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1、课题：小功率高频 (FM)发射机的设计 系别： 专业： 班级： 姓名： 学号： 指导老师： 福建工程学院高频课程设计论文 - 2 - 目录 1、引言 3 2、摘要 4 3、设计课题 4 4、设计报告正文 5 4.1 方案比较与选择 5 4.1.1 直接调频 5 4.1.2 间接接调频 6 4.2 总体方案设计 7 4.2.1 系统框图 7 4.2.2 方案原理分析 7 5、各单元模块说明 8 5.1 获取音频信号电路 .8 5.2 前级音频放大电路 .8 5.3 高频振荡电路 .9 5.4 末级功率放大电路 .10 6、系统安装于调试 11 6.1 原理设计图纸 11 6.2 PCB 设计图纸
2、 .12 6.3 系统调试 12 7、设计总结 13 8、参考文献 14 9、附录 14 福建工程学院高频课程设计论文 - 3 - 1、引言 无线电发射与接收设备是高频电子线路的综合应用，是现代化通 信系统、广播与电视系统、 无线安全防范系统、 无线遥控和遥测系统、 雷达系统、电子对抗系统、无线电制导系统等，必不可少的设备。发 射机就是可以将信号按一定频率发射出去的装置。广泛应用与电视， 广播，雷达等各种民用，军用设备。主要可分为调频发射机、调幅发 射机、光发射机、哈里斯发射机等多种类型。 调频发射机，首先将音频信号和高频载波调制为调频波,使高频 载波的频率随音频信号发生变化,再对所产生的高频
3、信号进行放大、 激励、功放和一系列的阻抗匹配,使信号输出到天线 ,并将信号发送出 去的装置 .高频信号的产生现在有频率合成、PLL 等方式. 现在我国商 业调频广播的频率范围为88-108MHZ,校园为 76-87MHZ,西方国家为 70-90MHZ 。 福建工程学院高频课程设计论文 - 4 - 2、摘要 本次课程设计围绕人们熟悉的调频发射机进行展开，随着经济的 飞速发展，调频发射机也进行着高速的更新与换代，性能明显提升， 性价比也有所下降，同时在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。 这次我们主要来设计一个小功率调频发射机，它主要是由前级音 频放大、西勒振荡器和一级功率放大器组成，各单元电路共
4、同作用， 最终将音频信号通过天线辐射到空间。 在电路设计时首先根据设计的要求构建设计的总框图，充分考虑 各个单元电路之间的信号传输和阻抗匹配。理解各个要求的参数的意 义，针对各参数再分别在各具体电路中加以实现，并且保证电路的正 常运行。 关键词：音频放大振荡器调制波 功率放大器 福建工程学院高频课程设计论文 - 5 - 3、设计课题 小功率高频 (FM)发射机的设计 4、设计报告正文 4.1 方案比较与选择 实现调频的方法很多，大致可分为两类，一类是直接调频，另一类是间接调 频。直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率（实质上是改 变振荡器的定频元件） ，变容二极管调频便属于此类
5、。间接调频则是利用频率和 相位之间的关系，将调制信号进行适当处理（如积分）后，再对高频振荡进行调 相，以达到调频的目的。两种调频法各有优缺点。直接调频的稳定性较差，但得 到的频偏大，线路简单，故应用较广；间接调频稳定性较高，但不易获得较大的 频偏。考虑到电路的复杂度故采用直接调频的方案。 直接调频最常见有变容二极管调频，使用 VCO 实现变容二极管直接调频。 许 多中小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频 的 LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。较之 中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是 一种较先进的频率
6、调制方案。 另外一种更为简单的直接调频方法是用三极管直接调频。原理是三极管组成 共基极超高频振荡器，基极与集电极的电压随基极输入的音频信号变化而变化， 从而改变高频振荡的频率，最终实现频率的调制。 由于采用变容二级管调频，对高频轭流圈的参数要求比较苛刻。这样会使设 计电路变得困难。 因此采用三极管直接调制的方法，这样不仅能够实现FM调频， 而且使电路变得非常简洁。 4.1.1 直接调频 直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映 调制信号变化规律。 要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信 号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的
7、瞬 时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。 直接调频可用如 下方法实现： 在 LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感 L 和电容 C。 在 RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特 点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。 调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电 感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和 场效应管。 福建工程学院高频课程设计论文 - 6 - 在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加 在管子反射极上的反射极电压。 因此
