小功率调频发射机

1、 高频课程设计报告课题名称：小功率调频发射机 姓 名： 刘文财 班 级： 电信10级 日 期： 2011-03-21 指导老师： 姚臻老师 目录引言. .3一、 设计和制作任务.3二、主要技术指标.3三、电路组成方案.3四、设计方法.41.振荡级.4 a.路的选择.4 b.参数计算.62.缓冲级.73.功率输出级.94.总的原理图设计.10五、制作、调试步骤和试验分析.111.电路制作.112.电路调试.113.实验数据分析.12六、电路改进.13七、实验心得.14八、参考文献.14附录： 引言 调频发射机作为一种简单的通信工具，由于它不需要中转站和地面交换机站支持，就可以进行有效的移动通信，

2、因此深受人们的欢迎。目前它广泛的用于生产、保安、野外工程等领域的小范围移动通信工程中。这个实验是关于小功率调频发射机工作原理分析及其安装调试，通过这次实验我们可以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。学会基本的实验技能，提高运用理论知识解决实际问题的能力。关键词：小功率调频发射机 调频振荡级 缓冲级 功放输出级一、 设计和制作任务 1、确定电路形式，选择各级电路的静态工作点，画出电路图。 2、计算各级电路元件参数并选取元件。 3、画出电路装配图。 4、组装焊接电路。 5、调试并测量电路性能。 6、写出课程设计报告书。二、主要技术指标 1、中心频率 =12MHz

3、 2、频率稳定度 0.1MHz 3、最大频偏 10kHz 4、输出功率 30mW 5、电源电压 Vcc=9V三、电路组成方案调频可以有两种实现方法，一是直接调频，就是用调制信号直接控制振荡器的频率，使其按调制信号的规律线性变化。令一种就是间接调频，先对调制信号进行积分，再对载波进行相位调制。两种调频电路性能上的一个重大差别是受到调频特性非线性限制的参数不同，间接调频电路提供的最大频偏较小，而直接调频可以得到比较大的频偏。所以，通常小功率发射机采用直接调频方式，它的组成框图如下所示。功率输出级缓冲级调频振荡级其中高频振荡级主要是产生频率稳定、中心频率符合指标要求的正弦波信号，且其频率受到外加调制

4、信号电压调变；缓冲级主要是对调频振荡信号进行放大，以提供末级所需的激励功率，同时还对前后级起有一定的隔离作用，为避免级功放的工作状态变化而直接影响振荡级的频率稳定度；功放级的任务是确保高效率输出足够大的高频功率，并馈送到天线进行发射。四、设计方法1、振荡级（1）、振荡电路的选择振荡电路主要是产生频率稳定且中心频率符合指标要求的正弦波信号，目前应用较为广泛的是三点式振荡电路和差分对管振荡电路。三点式振荡电路又可分为电感和电容三点式振荡电路，由于是固定的中心频率，因而采用频率稳定度较高的克拉拨振荡电路来作振荡级。其电路原理图如图4.11所示。克拉拨振荡电路与电容三点式电路的差别，仅在回路中多加一个

5、与C2、C3相串接的电容C6，回路的频率，克拉拨振荡电路的频稳度大体上比电容三点式电路高一个量级。由于是调频发射机，其频率受到外加调制信号电压调变，因此，回路中的电抗要能够跟调制信号的改变而改变，应用一可变电抗器件，它的电容量或电感量受调制信号控制，将它接入振荡回路中，就能实现调频。最简便、最常用的方法是利用变容二极管的特性直接产生调频波，因要求的频偏不大，故采用变容二极管部分接入振荡回路的直接调频方式。其原理电 路如图4.12所示，它具有工作频率高、固定损耗小和使用方便等优点。图4.11变容二极管D1通过耦合电容C1并接在LCN回路的两端，形成振荡回路总容的一部分。 因而，振荡回路的总电容C

