毕业设计（论文）-无线调频发射机设计.doc

前 言 随着电子技术的发展，无线调频打技术给人们的生活带来了根本性的变化，是通 信领域的次新的革命。无线调频设备的发展更是日新月异。 一般无线调频方案适用于远距离高稳定性通信的场合，目前，调幅通信技术已经 较为成熟的应用在无线通信领域，形成了相应的标准。然而，调幅通信在根本上存在 通信不稳定的缺点，对于调频通信而言，这个代价就显得毫无必要。 随着社会的进步和生产的需要，利用无线调频进行通信的应用已经渗透到生活各 个方面。在工业现场，由于生产环境限制，工作人员不能随时随地近距离通信，然而 有时这是非常必要的，就需要使用无线调频对讲机等设备即时通信。在现实生活中， 调频系统已经被成功应用于工农业、军事国防、机器人控制等许多重要领域，而且类 似于这种系统的无线通信网络已经被广泛的应用到民用和军事领域。凡是远距离通信 或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。这样的研究也变得更加有意义了。 目前，在工业通信应用领域，都采用无线方式进行远距离数据传输。和传统的有 线传输方式相比，无线传输具有巨大的优越性。基于此，本文介绍一种基于调频的无 线通信传输系统。系统采用高频三级管在射频方面的优势和调频特有的稳定性。这里 的的无线调频通信系统采用纯模拟技术与分立元件相结合，使得该系统在通信上具有 即时性与稳定性。 整个系统主要分为前级放大电路，高频振荡电路，高频功率放大电路三大部分， 前级放大部分采用驻级体电路采集声音信号并转化成电信号，经过共射级放大电路加 以放大；高频振荡电路采用电容三点式的形式，通过合理计算电容容值与引入反馈， 从而产生稳定的高频载波；高频功率放大电路中使用了大功率三级管9018增大发射功 率，提高电路性能。 基于此，论文主要分为四个部分，第一部分主讲前级放大电路，介绍了声音信号 的采集和声音信号的放大；第二部分主讲电路仿真及误差分析；第三部分主讲电路调 试与高频电路经验；第四部分主要是整个论文的总结与展望，给出了参考文献和程序 附录。 本论文内容上全面的介绍了无线调频系统的具体实现，主要是硬件部分的设计介 绍，又有相关理论的详细阐述。 ii 本文编写过程中得到重庆交通大学老师和同学的指导与帮助，并提出了许多改进 建议，在此表示衷心感谢。由于本人水平有限，错误与疏漏之处在所难免，望批评指 正。 目 录 前 言 .i 摘 要 .i abstract ii 第 1 章 绪 论 1 1.1 选题目的的理论价值和现实意义1 1.2 关于无线调频发射机2 1.2.1 调频概念与常识 2 1.2.2 合成技术基本原理 2 1.2.3fm 中频谱的计算 3 1.2.4 复合频率调制 4 1.3 本课题在国内外的研究状况及发展趋势4 1.4 本次设计的主要工作5 第 2 章 理论基础与方案设计 .6 2.1 电路技术指标6 2.2 单元电路选择（框图）6 2.3 话筒 mic 6 2.3.1 构造与原理 6 2.3.2 设计方案 7 2.4 音频放大电路8 2.4.1 音频放大电路设计原理 8 2.4.2 设计方案 .12 2.5 高频振荡调制电路.12 2.5.1 反馈振荡器的原理 .12 2.5.2 设计方案 .13 2.6 高频功率放大电路.14 2.6.1 高频功率放大器原理 .14 2.6.2 设计方案 .17 2.7 天线电路.17 2.7.1 天线设计理论 .18 2.7.2 设计方案 .18 2.8 电源电路.19 2.8.1 电源设计理论 .19 2.8.2 设计方案 .19 第 3 章 电路仿真 .21 3.1 电路直流静态工作仿真.21 iv 3.2 音频采集及放大仿真.22 3.2 振荡电路分析仿真.24 3.3 高频功率放大仿真分析.26 3.4 整体电路各部分仿真分对比.27 第 4 章 电路调试 .29 4.1 前级放大电路调试.29 4.1.1 驻级体调试 .29 4.1.2 音频放大电路调试 .30 4.2 振荡器调试.31 4.2.1 lc 振荡器调试 31 4.2.2 振荡器可能出现的几种现象 .32 4.3 线圈调试.32 4.4 装配调试.33 4.5 整机调试.34 第 5 章 结论与展望 .36 5.1 设计总结.36 5.2 设计不足.36 5.3 展望.37 致 谢 39 参考文献 40 附 录（一）.41 附 录（二）.42 附 录（三）.42 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） i 摘 要 本次设计为调频发射机，分为前级放大电路，高频振荡，高频功率放大三个部分。 前级放大电路主要处理音频信号；高频振荡电路负责产生发射用载波；高频功放用于 提高发射功率，完善电路性能。设计中应选择性好的前级，抑制干扰；功率大的后级 提高性能。 该电路系统能够采集声音信号并通过调频方式将信号辐射出去，适当提高设计电 路的电源电压，能够有效增大发射距离。电路的平均发射距离可达 100 米。通过调频 方式，使电路的信号传输具有特别的稳定性，并且电路频率漂移小。如果认为发射距 离小，可作如下改进：将发射三级管 9018 换成 c1970，这种三级管不但能够提高发 射功率，而且价格便宜如此能够将发射机从 1功率提升至 3。 