90141159018216麦克风117电感4.5T1185T219发光二极管红色120铜板121音频插头122拨动开关1. z.