調(diào)頻收音機(jī)設(shè)計(jì)仿真報(bào)告

1、一、緒論調(diào)頻收音機(jī)（FM Radio）無(wú)論過去還是現(xiàn)在一直在人們的生活?yuàn)蕵分姓加蟹浅Ｖ匾牡匚?。從老式的晶體管收音機(jī)到今天的網(wǎng)絡(luò)收音機(jī)，說明通過廣播享受生活一直是人們喜歡的生活方式。聽收音機(jī)和看電視一樣，可以增長(zhǎng)很多知識(shí)，而且像有聲小說這樣的讀物在電視里是聽不到的，并且現(xiàn)在廣播的發(fā)展速度也很快，曲藝、歌曲、體育、文藝、評(píng)論等等，可以說包羅萬(wàn)象。 目前調(diào)頻式或調(diào)幅式收音機(jī)，一般都采用超外差式，因?yàn)樗腥缦聝?yōu)點(diǎn)： 1.由于變頻后為固定的中頻，頻率比較低，容易獲得比較大的放大量，因此收音機(jī)的靈敏度可以做得很高。 2. 由于外來高頻信號(hào)都變成了一種固定的中頻，這樣就容易解決不同電臺(tái)信號(hào)放大不均勻的問題

2、。 3. 由于采用"差頻"作用，外來信號(hào)必須和振蕩信號(hào)相差為預(yù)定的中頻才能進(jìn)入電路，而且選頻回路、中頻放大諧振回路又是一個(gè)良好的濾波器，其他干擾信號(hào)就被抑制了，從而提高了選擇性。 但是超外差式電路也有不足之處，會(huì)出現(xiàn)鏡頻干擾和中頻干擾，這二個(gè)干擾是超外差式收音機(jī)所特有的干擾。這在設(shè)計(jì)電路和調(diào)試時(shí)應(yīng)該設(shè)法減少這些影響。本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)并制作一個(gè)調(diào)頻收音機(jī)，使收音機(jī)的調(diào)頻部分實(shí)現(xiàn)88MHz 108MHz調(diào)頻廣播接收；并且完成電路設(shè)計(jì)，相關(guān)參數(shù)計(jì)算；完成各模塊仿真，并提供仿真報(bào)告；完成印刷電路板設(shè)計(jì)、制作及安裝調(diào)試。本次設(shè)計(jì)采用的是“高頻放大、本振電路、混頻、中頻放大、鑒

3、頻及低頻放大電路”的電路單元，其整機(jī)具有靈敏度高、工作穩(wěn)定、選擇性好及失真度小、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)；且外圍電路元件較少，適合自己動(dòng)手焊接裝配，以達(dá)到學(xué)習(xí)和實(shí)踐相結(jié)合的目的。二、設(shè)計(jì)方案1. 主要技術(shù)指標(biāo)（1）工作頻率范圍：收音機(jī)接收到的無(wú)線電波的頻率范圍成為收音機(jī)的工作頻率，在整個(gè)接收的范圍內(nèi)滿足主要的性能指標(biāo)，工作頻率必須和發(fā)射機(jī)的頻率相對(duì)應(yīng)。調(diào)頻廣播收音機(jī)的頻率范圍為88-108MHz，因?yàn)檎{(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的頻率一般為88-108MHz。中頻頻率為465kHz。（2）靈敏度：收音機(jī)接收微弱信號(hào)的能力稱為靈敏度，一般用輸入電壓來表示?？梢越邮艿男盘?hào)越小，靈敏度就越高。一般生活中調(diào)頻收音機(jī)的靈敏度為5

4、-30uV。（3）選擇性：收音機(jī)從各種干擾信號(hào)中選出所需要的信號(hào)或衰減不要的信號(hào)的能力稱為選擇性，單位用dB表示。dB數(shù)越高選擇性越好。調(diào)頻收音機(jī)的中頻干擾大于50dB。（4）通頻帶：收音機(jī)的頻率響應(yīng)范圍稱為通頻帶。調(diào)頻收音機(jī)的通頻帶一般為200kHz。（5）輸出功率：收音機(jī)的負(fù)載輸出最大不失真功率稱為不失真功率。輸出功率應(yīng)該不小于100mW。2. 設(shè)計(jì)方案（1）方案論證與設(shè)計(jì)調(diào)頻收音機(jī)主要由天線、高頻放大、本振、混頻、中頻放大、鑒頻、低頻放大和揚(yáng)聲器幾個(gè)模塊組成。本設(shè)計(jì)利用三極管的放大特性進(jìn)行信號(hào)的放大，再通過并聯(lián)諧振選頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行頻率的選擇。采用分級(jí)設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。為防止前后級(jí)

