小功率调频发射机.pdf

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1、小功率调频发射机 高频课程设计报告 学院 _*_ 专业 _*_ 年级 _*_ 班级 _*_ 姓名 _*_ 学号* 同组 _*_ 学号* 老师 _*_ 2005 年 9 月 小功率调频发射机课程设计 一、题目 小功率调频发射机的设计和制作 二、主要技术指标 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 cc VV 三、设计提示 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。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

2、到外加音频信号电压调变； 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。 上述框所示小功率发射机设计的主要任务是选择各级电路形式和各级元器件参数的计算。 1、 频振荡级 由于是固定的中心频率，可考虑采用频率稳定度较高的克拉泼振荡电路。关于该电路的设计 参阅高频电子线路实验讲义中实验六内容。 2、缓冲级 由于对该级有一定增益要求，考虑到中心频率固定，因此可采用以LC 并联回路作负载 输出功率 级 缓冲级 调 频 震 荡

3、级 的小信号谐振放大器电路。对该级管子的要求是 0 () (35) 2 BR CEOCC ff VV 至于谐振回路的计算，一般先根据 0 f计算出 LC 的乘积值，然后选择合适的C 再求出 L。C 根据本课题的频率可取100pF200pF。 1、 功放输出级 为了获得较大的功率增益和较高的集电极效率，该级可采用共发射极电路，且 工作在丙类状态，输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，从结构简单、调节方便起见，本 课题可采用 型网络，计算元件参数时通常取 1 e Q在 10 以内，计算公式请参阅教材第二章。 功放管要满足以下条件： 0 max () 0 2 (35) CN CNc BR CEOCC

4、PP Ii VV ff 四、参考电路 鉴于上述设计考虑图31 所示是可供午安用的电路之一。在条件许可时，亦可采用 MC2833 单片集成电路灭设计，该集成电路工作原理请参见其规格书，应结合本课题要求对 电路外围元件参数作相应计算修改。 考虑到变容二极管偏置电路简单起见，采用共基电路。 因要求的频偏不大，故采用变容 二极管部份接入振荡回路的直接调频方式。C3 为斟极高频旁路电容，R1、R2、 R3、R4、 R5 为 T1 管的偏置电阻。 采用分压式偏置电路既有利于工作点稳定，且振荡建立后自给负偏 置效应有篮球振荡幅度的稳定。一般选CI为 3mA 左右，太小不易起振，太大输出振荡波 形将产生失真。

5、调节C9、CP 可使高频线性良好。R7、R9 为变容二极管提供直流偏置。调 制音频信号C4、 C L加到变容二极管改变振荡频率实现调频。振荡电压经电容C10 耦合加 至 T2 缓冲放大级。 T2 缓冲放大级采用谐振放大，L2 和 C11 应谐振在振荡载波频率上。如果发现通过频带 太窄或出现自激可在L2 两端并联上适当电阻以降低回路Q 值。该级可工作于甲类以保证足 够的电压放大。 T3 管工作在丙类状态，既有较高的效率，同时可以防止T3 管产生高频自激而引起的二 次击穿损坏。调节偏置电阻可改变T3 管的导通角。 L3、L4、C15 和 C16 构成型输出回 路用来实现阻抗匹配并进行滤波，即将天线

6、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。常用的输出回路还有L 型、 T 型以及双调谐回路等。 图 3 1 小型调频发射机参考电路 五、制作调试 自制前应先集齐所有元件，并对其质量及参数进行细心的检测，再根据所需的体积设计一款 合适的线路板。 总而言之， 良好的元件质量、 合适的印板布局是有效提高自制成功率的保证， 主要调试步骤如下： 1.排版电路板， 然后将所有元件连同天线一并按设计好的电路焊在万能板上，对安装焊接 工艺要求是：尽量缩短高频部分元件引线；电阻、电容尽可能卧式安装，并无虚焊、脱 焊现象。 2.给发射机通电，电压为9V。天线接示波器与频率计，反复调节L1、L2

7、、L3 匝间距离 以使场强计示数增至最大，必要时对各级的谐振电容进行调节，使输出频率达到要求， 并出现不失真的正弦波。 3.不起振或振荡弱；若输出功率小，若能保证元件的质量，以下步骤可助你排除故障：1， 在 CC 两端并联一个7pF 电容 (注意：该电容不可过大，否则你会发现调制失效)；2， 调振荡级偏置电阻；3，改变 C6 容量一试，如果上述方法不能解决，也有可能是元件 布局不合理引起，可重新对电路板进行布线。 4.连接频偏仪测出角频偏 六、测试结果 理论值 实际值 电感 (H) 调试前调试后 L13.3 3.2 0.9 L21.7 1.7 1.5 L31.1 1.4 1.9 频率f 0（M

