調(diào)頻發(fā)射機設計

1、惠州學院HUIZHOU UNIVERSITY 高頻電子線路課程設計設計題目 調(diào)頻發(fā)射機 系 別 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 一、設計題目:調(diào)頻發(fā)射機的設計二、設計的技術指標與要求:1工作電壓：Vcc=+12V；(天線)負載電阻：RL=51歐；3發(fā)射功率：Po500mW；4工作中心頻率：f0=5MHz；5最大頻偏：；6總效率：；7頻率穩(wěn)定度：； 8調(diào)制靈敏度SF30KHZ/V；三、設計目的:設計一個采用直接調(diào)頻方式實現(xiàn)的工作電壓為12V、輸出功率在500mW以上、工作頻率為5MHz的無線調(diào)頻發(fā)射機，可用于語音信號的無線傳輸、對講機中的發(fā)射電路等。四、設計框圖與分析:（一）總設計方框圖變?nèi)荻O

2、管直接調(diào)頻電路調(diào)制信號調(diào)頻信號載波信號圖3-1 變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路組成方框圖 與調(diào)幅電路相比,調(diào)幅系統(tǒng)由于高頻振蕩輸出振幅不變, 因而具有較強的抗干擾能力與效率.所以在無線通信、廣播電視、遙控測量等方面有廣泛的應用。（二）實用發(fā)射電路方框圖 ( 實際功率激勵輸入功率為 1.56mW) 擬定整機方框圖的一般原則是，在滿足技術指標要求的前提下，應力求電路簡單、性能穩(wěn)定可靠。單元電路級數(shù)盡可能少，以減少級間的相互感應、干擾和自激。由于本題要求的發(fā)射功率Po不大，工作中心頻率f0也不高，因此晶體管的參量影響及電路的分布參數(shù)的影響不會很大，整機電路可以設計得簡單些，設組成框圖如圖3-2所示，各組成部

3、分的作用是： (1)LC調(diào)頻振蕩器：產(chǎn)生頻率f0=5MHz的高頻振蕩信號，變?nèi)荻O管線性調(diào)頻，最大頻偏，整個發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度由該級決定。(2)緩沖隔離級：將振蕩級與功放級隔離，以減小功放級對振蕩級的影響。因為功放級輸出信號較大，當其工作狀態(tài)發(fā)生變化時（如諧振阻抗變化），會影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度，使波形產(chǎn)生失真或減小振蕩器的輸出電壓。整機設計時，為減小級間相互影響，通常在中間插入緩沖隔離級。緩沖隔離級電路常采用射極跟隨器電路。(3)功率激勵級：為末級功放提供激勵功率。如果發(fā)射功率不大，且振蕩級的輸出能夠滿足末級功放的輸入要求，功率激勵級可以省去。 (4)末級功放  

4、; 將前級送來的信號進行功率放大，使負載（天線）上獲得滿足要求的發(fā)射功率。若整機效率要求不高如而對波形失真要求較小時，可以采用甲類功率放大器。但是本題要求，故選用丙類功率放大器較好。五、設計原理圖:實際的無線調(diào)頻發(fā)射機電路如圖3-3所示。圖3-3 無線調(diào)頻發(fā)射電路考慮到頻率穩(wěn)定度的因素，調(diào)頻電路采用克拉潑振蕩器和變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路。電路的工作原理是：利用調(diào)制信號控制變?nèi)荻O管的結電容，改變振蕩器振蕩回路的總電容，從而使調(diào)頻振蕩器輸出信號的頻率隨調(diào)制信號的變化而變化，即實現(xiàn)調(diào)頻。調(diào)頻后的信號經(jīng)過緩沖隔離、寬放和功放后通過天線發(fā)射出去。六、設計性能分析:(1)發(fā)射功率發(fā)射功率指發(fā)射機

5、發(fā)射到天線上的功率。只有當天線的長度與發(fā)射信號的波長相比擬時，天線才能有效地把信號發(fā)射出去。波長與頻率的關系是 式中，c為電磁波傳播速度，c=3*108m/s。若接收機的靈敏度VA=2uV，則通信距離s與發(fā)射功率Po間的關系為 當發(fā)射功率為大于500mW時通信距離為5.08Km以上。(2)工作頻率或波段發(fā)射機的工作頻率應根據(jù)調(diào)制方式，在國家有關部門規(guī)定的范圍內(nèi)選取。對于調(diào)頻發(fā)射機，工作頻段一般選擇在超短波范圍內(nèi)。(3)總效率發(fā)射機發(fā)射的總功率PO其所消耗的總功率PT比，稱為發(fā)射機的總功率，用表示。(4)調(diào)制靈敏度SF是單位調(diào)制信號電壓所引起的最大頻偏，其值越大，說明調(diào)制信號控制作用越強，產(chǎn)生頻

