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1、高频电子线路课程设计高频电子线路课程设计 设计课题：设计课题：小功率调频发射小功率调频发射 机机 摘摘 要要 调频发射机目前处于快速发展之中，在很多领域都有了很广泛的应用。它 可以用于演讲、教学、玩具、防盗监控等诸多领域。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。 本课设结合 Proteus 软件来对小功率调频发射机电路的设计与调试方法进 行研究。Proteus 软件能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之 间的所有分析
2、、验证、和设计数据管理。今天的 Proteus 软件已不是单纯的设 计工具，而是一个系统 ，它覆盖了以仿真为核心的全部物理设计。使用 Proteus、等计算机软件对产品进行辅助设计在很早以前就已经成为了一种趋势， 这类软件的问世也极提高了设计人员在机械、电子等行业的产品设计质量与效 率。 本课题的设计目的是要求掌握最基本的小功率调频发射系统的设计与安装 对各级电路进行详细地探讨，并利用 Proteus 软件仿真设计了一个小功率调频 发射机。 目录 一、设计任务.- 3 - 二、主要性能指标.- 4 - 三、电路组成方案.- 5 - 四、设计方法.- 6 - 4.1 振荡级.- 6 - 4.2
3、缓冲级 .- 9 - 4.3 功率输出级 .- 10 - 4.4 总的原理图设计 .- 11 - 五、测试结果.- 13 - 六、心得与体会.- 14 - 七、参考文献.- 15 - 实验元器件清单.- 16 - 一、设计任务一、设计任务 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、测试结果。 4、调试并测量电路性能。 二、主要性能指标二、主要性能指标 1中心频率 0 12fMHz 2频率稳定度 0 /10ff 3. 最大频偏 10 m fKHz 4输出功率 30 A pmW 5. 天线形式 拉杆天线（75 欧姆） 6. 电源电压 9 c
4、c VV 三、电路组成方案三、电路组成方案 拟定整机方框图的一般原则是，在满足技术指标要求的前提下，应力求电 路简单、性能稳定可靠。单元电路级数尽可能少，以减小级间的相互感应、干 扰和自激。在实际应用中，很多都是采用调频方式，与调频相比较，调频系统 有很多的优点，调频比调幅抗干扰能力强，频带宽，功率利用率大等。 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
5、可以得到比较大的频偏。 实用发射电路方框图 ( 实际功率激励输入功率为 1.56mW) 由于本题要求的发射功率Po不大，工作中心频率f0也不高，因此晶 体管的参量影响及电路的分布参数的影响不会很大，整机电路可以 设计得简单些，设组成框图如图所示，各组成部分的作用是： 1 1 倍倍 2020 倍倍 2020 倍倍 (1)LC 调频振荡器：产生频率f0=5MHz 的高频振荡信号， 变容二极管线性调频，最大频偏f=75kHz，整个发射机的频率 稳定度由该级决定。 (2)缓冲隔离级：将振荡级与功放级隔离，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 图 1-2 实用调频发射机
6、组成方框图 调制 信号 LC 调 频 振荡器 缓冲 隔离 功率 激励 末级 功放 1.25 mW 1.25 mW 25 mW 500 mW 0dB 13dB 13dB 变化时（如谐振阻抗变化） ，会影响振荡器的频率稳定度，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，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级电路常 采用射极跟随器电路。 (3)高频小信号放大器：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满足末级功放的输入要求， 功率激励级可以省去。 (4)末级功放 将前级送来的信号进行功率放大，使负载（天 线）上获得满足要求的发射功率。如果要求整机效率
7、较高，应采用 丙类功率放大器，若整机效率要求不高如 %50A 而对波形失真要求 较小时，可以采用甲类功率放大器。但是本题要求 %50A ，故选用 丙类功率放大器较好。 所以，通常小功率发射机采用直接调频方式，它的组成框图如图 3-1 所示。 图 3-1 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。 调频振荡级缓冲
8、级输出功率级 四、设计方法四、设计方法 4.14.1 振荡级振荡级 （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 4.1-1 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与 C2、C3 相 串接的电容 C6，回路的频率， 1 f 2 c LC 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
9、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 图 4.1-1 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 4.1-2 所示， 它具有工作频率高、固定损耗小和使用方便等优点。 变容二极管 Cj 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 为： （4- jN CCC 1） 图 4.1-2 振荡频率为： （4- )(2 1 2 1 j
10、N CCLLC f 2） 加在变容二极管上的反向偏压为： (4-3)高频振荡，可忽略调制电压直流反偏 OQR VV 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围变化，其关系曲 线称曲线，如图 4.1-3 所示。 j C R 由图可见：未加调制电压时，直流反偏所对 Q V 应的结电容为。当调制信号为正半周时，变容 j C 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 j C 管负极电位降低，即反偏减小时，增大，其变化 j C 具有一定的非线性，当调制电压较小时，近似为
11、工 作在曲线的线性段，将随调制电压线性 j C R j C 变化，当调制电压较大时，曲线的非线性不可忽略， 它将给调频带来一定的非线性失真。 图 4.1-3 我们再回到图 4.1-2，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-tVV QQR cos 4） 由图 4.1-3 可见：变容二极管的电容随 R变化。 即： （4-tCCC mjQj cos 5） 可得出此时振荡回路的总电容为 （4-tCCCCCC mjQNjN cos 6） 由此可得出振荡回路总电容的变化量为： （4-tCCCCCC mj
12、jQN cos 7） 由式可见：它随调制信号的变化规律而变化，式中 m C 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 C 时，振荡频率 也会产生的变化，其关系如下： f C C f f 2 1 0 （4- 8） 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 0 f 0 C 然 （4- jQNo CCC 9） 由公式（4-2）可计算出中心频率： 0 f )(2 1 0 jQN CCL f （4- 10） 将（4-8）式代入（4-9）式，可得： tftCCftf m coscos)/( 2 1 )( 00 （4- 11） 频偏： m CCff)/( 2
13、1 00 （4- 12） 振荡频率： （4- tfftfftf oo cos 13） 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 f 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
14、C 增大，则振荡频率减小，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。 由， 7j8 0 7j8 CCC CC C +C +C : 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 fo
15、sc=12MHz,由 （4- LC fosc 2 1 14） 设 C0为 C2，C3与 C6串联值, ，由于 910 变容二极管在 0236 52pfCCCC: 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 （4- 7j8 0 7j8 CCC CC91pf C +C +C : 15） 所以电感 L1为 （4- 1 2 osc 1 L1.93uH C2 f : 16） 4.24.2 缓冲级缓冲级 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
16、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 rosc f35 f: CCBR CEO V2V 所以可选用普通的小功率高频晶体管，如 3804 等。 另外， , bQeQBE VV+VI cQ I 若取流过偏置电阻 R9,R10的电流为 I1=10IbQ 则 R10=VbQ/I1, R8=(Vcc-VbQ)/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 图 4.2-1MHz LC fosc12 2 1 故本次实验取 C10为 100PF， 10 2 2 osc 1 L1.76 H C2 f u : 所以，缓冲级设计电路为图 4.2-1 所示。 4.34.3 功率输出级功率输出级 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