8、Hz ） 12 11.9 最大频偏f m（+10KHz 35KHz 幅度 V 4.2 七、个人电路设计 采用间接调频的方式，其组成如图2 所示。其正弦波振荡器一般采用高频稳度的晶体振荡 器，产生的载波通过调相器后引入一个可控的附加相移，从而达到间接调频的目的。考虑到 电路的复杂度故采用直接调频的方案。 正弦波振 荡器 调相器 功率输出 级 缓冲级 积分器 图2 1振荡级 在调频振荡级可选用电感三点式，电容三点式和晶体振荡器产生正弦波电压。具体电路如图 3，4 所示。 图3 Vcc Vcc Vo 图4 本实验采用较为稳定的克拉泼电路如图5 所示三极管T1 应为甲类工作状态，其静态工作 点不应设的

9、太高， 工作点太高振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将使振荡波形 严重失真，但工作点太低将不易起振。 在克拉泼电路中C1，C2 受三极管级间电容Cce，Cbe，Ccb的影响。因此在电容的取值上 应满足 C4C1,C4C2.（C1=220p C2=220p C4=100p ） 1 (2)fLC 1111 124CCCC L3.5uH R1 R3 C2 C1 C4 C3 图5 Vcc L1 R2 2缓冲级 为了使第三级能够达到额定功率必须加大激励即Vbm，因此要求缓冲级有一定的增益，可采 用 LC 并联回路作负载的小信号谐振放大器。由 1 (2)fLC 可得L1.7uH 3功率输出级 为了

10、有较高的效率和稳定的输出可用丙类功放同上可得L1.1uH. 级与级之间还应加入级间耦合电容，电容取值应对交流近似短路（ 1 r wc ） 八、实验相关资料 1. 变容二极管调频电路 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。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

11、获得较大的频偏。 常用的变容二极管直接调频电路如图Z0916（a）所示。 图中 D 为变容二极管，C2、L1、和C3 组成低通滤滤器，以保证调制信号顺利加到调 频级上，同时也防止调制信号影响高频振荡回路，或高频信号反串入调制信号电路中。 调制级本身由两组电源供电。 对高频振荡信号来说，L1 可看作开路，电源EB的交流电位为零，R1 与C3 并联；如 果将隔直电容C4 近似看作短路，R2看作开路，则可得到图（b）所示的高频等效电路。 不难看出，它是一个电感三点式振荡电路。变容二极管D 的结电容Cj，充当了振荡回 路中的电抗元件之一。所以振荡频率取决于电感L2 和变容二极管的结电容Cj 的值， I

12、 CL f 2 2 1 。 变容二极管的正极直流接地（L2 对直流可视为短路） ，负极通过R1 接+EB，使变容二 极管获得一固定的反偏压，这一反偏压的大小与稳定，对调频信号的线性和中心频率的 稳定性及精度，起着决定性作用。 对调制信号来说，L2 可视为短路，调制信号通过隔直流电容C1 和L1 加到变容二极 管 D 的负极， 因此，当调制信号为正半周时，变容二极管的反偏电压增加，其结电容减 小，使振荡频率变高； 调制信号为负半周时，变容二极管的反偏压减小，其结电容增大， 使振荡频率变低。 由上可见，变容二极管调频的原理是，用调制信号去改变加在变容二极管上的反偏压， 以改变其结电容的大小，从而改

13、变高频振荡频率的大小，达到调频的目的。由变容二极 管结电容Cj 变化实现调频的波形示意图如图Z0917 所示。 图 Z0918 是应用电路举例请读者自行分析 2. 使用 VCO 实现变容二极管直接调频(图) 调频广播具有抗干扰性能强、声音清晰等优点，获得了快速的发展。调频电台的频带通常 大约是 200250kHz ，其频带宽度是调幅电台的数十倍，便于传送高保真立体声信号。由于 调幅波受到频带宽度的限制，在接收机中存在着通带宽度与干扰的矛盾，因此音频信号的频 率局限于30 8000Hz 的范围内。在调频时，可以将音频信号的频率范围扩大至30 15000Hz，使音频信号的频谱分量更为丰富，声音质量