6、偏越大。七、電路參數(shù)的計算與元件選擇整機電路的實際計算順序一般是從末級單元電路開始，向前逐級進行。而電路的組裝和調(diào)試順序一般是從前級單元電路開始向后級逐級進行。【一】增益分配與功率放大器的設計發(fā)射機的輸出應具有一定的功率才能將信號發(fā)射出去，但是功率增益又不可能集中在末級功放，否則電路性能不穩(wěn)，容易產(chǎn)生自激。因此要根據(jù)發(fā)射機的各組成部分的作用，適當?shù)睾侠淼胤峙涔β试鲆?。如果調(diào)頻振蕩器的輸出比較穩(wěn)定，又具有一定的功率，則功率激勵級和末級功放的功率增益可適當小些。功率激勵級一般采用高頻寬帶放大器，末級功放可采用丙類諧振功率放大器。緩沖級可以不分配功率。 功率增益如圖3-2所示。 僅從輸出功率Po50

7、0mW一項指標來看，可以采用寬帶功放或乙類、丙類功放。由于還要求總效率大于50%，故采用一級寬帶放大器加一級丙類功放實現(xiàn)，其電路形式如圖4-1所示。圖4-1 功率激勵與末級功放電路(一)丙類功率放大器(末級功放)設計1、基本關系式如圖4-1所示，丙類功率放大器的基極偏置電壓-VBE是利用發(fā)射機電流的分量Ie0在射極電阻R14上產(chǎn)生的壓降來提供的，故稱為自給偏壓電路。當放大器的輸入信號Vi為正弦波時，集電極的輸出電流iC為余弦脈沖波。利用諧振回路LC的選頻作用可輸出基波諧振電壓uc、電流iC1。(1)集電極基波電壓的振幅Ucm= Icm1RP式中，Icm1為集電極基波電流的振幅；RP為集電極負載

8、阻抗。(2)輸出功率PoPo= Ucm.Icm1= Ucm2/(2 RP)(3)直流功率PvPv= Vcc.Ic0(4)集電極耗散功率PTPT= Pv- Po(5)集電極的效率= Po/ Pv(6)集電極電流分解系數(shù)()n()= Icmn/icmmax(7)導通角 （一般?。?2、確定丙類放大器的工作狀態(tài)為了獲得較高的效率和最大的輸出功率Po，選丙類放大器的工作狀態(tài)為臨界狀態(tài)，=700，功放管為3DA1。3DA1的參數(shù)如表4-1所示。表4-1 3DA1參數(shù)表PCMICMVCEShfefTAP1W750mA1.5V1070MHz13dB(1) 最佳匹配負載(2)由Po=0.5 Ucm.Icm1=

9、 Ucm2/(2 RP)可得：集電極最大輸出電壓Ucm=10.5V(3)集電極基波電流振幅：Icm1=95.24mA(4)集電極電流最大值Icm= Icm1/1(700)=95.24/0.44=216.45mA(5)集電極電流直流分量Ic0= Icm*0(700)=216.45*0.25=54.11mA(6)電源供給的直流功率Pv= Vcc* Ic0=649.35mW(7)集電極的耗散功率PT=Pv-Po=649.35-500=149.35mW(小于PCM =1W)(8)總效率=Po/Pv=500/649.35=77.00%(9)輸入功率Pi=25mW若設本級功率增益Ap=13dB(20倍)，

10、則輸入功率Pi=Po/Ap=25mW(10)基極余弦脈沖電流的最大值Ibm(設晶體管3DA1的=10)Ibm= Icm/=21.45mA(11)基極基波電流的振幅Ibm1= Ibm1(700)=21.45*0.44=9.44mA(12)基極電流直流分量Ib0= Ibm0(700)=21.45*0.25=5.36mA(13)基極輸入電壓的振幅Ubm=2Pi/ Ibm1=5.30V(14)丙類功放的輸入阻抗3、計算諧振回路及耦合回路的參數(shù)(1) 輸出變壓器線圈匝數(shù)比N5/N3(解決最佳匹配負載問題)取N5=2，N3=3。(2) 諧振回路電容C11=100pF(3) 諧振回路電感L (4)輸出變壓器

