超外插式調(diào)頻收音機設計

1、29通信電路課程設計通 信 電 路 課 程 設 計 報 告題目：調(diào)頻收音機設計一、 緒論1. 調(diào)頻收音機概述接收機用于調(diào)制發(fā)射機的原始信號，稱之為解調(diào)，實現(xiàn)這一功能的電路稱之為解調(diào)器。對于模擬解調(diào)器，我們希望能夠使失真能夠和噪聲最小，這樣輸出的信號會更加接近原始信號。超外差式調(diào)頻收音機，是將目標電臺信號在調(diào)諧電路中調(diào)制，通過電路本身變成一個預設定頻率，然后進行放大檢波。這一固定頻率由差頻作用產(chǎn)生，由于收音機中有本振存在，可以將其與外來高頻信號進行混合，稱為混頻。由于晶體管的非線性作用導致混頻的結果就會產(chǎn)生一個新頻率，這就是外差作用。故而，采用這種電路的接收機稱為外差式收音機。2. 設計目標及基

2、本要求（1） 接收信號范圍88MHz108MHz；（2） 完成電路設計，相關參數(shù)計算；（3） 完成各模塊仿真，并提供仿真報告；（4） 完成印刷電路板設計、制作及安裝調(diào)試；（5） 印刷電路板上應有題目和小組成員姓名。3. 設計方案及方法簡述對于超外差接收機，由接受天線、高頻帶通濾波器、高頻放大器、本振、混頻、陶瓷濾波器、寬帶中頻放大器、包絡檢波器、低放及功放還有揚聲器等組成。在設計中將采用單元電路分別設計方針，組合模塊完成總電路設計。(1) 高頻放大：高頻放大器是用來放大高頻信號的器件（高放所放大的對象是已調(diào)信號，它除載頻信號外還有邊頻分量）。根據(jù)高放的對象是載頻信號這一狀況，一般采用管子做放大

3、器件，而且并聯(lián)諧振回路作為負載，讓信號諧振在信號載頻。(2) 混頻：混頻將高頻放大信號和本振信號混合，輸出一個中頻信號，在調(diào)頻電路中，本振信號必須是獨立的，這與條幅電路是最大的區(qū)別?；祛l電路是一個典型的頻譜搬移電路，可以用相乘器和帶通濾波器來實現(xiàn)這種搬移。(3) 本振：本振電路用LC諧振回路來產(chǎn)生一個穩(wěn)定的本地振蕩頻率，將這個諧振頻率與高頻放大輸出信號混頻，得到一個中頻信號。(4) 中放：如果外來信號和本機振蕩相差不是預定的中頻，就不可能進入放大電路。因此在接收一個需要的信號時，混進來的干擾電波首先就在變頻電路中被剔除掉，加之中頻放大電路是一個調(diào)諧好了的帶有濾波性質的電路，所以接收機的選擇性指

4、標很高。(5) 鑒頻：在鑒頻器部分，采用比例鑒頻器，普通鑒頻器的線性范圍較寬，調(diào)整較易，但在鑒頻器前必須加上一級限幅器，而比例鑒頻器則不需要但是為了得到良好的限幅特性，必須仔細調(diào)整比例鑒頻器的工作狀態(tài)與電路參數(shù)，也可以在前一級加一盒限幅器。(6) 低頻放大：一般從鑒頻器輸出的信號都比較小，為了得到我們所需的信號，必須將輸出信號放大。一般采用三極管放大電路來實現(xiàn)這一功能。因為本次設計是音頻信號，所以采用運算放大器效果比較好。系統(tǒng)原理框圖，如下：圖 1.1.1二、 單元電路設計1. 單元總設計方案超外差式調(diào)頻收音機，將分為：高頻放大電路，本振電路，混頻電路，中頻放大電路，鑒頻電路，低頻放大電路。分

5、立單元設計將對以上各部分進行獨立設計設計仿真。 2. 分立單元設計2.1. 高頻放大電路設計2.1.1. 電路需求分析及其技術指標調(diào)頻收音機頻率接收范圍為88MHz 108MHz，高頻放大電路要求放大倍數(shù)大于10，且?guī)挻笥谝纛l信號兩倍。2.1.2. 電路可行性分析及原理參數(shù)計算(1) 設置靜態(tài)工作點采用三極管2N2222,它的放大倍數(shù)為50，由于放大器是工作早小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流一般在0.8-2mA之間選取為宜，設計電路取1.5mA,設。因為，而,所以；因為（硅管的發(fā)射結電壓）所以;因為，所以12.3為使三極管工作在放大區(qū)，選擇(2) 選頻網(wǎng)絡1) 采用固定電感調(diào)電容的方法來達到8

