高頻課程設(shè)計38239

1、小功率調(diào)頻發(fā)射機課程設(shè)計一、 題目小功率調(diào)頻發(fā)射機的設(shè)計和制作二、 主要技術(shù)指標1中心頻率2頻率穩(wěn)定度 3. 最大頻偏 4輸出功率 5. 天線形式 拉桿天線（75歐姆）6. 電源電壓 三、設(shè)計提示通常小功率發(fā)射機采用直接調(diào)頻方式，它的組成框圖如下所示。其中高頻振蕩級主要是產(chǎn)生頻率穩(wěn)定、中心頻率符合指標要求的正弦波信號，且其頻率受到外加音頻信號電壓調(diào)變；緩沖級主要是對調(diào)頻振蕩信號進行放大，以提供末級所需的激勵功率，同時還對前后級起有一定的隔離作用，為避免級功放的工作狀態(tài)變化而直接影響振蕩級的頻率穩(wěn)定度；，功放級的任務(wù)是確保高效率輸出足夠大的高頻功率，并饋送到天線進行發(fā)射。輸出功率級緩沖級調(diào)頻震蕩

2、級上述框所示小功率發(fā)射機設(shè)計的主要任務(wù)是選擇各級電路形式和各級元器件參數(shù)的計算。1、 頻振蕩級由于是固定的中心頻率，可考慮采用頻率穩(wěn)定度較高的克拉潑振蕩電路。關(guān)于該電路的設(shè)計參閱高頻電子線路實驗講義中實驗六內(nèi)容。2、緩沖級由于對該級有一定增益要求，考慮到中心頻率固定，因此可采用以LC并聯(lián)回路作負載的小信號諧振放大器電路。對該級管子的要求是至于諧振回路的計算，一般先根據(jù)計算出LC的乘積值，然后選擇合適的C再求出L。C根據(jù)本課題的頻率可取100pF200pF。1、 功放輸出級為了獲得較大的功率增益和較高的集電極效率，該級可采用共發(fā)射極電路，且工作在丙類狀態(tài)，輸出回路用來實現(xiàn)阻抗匹配并進行濾波，從結(jié)

3、構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方便起見，本課題可采用型網(wǎng)絡(luò)，計算元件參數(shù)時通常取在10以內(nèi)，計算公式請參閱教材第二章。功放管要滿足以下條件：四、參考電路鑒于上述設(shè)計考慮圖31所示是可供午安用的電路之一。在條件許可時，亦可采用MC2833單片集成電路滅設(shè)計，該集成電路工作原理請參見其規(guī)格書，應(yīng)結(jié)合本課題要求對電路外圍元件參數(shù)作相應(yīng)計算修改?？紤]到變?nèi)荻O管偏置電路簡單起見，采用共基電路。因要求的頻偏不大，故采用變?nèi)荻O管部份接入振蕩回路的直接調(diào)頻方式。C3為斟極高頻旁路電容，R1、R2、R3、R4、R5為T1管的偏置電阻。采用分壓式偏置電路既有利于工作點穩(wěn)定，且振蕩建立后自給負偏置效應(yīng)有籃球振蕩幅度的穩(wěn)定。一般選

4、為3mA左右，太小不易起振，太大輸出振蕩波形將產(chǎn)生失真。調(diào)節(jié)C9、CP可使高頻線性良好。R7、R9為變?nèi)荻O管提供直流偏置。調(diào)制音頻信號C4、加到變?nèi)荻O管改變振蕩頻率實現(xiàn)調(diào)頻。振蕩電壓經(jīng)電容C10耦合加至T2緩沖放大級。T2緩沖放大級采用諧振放大，L2和C11應(yīng)諧振在振蕩載波頻率上。如果發(fā)現(xiàn)通過頻帶太窄或出現(xiàn)自激可在L2兩端并聯(lián)上適當電阻以降低回路Q值。該級可工作于甲類以保證足夠的電壓放大。T3管工作在丙類狀態(tài)，既有較高的效率，同時可以防止T3管產(chǎn)生高頻自激而引起的二次擊穿損壞。調(diào)節(jié)偏置電阻可改變T3管的導通角。L3、L4、C15和C16構(gòu)成型輸出回路用來實現(xiàn)阻抗匹配并進行濾波，即將天線阻抗