关键词：无线调频，振荡器，高频三级管 肖方：无线调频发射机 ii abstract the design for the fm transmitter,divided into pre-amplifier,high frequency oscillation,high frequency power amplifier of three parts. preamplifier circuit to process the audio signal, high-frequency oscillation circuit is responsible for producing the emission using he carrier, the high-frequency amplifier used to increase the transmission power, and improve the circuit performance. design should be a good selectivity level, interference suppression, power after class to improve performance. the circuit system capable of capturing the sound signal and radiate out through the fm signal, an appropriate increase in the supply voltage of the circuit designed, can effectively increasing the transmission distance.circuit the average transmission distance up to one hundred meters. special stability through the fm signal transmission circuit and circuit frequency drift. that the emission from the small, make the following improvements, changed tube 9018 with c1970. keywords: wireless fm, oscillator，high frequency transistor 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪 论 此次毕业设计我做的是无线调频发射机，它主要涉及到调频发射的具体内容。调 频，就是高频载波的频率不是一个常数，是随调制信号而在一定范围内变化的调制方 式，其幅值则是一个常数。与其对应的，调幅就是载频的频率是不变的，其幅值随调 制信号而变。 1.1 选题目的的理论价值和现实意义 在本次设计中，其目的是得到一个调频接收机机。在超外差式调频接收机的设计 过程中，应将其分为高频放大、混频、本振、中放、限幅、鉴频、低频放大七个部分。 整个电路的设计必须注意几个方面。选择性好的级，应尽可能靠近前面，因在干扰及 信号都不大的地方把干扰抑制下去，效果最好。如干扰及信号很大，则由于晶体管的 非线性，将产生严重的组合频率及其他非线性失真，这时滤除杂波比较困难。为此， 在高级接收机中，输入电路常采用复杂的高选择电路。为了使混频和本振分别调到最 佳状态，要采用单独的本振。总的来说，设计一部接收机时必须全面考虑，妥善处理 一些相互牵制的矛盾，特别要抓住主要矛盾（稳定性、选择性、失真等），才能使得 接收机有较好的指标。 在频率调制技术中，调制体的振幅同样对频率调制起关键作用，调制体振幅影响 着载波频率调制后变化的深度，假如调制信号的振幅是 0，就不会出现任何调制，因 此说，就像在振幅调制中，调制体的频率对载波体的振幅有影响一样，在频率调制中， 载波的频率变化同样受调制体振幅大小变化的影响。 fm 的价值在于：对原始信号损失小，保真度高；带宽宽，传输信息量大，抗干 扰能力强，传输距离根据波段远近有别（高频距离较短，如收音机波段距离一般不超 过一百公里） ；对生产的价值：多信道加密遥控器，对讲机，远程控制器，机器人控 制器等等。工程上用的通常称为变频技术，比如楼上说的变频空调，只有对 50 赫兹 交流电的频率变动以基本不改变电流的情况下改变功率，所以节能。 此次的论文撰写中笔者着重从理念上阐述了调频的原理及实现的具体方式，因此 从论文中可以系统而具体地了解到调频发射机的组成，原理等。对于它的现实意义， 不言而喻，笔者正是根据文中所述的各项原理，成功地实现了调频发射机的制作。 肖方：无线调频发射机 2 1.2 关于无线调频发射机 1.2.1 调频概念与常识 调频，就是载频的频率不是一个常数，是随调制信号而在一定范围内变化，其幅 值则是一个常数。与其对应的，调幅就是载频的频率是不变的，其幅值随调制信号而 变。 一般干扰信号总是叠加在信号上，改变其幅值。所以调频波虽然爱到干扰后幅度 上也会有变化，但在接收端可以用限幅器将信号幅度上的变化削去，所以调频波的抗 干扰性极好，用收音机接收调频广播，基本上听不到杂音。 使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制 信号的大小决定，变化的周期由调制信号的频率决定。已调波的振幅保持不变。调频 波的波形，就像是个被压缩得不均匀的弹簧，调频波用英文字母 fm 表示。 载波的瞬时频率按调制信号的变化而变，但振幅不变的调制方式。载波经调频后 成为调频波。用调频波传送信号可避免幅度干扰的影响而提高通信质量。广泛应用在 通信、调频立体声广播和电视中。 