电工电子创新实验报告-简易调频无线发射器.doc

电工实验第1组-简易调频无线发射器电工电子创新实验报告课题名称： 简易调频无线发射器指导教师： 专业与班级： 小组内成员： 评定成绩：_审阅教师：_审阅日期： 年 月 日目录一、设计题目2二、设计任务与要求2三、方案设计与论证2四、单元电路设计、参数计算、元器件的选择4五、总原理图及工作原理7六、元器件清单8七、安装与调试9八、性能测试与分析9九、遇到的问题及解决13十、设计电路可能的改进措施13十一、结论与心得13十二、参考文献14一、设计题目简易调频无线发射器二、设计任务与要求1、任务（1） 设计一款简易调频无线话筒。（2） 根据需要列出元件清单。（3） 使用万用板搭建并且独立焊接电路。（4） 调试电路使发射频率在88mhz-108mhz之间。2、要求（1） 电路焊接符合要求，避免虚焊和错焊。（2） 无线话筒抗干扰能力强，频率误差0.5mhz。（3） 可以使用普通调频收音机接收清晰的音频信号，有效发射距离在5-10m。三、方案设计与论证1、设计方案 (1) 电压3.0v，整机工作电流30-50ma；(2) 输出频率88-108mhz左右，可以使用普通调频收音机接收；(3) 使用少量元件，三极管放大；(4) 接通电源的时候用小功率led灯给出指示。2、论证(1)方案一此方案是最初设计方案，但是模拟过程中发现三极管输入波形比较微弱，可能是电阻r2不合适的缘故，但是修改r2的阻值发现变化不明显，另外由于反馈电容器c3直接接在电源的正极，反馈效果不理想。(2)方案二此电路由晶体管vt1和vt2、电阻r2、电感l、电容c2和c3等组成，其功能是产生高频载波并进行调制发射。l与c2构成lc谐振回路，该回路具有选频作用，两个晶体管vt1、vt2的集电极与基极互相交叉连接，并与l、c2选频回路组成高频振荡器。经c1耦合过来的音频信号加在vt1集电极(也就是vt2基极)，对高频振荡信号进行频率调制，调制后的调频信号经c3耦合至天线辐射出去。发射频率取决于lc谐振回路谐振频率，调节l或c2的大小即可改变发射频率。此方案电路比较简单，在电路搭接的过程中发现他的抗干扰能力差，特别是有人靠近的时候，漂频现象比较严重。(3)方案三c8是电源旁路电容。r1是mic的偏置提供话筒的静态工作点。r1现mic构成了拾音回路。c1、c2起声音信号的耦合作用。r2、d1、d2组成限幅电路，防止话筒在近距离时输入信号过大而失真严重。r3、r4用于提供q1的静态工作点。c3、c4、c5、c6、l1、q1构成振荡、放大。c7将信号耦合到天线。天线则将已经过调制的声音信号发射出，本电路由3v供电，用两只1.5v的电池即可。在对方案一论证修改的过程中发现，当驻极体话筒易懂后就变成了方案三，实际上方案三在模拟的过程中已经能得到非常好的调频波了。(4)方案四高频三极管c9018和电容c4、c2、c5组成一个电容三点式的振荡器，三极管集电极的负载c5、l1组成一个谐振器，谐振频率就是调频话筒的发射频率，根据图中元件的参数发射频率可以在88108mhz之间，正好覆盖调频收音机的接收频率，通过调整l的数值（拉伸或者压缩线圈l）可以方便地改变发射频率，避开调频电台。发射信号通过c4耦合到天线上再发射出去。r2是三极管的基极偏置电阻，给三极管提供一定的基极电流，使它工作在放大区，r1是直流反馈电阻，起到稳定三极管工作点的作用。这种调频话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化，同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制。驻极体话筒可以采集外界的声音信号，灵敏度非常高，可以采集微弱的声音，同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作，电阻r3可以提供一定的直流偏压，r2的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度越弱。电阻越小话筒的灵敏度越高，话筒采集到的交流声音信号通过c6耦合后送到三极管的基极。电路中k是一个开关，开关可以控制电路的接入与断开，降低耗电、延长电池的寿命。在方案一和方案三的基础上进行优化设计，得到了方案四。(5) 方案论证综述 在电路原理上：上述几个方案无一例外地采用了超高频三极管进行放大，使用lc震荡，直接调制。 在电路复杂程度上以上几个电路中电路元件都不超过20，但是真正易于焊接实现的、最方便的电路是方案四。 在电路功能上方案四增加了电路工作led指示灯，让使用哪个更加方便。综上所述，方案四是最终方案。四、单元电路设计、参数计算、元器件的选择1、单元电路设计(1)音频收集模块一个无线话筒，则音频信号的收集是必不可少的。