6、为： （4-1） 振荡频率为： （4-2）加在变容二极管上的反向偏压为：图4.12 变容二极管调频原理电路 变容二极管利用PN结的结电容制成，在反偏电压作用下呈现一定的结电容（势垒电容），而且这个结电容能灵敏地随着反偏电压在一定范围内变化，其关系曲线称曲线，如图4.13所示。由图可见：未加调制电压时，直流反偏所对应的结电容为。当调制信号为正半周时，变容二极管负极电位升高，即反偏增加时，变容二极管的电容减小；当调制信号为负半周时，变容二极管负极电位降低，即反偏减小时，增大，其变化具有一定的非线性，当调制电压较小时，近似为工作在曲线的线性段，将随调制电压线性变化，当调制电压较大时，曲线的非线性不可

7、忽略，它将给调频带来一定的非线性失真。 我们再回到图4.12，并设调制电压很小，工作在CjVR曲线的线性段，暂不考虑高频电压对变容二极管作用。设 图4.1-3 用调制信号控制变容二极管结电容 （4-3）由图4.13可见：变容二极管的电容随R变化。即： （4-4）可得出此时振荡回路的总电容为 （4-5）由此可得出振荡回路总电容的变化量为： （4-6）由式可见：它随调制信号的变化规律而变化，式中的是变容二极管结电容变化的最大幅值。我们知道：当回路电容有微量变化时，振荡频率也会产生的变化，其关系如下： （4-7）式中，是未调制时的载波频率；是调制信号为零时的回路总电容，显然 （4-8）由公式（4-2

8、）可计算出中心频率： （4-9）将（4-8）式代入（4-9）式，可得： （4-10）频偏： （4-11）振荡频率： （4-12）由此可见：振荡频率随调制电压线性变化，从而实现了调频。其频偏与回路的中心频率f0成正比，与结电容变化的最大值Cm成正比，与回路的总电容C0成反比。 （2）、参数计算根据前面的介绍，可以设计出如图4.1-4的振荡电路，其中R4用来提供直流交流负反馈。设计中D1为变容二极管，我们选用910AT型变容二极管，其容量变化可以从几十PF到100 200PF因此C7数值接近于Cj的高端值，若假设C7足够大，接近短路，而C8也逐渐增大，从几个PF增加到十几个PF，此时C增大，则振荡

9、频率减小，同时静态调制特性会发生变化，所以综合以上因素，C7,C8的选择对静态调制特性影响比较显著，所以我们选择C7为220PF的电容，C8选择47PF的电容。 图4.1-4 由，以及Cj的性质，我们选择C2为100PF, C3为220PF,C6为220PF.利用R7,R8对D1变容管加反偏电压，工作电压为9V，R7,R8可选用为27K,则反偏电压为4.5V。R1,R2为三极管基极偏置电阻，均选用10KR4 ,R5为负反馈电阻，选择较小的电阻即可，我们选用R4为12,R5为K. 因为fosc=12MHz,由 Error! No bookmark name given.设C0为C2，C3与C6串

10、联值, ，由于910变容二极管在偏置电压4.5的情况下Cj较小，大概为十几pf，先不考虑Cj的值，所以并接在L1上的回路总电容为 所以电感L1为2、缓冲级因为本次实验对该级有一定的增益要求，而中心频率是固定的，因此用LC并联回路作负载的小信号放大器电路。缓冲放大级采用谐振放大，L2和C10谐振在振荡载波频率上。若通频带太窄或出现自激则可在L2两端并联上适当电阻以降低回路Q值。该极工作于甲类以保证足够的电压放大。对缓冲级管子的要求是 所以可选用普通的小功率高频晶体管，如9018等另外，, 若取流过偏置电阻R9,R10的电流为 I1=10IbQ则 R10=VbQ/I1, R8=(Vcc-VbQ)/

11、I1所以选R10,R8均为10K.为了减小缓冲级对振荡级的影响，射随器与振荡级之间采用松耦合，耦合电容C9可选为180pf.对于谐振回路C10,L2,由 故本次实验取C10为100PF， 所以，缓冲级设计电路为图4.2-1所示。图4.2-13、功率输出级为了获得较大的功率增益和较高的集电极功率，设计中采用共发射极电路，同时使其工作在丙类状态，组成丙类谐振功率放大器由设计电路图知L3、C12 和C13为匹配网络，与外接负载共同组成并谐回路为了实现功率输出级在丙类工作，基极偏置电压VB3应设置在功率管的截止区同时为了加强交流反馈，在T3的发射极串接有小电阻R14在输出回路中，从结构简单和调节方便考