我们习惯上用 fm 来指一般的调频广播（76-108mhz，在我国为 87.5-108mhz、日 本为 76-90mhz），事实上 fm 也是一种调制方式，即使在短波范围内的 27-30mhz 之间， 做为业余电台、太空、人造卫星通讯应用的波段，也有采用调频（fm）方式的。 fm radio 即为调频收音机。 1.2.2 合成技术基本原理 音频信号的改变往往是周期性的，一个最容易理解音频调制技术的范例是小提琴 和揉弦，揉弦通过手指和手腕在琴弦上快速颤动，使琴弦的长度发生快速变化，从而 最终影响小提琴声音的柔和度。与“fm 无线电波”相同，“fm 合成理论”同样也有 着发音体（载体）和调制体两个元素。发音体或称载波体，是实际发出声音的频率振 荡器；调制体或称调制器，负责调整变化载波所产生出来的声音。载波频率、调制体 频率以及调制数值大小，是影响 fm 合成理论的重要因素。 最基本的 fminstrument 包括两个正弦曲线振荡器，一个是稳定不变的载波频率 振荡器；一个是调制频率振荡器。载波频率被加在调制振荡器的输出上。载波振荡器 是一个带有 fc 频率的简单的正弦波频率，当调制器发生时，来自调制振荡器的信号， 即带有 fm 频率的正弦波，驱使载波振荡器的频率向上或向下变动，比如，一个 250hz 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 3 正弦波的调制波，调制一个 1000hz 正弦波的载波，那么意味着载波所产生的 1000hz 的频率，每秒要接受 250 次的影响产生的调制。制体和载波体都是有频率、振幅、波 形的周期性或准周期性振荡器。 在频率调制技术中，调制体的振幅同样对频率调制起关关键作用，调制体振幅影 响着载波频率调制后变化的深度，假如调制信号的振幅是 0，就不会出现任何调制， 因此说，就像在振幅调制中，调制体的频率对载波体的振幅有影响一样，在频率调制 （fm）中，载波的频率变化同样受调制体振幅大小变化的影响。 因此，在频率调制过程中，我们可以发现：1.调制体的频率影响载波体的频率的 速度变化。2.调制体的振幅影响载波频率的深度变化。3.调制体的波形（或音色）影 响载波频率的波形变化。4.载波体的振幅在频率调制过程中保持不变。 1.2.3fm 中频谱的计算 在简单频率调制中，两个振荡器都只用正弦曲线的波形。不过，由于频率调制技 术可以制造出非常丰富的频谱，这使得作曲家也不必用频谱过于复杂的波形完成 fm 合成。事实上，如用一个频谱成分非常丰富的波形作为调制体来调制另一个声音（载 波体），调制后的频谱会极其复杂，以至于听起来非常粗糙、刺耳。 在载波频率的任何一边有一些频谱构成，其间隔距离与调制的频率相一致。这些 上边频和下边频是成对地根据调制频率的泛音数组合在一起的。用数学的语言解释， 一个简单的 fm 频谱显示的频率是 fckfm.k 是一个整数，可以假定为任何大于或等 于 0 的值，载波成分就是由 k=0 来显示的。 频谱构成中的能量分配，部分地根据频率偏离的量影响。这种偏离（deviation 缩写为 d）是由调制振荡器产生的。当 d=0 时，指没有任何调制发生。增加偏离指数 就会产生边频，从而获得更大的能量，但是以牺牲载波频率的能量为代价。偏离越大， 在边频之间分配的能量越宽，就会带来有振幅变化的更大的边频数。因此，偏离可以 担当控制 fm 信号频谱边频的角色。 假如输入载波为 1000hz 调制体为 250hz，那么根据 fm 频谱分配计算原则，最终， 所得频率调制后的输出频率值。每个频谱成分的振幅是由偏离指数和调制频率决定的。 频率调制的效果有时与加法合成有类似的地方，两者的本质区别是，加法合成在 基本波形上加上谐波分音，一层又一层，基本波形与其谐波分音同时存在，而 fm 合 肖方：无线调频发射机 4 成加上去的波形却完全调制了其基本波形而产生另一种十分复杂的波形，因此，频率 调制技术与加法合成技术是截然不同的两种合成技术。 1.2.4 复合频率调制 复合频率调制包含两个或两个以上载波体振荡器和两个以上调制体振荡器，它能 够产生更多的边频，同时也增加了计算的复杂性。复合频率调制的组合可能性很多， 每一种组合都会带来独特的频率合效果。 总体归这，复合频率调制至少有 5 个基本组合方式。 (1),有各自独立调制器的多载波组合 这个组合包括两个或更多简单的 fm instruments 同时工作，所获得的效果是每 个 fm instruments 输出的总和（图例符号缩写中，al 表示载波 1 的振幅，fl 表示载 波 1 的频率，d1 表示调制体 1 的频率偏移，也就是调制体 1 的振幅，f1 表示调制体 1 的频率，a 表示载波振幅，其他图示缩写符号也依此辨别）。 (2),只有一个调制器的多载波组合它所获得的效果是每个载波输出的相加总和。 (3),带有平行调制器的单载波 (4),有多个（逐级）调制器的单载波 (5),自我调制的载波 所谓自我调制的载波，就是用信号振荡器的输出调制自身的频率。振荡器的输出 信号用一个反馈因素（用 fb 表示）相乘，在被重新输入到自身的频率输入之前加一 个频率值（fm）。反馈因素（用 fb 表示）在这里可以被看作是一个调制指数。 由于自我调制的处理技术总是在 1：1 的频率比率中工作，因此永远生成锯齿波 状的波形。谐波分音的振幅是按反馈因素值（fb）的比例变化的。 1.3 本课题在国内外的研究状况及发展趋势 同频广播可以解决大面积情况的小功率覆盖问题，广播频率专业化情况下分区覆 盖、如交通频率应用于道路沿线的交通信息；地形、地理等原因造成的覆盖率低，改 善人口密集区域情况下的收听，一般使用小功率同步布点。