6、8-108MHz的諧振頻率。2) 回路中的總電感L：。3) 回路電容的計算：因為則。則采用1050pF的固定電容，的可調(diào)電容。4) 求電感匝數(shù)N2與N1的匝數(shù)（仿真中為方便起見暫定，不考慮匝數(shù)問題） 根據(jù)理論推導，當線圈的尺寸及所用對的磁芯確定后，則其相應的參數(shù)就可以認為是一個確定值，可以把它看成是一個常數(shù)，此時線圈的電感量僅和線圈匝數(shù)的平方成正比，即：。式中：K-系數(shù)，它與線圈的尺寸及磁性材料有關；N-線圈的匝數(shù)一般K值的大小是由試驗確定的。當要繞制的線圈電感量為某一值時，可先在骨架上（也可以在磁芯上）纏繞10匝，然后用電感測量儀測出其電感量，再用下面的公式求出系數(shù)K值：(3) 電路選擇由于

7、單級單調(diào)諧放大器電路簡單容易實現(xiàn)，本文選擇單級單調(diào)諧放大器電路。電路增益：諧振頻率處放大器的增益為：2.1.3. 單元電路設計圖及仿真結果分析(1) 仿真電路圖，如下圖 2.1.1 ：圖 2.1.1(2) 仿真結果及分析 在可調(diào)電容為100%時：圖 2.1.2根據(jù)以上波形可以看出，在波形取最大值時，輸出電壓與輸入電壓的比值是19.7，而設計要求是放大倍數(shù)大于10，已經(jīng)達到了預期要求。圖 2.1.3圖 2.1.4由幅頻特性曲線(圖 2.1.3 圖2.1.4)可以看出諧振頻率為89.37MHz,帶寬為112.9kHz,符合設計要求帶寬小于音頻信號的兩倍（200kHz）。 可調(diào)電容為0時：圖 2.1

8、.5由圖可知，放大倍數(shù)為34.18，滿足設計要求。圖 2.1.6由幅頻特性曲線(圖 2.1.6 圖 2.1.7)可以看出諧振頻率為109.48MHz,帶寬為161.2kHz,符合設計要求帶寬小于音頻信號的兩倍（200kHz）。綜上可知，本次仿真實驗的諧振頻率為89.37-109.48MHz，放大倍數(shù)皆大于10，帶寬小于200kHz,實現(xiàn)了所有的設計要求。圖2.1.72.2. 本振電路設計2.2.1. 電路需求分析及其技術指標設計一個本振電路，本振電路用LC諧振回路來產(chǎn)生一個穩(wěn)定的本地振蕩頻率，將這個諧振頻率與高頻放大輸出信號混頻，得到一個中頻信號。輸出本振頻率為77.3-97.3MHz的可調(diào)信

9、號。2.2.2. 電路可行性分析及原理參數(shù)計算本振電路選擇克拉潑電路。因為克拉潑電路的頻率穩(wěn)定性較好。由于C1C3，C2C3,C3為可變電容，它的作用是將L與C1、C2分隔開，使反饋系數(shù)僅取決于C1和C2的比值，振蕩頻率則基本上由C3和L決定。這樣，C3就減弱了晶體管與振蕩回路之間的耦合，使折算到回路內(nèi)的有源器件參數(shù)減小，提高了頻率穩(wěn)定度。另一方面，不定電容則與C1、C2并聯(lián)，基本上不影響振蕩頻率。此外更重要的原因是本設計的波段覆蓋系數(shù)為1.26，在克拉潑電路的波段覆蓋系數(shù)范圍1.2-1.3內(nèi)。(1) 靜態(tài)工作點設置采用三極管BC107BP，因為它的放大倍數(shù)足夠大，由經(jīng)驗可知，因此，這里取。為

10、使三極管工作在放大區(qū)，選擇。(2) 電感、電容的選擇由于克拉潑電路中，根據(jù)所需的振蕩頻率決定L、C3的值，然后取C1、C2遠大于C3即可。但是C3不能取得太小，C1、C2也不能取得太大，否則將影響振蕩器的起振。綜合這兩個因素，查閱資料后取C1=60pF,C2=80pF,C3=5pF。電路中的總電容為：當諧振頻率為77.3MHz時，電感當諧振頻率為97.3MHz時，電容帶入取得C3=2.98pF，后根據(jù)仿真結果調(diào)整為2.6pF，可調(diào)電容取為1.7pF。2.2.3. 單元電路設計圖及仿真結果分析(1) 仿真電路圖（圖 2.2.1）圖 2.2.1(2) 仿真結果及其分析1） 當可調(diào)電容為0時圖 2.