12、虑，设计采用型滤波网络，如图4.3-1。L3，C12，C13构成型输出，Q3管工作在丙类状态，调节偏置电阻可以改变Q3管的导通角。导通角越小，效率越高,同时防止T3管产生高频自激而引成回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，即将天线阻抗变换为功放管所要求的负载值，并滤除不必要的高次谐波分量。 图4.3-1 在选择功率管时要求： 综上可知，我们选择9018功率管。由于要使功放级工作在丙类，就要使，解得，为了使功放的效率较大，可以减小Q3管的导通角，这里取R13=11R12，第二级集电极的输出电流已经扩大了几十倍，为防止第三级的输入电流过大而烧坏三极管，需要相应的增大第三级的输入电阻。取R13=220K，

13、R12=20K，改变R14可调整放大倍数，取较小的反馈电阻有利于提高增益，因为选定，所以发射极电压VE为0.05V，因此R14可选为100。由于 , 且 ,一般取 Qe = 810 所以 解得：L3=1.06H 计算得，C13680PF，C12220PF.功放级的电路设计如图4.3-2所示。图4.3-24、总的原理图设计根据前面的分析，还要考虑各级之间的隔离，以及滤波电路，可以设计出如图4.4-1的原理图。其中，C14,C16为滤波电容，选C14为0.1F，C16为100F。C1为基极高频旁路电容，R1,R2为Q1管的偏置电阻。采用分压式偏置电路既有利于工作点稳定，且振荡建立后有利于振荡幅度的

14、稳定。调节C7/C8可使调频线性良好。R7,R8为变容二极管提供直流偏置。调制音频信号经C17,LC加到变容二极管改变振荡频率实现调频。振荡电压经电容C9耦合加至Q2缓冲放大级。五、制作、调试步骤和试验分析 1、电路板制作电路的焊接顺序一般从前级单元电路开始，向后级逐级进行。在焊电路板之前，应该要做一些准备工作，把各个元器件和工具都准备好，很重要的一点就是要选择一块比较新的万用板，这样在焊接过程中比较好焊，容易使锡粘到铜圈上。由于要产生12M的较高频率，所以在焊接电路时要尽量使各个器件都贴在万用板上，减小各个器件的引脚，从而降低对电路的影响。在高频电路中，电源和地线设计很重要，它的好坏直接影响

15、到产品的品质。若由于电源、地线布线不合理而引起干扰，会产生很大的噪声，使产品的性能下降。所以对电源、地线的布线需认真、慎重考虑，把电源和地线所产生的噪音干扰尽可能的降到最低限度，以确保产品的质量。由于设计电路由三级组成，振荡级要求干扰比较小，第三级是功率放大级，如果把这三级的地线都连在同一条地线上，这会对振荡级产生较大的干扰，所以把三级的各个地线分开。L1、L2和L3自己用0.5mm的漆包线在电感底座上绕11到13圈，然后把漆包线的绝缘皮去掉，再焊到底座的引脚上。由于在试验过程中要把各个电感值调到一个比较准确的值，为了防止电感值调不到，所以在绕电感时要留一定的余地，而且最好用硬线把电感连到电路

16、板上，防止电感调不到理想的值而把整个电感底座全部拆下来。 2、电路的调试电路的调试顺序先分级调单元电路的静态工作点，测量其性能参数；然后在逐级进行联调，直到整机调试；最后进行整机技术指标测试。 （1）、第一级调试 为了检查电路是否正确，应该对三极管Q1和变容二极管的静态工作点进行测量，然后调节中周L1，使振荡频率为12MHz，测量结果如表5.2-1所示 表5.2-1E（v）B（v）C（v）Cj负（v）f（MHz）Vpp（V）Q13.354.134.75.212.011.04 （2）、第二级调试对三极管的各个静态工作点测量，然后调节中周L2，使该级的LC谐振回路谐振在12MHz上，而且为了使第三

