无线调频话筒设计指导

500mW无线电调频发射机课程设计任务书一、设计课题：无线调频话筒二、设计目的：设计一个采用直接调频方式实现的工作电压为12V、输出功率在500mW以上、工作频次为5MHz的无线调频话筒，可用于语音信号的无线传输、对讲机中的发射电路等。三、技术指标与要求：设计达到的主要技术指标有：工作电压：Vcc=+12V；(天线)负载电阻：RL=51欧;发射功率：Po>500mW;(4)工作中心频次:f0=5MHz;(5)最fm10kHz；大频偏：50%；(6)总f°/f0104/小时.7(8)调制敏捷度KF泛0KHZ/V;(9)电路构造采用分立元件建立的LC调频振荡器、缓冲隔绝、高频宽放和高频功放电路实现500mW无线电调频发射机设计指导书第一章概括1、课程设计的工作流程：课程设计的操作流程如图1-1所示图1-1课程设计的一般操作流程2、评分办法学生课程设计的成绩，应根据达成设计工作的质量综合评分，参照评分办法评定。3、纪律要求(1)课程设计期间，按平时上课作息时间到指定地址(一般为教室)；⑵保持优秀的讲堂秩序，能够互相议论问题，但不得高声吵闹;需要去图书馆查阅相关资料时，可向指导老师提出，并做好记录第二章设计任务与要求1、课程设计任务：见课程设计任务书中的各项2、设计报告的内容及版式要求：设计报告要撰写的内容和版式要求见表1-1所示。表1-1设计报告内容项目和版式要求序号设计报告项目内容及版式要求1设计封面、目录2第一章绪论3一、目的与意义4二、设计内容与课程内容的关系5三、达成任务的时间进度6第二章电路构造的选择与工作过程7一、方框构造与工作原理8二、选择电路原理图及说明选择的主要依据9三、表达各部分电路的基本工作原理10四、电路中各元器件的名称及作用11第三章电路参数的计算与元件的选择12第四章设计总结13一、计算机仿真剖析与参数验算14二、小结(心得领会)15参照文件第三章电路构造的选择与工作过程、总设计方框图图3-1变容二极管直接调频电路组成方框图与调幅电路相比，调频系统由于高频振荡输出振幅不变，因而拥有较强的抗扰乱能力与效率.所以在无线通信、广播电视、遥控测量等方面有宽泛的应用。、实用发射电路方框图（实际功率激励输入功率为1.56mW）调制‘LC调频------1.25’2013dB倍缓冲功率信号.25振荡器mW隔绝mW激励mWOd13dB图3-2实用调频发射机组成方框图制定整机方框图的一般原则是，在知足技术指标要求的前提下，应力争电路简单、性能稳定可靠。单元电路级数尽可能少，以减少级间的相互感觉、扰乱和自激由于此题要求的发射功率Po不大，工作中心频次fo也不高，因此晶体管的参量影响及电路的散布参数的影响不会很大，整机电路能够设计得简单些，设组成框图如图3-2所示，各组成部分的作用是：LC调频振荡器：产生频次fo=5MHz的高频振荡信号，变容二极管线性调频，最大频偏fm10kHz，整个发射机的频次稳定度由该级决定。⑵缓冲隔绝级：将振荡级与功放级隔绝，以减小功放级对振荡级的影响。因为功放级输出信号较大，当其工作状态发生变化时(如谐振阻抗变化)，会影响振荡器的频次稳定度，使波形产生失真或减小振荡器的输出电压。整机设计时，为减小级间相互影响，往常在中间插入缓冲隔绝级。缓冲隔绝级电路常采用射极跟从器电路。(3)功率激励级：为末级功放提供激励功率。如果发射功率不大，且振荡级的输出能够知足末级功放的输入要求，功率激励级能够省去。末级功放：将前级送来的信号进行功率放大，使负载(天线)上获得知足要求的发射功率。如果要求整机效率较高，应采用丙类功率放大器，若整机效率要求不高如A<50%而对波形失真要求较小时，能够采用甲类功率放大器。可是此题要求A50%，应采用丙类功率放大器较好。三、实际的无线调频话筒电路实际的无线调频话筒电路如图3-3所示V4交负