11、2.2圖2.2.3由上圖（圖 2.2.2 圖 2.2.3）可以看出，當振蕩電路穩(wěn)定時，電路的工作頻率為95.1MHz,輸出電壓為正弦波形，最大幅度為3.382V，達到了預設目標。2） 當可調(diào)電容為2.96pF時圖 2.2.4圖 2.2.5由上圖（圖 2.2.4 圖 2.2.5）可以看出，當振蕩電路穩(wěn)定時，電路的工作頻率為77.0MHz,輸出電壓為正弦波形，最大幅度為4.923V，達到了預設目標綜上可知，本課題設計的克拉潑電路的工作頻率范圍為77.0-95.1MHz,與預設目標77.3-97.3MHz的工作頻率相差不大，完成了本振電路設計。2.3. 混頻電路設計2.3.1. 電路需求分析及其技術

12、指標在通信接收機中，低噪聲放大器將天線輸入的微弱信號進行選頻放大，然后送入混頻器，混頻作用在于將不同載頻的高頻已調(diào)波信號變換為較低的同一固定載頻的高頻已調(diào)波信號，但保持調(diào)至規(guī)律不變，然后送入中放。超外差式調(diào)頻收音機把載頻位于88108MHz各調(diào)頻信號變換為中頻為10.7MHz的普通調(diào)頻信號。2.3.2. 電路可行性分析及原理參數(shù)計算晶體管混頻電路原理圖如下圖2.3.1所示。其中，晶體管起信號的混頻作用，兩個輸入信號分別為Vin1和Vin2；電容Cin1、Cin2、Cout為信號輸入和輸出的耦合電容，起到隔直流的作用，使前后級的直流電位不相互影響，保證各級工作的穩(wěn)定性；電容Ce對高頻交流信號相當

13、于短路，消除偏置電阻Re對高頻信號的負反饋作用，提高高頻信號的增益；電阻元件Rb1、Rb2、Re決定晶體管的工作點；電路中的電感L和電容C組成的諧振電路起選頻作用，在產(chǎn)生的組合頻率中選擇所需要的中頻輸出信號。圖 2.3.1在忽略三極管內(nèi)部反饋和集電極電壓反作用的情況下，基極電壓和集電極電流的函數(shù)關系可以寫為：ic=fvBE ,式中vBE=vB+vsicICO+Icm1cos0t+Icm2cos20t+(g0+g1cos0t+g2cos20t+)VsmcosSt要產(chǎn)生10.7MHz的中頻信號，那么兩輸入信號的頻率差就應為10.7MHz，已知經(jīng)過高頻放大的接收信號頻率在88108MHz，且本振頻率

14、在77.0-95.1MHz。接下來計算諧振回路的LC，諧振回路所起的主要作用就是選頻，即選出頻率是10.7MHz的中頻信號，即從而我們不妨取L=2000pH，則C=0.1106uF,把這些參數(shù)值代入仿真電路即可。2.3.3. 單元電路設計圖及仿真結果分析（1） 仿真電路圖 圖 2.3.2圖 2.3.2（2） 仿真電路測試及數(shù)據(jù)分析如輸入高頻信號為如圖 2.3.2 所示 V1 = 20mV f1 = 88MHz ，V2 = 1V，f2 = 77.3MHz在經(jīng)過LC選頻網(wǎng)絡后，產(chǎn)生混頻信號，如圖 2.3.3 所示。圖 2.3.3電路分析：在調(diào)節(jié)電路參數(shù)時，發(fā)現(xiàn)隨著射極電流的增大，電路的變頻增益也逐