另一个优点是建网容易、 建网费用低、投资回收快、听众无需更换接收机，同时一些发射点、天馈系统、传输 链路等设施设备，将来数字化广播实现时可以继续使用，不会重复投资造成浪费；再 次是易于规划，提高频谱利用率，消除阴影区，在改善场强不均匀度方面，使用低高 度垂直极化天线，极大地减小对空辐射和根部近场辐射，节约能源，满足电磁环境卫 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 5 生标准，避免对航空频段造成干扰。缺点也是显而易见的，一方面是本身的技术缺陷， 相干区的技术处理难度大，并且这种情况不可避免，另外在管理和维护方面不集中， 造成设备安全运行保障性不够强。 鉴于调频同步广播的诸多优点，欧美一些国家（如法国、意大利、美国等） ，早 在 80 年代晚期就开始了 fm 同步广播技术的研究，已建成若干实用的几百到两千公 里的单频网（覆盖高速公路和补点） 。广电总局科技司分别布署了杭甬高速公路，北 京市城区两个调频同步广播的试点，分别由浙江台、北京台跟众力传播公司、青岛广 电所合作实施，并且已于 2000 年通过验收。在此基础上，进一步扩大覆盖的试验， 深圳电台自 1998 年起也进行了调频同步广播试验，2005 年已建成 5 个发射点的同步 广播系统，基本实现了同步广播设定的任务目标，由众力公司设计实施，河南电台 3 个点系统试验播出，截止到 2008 年初，我国在建和已经实现的调频同步广播台站有 20 多家。同频激励和系统方案的主要厂家，国外的有意大利泰可诺公司 dex30 数字 调频激励器，已有 10 多年的产品经验；国内的有杭州众传公司、北京吉兆电子有限 公司，以及南京同频公司等多家，河南省已有省经济台、信息台、许昌台等多家省市 级电台涉足同频广播。 调频技术在全国有广泛的应用空间，无论是在电视电路还是在其它领域内均有涉 及，而且在重点省份，超外差接收机还需要进口。2007-2011 年超外差接收板行业生 产规模有特别在的增速，2012-2016 年超外差接收板行业产量产能变化趋势中，行业 人员持乐观态度，他们并对相应出现的需求量进行了分析，做出了估计，行业领导者 对生产现状及产品策略进行了细致的规划。 通过本报告，生产企业及投资机构将充分了解产品市场、原材料供应、销售方式、 有效客户和潜在客户，为研究竞争对手的市场定位，产品特征、产品定价、营销模式、 销售网络和企业发展提供了决策依据。 1.4 本次设计的主要工作 (1)，收集无线调频的相关资料，查找前人做过的与无线相关的案例； (2)，设计原理图，进行原理图理论仿真并修改设计方案； (3)，准备完成实体电路所需要的元器件，对元器件进行性能测试； (4)，根据原理图及电路实际情况布局电路板，搭建实体电路； (5)，调试电路，检测电路各组成部分工作状态并根据需要做出修正； (6)，对应各项参数要求，整机测试，进行局部微调，验证指标； 肖方：无线调频发射机 6 (7)，对本次设计整体评估，分析设计不足及实践过程中的缺陷，提出改进方案。 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 7 第 2 章 理论基础与方案设计 2.1 电路技术指标 基本要求： （1）载波频率之间，用收音机 fm 段接收。mhzmhz10850 （2）在声音被清晰接收的前提下，发射距离50m （3）电源电压 6v。 （4）音质清晰，发射较远 2.2 单元电路选择（框图） 该电路涉及到的技术有：声音信号采集电路，声音信号放大电路，高频振荡调频 电路，高频功率放大电路，天线发射电路，电路整体方框图如下： 图 2-1 高频发射电路的方框图 2.3 话筒 mic 驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式 录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很 高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式 话筒在工作时需要直流工作电压。 2.3.1 构造与原理 驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。 声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸 发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸 金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。 肖方：无线调频发射机 8 这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。 高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷，由于没有放电回路，这个 q 电荷量就不会改变。我们知道电容上电荷的公式是，反之也是成立vcqcqv/ 的。驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极 间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。 最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可 以得到和声音对应的电压了。