+12vC8N2CTN3RLN1C11N451R1V2R33DG100R5V33DA1C9R10DG130VZL1―ftRw2R12R13C10ZL2R14C12C6in-图3-3无线调频话筒电路考虑到频次稳定度的因素，调频电路采用克拉泼振荡器和变容二极管直接调频电路。电路的工作原理是：利用调制信号控制变容二极管的结电容，改变振荡器振荡回路的总电容，进而使调频振荡器输出信号的频次随调制信号的变化而变化，即实现调频。调频后的信号经过缓冲隔绝、宽放和功放后经过天线发射出去。四、发射机的主要技术指标发射功率发射功率指发射机发射到天线上的功率。只有当天线的长度与发射信号的波长相比较时，天线才能有效地把信号发射出去。波长与频次f的关系是c/f式中，c为电磁波流传速度，c=3*108m/s。若接收机的敏捷度VA=2UV，贝U通信距离S与发射功率Po间的关系为s1.074{P0}mW当发射功率为大于500mW时通信距离为5.08Km以上。工作频次或波段发射机的工作频次应根据调制方式，在国家相关部门规定的范围内选用。对于调频发射机，工作频段一般选择在超短波范围内总效率发射机发射的总功率PO其所消耗的总功率PT比，称为发射机的总效率，用表示。调制敏捷度Kf是单位调制信号电压所惹起的最大频偏，其值越大，说明调制信号控制作用越强，产生频偏越大。第四章电路参数的计算与元件选择整机电路的实际计算次序一般是从末级单元电路开始，向前逐级进行。而电路的组装和调试次序一般是以前级单元电路开始向后级逐级进行。一、增益分派与功率放大器的设计发射机的输出应拥有一定的功率才能将信号发射出去，可是功率增益又不可能集中在末级功放，否则电路性能不稳，容易产生自激。因此要根据发射机的各组成部分的作用，适合地合理地分派功率增益。如果调频振荡器的输出比较稳定，又拥有一定的功率，则功率激励级和末级功放的功率增益可适合小些。功率激励级一般采用高频宽带放大器，末级功放可采用丙类谐振功率放大器。缓冲级能够不分派功率。功率增益如图3-2所示。仅从输出功率Po>500mW—项指标来看，能够采用宽带功放或乙类、丙类功放。由于还要求总效率大于50%，故采用一级宽带放大器加一级丙类功放实现，其电路形式如图4-1所示(一)丙类功率放大器(末级功放)设计1、基本关系式如图4-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压-VBE是利用发射机电流的分量leO在射极电阻R14上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号Vi为正弦波时，集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。利用谐振回路LC的选频作用可输出基波谐振电压Uc、电流ici。集电极基波电压的振幅Ucm=Icm1Rp式中，Icm1为集电极基波电流的振幅；Rp为集电极负载阻抗。输出功率PoPo=Ucm.lcm1=Ucm2/(2Rp)直流功率PvPv=Vcc.Ic0集电极耗散功率PTPT=Pv-Po⑸集电极的效率nn=Po/Pv集电极电流分解系数a(9)an(9)=:Icmn/icmmax导通角9UonVBBcosUbm