5、電路的干擾，影響，可在兩級(jí)之間加射極跟隨器或者采用電感耦合的方式將前后級(jí)隔離，減少后級(jí)電路對(duì)前級(jí)電路的影響。（2）系統(tǒng)原理框圖喇叭天線 88108MHz 10.7MHz 低頻放大鑒頻中頻放大高頻放大混頻本振電路 98.7118.7MHz（3）工作原理介紹調(diào)頻（FM）收音機(jī)由輸入回路、高放回路、本振回路、混頻回路、中放回路、鑒頻回路和音頻（低頻）功率放大器組成。高頻放大后信號(hào)與本地振蕩電路產(chǎn)生的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻后輸出，再將混頻信號(hào)由中頻回路進(jìn)行選擇，提取以中頻10.7MHz為載波的調(diào)頻波。該中頻選擇回路由10.7MHz濾波器構(gòu)成。中頻調(diào)制波經(jīng)中放電路進(jìn)行中頻放大，然后進(jìn)行鑒頻得到音頻信號(hào)，

6、經(jīng)功率放大輸出，耦合到揚(yáng)聲器，還原為聲音。（4）總體電路圖所需元件清單如下表元器件名稱型號(hào)數(shù)量/個(gè)電阻10k55k23k42k11k5電位器104（100k可調(diào)）1可調(diào)電感2.1u-6.8uH1電感220uH20.1uH110mH3電容1pF318pF1150pF210uF12可調(diào)電容3/10pF1陶瓷鑒頻器J10.7MC11純銅收音機(jī)拉桿天線全長(zhǎng)762mm,四節(jié)1三極管S90146喇叭（揚(yáng)聲器）Realplay 小喇叭 揚(yáng)聲器 直徑4CM1電池座可裝兩節(jié)五號(hào)電池1電池5號(hào)（1.5V）2三、各單元電路設(shè)計(jì)1.高頻小信號(hào)放大電路晶體管高頻小信號(hào)放大器不僅要放大高頻信號(hào)，而且還要有一定的選頻、濾波

7、作用，因此晶體管的負(fù)載應(yīng)為L(zhǎng)C并聯(lián)諧振回路。在高頻情況下，晶體管本身的極間電容及連接導(dǎo)線的分布參數(shù)等會(huì)影響的頻率和相位。同時(shí)對(duì)于此高放，還應(yīng)滿足一下三點(diǎn)要求要求：（1） 工作穩(wěn)定。（2） 選擇性好，即有一定的通頻帶。（3） 失真小，增益高，且工作頻率變化時(shí)增益變動(dòng)不應(yīng)過大。高頻小信號(hào)諧振放大電路主要由晶體管、負(fù)載、輸入信號(hào)和直流電源等部分電路組成。晶體管基極正偏，工作在甲類，負(fù)載為L(zhǎng)C并聯(lián)諧振回路。該放大電路能夠?qū)斎氲母哳l小信號(hào)進(jìn)行反向放大。其中𝑓0=12𝜋𝐿𝐶=88108𝑀𝐻𝑧

8、，下面以88MHz為例，進(jìn)行仿真。靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置如下：選頻網(wǎng)絡(luò)如下圖所示:其中電容C=0.1uH，電感為2.85uH的可調(diào)電感，二者并聯(lián)，組成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果及分析由仿真結(jié)果可得電壓增益A=26.119/1.373=19.02,滿足放大倍數(shù)大于10的要求。通過光譜分析儀可得，其輸出中心頻率位于88.397MHz處。2.本振電路本次設(shè)計(jì)采用西勒電路作為本振電路。西勒電路主要特點(diǎn)就是在回路電感L兩端并聯(lián)了一個(gè)可變電容C4，而C3為固定值的電容器，且滿足C1、C2遠(yuǎn)大于C3，C1、C2遠(yuǎn)大于C4。回路的總等效電容為所以，振蕩頻率為在西勒電路中，由于C4與L并聯(lián)，因此C4的大小不影響回路的接入系