14、大为提高。 -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调制方案。 变容二极管直接调频原理 -二极管通过改变外加反向电压可以改变空间电荷区的宽度，从而改变势垒电容的大小。变 容二极管是就是利用这种特性制成的特殊的PN 结二极管， 是一种电抗可变的非线性电路元 件，一般使用的材料为硅或砷化镓。图 1 是变容二极管的特性曲线，图 2 是变容二极管直接 调频示意图。 -变容二极管在反向偏置时，结电容可用下式来表示

15、：，其中， VD 为 PN 结内建电位差， Cj0 为外加反向电压u=0 时的结电容， n 为电容变化指数。 n 取决于变容二极管PN 结的杂质 分布规律，对于缓变结n 值等于 1/3，突变结n 值等于 1/2，超突变结n 值在 15 之间。 -变容二极管在反向偏置直接调频电路中，不能工作于正向偏压区。如图 2 所示， 为了保证 变容二极管在调制电压变化过程中保持反向偏压，必须加上一个大于调制信号振幅的反向直 流偏压E0。所以在单音调制时，变容二极管上的电压u=E0+U cost ，得到结电容变化规 律为 (见本期杂志） -式中，称为电容调制度， -为静态工作点时的结电容。 -则振荡回路的谐振

16、角频率为：(见本期杂志） -式中，是未受调制时的振荡角频率，即载波角频率。将式中作为变量，并在处展开为泰勒 级数，得到： (见本期杂志） -从上式可以看出，振荡器的频率变化量中不仅包含有与调制信号成正比的分量，而且含有 调制信号的二次谐波及更高次谐波分量，同时还有中心频率的漂移。一般总是在保证最大角 频偏的前提下， 选择具有较大变容指数n 的管子， 减小电容调制度m，从而减小中心频率的 漂移，提高振荡器的频率稳定度，还要消除各次谐波失真分量，实现线性调频。 锁相稳频技术 -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

17、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 3 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，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

18、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一个低通滤波器，将其滤除。 环路只对 引起压控振荡器平均中心频率不稳定的那一部分起作用，也就是说， 已调信号在中心频率附 近很小的一个频偏范围内变化。 主要电路工作原理 -本电路实际上是一个小功率调频发射机，其调制部分采用了变容二极管直接调频技术，主 要功能是实现87108MHz频段内以100kHz

19、 为间隔的调频激励源；输入调频信号为音频 (30Hz15kHz) ，要求实现最大频偏为75kHz ，其框图如图4 所示。 下面简单分析一下各主要部分的工作原理。 VCO电路 -VCO 电路是实现频率调制与载波生成的关键性电路部分，其具体电路如图5 所示。 4 个性能一致的超突变结变容二极管MV209 采取较为复杂的串并联形式，通过电路的复杂 性来换取性能的改善，并采用部分接入法接入谐振回路，即将变容二极管C 与容量较小的 耦合电容C1 串联，再与一个电容C2 并联，构成回路总电容。这样做不会改变变容二极管 的调频特性， 虽然会在一定程度上减小调频电路的最大频偏，但是可以改善变容二极管结电 容随

20、温度变化而带来的中心频率漂移问题，同时通过调整耦合电容C1 的大小，可以保证变 容二极管工作在线性区，并控制频偏大小。 在保证最大频偏的前提下，尽量消除非线性失真、 降低输出信号的相位噪声。 -起振电路中选用具有低转角频率、低噪声指数的双极性晶体管2SC3356，以提高VCO 电 路频谱近端的频谱质量。在起振电路后附加一级射随器，以减小负载电路对起振电路的影响， 从而获得良好的性能。已调信号通过射随器后，分为两路，一路反馈至MC145170 的 FIN 端口，以构成锁相回路，另一路送入后端的放大电路，以满足系统的输出功率要求。 锁相稳频电路 -鉴相器是稳定频率的核心部分，该部分由数字鉴相-鉴频