(9一般取6080)2、确定丙类放大器的工作状态为了获得较高的效率n和最大的输出功率Po，选丙类放大器的工作状态为临界状态，9=70°,功放管为3DA1。3DA1的参数如表4-1所示表4-13DA1参数表PCMICMVCEShfefTAP1W750mA>1.5V>10>70MHz13dB(1)最正确匹配负载Rp110.25(VccVCES)2(121.5)2RP-—110.252Po2*0.5⑵由Po=0.5Ucm.Icm1=Ucm2/(2RP)可得：集电极最大输出电压Ucm=10.5V⑶集电极基波电流振幅：Icm1=95.24mA⑷集电极电流最大值lcm=Icm1/a1(700)=95.24/0.44=216.45mA⑸集电极电流直流分量Ic0=Icm*a0(700)=216.45*0.25=54.11mA⑹电源供给的直流功率Pv=Vcc*Ic0=649.35mW⑺集电极的耗散功率PT=Pv-Po=649.35-500=149.35mW(小于PCM=1W)总效率n=Po/Pv=500/649.35=77.00%输入功率若设本级功率增益Ap=13dB(20倍)，则输入功率Pi=Po/Ap=25mW(10)基极余弦脉冲电流的最大值Ibm(设晶体管3DA1的B=10)Ibm=Icm/3=21.45mA(11)基极基波电流的振幅Ibm1=Ibma1(700)=21.45*0.44=9.44mA(12)基极电流直流分量Ib0=Ia(700)=21.45*0.25=5.36mAbm°基极输入电压的振幅Ubm=2Pi/Ibm1=5.30V丙类功放的输入阻抗rbb_______25(1cos)1( )86(1cos70)*0.443、计算谐振回路及耦合回路的参数(1)输出变压器线圈匝数比N5/N3(解决最正确匹配负载问题)N52PORL51N31100.68取N5=2,N3=3。谐振回路电容C11=100pF谐振回路电感L210uH1__________(2f0)C116)2*100*1012(2*3.14*5*10⑷输出变压器初级线圈总匝数比N=N3+N4高频变压器及高频电感的磁芯应采用镍锌(NXO)铁氧体，而不能采用硅钢铁芯，因其在咼频工作时铁损耗过大。NXO-100环形铁氧体作咼频变压器磁芯时,2于工分作布参数的影响，与设计值可能相差较大。频次2{A}cm232{}N2*103HL4可达输出耦合变压器，由公式式中,=100H/m为磁导率；N为变压器初级线圈匝数；A=25mm2为磁芯截面积;l=25mm为平均磁路长度。计算得N=8，贝UN4=5W0LN5:RL°eN5J6.28_510229WL.RL51

，e取值2~10，上述公式取2。需要指出的是，变压器的匝数N3、N4、N5的计算值只能作为参照值，由为调整方便，往常采用磁芯地点可调节的高频变压器。4、基极偏置电路发射极电阻R14由公式UonVBBcosUbm可得VBBUonUbmcos0.75.3cos70o1.1VVBB|e0R14|c0R141.1VR1420.33⑵高频旁路电容C12=0.01uF

o取标称值R1420(3)高频扼流圈ZL2=47uH。⑷可变电容CT=(5~20)pF。5、元件清单CT=(5~20)pFZL2=47uHRl420C12=0.01uFC11=100pFL10uHN3=5,N4=3,N5=2、3DA1管子(二)宽带功率放大器(功率激励级)设计功率激励级功放管为3DG130。3DG130的参数如表4-2所示。表4-23DG130参数表PCMICMVCEShfefTAP700mW300mAO.6V>30>150MHz13dB1、计算电路参数有效输出功率PH与输出电阻RH宽带功率放大器的输出功率PH应等于下级丙类功放的输入功率Pi=25mW，其输出负载RH等于丙类功放的输入的输入阻抗|Zi|=86Q。即卩PH=25mWRH=86Q实际输出功率PO设高频变压器的效率n=80%，则Po=PH/n=31.25mW集电极电压振幅Ucm与等效负载电阻R'H若取功放的静态电流lcQ=lcm=7mA，则R'HUcm21275.51.3K约为1.3KQ2PoUcm=2Po/ICQ=2Po/Icm=8.93V⑷高频变压器匝数比N1/N2N1R'H3N2RH取变压器次极线圈匝数N2=2，则初级线圈匝数N1=6128.930.6VR13VCCUcmVCES7mA352.86ICQ取标称值360Q发射极直流负反应电阻R13功放输入功率Pi本级功放采用3DG130晶体管，若取功率增益Ap=13dB(20倍)，则输入功率PiPO/AP1.56mWR交负Rirbb'2530*R交负(取「bb'2530)功放输入阻抗Ri若取沟通负反应电阻为10Q,则Ri325本级输入电压振幅UimUim2RiPi.2*325*1.56*1031.0VVEQICQR137*10*352.862.47V2、计算电路静态工作点(1)VBQ、IBQIBQICQ/7/300.23mAli=5