9、數(shù)。如果C3固定，通過變化C4來改變振蕩頻率，則RL在振蕩頻率變化時(shí)基本保持不變，從而使輸出振幅穩(wěn)定。此種振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是：較易起振，振蕩頻率也較為穩(wěn)定，波形失真較小，當(dāng)參數(shù)設(shè)置得當(dāng)時(shí)，其頻率覆蓋系數(shù)較大，因而選用此電路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)對(duì)于一般小功率自動(dòng)穩(wěn)幅LC振蕩器，靜態(tài)工作點(diǎn)要遠(yuǎn)離飽和區(qū)，靠近截止區(qū)，以得到較大的輸出阻抗。一般根據(jù)具體電路和電源電壓大小集電極電流一般取14mA,在實(shí)際偏置參數(shù)選定時(shí)，在可能條件下發(fā)射極偏置電阻盡可能取大一好。參數(shù)選擇主要是根據(jù)滿足振蕩頻率，滿足起振條件并有足夠的振蕩幅度和規(guī)定的頻率穩(wěn)定性等因素加以考慮。若以頻穩(wěn)性角度出發(fā)回路電容應(yīng)取大一些，有利于減少并聯(lián)在回路上的

10、管子極間電容等變化的影響。但C不能過大，C過大，L會(huì)變小，Q值會(huì)變低，振蕩幅度也會(huì)變小。為了解決頻穩(wěn)和振幅的矛盾，通常用部分接入。前已討論反饋系數(shù)F=C1/C2不能過大或過小，適宜1/81/2.令L=0.1uH則f0=1LC=12L(C3+C4)其中f0的取值范圍為98.7MHz118.7MHz，若C3=20pF，則可取C4=10pF的可變電容。因要滿足C1,C2>>C3,C4 F= C1/C2取值為1/81/2，可取C1=400pF,C2=410pF。3.混頻電路混頻電路是一種頻率變換電路，是時(shí)變參量線性電路的一種典型應(yīng)用。如一個(gè)振幅較大的振蕩電壓（使器件跨導(dǎo)隨此頻率的電壓作周期

11、變化）與幅度較小的外來信號(hào)同時(shí)加到作為時(shí)變參量線性電路的器件上，則輸出端可取得此二信號(hào)的差頻或和頻，完成變頻作用。它的功能是將已調(diào)波好的載波頻率變化換成固定的中頻載頻率。而保持其調(diào)制規(guī)律不變，也就是說它是一個(gè)線性頻率譜搬電路，對(duì)于調(diào)頻波通過變頻電路后仍然是調(diào)頻波。只是其載波頻率變化了，其調(diào)制規(guī)律是不變的。本次設(shè)計(jì)采用如下晶體管混頻電路，本振信號(hào)從射極接入，高頻信號(hào)從基極接入。因此，相互干擾產(chǎn)生牽引現(xiàn)象的可能性小。同時(shí)，對(duì)于本振電壓來說是共基電路，其輸入阻抗較小，不易過激勵(lì)，因此振蕩波形好，失真小。這是它的優(yōu)點(diǎn)。但需要較大的本振注入功率；不過通常所須功率也只有幾十mW，本振電路是完全可以供給的。

12、在集電極接選頻網(wǎng)絡(luò)，從中選取頻率為10.7MHz的中頻信號(hào)。因而可選取電感L=2.2uH，電容C=100pF。由圖可知示波器1中A、B通道分別顯示的高頻放大信號(hào)和本振信號(hào)，示波器2顯示的是混頻之后的波形。經(jīng)過變頻器混頻之后輸出的波形通過測(cè)試可知，能夠成功混頻，并能成功選出所需頻率。4.中頻放大電路中頻放大器主要是將混頻器輸出的信號(hào)進(jìn)行大幅度提升,以滿足解調(diào)電路的需要。其主要質(zhì)量指標(biāo)有：電壓增益Av、通頻帶BW0.7、選擇性、噪聲系數(shù)。對(duì)于中頻放大器,不僅需要得到高的增益、好的選擇性,還要有足夠?qū)挼耐l帶和良好的頻率響應(yīng)、大的動(dòng)態(tài)范圍等。前級(jí)混頻器輸出頻率為10.7MHz，在此次中頻放大過程中，