17、级有更大的功率放大，该级的Vpp尽量调到靠近4V。测量结果如表5.2-2所示表5.2-2E（v）B（v）C（v）f（MHz）Vpp（V）Q23.664.218.9912.014.1 （3）、第三级调试同样先对三极管的各个静态工作点测量，由于各级之间存在一定的影响，所以在调节中周L3时，会对前面两级的频偏产生影响，结果如表5.2-3所示 表5.2-3E（v）B（v）C（v）f（MHz）Vpp（V）Q30.410.589.0011.9811.6 （4）、整机调试把1KHz，0.2V的调制信号加到调制信号输入端，把输出端的已调信号送到频偏仪进行解调，再把结果送到示波器，观察频偏大小和波形是否有失真，

18、结果如表5.2-4所示表5.2-4解调后的f频偏fm有无失真1.002KHz100KHZ无失真 （5）、实际电感值如表5.2-5所示 L1L2L3电感值（uH）1.41.30.5 3、实验数据分析 、根据实验得到的数据，可计算出相应的指标，如表5.3-1所示 实验值技术指标是否符合指标中心频率（MHz）12.01612是频率稳定度（MHz）-0.050.1是最大频偏（KHz）10010是输出电压（V）11.64.2是从表中可以看出，各项指标都能达到要求，但是还存在以下问题： 在没接负载的情况下测得的Vpp可以达到4.3v，甚至可以达到9v以上，可是接上负载时，有可能达不到4.3v，这样功率可能

19、达不到30mw。 级与级之间的影响偏大，第一级频率原来调到12MHz，当把第三级也调到12MHz时，就会发现第一级的频率已经不是12MHz，比原来更小了。 频率稳定度偏大，虽然实验要求是0.1MHz，但是仍然偏大。 、从试验中可以看出，电感的理论计算值和实验值并不会相等，存在一定的偏差，如表5.3-2所示 表5.3-2实验值理论值L1（uH）1.41.92L2（uH）1.31.76L3（uH）0.51.06由于功放运用的折线分析方法，其理论计算为近似值。在计算电感L1值时，由于并不清楚Cj的具体值，把它忽略了，此外单元电路的设计计算没有考虑实际电路中分布参数的影响，级间的相互影响，所以电路的实

20、际工作状态与理论状态相差较大，因而元件参数在整机调整过程中，修改比较大，这是在高频电路整机调试中需要特别注意的。六、电路的改进 从实验数据可以看出，频率稳定度还不够，为什会产生这样的问题呢。对于变容二极管直接调频电路来说，由于调制器是由普通的LC自激振荡器和并联的变容 二极管组成，所以有很多因素会引起振荡频率发生变化，这些因素包括变容二极管的非线性、电源电压的变动、负载的变化、温度等环境条件的变化、电路元器件老化、机械振动等。为了消除这些导致中心频率不稳定的因素，除了注意电路和结构的设计外，还应当采用自动相位控制电路使中心频率稳定在规定范围以内。- - 图6-1是典型的锁相稳频电路的结构框图。共包括四个部分：压控振荡器、鉴相器、基准晶体振荡器和分频器。放大的调制信号加入压控振荡器，对其进行频率调制，经过调制的高频信号一路送至后面的放大电路， 图6-1 另一部分送入分频器进行分频。分频器输出的方波信号送入鉴相器中，与基准晶体振荡器经过分频后得到的基准信号进行比较，实现相位锁定。鉴相器的输出信号经过环路滤波器送入压控振荡器中，控制压控振荡器的振荡频率，从而达到稳定频率的目的。由于调频的结果使压控振荡器输出信号的瞬时频率总是偏离其基准值，而环路的功能就是要抑制这种频偏，这就产生了一个矛盾。为了解决这个矛盾，应该使调制信号的频谱处于环路通带之外，也就是需要在鉴相器和压控振荡器之间加