21、集成芯片MC145170 和环路低通 滤波器组成，如图6 所示。 标准晶体振荡器选用MORION 公司的温补晶振MV68 系列 (10MHz) ， 频率偏差小于5 10-6， 短期频率稳定度为10-9/S，相位噪声小于-145dBc/Hz/10kHz ，完全可以保证电路满足系统对 频偏的要求。 -锁相环集成芯片选用了摩托罗拉公司的MC145170 ， 来实现调频激励源的中心频率在87 108MHz 内以 100kHz 为间隔的变化。摩托罗拉公司生产的MC145170 是一片可用于MF 、 HF 和 VHF 波段的、串行码输入编程的单模CMOS 锁相环频率合成器芯片。该芯片内含完 全可编程的 R

22、 和 N 计数器，输入译码器，在fin 脚内置一放大器，可外接晶体振荡器，可 编程的参考输出，具有线性转移功能的单端或双端鉴相器和可调整的C 寄存器。 -在实际电路中，选用10kHz 的鉴相频率，因此设置R=1000，N=8700 10800。同时设置 C 寄存器为 (C7C6C5C4C3C2C1C0)=(10000000) ，选择 R 与 V 双端输出，禁止LD、fR 、 fV、 REFOUT 输出，以减小电路功耗，同时降低无用端口对电路的影响。 -常用的环路滤波器有RC 积分滤波器、 无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器。由它 们的传递函数可知，有源比例积分滤波器具有两个独立可调参数，更

23、重要的是具有滞后-超 前特性，有利于环路的稳定。因此，在设计中采用有源比例积分滤波器，其电原理图如图7 所示。 -由前面的分析可知，该锁相环是一窄带载波跟踪环，故BL 应小于调制频率30Hz。因此 应通过调整环路滤波器的参数R1、R2 与 C，使得 BL 小于 30Hz。取 =0.7 ，令 BL=10Hz ， N=10000 ， ， C=10F， kv=2 1.2 106(rad/v) 7.54 106(rad/v)， 则 根 据 公 式 ， 可 以 得 到 R1=170k ， R2=7.5k 。 PCB 板的设计与测试结果 -频率合成器对馈电电源、地线分布等电磁兼容问题都有着较严格的要求。这

24、是因为电源和 数据总线的噪声能耦合到锁相环系统中，使得相噪和杂散变坏。因此，在布局 PCB 版图时， 应做到一下几点。 -(1)对鉴相器、压控振荡器分别单独供电、单独稳压，稳压器的输入、输出端都接有 型 滤波电路； -(2)布线、元件排列应该尽量整齐； -(3)电源线应该加宽，约为1mm 宽，信号线宽度也要达到0.75mm。 -采取以上措施能够有效地滤除所有无用频率和电源纹波，抑制各种干扰和噪声，降低频率 合成器的相位噪声和杂散。下面表1 和表 2 给出了在载频为100MHz 时的各项测试指标， 表 3 则给出了该电路在各载频频点的调频信噪比指标。 -从表中的数据可以看出，本电路完全满足了系统

25、的要求，并且在相位噪声、非线性失真、 音频频率响应和调频信噪比等方面都有很好的特性。相位噪声小于-100dBc/Hz/10kHz ，非 线性失真小于0.1%，音频频率响应非常理想，调频信噪比达到80dB 以上。 与此同时，载波 频率稳定度控制在200Hz 以内，输出信号频率偏差不超过1kHz，各项指标满足国家广电总 局的技术要求。而且，本电路调试量小，成本也不高，更易于进行批量生产。 九、实验小结 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

26、题的能力。在实验过程中，通过选取元件、确定电路形式、以及计算等等，提高我们的动手 能力，同时通过调试来发现自己的错误并分析及排除这些故障，使我们对小功率放大器的知识得到了加深！ 在调试过程中应该注意以下几点： (1) 用电压表测一下三个三极管的管脚电压是否满足该设计的要求。 (2)用频率计测出T1、T2、T3 的发射极所发射的频率是否在12M HZ ，如果不是， 试着调节 L1、L2、L3。 (3)如果在天线处观察波形的峰峰值不在4V 的话， 则应该在 T2 和 T3 的发射极的电阻上各并联一个电容， 以使其提高。 现在来说说电路中一些元件的作用，其中C3 为基极高频旁路电容，R1、R2、R3、R4、R5 为 T1 管的偏置 电阻， R7、R9 为变容二极管提供直流偏置。T3 管工作在丙类状态，妈有较高的效率，赐教可以防止T3 管产生高频自激而引起的二次击穿损坏。调节偏轩电阻可改变T3 管的导通角。 L3、 L4、C15 和 C16 构成 兀型输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，并滤除不必要的高次谐波分量。