本电路中考虑到需要做一个小巧的无线话筒，因而直接采用的是驻极体小话筒mic，它灵敏度极高。据介绍，甚至手表的嘀嗒的声音也可以被它收集到。话筒采集到的交流声音信号通过c2耦合和r2匹配后送到三极管的基极。另外，驻极体话筒内实际藏有一枚fet，可视之为一级，fet将话筒前振膜之电容变化放大，这就是驻极体话筒很灵敏的原因。图4.1.1 音频收集模块 (2) 音频放大模块这个模块是对所收集到的音频信号进行无失真地放大，为下面的调制做准备。因为在自然环境中，由于诸多因素，所收集到的声音（即音频信号）都经过了很多的干扰，因此其所携带的能量都是很微弱的，为了使其能够正常的进入调制模块来与本振进行调制，需要将其音频信号来进行适当的放大来达到相关匹配。另一方面，这个无线话筒也是一个调频发射机，发出的信号又要经过大自然的无数干扰才会得到接收，若原始信号的能量就不够强烈，那么接收端的信号就无从谈起了。所以只有对其原始的音频信号进行充分放大，达到相应要求之后，再发射出去。接收端才能够正常进行解调恢复原始的音频信号。这里的音频放大模块采取的是基本的三极管甲类的放大。r2=10k是三极管的基极偏置电阻，给三极管提供电流，使其三极管始终工作在甲类无失真的放大状态，达到最好的放大效果。r1=30o是直流反馈电阻，是稳定三极管的工作状态。图4.1.2 音频放大模块(3)载波振荡模块一个调频信号发射机，载波振荡（即俗称本振）模块更是必不可少的。根据电磁场理论可以知道，通过天线发射的信号需要与天线匹配，即天线的长度要大于信号波长的四分之一。而音频信号的频带是20hz至20khz，对应的波长范围是15至15000km。制造出巨大的天线是不合适的，所以我们需要一个高频载波来将我们的音频信息“装载”上去，再进行发送。基于这样的理论基础，我设计的是高频三极管与c2、c3、c5所构成的一个电容三点式振荡器。通过调整l的数值（拉伸或者压缩线圈l）可以方便地改变发射频率图4.1.3 音频放大模块(4) 直接调制模块将已经放大的音频相关信号和载波振荡产生的高频载波信号进行叠加，发射信号通过c4耦合到天线上再发射出去。这种调频话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化，同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制。图4.1.4 音频放大模块(6) 电源及控制模块电源选用两节干电池，为了在不使用的时候节省电能，使用了一个开关，为了在打开开关的时候让使用者知道电路已经接通使用红色led指示灯指示。2、元件参数的确定(1)计算制作电感元件参数的选择最主要是lc选频网络的选择。选择发射频率为100mhz，选择一个标称值30p的瓷片电容，由公式计算得出l=0.08452uh.最后绕制了一个骨架直径3mm，漆包线直径0.8mm，6圈的线圈。(2)三极管的选择由于发射频率是100mhz左右，因此选用超高频小功率三极管c9018,c9018 结构：npn集电极-发射极电压 15v集电极-基电压 30v射极-基极电压 5v集电极电流 0.05a耗散功率 0.4w结温 150特怔频率 平均 620mhz(3)其他元件的选择普通驻极体话筒输出阻抗为2k,音频信号范围在20-20000hz范围内，人声音频率范围在300-1000hz。容抗公式：zc=1/(2fc)，那么电容范围在0.265uf-0.079uf,因此c1选择0.1uf，即瓷片电容104。电源电压为两节普通干电池，e=3v。五、总原理图及工作原理1、电路原理框图图5.1 无线话筒原理框图无线话筒相当于一个无线调频发射机。它主要包括音频收集，音频放大，载波振荡，调制电路，还有天线发射几部分。2、原理图图5.2 无线话筒原理框图3、工作原理上面的就是调频无线话筒的电路图。高频三极管c9018和电容c4、c2、c5组成一个电容三点式的振荡器，三极管集电极的负载c5、l1组成一个谐振器，谐振频率就是调频话筒的发射频率，根据图中元件的参数发射频率可以在88108mhz之间，正好覆盖调频收音机的接收频率，通过调整l的数值（拉伸或者压缩线圈l）可以方便地改变发射频率，避开调频电台。发射信号通过c4耦合到天线上再发射出去。r2是三极管的基极偏置电阻，给三极管提供一定的基极电流，使它工作在放大区，r1是直流反馈电阻，起到稳定三极管工作点的作用。这种调频话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化，同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制。