11、初級線圈總匝數(shù)比N=N3+N4高頻變壓器及高頻電感的磁芯應采用鎳鋅(NXO)鐵氧體，而不能采用硅鋼鐵芯，因其在高頻工作時鐵損耗過大。NXO-100環(huán)形鐵氧體作高頻變壓器磁芯時，工作頻率可達十幾兆赫茲。若采用外徑*內(nèi)徑*高度=10mm*6mm*5mm的NXO-100環(huán)來繞制輸出耦合變壓器，由公式式中，=100H/m為磁導率；N為變壓器初級線圈匝數(shù)；A=25mm2為磁芯截面積；l=25mm為平均磁路長度。計算得N=8，則N4=5或 則 ，取值210，上述公式取2。需要指出的是，變壓器的匝數(shù)N3、N4、N5的計算值只能作為參考值，由于分布參數(shù)的影響，與設計值可能相差較大。為調(diào)整方便，通常采用磁芯位置

12、可調(diào)節(jié)的高頻變壓器。4、基極偏置電路(1)發(fā)射極電阻R14由公式可得， 取標稱值(2)高頻旁路電容C12=0.01uF。(3)高頻扼流圈ZL2=47uH。(4)可變電容CT=(520)pF。5、元件清單CT=(520)pF ZL2=47uH C12=0.01uFC11=100pF N3=5，N4=3, N5=2 、3DA1管子 (二)寬帶功率放大器(功率激勵級)設計功率激勵級功放管為3DG130。3DG130的參數(shù)如表4-2所示。表4-2 3DG130參數(shù)表PCMICMVCEShfefTAP700mW300mA0.6V30150MHz13dB1、計算電路參數(shù)(1)有效輸出功率PH與輸出電阻RH

13、寬帶功率放大器的輸出功率PH應等于下級丙類功放的輸入功率Pi=25mW，其輸出負載RH等于丙類功放的輸入的輸入阻抗|Zi|=86。即PH=25mW RH=86(2)實際輸出功率PO設高頻變壓器的效率=80%，則Po= PH/=31.25mW(3)集電極電壓振幅Ucm與等效負載電阻若取功放的靜態(tài)電流ICQ=ICm=7mA，則Ucm= 2Po /ICQ=2Po /ICm=8.93V 約為1.3K(4)高頻變壓器匝數(shù)比N1/N2取變壓器次極線圈匝數(shù)N2=2，則初級線圈匝數(shù)N1=6。(5)發(fā)射極直流負反饋電阻R13 取標稱值360(6)功放輸入功率Pi本級功放采用3DG130晶體管，若取功率增益AP=

14、13dB(20倍)，則輸入功率(7)功放輸入阻抗Ri (取 )若取交流負反饋電阻為10，則(8)本級輸入電壓振幅Uim2、計算電路靜態(tài)工作點(1)、(2)R11、R12 (I1=510倍IBQ )若取基極偏置電路的電流I1=5=5*0.23mA=1.15mA，則取標稱值R12=3k。 為了調(diào)節(jié)電路的靜態(tài)工作點，R11可由標稱值為5.1 k的電阻與10 k的電位器組成。(3)高頻旁路電容C10=0.02uF。(4)輸入耦合電容C9=0.02uF。此外,還可以在直流電源VCC 支路上加高頻電源去耦濾波網(wǎng)絡,通常采用LC的型低通濾波器。電容可取0.01uF,電感可取47uH的色碼電感或環(huán)形磁芯繞制。

15、還可在輸出變壓器次級與負載之間插入LC濾波器，以改善負載輸出波形。3、元件清單C9=0.02uF C10=0.02uF N1=6， N2=2 R13 =360 3DG130管子 【二】、緩沖隔離級電路(射極輸出器)設計從振蕩器的什么地方取輸出電壓也是十分重要的。一般盡可能從低阻抗點取出信號，并加入隔離、緩沖級如射極輸出器，以減弱外接負載對振蕩器幅度、波形以及頻率穩(wěn)定度的影響。 射極輸出器的特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低，放大倍數(shù)接近于1。1、電路形式由于待傳輸信號是高頻調(diào)頻波，主要考慮的是輸入抗高，傳輸系數(shù)大且工作穩(wěn)定。選擇電路的固定分壓偏置與自給偏壓相結合，具有穩(wěn)定工作點特點的偏置電路。如圖4