|BQ

=5*0.23mA=1.15mA若取基极偏置电路的电流

，则VBQ2.75k3.17VRl25IBQ1.15mA⑵Rii、R12(II=5~10倍IBQ)R11VccVBQ123.17V7.65ki.15mAli取标称值Ri2=3kQo为了调节电路的静态工作点，Rii可由标称值为5.1kQ的电阻与10kQ的电位器组成高频旁路电容C10=0.02uF。⑷输入耦合电容C9=0.02uF。别的，还能够在直流电源Vcc支路上加高频电源去耦滤波网络，往常采用LC的n型低通滤波器。电容可取器次级与负载之间插入

0.01uF,

电感可取

47uH

的色码电感或环形磁芯绕制。还可在输出变压LC滤波器，以改良负载输出波形。3、元件清单C9=0.02uFC10=0.02uFRii5?1ki0k电位器Ri23kR交负10N仁6,N2=2R13=360Q3DG130管子IBQICQ/7/300.23mA二、缓冲隔绝级电路(射极输出器)设计从振荡器的什么地方取输出电压也是十分重要的。一般尽可能从低阻抗点取出信号，并加入隔绝、缓冲级如射极输出器，以减弱外接负载对振荡器幅度、波形以及频率稳定度的影响射极输出器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，放大倍数靠近于1。1、电路形式由于待传输信号是高频调频波，主要考虑的是输入抗高，传输系数大且工作稳定。选择电路的固定分压偏置与自给偏压相联合，拥有稳定工作点特点的偏置电路。如图4-2所示。射极加RW2可改变输入阻抗。图4-2射极输出器电路2、估算偏置电路元件已知条件：Vcc=+12V，负载电阻RL=325Q(宽带放大器输入电阻)，输出电压振幅等于高频宽带放大器输入电压振幅，即Uom=1.0V，晶体管为3DG100(3DG6)。3DG100的参数如表4-3所示。表4-33DG100参数表PCMICMVCEShfefTAP100mW30mA30~200>150MHz旳=60。晶体管的静态工作点应位于沟通负载线的中点，一般取UCEQ=0.5VCC，lcQ=(3~10)mA。根据已知条件选用IcQ=4mA,，VCEQ=0.5VCC=6V，则VEQVccVcEQ126V1.5kRioRW2ICQICQ4mARio、RW2:取Rio=1kQ,RW2为1kQ的电位器。R8、R9VEQ=6.0VVBQ=VEQ+0.7=6.7VIBQ=ICQ/由=66.67UAVBQ10kR910IBQ取标称值R9=10kQoVccVBQR8