驻极体话筒可以采集外界的声音信号，灵敏度非常高，可以采集微弱的声音，同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作，电阻r3可以提供一定的直流偏压，r2的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度越弱。电阻越小话筒的灵敏度越高，话筒采集到的交流声音信号通过c6耦合后送到三极管的基极。电路中k是一个开关，开关可以控制电路的接入与断开，降低耗电、延长电池的寿命。电路还提供了一个电路工作led指示灯。六、元器件清单名 称型 号/规 格 数 量备 注话筒普通驻极体话筒1只电阻r12001只电阻r210k1只电阻r31201只电阻r4100k1只瓷片电容c218pf1只瓷片电容c3,c4,c530pf3只瓷片电容c510pf1只瓷片电容c6100000pf1只瓷片电容c710000pf1只三极管90181只细直导线20cm若干条漆包线0.8mm 长20cm1条七、安装与调试1、安装此次设计的实物用到的元件比较少，使用的是万用印刷电路板，焊接之前设计了一套元件插接方案，所以焊接的时候直接按照图示搭接方案直接焊接所以很顺利完成。2、调试把fm收音机的电源和音量打开，将频率调在100mhz左右无电台的地方。给无线话筒电路板通上电源，对准收音机，用无感螺丝刀调节振荡线圈l1的稀疏（线圈匝间距离），直到收音机传出尖叫声。再慢慢移开话筒和收音机距离，同时适当调节收音机（或者话筒板）的音量、调谐旋钮，直到声音最清晰、距离又最远为止。3、实验效果发现在105.2mhz的时候效果最好，发射距离在无障碍物时达到10m。八、性能测试与分析1、实物测试采用电容三点式，简单可靠，起振容易。但一级放大电路虽然达到我们的设计目标，但是抗干扰等功能仍然有印象，毕竟这是用较少的一些分立元件组成的一个高频电路。我们将r1偏置电阻的阻值减小使其对接收灵敏度提高，经测试，达到15.20m的声音信号仍能正常接收（温度：20.0），而且这是在有很多电磁干扰的环境下进行的测试，测试效果良好。天线输出距离选频回路较远，由于板子已经焊好，我们使用面包板进行测试，发现天线距离选频回路越近时，收音机的接收效果越好。经测试还发现，将电源等有源元件与其他元件分开距离较大摆放时，接受的效果较好，频率较稳定，抗干扰能力提高近20%，频率抖动不大。为此我们选择了将天线与电源分在两边摆放。2、计算机模拟首先multism中画出所需电路图(1) 模拟话筒发出的声音信号(2) 滤波电容器后面的声音可以看出，滤波电容对音频信号的作用，他没有改变波形。当改变滤波电容器的值的时候信号发生很大的变形。(3) 已经调制的信号可以看出，音频信号已经被调制，但是调频波形受到音频信号干扰发生变形。当改变反馈电容的值的时候可以发现调制信号发生改变九、遇到的问题及解决1、遇到的问题由于电路比较简单，电感线圈为手动绕制，抗干扰能力有限，在用收碰触电路的时候跑频很严重，这主要是在有导体接近线圈的时候线圈的感抗容易变化。电路的发射距离比较近。2、解决的方法对于电路抗容易受干扰的问题，用了一个金属壳将电感线圈罩住，电路抗干扰的能力明显增强，后来给电路选用了一个塑料壳，制成了一个真正意义上的无线发射器，向对讲机一样拿着可以说话不再出现频率变动情况，问题得到解决。对于电路发射距离近的问题采用了适当增加瓷片电容器c2的阻值和适当选取电路中电阻阻值的方法的烧少许改善。十、设计电路可能的改进措施1、首先是发射功率由于受到三极管的限制，此无线发射器的发射功率（反映在发射距离上）有限，可以改用发射功率大的三极管增加发射功率使发射距离大大增加，可以使用的三极管有2n3866、c2053、c1970，8050。2、电路板此次实验使用的是万用电路板使用的时候难免会有电路连接不可使的情况，可以使用设计印制电路板十一、结论与心得每一个电子设计爱好者都有电子制作的经历，从开始时的不断失败到逐渐得心应手，到最后的设计制作成功，其中的滋味是没有制作经历的人所无法领会的。通过这次实践，通过组装、调试制作套件使我们快速步入电子设计的大门。制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，在电脑上调试考验了我们的操作水平，而焊功更考验了我们的动手能力。焊盘很小，焊时可能会出现虚焊甚至可能造成焊盘铜片脱落的后果。焊功不好还有可能影响整个电路的稳定性，可能造成中心频率不稳定，部分技术指标难以达标。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过这次课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，才真正意识到我们只有通过勤奋的努力，才能够真正体会到科技带给人类的幸福。在整个电路课程设计过程中，我们不断地在遇到问题和解决问题之中盘旋。例如在