13、應(yīng)該保持其頻率不變，只對(duì)其幅值進(jìn)行放大。不過為了防止干擾頻率的影響，仍然選用選頻網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行頻率選擇。選頻頻率為10.7MHz,若電容C=1pF，則電感L=220uH。設(shè)計(jì)的中頻放大電路如下圖：通過示波器仿真如下通道B為輸入信號(hào)，通道A為輸出信號(hào)，明顯可以看出對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了幾十倍放大。這將有利于之后鑒頻電路的正常工作。通過光譜分析儀可得，其中心頻率為10.890MHz，由于輸入信號(hào)存在頻偏分量，使得結(jié)果偏離10.7MHz，但是影響不大。5.鑒頻電路鑒頻器的任務(wù)是從調(diào)頻信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)，它包括變換部分及振幅檢波器部分。利用LC諧振回路實(shí)現(xiàn)振幅鑒頻，LC諧振回路構(gòu)成的頻幅變換網(wǎng)絡(luò)將等幅的信號(hào)變

14、換為FM-AM信號(hào)，然后利用包絡(luò)檢波電路恢復(fù)出原調(diào)制信號(hào)。 因?yàn)檎{(diào)頻波振幅恒定，所以無(wú)法直接用包絡(luò)檢波器解調(diào)。由于二極管峰值包絡(luò)檢波器線路簡(jiǎn)單、性能好，能夠?qū)⒌确恼{(diào)頻信號(hào)變換成振幅也隨瞬時(shí)頻率變化、既調(diào)頻又調(diào)幅的FM-AM波，也就可以通過包絡(luò)檢波器解調(diào)此信號(hào)。設(shè)計(jì)的鑒頻電路如下：從示波器可以看出，本鑒頻電路實(shí)現(xiàn)將調(diào)頻波變成調(diào)頻+調(diào)相波，然后再進(jìn)行包絡(luò)檢波，從而提取出調(diào)制信號(hào)。從示波器波形可以看出，可以實(shí)現(xiàn)鑒頻。提取的調(diào)制分量頻率為50kHz。但考慮到所提供的元件中有10.7MHz的鑒頻器，故直接采用鑒頻器元件，同時(shí)也可以減少誤差。6.低頻放大電路從鑒頻器輸出的信號(hào)一般很小，所以在輸出極一般采

15、用低頻功率放大電路。設(shè)計(jì)低頻放大電路如下：通過示波器仿真如下：通道A為輸出信號(hào)，通道B為輸入信號(hào)，從圖可得此低頻放大電路對(duì)輸出信號(hào)放大了近100倍，有利于驅(qū)動(dòng)喇叭的正常工作。四、PCB的設(shè)計(jì)與制作1.原理圖繪制將前面的各分立模塊按照高頻放大、本振、混頻、中頻放大、鑒頻以及低頻放大的順序連接即可。2.PCB繪制3.PCB板的制作通過打孔焊接，完成PCB板的制作，本次制作的成品如下。五、測(cè)試模塊（1）高頻放大，通過天線接受信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行電壓幅值放大。將輸出端接上示波器，由示波器得到的波形如下圖。（2）本振電路，產(chǎn)生98.7MHz118.7MH的正弦波振蕩信號(hào)。將其輸出端接在示波器得正極，示波器負(fù)極接地。通過示波器測(cè)得波形如下：稍微有些許失真波動(dòng)，單整體不影響電路的工作。（3）混頻電路的測(cè)試，將高頻放大信號(hào)與本振信號(hào)接入到三極管的基極與發(fā)射極。通過集電極進(jìn)行混頻信號(hào)的輸出。同樣地，將示波器得正極接集電極，負(fù)極接地。通過示波器所得波形如下：六、總結(jié)1.本方案特點(diǎn)及存在的問題它的缺點(diǎn)是，對(duì)于不同的頻率，接收機(jī)的靈敏度和選擇性變化叫劇烈，而且靈敏度因?yàn)槭艿礁叻挪环€(wěn)定的影響，不能過高，所以現(xiàn)在的接收機(jī)幾乎全是超外差式接收機(jī)。如何進(jìn)行仿真是本次課程設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵所在，只對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的混頻電路進(jìn)行了部分仿真，在這一部分，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。在本次課程設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，由于調(diào)頻