8、， 只需将调制信号加至反射极即可实现调频。 若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电 电流，从而控制其振荡频率。 4.1.2间接调频 如图 4.2.2(a)所示，不直接针对载波，而是通过后一级的可控的移相网络。 将u先进行积分 t dttuk 0 1 ，而后以此积分值进行调相，即得间接调频。 t fccmFM tdtuktwVtu 0 cos 图 4.2.2(a) 间接调频实现 可控移相网络的实现方法如图4.2.2(b)所示。 将变容二极管接在高频放大器的 谐振回路里， 就可构成变容二极管调相电路。电路中，由于调制信号的作用使回 路谐振频率改变，当载波通过这个回路时由
9、于失谐而产生相移，从而获得调相。 图 4.2.2(b) 单级回路变容管调相电路 福建工程学院高频课程设计论文 - 7 - 4.2 总体方案设计 4.2.1 系统框图 采用 FM调制的调频发射机其原理框图如下图所示，它由调制器、前置功放、末 级功放和直流稳压电源等部分组成。 4.2.2 方案原理分析 载波twUtu ccmc cos)(，调制信号tu；通过 FM调制，使得)(tuc频率变 化量与调制信号tu的大小成正比。即已调信号的瞬时角频率 tukwtw fc 已调信号的瞬时相位为 t dtuktwtdtwt t fc t )( 00 实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类。 本调频发射机
10、的总体电路如下：声- 电转换、音频放大、高频振荡调制和高 频功率放大等。 声- 电转换由驻极体话筒担任， 它拾取周围环境声波信号后即输 出相就应电信号，经电容C5 、可调电阻 R10 、C11输入到晶体管 Q1 ，Q1担任音 频放大功能，对音频信号进行放大，经C4送至晶体管 Q2进行频率调制； Q2组 成共基极高频振荡器，基极与集电极的电压随基极输入的音频信号变化而变化， 从而改变高频振荡的频率，最终实现频率调制。系统总体电路图如图4.3 所示： 音频信号 前置功放FM调 制末级功放 直 流 稳 压 发射天 图4.2.3FM 发射机原理 福建工程学院高频课程设计论文 - 8 - MK1 Mic
11、2 2.2K R1 C5 104 33 R4 2 1 3 200K R10 C11 104 Q1 9014 1M R9 2.2K R5 100 R11 C4 104 C 3 B 2 E 1 Q2 9018 22K R2 C12 681pF 2.2K R12 C2 30pF L2 4.5T C10 10pF C13 30pF C1 104 C6 10pF 22K R6 Q3 9018 100 R13C14 100uF C3 30pF L3 5TC7 30pF L1 5T E1 Antenna C9 104 +C8 220uF 330 R8 1 2 D2 led 1 2 P1 Header 2 A
12、 1 B 2 C 3 J1 33 R3 1 2 3 P2 CON3 +5V 图 4.2.2 系统总体电路图 5、电路各单元模块 5.1 获取音频信号电路 由于要接入麦克风， 亦可从 J1 接音频插座输入， 所以要给麦克风提供驱动电 压但又不能太大，通过22k 的电阻 R1实现，C5,C11为耦合电容防止过大的电流 将晶体三极管烧坏。 图 4.4.1 麦克风模块电路 5.2 前级音频放大电路 电阻 R5 ，R9 ，R11 ，三极管 Q1组成基本放大电路。 信号经过耦合电容C11 传到三极管 Q1的基极，实现音频信号的放大，从而获得所需要的功率，以便 对高频载波进行调制。 而要使共射放大电路工作在
13、放大区，必须有合适的静态工 作点。首先在输入信号Ui=0 的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然 后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流Ic 以及各电极对地的电位UB 、Uc、UE 。一般实验中，为了避免断开集电极，所以 采用测量电压UE或 Uc，然后算出Ic 的方法，例如，只要测出UE ，即可用： E E CE R U II 算出 Ic( 也可根据 C CCC C R UU I ，由 Uc 确定 Ic) 同时也能算出 UBE= UB-UE ，UcE= Uc-UE 。如图 4.4.2 所示 福建工程学院高频课程设计论文 - 9 - 4.4.2 音频放大电路 5
14、.3 高频振荡电路 高频时，三极管的结电容Cbe 的作用不可忽略。三极管Q2 、电感 L2、结电 容 C12电容 C2 ，C10 ，C13组成了改进型电容三点式高频振荡电路，产生高频 振荡信号，即载波。 Q2 （9018)这是个超高频管， 主要用作载频， 调频发射电路是将待传送的音频 信号通过一定的方式调制到载波信号上，并放大为额定的功率，然后利用天线 以电磁波的方式发射出去。 信号波和高频载波的数学表达式如下: tfVtVV ccmccmc 2coscos tfVtVV csmssm 2coscos s 其中 Vcm 为信号波的最大振幅和Vsm 为载波信号的最大振幅。载波频率fc 称之为中心