由于场效应管时有源器件，需要一定的偏置和电流才可 以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。 图 2-2 原理图 图 2-3 结构图 驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十。因而它的输出阻pf 抗值很高，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以 在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻 抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(s)、栅极(g)和漏极(d)三个极。这里使用 的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场 效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒 的输出线便有三根。即源极 s，一般用蓝色塑线，漏极 d，一般用红色塑料线和连接 金属外壳的编织屏蔽线。 2.3.2 设计方案 其中 r1 为为 mic 提供直流偏置的电阻，其取值一般在 2.25.1k 间选用，的 1 r 值直接决定了驻级体话筒的灵敏度，通常 r1 的取值越大越灵敏，但需要取值合适， 使驻级体的集电级电流在在 0.11ma 之间是比较常见的做法，但是其工作电流的离 散性也大，必要时应当查找相关资料，根据特定资料配置相关偏置电路。电容为隔 1 c 直流通交流电容，它能使此处直流成分不会影响后一级电路，而交流却能够顺利通过， 经后级音频放大电路处理。其取值应根据具体情况而定，此处取值 100000pf 为电路。 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 9 图 24 驻级体话筒电路 2.4 音频放大电路 2.4.1 音频放大电路设计原理 (1)，共发射极放大电路及静态分析 电路的组成 组成如图 25。 图 25 音频放大级电路 放大元件，工作在放大区，要保证集电结反偏，发射结正偏。 bc ii 各元件的作用 肖方：无线调频发射机 10 图 25 集电极电阻，将变化的电流转变为变化的电压。使发射结正偏正并 4 r 6 r 提供适当的静和。集电极电源，为电路提供能量。并保证集电结反偏。隔直 b i be u 3 c 通交 基本放大电路的习惯画法如图 26。 图 26 音频放大电路交流行等效电路 静态：时电路的工作，静态工作点1，由决定。0 i uq ceqcqbq uii, 图 27 放大电路交流负载线 图 28 放大电路静态工作点 估算法 ccqccceq bqcq b beqcc bq riuu ii r uu i 图解法1 图解法是工程计算上常用的一种方法，该方法具有简便易算，明了直接的优点， 在计算精度要求不是很高的情况下，可以优先考虑使用此种方法，它对解决工程问题 具有不可小视的快捷作用；但是也应该看到，正是由于此种方法中用的是傻作图法估 计实际结果，因此其中存在的误差在严格的工程作业中亦使它的使用受到限制。 如图 28，由所决定的直流负载线估算法求，确定对应的 ccqccceq riuu b i 输出特性曲线两者的交点就是静态工作点，过点作水平线，在纵轴上的截距即为qq 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 11 ，过点作垂线，在横轴上的截距即为。 cq iq c i 图 29 直流电路 图 210 交流电路 (2)，放大电路动态分析和非线性失真 放大电路的动态分析 动态：有交流输入信号时电路的工作状态 放大器的交流通路 交流通路的画法：将直流电源短路，电容短路,如图 210 所示。 作交流负载线，如图 27 所示。 斜率为 c rrllrlr/1 交流负载线是有交流输入信号时工作点的运动轨迹，空载时，交流负载线与直流 负载线重合 波形分析交流放大原理（设输出空载） 图 211 饱合失真示意图 肖方：无线调频发射机 12 图 212 截止失真示意图 图 211 输入一微小的正弦信号 i u cecece ccc bbb bebebe uuu iii iii uuu 结论： 放大电路中的信号是交直流共存 输出与输入相位相反，但幅度被放大了，频率不变。 o u i u 放大电路的非线性失真 放大电路有合适的静态工作点（即交流负载线中间位置） ，可输出最大不失真信 号。 工作点过高引起饱和失真2；工作点过低引起截止失真2 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 13 图 213 交流放大（设输出空载） 图 214 交流负载线 2.4.2 设计方案 图 215 为音频放大电路电路结构图。该部分由组成.此电路为共 143543 ,qccrrr 射基本放大电路，为三级管基级电阻，经节点 5，为三级管提供基级偏置电流， 5 r 1 q 为的集电级电阻，为集电级提供电压，两者共同决定了的表态工作点，为 4 r 1 q 1 q 3 r 射级电阻，在电路中能够稳定的表态工作点分别为通直隔交电容,它们保证了 1 q 43,c c 此电路的前后级间的表态工作点不会影响此处电路,同理,此处表态工作点也不影响前 后级间电路.表态工作点及稳定表态工作点电阻值应根据的特性曲线决定,使远离 1 q 1 q 其截止区与饱合区. 