16、-2所示。射極加RW2可改變輸入阻抗。 圖4-2 射極輸出器電路2、估算偏置電路元件(1)已知條件：Vcc=+12V，負載電阻RL=325(寬帶放大器輸入電阻)，輸出電壓振幅等于高頻寬帶放大器輸入電壓振幅，即Uom=1.0V，晶體管為3DG100（3DG6）。3DG100的參數(shù)如表4-3所示。表4-3 3DG100參數(shù)表PCMICMVCEShfefTAP100mW30mA30200150MHz0=60。晶體管的靜態(tài)工作點應位于交流負載線的中點，一般取UCEQ=0.5Vcc，ICQ=(310)mA。根據(jù)已知條件選取ICQ=4mA,，VCEQ=0.5Vcc=6V，則(2)R10、Rw2：取R10=

17、1k，Rw2為1k的電位器。(3) R8、R9VEQ=6.0VVBQ= VEQ+0.7=6.7VIBQ=ICQ/0 =66.67uA 取標稱值R9=10k。取標稱值R8=8.0k。(4)輸入電阻Ri若忽略晶體管基取體電阻的影響，有 （RL=325） (5)輸入電壓Uim(6)耦合電容C8、C9為了減小射極跟隨器對前一級電路的影響，C8的值不能過大，一般為數(shù)十pF，這里取C8=20pF，C9=0.02uF。3、元件清單C8=20pF C9=0.02uF R10=1k Rw2為1k的電位器 晶體管為3DG100【三】、調(diào)頻振蕩器設計調(diào)頻振蕩電路的作用是產(chǎn)生頻率的高頻振蕩信號。變?nèi)荻O管為線性調(diào)頻，

18、最大頻偏。發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度由該級決定。調(diào)頻振蕩器電路如圖4-3所示。圖4-3 調(diào)頻振蕩器電路 LC調(diào)頻振蕩器是直接調(diào)頻電路，是利用調(diào)制信號直接線性地改變載波瞬時頻率。 如果為LC振蕩器，則振蕩頻率主要取決于諧振回路電感和電容。將受到調(diào)制信號控制的可變電抗與諧振回路連接，就可以使振蕩頻率按調(diào)制信號規(guī)律變化，實現(xiàn)直接調(diào)頻。 1、LC 振蕩器主要技術指標：工作中心頻率：f0=5MHz；最大頻偏：；頻率穩(wěn)定度：(1)確定電路形式，設置靜態(tài)工作點本題對頻率穩(wěn)定度要求不是很高，故選用圖1-7所示的改進型電容三點式振蕩器與變?nèi)荻O管調(diào)頻電路。(2)三點式振蕩器設計：基極偏置電路元件R1、R2、R3、R4、

19、C1的計算圖中，晶體管V1與C2、C3、C4、C5、Cj、L1組成改進型電容三點式振蕩器，V1為共基組態(tài)，C1為基級耦合電容。 其靜態(tài)工作點由R1、R2、R3、R4共同決定。晶體管V1選擇3DG100，其參數(shù)見表1-4所示。小功率振蕩器的集電極靜態(tài)工作電流ICQ一般為(14)mA。ICQ偏大，振蕩幅度增加，但波形失真嚴重，頻率穩(wěn)定性降低。ICQ偏小對應放大倍數(shù)減小，起振困難。為了使電路工作穩(wěn)定，振蕩器的靜態(tài)工作點取,測得三極管的。 由(1-3)可得R3+R4=3k，為了提高電路的穩(wěn)定性，R4的值可適當增大，取R4=1k，則R3=2k。 為了提高電路的穩(wěn)定性，取流過電阻R2上的電流 取標稱值R2