15、漸增大。但是隨著射極電流IE的增大，混頻電路的噪聲系數(shù)會急劇增加，受噪聲影響輸出波形有很多毛刺，在電路實際使用過程中，盡量控制電路輸出波形的受到噪聲的干擾影響。2.4. 中頻放大電路設計2.4.1. 電路需求分析及其技術指標電路完成混頻后，輸出信號為中頻10.7MHz信號，而輸出電壓幅值較小，需要進行一級中頻放大將產(chǎn)生的信號進行放大，要求中頻放大的中心頻率在10.7MHz，增益在20倍以上。2.4.2. 電路可行性分析及原理參數(shù)計算（1） 設置靜態(tài)工作點采用三極管2N2222A,要求電路的放大增益在20倍以上，放大器是工作早小信號放大狀態(tài)，放大器工作電流一般在0.8-2mA之間選取為宜，設計電

16、路取1.5mA,設。因為，而,所以；因為（硅管的發(fā)射結電壓）所以;因為，所以 12.3為使三極管工作在放大區(qū)，選擇（2） 選頻網(wǎng)絡采用固定電感調(diào)電容的方法來達到88-108MHz的諧振頻率?；芈分械目傠姼蠰：?；芈冯娙莸挠嬎悖阂驗閯t。則采用1050pF的固定電容，的可調(diào)電容。而在實際電路測試設計中，則對以上參數(shù)進行調(diào)整，以便選擇適合的電路元器件。2.4.3. 單元電路設計圖及仿真結果分析（1） 仿真電路圖 圖 2.4.1圖 2.4.1（2） 仿真電路測試及分析圖 2.4.2對電路進行測試，輸入電壓Vi(p-p) = 28.3mV,輸出電壓為 Vo(p-p) = 780mV,電壓增益為：電路滿足

17、設計要求，可實現(xiàn)中頻放大。2.5. 鑒頻電路設計2.5.1. 電路需求分析及其技術指標鑒頻電路的輸出的低頻解調(diào)電壓與輸入調(diào)頻信號瞬時頻偏的關系為頻率鑒頻特性，理想鑒頻特性為線性，實際電路的非線性失真應該盡量小，同時中頻位于線性鑒頻范圍的中點，保證電路產(chǎn)生暑輸出波形不發(fā)生失真。設計中采用頻幅轉換，利用LC電路的頻相轉換特性設計，之后采用檢波電路得到信號。2.5.2. 電路可行性分析及原理參數(shù)計算變換電路采用調(diào)諧回路實現(xiàn)頻率幅值的變換?；芈返闹C振頻率高于FM波的載頻，并盡量利用幅頻特性的斜率部分。當頻率大于載頻時回路兩端的電壓大，當頻率小于載頻時回路兩端電壓小，形成FM-AM波形。電路參數(shù)可以根據(jù)

18、調(diào)諧回路的諧振計算公式確定。單級調(diào)諧回路的諧振頻率由公式確定電容。由于二極管檢波電路簡單線性度好，采用二極管檢波可以獲得良好的檢波效果，二極管檢波器由二極管整流和低通濾波兩部分組成，二極管具有單向導通特性，可以將交流信號整成直流，RC電路作為檢波器的負載在兩端產(chǎn)生調(diào)制頻率電壓，同時啟動低通濾波的效果。由于二極管具有導通電壓，所以在大信號條件下進行，后級采用RC低通濾波，濾掉高頻分量，RC的值由調(diào)制信號頻率決定。同時，在檢波過程中避免惰性失真，應當滿足：在避免底部切割失真，應當滿足：2.5.3. 單元電路設計圖及仿真結果分析（1） 仿真電路圖 圖 2.5.1圖 2.5.1（2） 仿真電路測試及分

19、析圖 2.5.2圖 2.5.3由 圖 2.5.1 及圖 2.5.2 可知可以實現(xiàn)鑒頻功能，但是存在一定的鑒頻延遲，鑒頻波形與輸入信號之間存在時間差值，但基本滿足設計要求，可以實現(xiàn)鑒頻功能。2.6. 低頻放的電路2.6.1. 電路需求分析及其技術指標設計低頻放大電路，對鑒頻后的信號進行功率放大，使之實現(xiàn)輸出功率低于0.5W的要求，并能夠完美輸出波形信號。2.6.2. 電路可行性分析及原理參數(shù)計算對電路設計要求進行分析，采用OCL雙電源互補對稱功率放大電路。(1) 輸入級：前置放大電路：由于提供的前級信號比較微弱，而且有一定噪聲。因此采用一級的基極分壓射極偏置的前置放大電路對信號進行放大以及見效噪