15、频率，随着频率的变化，角频率也会发生变化，因此 stc cos m 这时的频率变化 f 称之为最大频率偏移。经过调频后的信号称之为被调频波 Vm ，可表示为 : mcm VVsin m 被调频波 vm 会随信号波 vs 而变化，其瞬间相位为时间积分。 因此，相位角 m 可由下式计算 : t tdt ss c t m sin 0 m 则被调频波可表示为 : )sinsin(sin cm tmtVVV scmcmm 其中 m= / s。高频振荡电路由振荡线圈L 和电容 C 与振荡级晶体管组成， 调频波段的振荡频率一般为87.5 108MHz 。振荡级晶体管会在L 和 C 的控制下 高速导通和截止。
16、基极输入放大的音频信号，经过振荡级晶体管的放大作用，使 音频信号与高频振荡信号完成调制。 特定频率的载波信号通过天线发射出去，可 以将信号覆盖一定的范围。 范围的大小取决于发射的功率。 发射的频率取决于振 福建工程学院高频课程设计论文 - 10 - 荡电路的振荡频率。来自前级的音频信号经耦合电容注入振荡级晶体管的基极、 改变振荡频率，产生所需的调频信号。其电路图如4.4.3 所示 图 4.4.3 高频振荡电路 5.4 末级功率放大电路 Q3 是调谐功率管。 调谐回路通过调整回路的LC 参数，使LC 谐振频率与需要接 收的电台频率相同， 对该频率呈高阻抗， 使它能够进入高放级， 对其它频率呈低
17、阻抗近似短路，不能进入高放级，从而达到选择电台的目的。 功率放大器的基极偏置电压VBE 是利用发射极电流的直流分量IEO在发射极 电阻上产生的压降来提供的。当放大器的输入信号vi 为正弦波时，集电极输 出电流 ic 为余弦脉冲波。得用谐振回路 LC的选频作用可输出基波谐振电压vc1， 电流 ic1 。分析可得： 01 1 RIV mc m c 式中， mc V 1 为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅； mc I 1 为集电极基波 电流振幅； 0 R为集电极回路的谐振阻抗。 0 2 1 0 2 111 2 1 2 1 2 1 R V RIIVP mc mcmcmcC 式中， PC为集电极输出
18、功率 COCCD IVP 式中， PD为电源 VCC供给的直流功率； ICO为集电极电流脉冲iC的直流分量。 放大器的效率为 CO mc CC mc I I V V 11 2 1 其原理图如图 4.4.4 福建工程学院高频课程设计论文 - 11 - 图 4.4.4 高频功率放大电路 6、系统安装与调试 6.1 原理设计图纸 通过使用 Altium Designer 软件将原理图转化为PCB图并合理布线， 经转印 机转印至铜板上，并用环保腐蚀剂进行腐蚀。再打孔焊接元器件。 6.2 PCB 设计图纸 福建工程学院高频课程设计论文 - 12 - 6.3 系统的调试 将本系统接入 5V电源, 指示灯亮
19、 , 系统工作正常。 用示波器测发射天线端的输 出波形，通过不断地对电感进行调节， 使发射频率处于88-108MHz之间的某一个 相对稳定值， 用普通调频收音机选频， 并在话筒旁边播放音乐。 通过调节音频放 大电路的偏置电阻及末级功放来改变发射距离和接收音质。天线发射端的输出波 形如下图所示 : 福建工程学院高频课程设计论文 - 13 - 7、设计总结 经过这次的高频课程设计 , 我对高频有了更深刻的理解. 一、方案的比较和选择 , 选择一个好的方案是成功的一半, 此次选择三极管 直接调频的方法简单易调试是个很不错也是一个很基础的选择。 二、对高频电路设计的计算, 参数的准确计算式非常关键的,
20、 它将影响整个 电路的正常工作和电路性能。 三、电路的安装与调试 , 这里又包括 PCB排版、制作 PCB铜板的好坏和器件 的性能。 起初, 我的调试过程遇到了很多挫折。主要遇到以下几个问题: 1、高频振荡电路无法起振。这个问题很多人都遇到过, 主要原因是振荡 电容参数取值不合适 , 导致电路无法起振或者很难起振, 即使起振 , 振荡的信号很 微弱, 若将示波器探头直接接入观测, 根本没有波形 , 其原因是示波器的探头会影 响振荡的微弱信号 , 导致电路停振 , 因此需将示波器探头接一小电容后再接入测 试点观察。 2、振荡信号不稳定。引起的原因有PCB排版；线绕电感不稳定 , 易动； 电感的分
21、布要互相垂直放置, 不能平行放置 , 以免有互感影响。 3、天线发出功率太小。本电路已用甲类功放以增大功率, 但发出的功率 任然不是很理想 , 原因可能有偏置电路设置不是可合理, 以及有机选频网络调节 很难达到理想状态。 经过一番的错误排查和不断检测, 最终, 发射机成功调试出来 , 并且效果还不 错, 音质清晰功率一般 , 后期调试 Vpp为 1.75V, 频率为 96.7MHz,前期调试 Vpp达 到了 3V多, 后面由于调试过多可能电容调坏, 怎么也调不回去了。在此也非常感 谢老师的指导。 福建工程学院高频课程设计论文 - 14 - 8、参考文献 1. 高吉祥高频电子线路电子工业出版社 2. 华成英模拟电子技术基本教程清华大学出版社 9、附录 小功率调频（ FM ）发射机设计器件清单： 序号元件名称元件规格数量备注 1 电阻 2.2K 4 2 22K 2 3 100 2 4 33 2 5 1M 1 6 电位器200K 1 7 电容 104 5 8 103 1 9 102 1 10 681pF 1 11 30pF 12 10pF 2 13 电容（电解）220uF 1 14 三极管 9014 1 15 9018 2 16 麦克风1 17 电感 4.5T 1 18 5T 2 19 发光二极管红色1 20 铜板1 21 音频插头1 22 拨动开关1