20、=8.2k。根據(jù)公式 得R1=28.2K 實際運用時R1取20k電阻與47k電位器串聯(lián)，以便調(diào)整靜態(tài)工作點。C1為基極旁路電容，可取C1=0.01uF。C8=0.01uF,輸出耦合電容。2、調(diào)頻電路設計調(diào)頻電路由變?nèi)荻O管Cj和耦合電容C5組成，R6和R7 為變?nèi)荻O管提供靜態(tài)時的反向偏置電壓VQ，。R5為隔離電阻，為了減小調(diào)制信號Ui對VQ的影響，一般要求R5遠遠大于R6和R7。C6和高頻扼流圈ZL1對Ui相當于短路，C7為濾波電容。變?nèi)荻O管Cj通過C5部分接入振蕩回路，有利于提高主振頻率的穩(wěn)定性，減小調(diào)制失真。變?nèi)荻O管的接入系數(shù)，式中，Cj為變?nèi)荻O管的結電容，它與外加電壓的關系為 (

21、 Cj0 為變?nèi)莨?偏時結電容,UD 為其PN結內(nèi)建電位差, 為變?nèi)葜笖?shù)) 變?nèi)荻O管參數(shù)選擇測變?nèi)荻O管的特性曲線，設置合適的靜態(tài)工作點。本題給定變?nèi)荻O管為2CC1C，并取變?nèi)莨莒o態(tài)反向偏壓，由特性曲線可得變?nèi)莨艿撵o態(tài)電容。計算主振回路元件值：C2、C3、C4、C5、L1C2、C3、C4、C5、Cj、L1組成并聯(lián)諧振回路，其中C3兩端的電壓構成振蕩器的反饋電壓，滿足相位平衡條件。比值C2/ C3=F，決定反饋系數(shù)的大小，F(xiàn)一般取0.1250.5之間的值。為了減小晶體管極間電容對振蕩器振蕩頻率的影響，C2、C3的值要大。如果C4取幾十皮法，則C2、C3在幾百皮法以上。因接入系數(shù)，一般接入系數(shù)

22、，為減小振蕩回路輸出的高頻電壓對變?nèi)菥w管的影響，p值應取小，但p值過小又會使頻偏達不到指標要求，可以先取p=0.2。則 ，取標稱值。（VQ=-4V時Cj =75pF） 若取C4=20pF， 電容C2、C3由反饋系數(shù)F及電路條件C2>>C4、C3>>C4 決定，若取C2=330pF，由F= C2/ C3= 0.1250.5取C3=750pF。則靜態(tài)時諧振回路的總電容為 代入元件值可得 由公式 可得 計算調(diào)頻電路元件值變?nèi)莨艿撵o態(tài)反偏壓由電阻與分壓決定，即        &

23、#160;                       已知，若取，則。實際運用時 可用10k電阻與47k電位器串聯(lián)，以便調(diào)整靜態(tài)偏壓。隔離電阻R5應遠大于R6、R7，取R5=150k。低頻調(diào)制信號Ui的耦合支路電容C6及電感ZL1應對Ui提供通路，一般的頻率為幾十赫至幾十千赫茲，故取，（固定電感）。高頻旁路電容C7應對調(diào)制信號Ui呈現(xiàn)高阻，取。3、計算調(diào)制信號的幅度為達到最大頻偏的要求

24、，調(diào)制信號的幅度，可由下列關系式求出。                                因 式中，靜態(tài)時諧振回路的總電容，即 則回路總電容的變化量          

25、       變?nèi)莨艿慕Y電容的最大變化量                 由變?nèi)荻O管2CC1C的特性曲線可得，當 時，特性曲線的斜率，故調(diào)制信號的幅度 則調(diào)制靈敏為            八、總元件清單:C1=0.01uF、R1為20K+47K電位器、R2=8.2K、R3=2K、R4=1K、3DG100管子、C2=330PF、C3=750PF、C4=20PF、C5=20PF、L1=28uH、2CCIC變?nèi)荻O管、C8=0.01uF、C6=4.7uF、C7=5100pF、ZL1=47uH、R5=150K、R6=2 K、 R7=10K。 九、總結: 通過本次課程設計，我進一步掌握了小功率調(diào)頻發(fā)射機的原理及其主要技術指標。在設計的過程中，我們解決了一個又一個的難題，克服了種種困難。例如：如何解決發(fā)射機非線性失真問題；如何讓頻率穩(wěn)定。通過翻閱大量資料以及向老師和各位同學請教，我們解決了一系列的問題。由于時間蒼促，設計之中難免出現(xiàn)不足之