20、聲，限制問片?？紤]設計電路對于頻率響應及零輸入是噪聲、電流、電壓的要求，前置放大電路的設計：直流穩(wěn)壓電源：9V，電容為10微法。(2) 輸出級：OCL雙電源互補對稱功率放大電路。確定靜態(tài)工作點：綜上，得。確定電路中的電阻阻值：直流穩(wěn)壓電源的電壓為9V，而要求輸出功率為0.5W，而有,又知，且，則可求的，最后選取其余電阻阻值。2.6.3. 單元電路設計圖及仿真結果分析（1） 低頻放大電路總電路圖：圖 2.6.1（2） 仿真電路測試及分析圖 2.6.2在輸入電壓為Vi(p-p) = 36.0 mV的正弦波時，輸出電壓 Vo(p-p) = 166mV，可知電壓增益為 A = 4.6 滿足設計要求。3

21、. 總電路圖總電路設計圖（圖 2.7.1）圖 2.7.1PCB原理圖設計（圖 2.7.2）：圖 2.7.2PCB 電路板圖（圖2.7.3）：圖 2.7.3三、 電路安裝與調(diào)試1. 對照元件清單清點元件元件數(shù)量規(guī)格備注固定電容160.01uF,10uF,50uF,150pF可調(diào)電容410pF,48pF電阻281K,2K,5.1K,10K,51K,82K,150K,430二極管1N5407/11N5408/21N54071N5408三極管2N3904/22SC945/32N3906/12N3904 NPN2SC945 NPN2N3906 NPN電感30.0145uH,1.49uH, 10mH有部分

22、電感使用自繞線圈揚聲器1Antenna2. 元件的插接與焊接使用電烙鐵將電阻電容元器件焊接在電路板上，并調(diào)整電感位置，焊接；天線單獨通過一根導線焊接在電路板上；電源引出導線連接到電路板的電源接口，進行插接；揚聲器確定引腳位置，焊接在電路板上；電路存在一根飛線，單獨導線連接后，焊接。3. 電路板實物圖片見圖 3.1 與 圖 3.2。4. 收音機整機調(diào)試（1） 本振電路調(diào)整接通正負9V直流電源，通過示波器顯示本振輸出信號，觀察輸出電壓信號幅值大小并通過頻譜分析儀分析輸出振蕩頻率，可調(diào)節(jié)本振網(wǎng)絡可調(diào)電容大小或調(diào)節(jié)本振網(wǎng)絡電容，測試輸出信號的頻率范圍是否在要求的77.397.3MHz。經(jīng)調(diào)試，本振電路

23、部分接電源端為9V，震蕩電路經(jīng)起振至穩(wěn)定后，輸出電壓為5.09V，滿足信號的輸出條件，且震蕩頻率約為6996.4MHz左右，本振電路基本滿足設計要求，并實現(xiàn)該功能。圖 3.1 電路板實物圖正面（2） 高頻放大部分調(diào)整使用頻率信號發(fā)生裝置產(chǎn)生頻率106.3MHz頻率的信號，將產(chǎn)生的信號與天線連接，模擬信號強度較高環(huán)境，觀察高放信號放大情況。經(jīng)調(diào)試，發(fā)生信號與天線接收信號存在一定程度的失真，信號衰減較大，接收信號幅頻特性在一定程度上發(fā)生失真，經(jīng)高放放大后，信號實現(xiàn)了增益約為11倍左右，但信號仍十分弱，示波器顯示波形存在毛刺，顯示結果有一定的上下變動。圖 .2 電路板實物圖背面（3） 混頻電路調(diào)試混頻電路通過調(diào)節(jié)混頻電路的電容來改變電路輸出的信號的頻率，高頻放大電路的輸出和本振產(chǎn)生的震蕩信號作為輸入信號，觀察輸出信號的輸出電壓與頻率。經(jīng)調(diào)試，輸出電壓由于高放信號較弱，導致輸出信號微弱，失真嚴重，示波器觀察波形出現(xiàn)明顯失真，受電路電感元件互感及手工工藝繞接和部分器件焊接限制，輸出頻率范圍較難固定在中頻，調(diào)試難度較大，示波器顯示極不穩(wěn)定，難以確切記錄數(shù)據(jù)并進行更進一步分析。（4） 經(jīng)中放及低放后電路最終輸出情況測