图 215 音频放大电路电路结构图 2.5 高频振荡调制电路 2.5.1 反馈振荡器的原理 反馈型振荡器的原理框图如图 218 所示。 由图可见, 反馈型振荡器是由放大器 和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载, 是一调谐放大器, 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。 图 216 振荡电路结构示意图 由 肖方：无线调频发射机 14 (2-1) )( )( su su k s o u (2-2) )( )( )( su su sk i o (2-3) )( )( )( su su sf o i (2-4)()()(sususu iei 得： (2-5) )(1 )( )()(1 )( )( st sk sfsk sk sku (2-6) )( )( )()()( su su sfskst i i 其中自激振荡的条件就是环路增益为 1, 即 . (2-7) 1)()()(jfjkjt 通常又称为振荡器的平衡条件。 由式(2-3)还可知 (2-8) ,)()(,1)( ,)()(,1)( susujt susujt ii ii 2.5.2 设计方案 该部分电路见图 217,该部分电路由和组成. 11498765876 ,lccccccrrr 2 q 其功能是产生高频载波信号并进行调制。前级-音频放大级将放大的讯号送往振荡级 之基极,即节点 7 处，振荡级工作于约,这频率是由振荡线圈(共 5.5 圈)和 2 qmhz94 电容器调整的,该频率也决定于晶体管,回输电容器及还有少数偏压元件,例如 6 c 7 c 射极电阻和基极电阻。电源接通时,基极电容器通过电阻逐渐充电,而则 7 r 6 r 5 c 6 r 7 c 经振荡线圈的电阻充电,但更加之快,电容也充电(其两端虽仅得小的电压),线圈产 7 r 6 c 生磁场.基极电压渐渐上升时,晶体管导通,并有效地将内阻并接在两侧.当电容充 7 c 5 c 电至该极的工作电压时,就会发生好几个杂乱的周波,故我们假定讨论在靠近工作电压 之时基极电压继续上升,电容试图阻止射极用压的移动,到电容器内的能量耗尽及再 7 c 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 15 不阻止射级移动之时,基一射极电压降低,晶体管截止,流人线圈的电流也停止,磁场衰溃. 磁场衰溃,产生一个相反方向的电压,集极电压反过来以相反方向电容充电,这电压也 6 c 影响到对电容充电,及射极电阻上的电压降使到晶休管进入更深的截止。电容 7 c 7 r 7 c 充电时,射电压下跌,并跌到某一晶休管开始导通,电流流入线圈,与衰溃磁场对抗.线圈上 之电压反转,形成集极电压下降,这个变化通过电容传送到射极上,结果晶休管进入更 7 c 深的导通,把电容短路,周期再开始重复,故此,在此形成一个振荡,产生 94mhz 的 7 c 2 q 交流讯号.放大后之音频讯号溃入到之基极,改变振荡频率,产生所需的 fm 电磁波。 2 q 其中的作用是将高频信号直接短路到地以免其对前后级电路产生不必要的影响。 14 c 图 217 高频振荡电路原理图 2.6 高频功率放大电路 2.6.1 高频功率放大器原理 (1)，晶体管特性曲线的理想化及其解析式 在工程上，对于工作频率不是很高的谐振功率放大器的分析、计算，通常采用准 线性的折线分析法。 准线性放大是指仅考察集电级输出电流中的基波分量在负载两端产生输出电压的 放大作用。 折线近似分析法(简称折线法)，这是一种图解法与数学解析分析相折中的办法， 指用几条直线来代替晶体管的实际特征曲线，然后用简单的数学解析式写出它们的表 示式。缺点是准确度低，但计算比较简单，易于进行概括性的理论分析。 (2)，高频功放的工作状态分析 肖方：无线调频发射机 16 高频功放的动态特性 晶体管的静态特性是在晶体管集电极无载情况下而言的，比如维持集电极电压不 变，改变基极电压，就可求出(集电极电流瞬时值基极瞬时电压值)静态特性曲 bc ui 线族。 如果集电极有负载阻抗，则当改变基极电压使变化时，由于负载上有压降， be u c i 就必然同时引起的变化。这样，在考虑了负载的反作用后，所获得的与、 ce u c i be u 的关系曲线就叫作动态特性(曲线)。最常用的当与同时变化时，表示 ce u be u ce u 关系的动态特性曲线，简称动态线(又叫负载线或工作路。可以证明，当晶体 cec ui 管静态特性曲线理想化为折线，且放大器工作于负载回路谐振状态，动态特性曲线也 是一条直线。 动态特性曲线 当晶体管在激励信号下并接入负载阻抗时，在输出特性图中，表示集电极电流 与输出电压之间的关系曲线称为集电极动态特性曲线。 c i ce u 具体来说，当回路总等效参数和电压确定以后，在准线性条件下，r ccbmbb vuv, 基极电压和集电极电压变化时，谐振功率放大器工作点变化的轨迹，称为谐振 be u ce u 功率放大器动态线。动态线上的每一点都反映了基极电压,集电极电压与集电 be u ce u 极电流之间的关系(瞬时值关系)。 c i 动态线的绘制放大区动态特性由三个方程求得。假定输入信号是单频正 ucec fi 弦波, 输出回路调谐在输入信号的相同频率上。建立由负载谐振电阻和 p rr 所表示的输出动态负载曲线。 