7.95k10IBQ取标称值R8=8.0kQo⑷输入电阻Ri若忽略晶体管基区体电阻的影响，有Ri(R8||R9)||[(R10RW2)||RL]3.63k(RL=325Q)⑸输入电压UimUimj2RiPiJ2*3630*1.56*1033.37V⑹耦合电容C8、C9为了减小射极跟从器对前一级电路的影响,C8的值不能过大,般为数十pF,这里取C8=20pF,C9=0.02uF。3、元件清单C8=20pFC9=0.02UFR88.0kR910kR10=1kQRW2为1kQ的电位器晶体管为3DG100三、调频振荡器设计调频振荡电路的作用是产生频次fo5MHz的高频振荡信号。变容二极管为线性调频，最大频偏fm10kHz。发射机的频次稳定度由该级决定。调频振荡器高频示波器电路如图4-3所示。图4-3LC调频振荡器是直接调频电路，是利用调制信号直接线性地改变载波刹时频次。数字频次计如果为LC振荡器，则振荡频次主要取决于谐振回路电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连结，就能够使振荡频次按调制信号规律变化，实现直接调频。1、LC振荡器主要技术指标：工作中心频次：fo=5MHz；最大频偏：fm10kHz；频次稳定度：f0/fo5*104/小时确定电路形式，设置静态工作点此题对频次稳定度f/fo要求不是很高，应采用图1-7所示的改良型电容三I2点式振荡器与变容二极管调频电路(2)三点式振荡器设计：基极偏置电路元件Ri、R2、R3、R4、Ci的计算图中，晶体管V1与C2、C3、C4、C5、Cj、Li组成改良型电容三点式振荡器，Vi为共基组态，C1为基级耦合电容。其静态工作点由Ri、R2、R3、R4共同决定。晶体管V1选择3DG100，其参数见表1-4所示。小功率振荡器的集电极静态工作电流ICQ—般为(1~4)mA。ICQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真严重，频次稳定性降低。ICQ偏小对应放大倍数减小，起振困难。为了使电路工作稳定，振荡器的静态工作点取|CQ2mA,VcEQ6V,测VccVCEQ126|cQ2R3R4R3R4得三极管的60。由(1-3)可得R3+R4=3kQ,为了提高电路的稳定性,R4的值可适合增大,取R4=1kQ,贝UR3=2kQ。VEQVBQVBEICQR42mA*1k2VVBQR2、，12R2、，0.72.7VR1R2VccR1R2V|BQ1cQ/2mA/6033.3uA为了提高电路的稳定性，取流过电阻R2上的电流1210IBQ0.33mAVBQ2.7V8.18kR0.33mA取标称值R2=8.2kQoR?口「VCCVBB2VCC则R（产1）R228.2K根据公式尺R2VBQI2得Ri=28.2KQ实际运用时Ri取20kQ电阻与47kQ电位器串连，以便调整静态工作点。Ci为基极旁路电容，可取Ci=0.01uF。C8=0.01uF,输出耦合电容。、调频电路设计调频电路由变容二极管C和耦合电容C5组成，R6和R7为变容二极管提供VQR7VCC静态时的反向偏置电压VQ，R6R7。R5为隔绝电阻，为了减小调制信号U对VQ的影响，一般要求R5远远大于R6和R7。C6和高频扼流圈ZLi对Ui相当于短路，C7为滤波电容。变容二极管Cj经过C5部分接入振荡回路，有利于提高主振频次f0的稳定C5P---------性，减小调制失真。变容二极管的接入系数C5C,式中，Cj为变容二极管的结电容，它与外加电压的关系为Cj(1—)UD(Cj0为变容管0偏时结电容,UD为其PN结内建电位差,丫为变容指数)①变容二极管参数选择测变容二极管的CjV特性曲线，设置合适的静态工作点VQ。此题给定变容二极管为2CC1C，并取变容管静态反向偏压VQ4V，由特性曲线可得变容管的静态电容CjQ75pF。I2②计算主振回路元件值：C2、C3、C4、C5、L1C2、C3、C4、C5、Cj、Li组成并联谐振回路，其中C3两头的电压组成振荡器的反应电压，知足相位平衡条件。比值C2/C3=F，决定反应系数的大小，F—般取0.125~0.5之间的值。为了减小晶体管极间电容对振荡器振荡频次的影响，C2、C3的值要大。如果C4取几十皮法，则C2、C3在几百皮法以上。C5p----------d因接入系数C5Cj,一般接入系数P1，为减小振荡回路输出的高频电压对变容晶体管的影响，p值应取小，但p值过小又会使频偏达不到指标要求，小厂pCj0.2*75lC518.75pF能够先取p=0.2。则1P10.2，取标称值C520pF(VQ=-4V时Cj=75pF)若取C4=20pF，电容C2、C3由反应系数F及电路条件C2?C4、C3>>C4