ccbmbb vuv, 图 218 谐振功率放大器基本电路图 (3-30) )( )( on cm cecc bmbbc onbeonbec cm cecc bmbbbev u uv uvgi vuvugi u uv uvu ， (2-31) 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 17 图 219 功率放大交流信号变化图 上式表明，在回路参数(即偏置、激励、电源电压等)确定后，是一条直 ucec fi 线，只要找到两个点，就可把动态线绘出。令时，为图 ccce vu onbbc vvgi 中点；令，得点。连接点，并延长与的输出特性曲q0 c ibbq, bmbbbe uvu max 线相交于点，则直线便是谐振功率放大器的动态线，也可称作谐振功率放大器aab 的交流负载线。动态负载电阻可用动态线斜率的倒数求得。 处在放大区的动态线与输出特性曲线的每一个交点，都是放大器在输入信号ab 作用下的动态工作点，利用这些点可以求出不同值（导通角范围内）的集电级电流 值，从而可以画出的脉冲波形，在这个区工作点沿直线移动。ab 当放大器工作在过压状态时，只受控制，不再随变化，这时沿饱合线 移动，所以进入过压区的动态线是与输出特性曲线的临界饱合线相重合的一段线。oa 肖方：无线调频发射机 18 图 220 负载线上交流信号变化图 由于谐振功放的负载是选频网络,故输出交流电压必是一个完整的余弦信号 c u ，表示晶体管处于截止状态，其特性范围为图中段。所以，丙类放大器集电0 c ibd 极的动态特性是由直线段(折线 )组成。这三条线体现为完整的集电极电流bdaboa, 动态特性。 2.6.2 设计方案 该部分电路由组成，电路工作在 c 类状态。为提供基级静 2111098 ,lccrr 8 r 3 q 脉偏置电流，使工作在合适的表态工作点上，为的射级电阻，其作用是稳定 3 q 9 r 3 q 的表态工作点，旁边为旁路电容，它能使交流信号顺利通过该支路而有效隔 3 q 9 r 11 c 离直流信号。和组成选频电路，使其谐振在前一级的工作频率上，这样可以保 2 l 10 c 证电路从前一级获得最大输出功率为隔直流通交流电容，输入高频信号，并能有效 9 c 预防前后级级各表态工作点间的影响。 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 19 图 221 高频功率放大电路原理图 2.7 天线电路 此处电路天线的电路结构相对较为简单，组成元件只有和。但是这两个元 12 c 3 l 件具体数值的选择搭配是十分讲究的。天线的作用是使电磁波能够辐射得更远，从而 使发射机的发射距离更远，但是天线本身也是有电阻的，那么怎么样能使从前一级到 达天线处的能量能够最大呢？或都说至少不会出现大的衰减？这就涉及到了天线阻抗 匹配的问题。 2.7.1 天线设计理论 (1)，阻抗匹配3。 阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配，得到最大功率输出的一种工 作状态。对于不同特性的电路，匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中，当负载电阻 等于激励源内阻时，则输出功率为最大，这种工作状态称为匹配，否则称为失配。 当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时，为使负载得到最大功率，负载阻抗 与内阻必须满足共扼关系，即电阻成份相等，电抗成份绝对值相等而符号相反。这种 匹配条件称为共扼匹配。 (2)，匹配条件 负载阻抗等于信源内阻抗，即它们的模与辐角分别相等，这时在负载阻抗上 可以得到无失真的电压传输。 负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值，即它们的模相等而辐角之和为零。这时在 负载阻抗上可以得到最大功率。这种匹配条件称为共轭匹配。如果信源内阻抗和负载 阻抗均为纯阻性，则两种匹配条件是等同的。 (3)，高频电路的阻抗匹配3 由于高频功率放大器工作于非线性状态，所以线性电路和阻抗匹配（即：负载阻 抗与电源内阻相等）这一概念不能适用于它。因为在非线性（如：丙类）工作的时候， 电子器件的内阻变动剧烈：通流的时候，内阻很小；截止的时候，内阻接近无穷大。 因此输出电阻不是常数。所以所谓匹配的时候内阻等于外阻，也就失去了意义。因此， 高频功率放大的阻抗匹配概念是：在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件， 使电子器件送出额定的输出功率至负载。这就叫做达到了匹配状态。 肖方：无线调频发射机 20 2.7.2 设计方案 根据上述匹配原理，本电路采用电容和电感配合，并经过精心计算电容与电感的 具体数植，从而做到使电路有一级与后一级的模角之和为 0，并使负载与前一级的输 出阻抗之比为 1。经过这样的匹配，电路中的能量就能够最大化地传输到天线上，从 而使发射机发射距离最远。 应该明确，天线电路多种多样，它们虽然都是要将电磁波的功率尽可能大的辐射 到周围的空间中去，但是不同的天线，不同的电路结构，所起到的作用也是不尽相同 的，比如：有的天线可以使电磁波只沿一个方向辐射，而有的天线却可以使电磁功率 向各个方向辐射，这些将取决于天线电路的结构设计。 图 222 天线电路原理图 2.8 电源电路 2.8.1 电源设计理论 此次设计中所用电源为 6v 直流电源，直流电源在设计时需要注意与电路中的其 他电路组成部分隔离，尤其是含有高频成分的电路结构。只有保证了电源的独立工作， 它才能够更加稳定的为电路其他部分供能。同样，电路电源作为一个单独的电路结构， 如果和电路其他部分产生耦合，它在一定程度上也会影响其他部分电路的正常工作， 对于高频工作的电路尤其如此，有时甚至可以使振荡电路等电路结构无法起振。 2.8.2 设计方案 该部分电路为电源处滤电路，主要由元件组成，容易看出，它们是并联关 213,c c 系。电路组成虽然简单，但是其中使用到的原理仍有许多说法。 这是一个电源的高频滤波电路是一个 33uf 的大电容，在电路中起到低频滤波 2 c 的作用，是一个只有 100nf 的小电容，在电路中起着高频滤波的作用。这两个大 13 c 小电容联合起来使用并不是一个矛盾。在高频状态下，大电容由于制造工艺的原因， 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 21 不可避免地会有感抗特征，就相当于一个纯电容与一个电感相串联，这样一来，大容 量的电解电容在高频下的阻抗反而大于在低频时的阻抗。正因为此，需要一个大的电 解电容与一个小容量的陶瓷电容配合使用，使这一电路结构既可以通过大容量电解电 容滤去低频波以可以通过小容量的陶瓷电容滤去高频成分的波，使电路内部的各种波 形变化都不至于影响到电源。 通常情况下，选取电解大电容的容量时应是小的陶瓷电容容量的 100 倍左右，但 就具体电路而言，还需要根据电路情况做出判断。 图 323 电源滤波原理图 肖方：无线调频发射机 22 第 3 章 电路仿真 3.1 电路直流静态工作仿真 图 31 电路结构各节点显示图 图 31 电路结构各节点显示图。图中各节点的电压不同将直接影响三级管子的 工作状态，其中节点组 6,5,7；节点组 9,8,10；节点组 12,11,13 分别对应音频级三 级管,高频振荡级三级管和高频功率放大级三级管的集电级，基级和发射级。只有为 各结点配置合理的电压，三级管才会工作在合适的状态。具体电压配置过程是由偏置 电路完成。 图 32 整体电路直流静态工作点仿真图 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 23 图 3-2 为整体电路直流静态工作点仿真图，根据图中显示的数据，可以看出音频 放大级，高频振荡级和高频功率放大级的三级管都是工作在放大状态。所谓放大状态， 就是要三级管的集电级电压大于基级电压，基级电压大于发射级电压至少 0.7 幅。并 且可以看出，第每个三级管的集电级电压虽然比基级的电压高，但是差异并不是很大， 通过电压差与基级阻值能够算出每个三级管的基级静态工作电流十分微小，进一各三 级管的静态工作点的配置是合理的 3.2 音频采集及放大仿真 图 33 驻级体电路结构仿真 图 33 左边为此次设计中的话筒部分电路，右边为该电路产生的波形仿真图。 该图是幅值为，频率为的正弦波信号。由图可知，此部分电路确实能将自v1hz3400 然界的声音信号采集转化成电信号并将其放大。 图 34 音频放大电路仿真 肖方：无线调频发射机 24 图 34 左方为此次设计的电路原理图，右方为其仿真波形图。与图 31 比较， 从图中可知，从前级传输过来的电信号经过音频放大级后被放大，并且波形没有发生 大的失真。该波形的频率仍为，没有产生频率搬移现象。因此此一级的设计hz3400 能够满足整体电路需求,符合整体电路要求。 图 35 音频放大电路交流仿真 图 35 为音频放大电路交流仿真分析图。图的上半部分为音频级电路随着输入 频率的升高，音频输出电压的变化情况，可以看出音频级三级管在 10hz5mhz 内的 工作曲线是一条基本平行于频率轴的直线段，因此它是工作在线性放大区的，在这个 频率段内三级管能够起到电压线性放大作用，而且不会改变原输入频率成分，符合电 路设计要求。图的下半部分为三级管中电压相位随频率变化而发生变化的情况，可以 看出，在线性工作段内，其在将电压放大的同时也将电压的相位翻转了 180 度。在这 里，设计只考虑电路对电压的幅值放大作用，相位在一定的频率下发生变化不会对电 路产生根本影响。 图 36 为音频放大电路瞬态仿真1分析图。由图可以看出，其曲线是一条由接 近 0 点的地方开始，逐渐上升，并慢慢与横轴，即频率轴平行的曲线，并且曲线在上 升过程中含有小的锯齿形。电路之所以会产生瞬态现象，是因为电路中含有电容，电 感或是二者皆有，这一类瞬态元件。曲线未能从 0 开始，说明电路中的瞬态元件在初 始状态是含有能量的。随着电容或是电感的充电，电路缓缓趋于稳定状态，即曲线随 时间变化而趋于平行时间轴。曲线是之所以会出现锯齿形，是由于瞬态元件短暂而频 繁的充放电过程造成的。在含有电容可电感的电路中，往往会出现这样的现象，它使 电路最终达到稳定状态在时间上有一定的影响，在电路设计中需要注意这一点。 2008 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 25 图 36 音频放大电路瞬态仿真 3.2 振荡电路分析仿真 图 37 高频振荡电路仿真 图 37 左方为此次设计的电路波形图，右方为其电路原理图。由仿真波形图的 一栏的下方数据可计算，此波形的频率为虎傅翼,符合我国调频发射timebasemhz81 肖方：无线调频发射机 26 的要求，能够被发射出去。新产生的载波仍为正弦波信号，该波形适合于做载波，因 此仿真信号满足设计要求。 图 38 高频振荡电路交流仿真 图 38 为高频振荡电路交流仿真图，其中图的上半边是仿真电路中电压随频率 变化而变化的结果，可以看出，振荡电路中的电压在低