5、變換為功放管所要求的負載值，并濾除不必要的高次諧波分量。常用的輸出回路還有L型、T型以及雙調(diào)諧回路等。圖31 小型調(diào)頻發(fā)射機參考電路五、制作調(diào)試自制前應(yīng)先集齊所有元件，并對其質(zhì)量及參數(shù)進行細心的檢測，再根據(jù)所需的體積設(shè)計一款合適的線路板?？偠灾己玫脑|(zhì)量、合適的印板布局是有效提高自制成功率的保證，主要調(diào)試步驟如下：1. 排版電路板，然后將所有元件連同天線一并按設(shè)計好的電路焊在萬能板上，對安裝焊接工藝要求是：盡量縮短高頻部分元件引線；電阻、電容盡可能臥式安裝，并無虛焊、脫焊現(xiàn)象。2. 給發(fā)射機通電，電壓為9V。天線接示波器與頻率計，反復調(diào)節(jié)L1、L2、L3匝間距離以使場強計示數(shù)增至最大，

6、必要時對各級的諧振電容進行調(diào)節(jié)，使輸出頻率達到要求，并出現(xiàn)不失真的正弦波。3. 不起振或振蕩弱；若輸出功率小，若能保證元件的質(zhì)量，以下步驟可助你排除故障：1，在CC兩端并聯(lián)一個7pF電容(注意：該電容不可過大，否則你會發(fā)現(xiàn)調(diào)制失效)；2，調(diào)振蕩級偏置電阻；3，改變C6容量一試，如果上述方法不能解決，也有可能是元件布局不合理引起，可重新對電路板進行布線。4. 連接頻偏儀測出角頻偏六、測試結(jié)果理論值實際值電感(H)調(diào)試前調(diào)試后L13.33.20.9L21.71.71.5L31.11.41.9頻率0（MHz）1211.9最大頻偏m（+10KHz幅度V4.2七、個人電路設(shè)計采用間接調(diào)頻的方式，其組成如

7、圖2所示。其正弦波振蕩器一般采用高頻穩(wěn)度的晶體振蕩器，產(chǎn)生的載波通過調(diào)相器后引入一個可控的附加相移，從而達到間接調(diào)頻的目的?？紤]到電路的復雜度故采用直接調(diào)頻的方案。1振蕩級在調(diào)頻振蕩級可選用電感三點式，電容三點式和晶體振蕩器產(chǎn)生正弦波電壓。具體電路如圖3，4所示。本實驗采用較為穩(wěn)定的克拉潑電路如圖5所示三極管T1應(yīng)為甲類工作狀態(tài)，其靜態(tài)工作點不應(yīng)設(shè)的太高，工作點太高振蕩管工作范圍易進入飽和區(qū)，輸出阻抗的降低將使振蕩波形嚴重失真，但工作點太低將不易起振。在克拉潑電路中C1，C2受三極管級間電容Cce，Cbe，Ccb的影響。因此在電容的取值上應(yīng)滿足C4C1,C4C2.（C1=220p C2=220

8、p C4=100p）3.5uH2緩沖級為了使第三級能夠達到額定功率必須加大激勵即Vbm，因此要求緩沖級有一定的增益，可采用LC并聯(lián)回路作負載的小信號諧振放大器。由可得1.7uH3功率輸出級為了有較高的效率和穩(wěn)定的輸出可用丙類功放同上可得1.1uH.級與級之間還應(yīng)加入級間耦合電容，電容取值應(yīng)對交流近似短路（）八、實驗相關(guān)資料 1.變?nèi)荻O管調(diào)頻電路 實現(xiàn)調(diào)頻的方法很多，大致可分為兩類，一類是直接調(diào)頻，另一類是間接調(diào)頻。直接調(diào)頻是用調(diào)制信號電壓直接去控制自激振蕩器的振蕩頻率（實質(zhì)上是改變振蕩器的定頻元件），變?nèi)荻O管調(diào)頻便屬于此類。間接調(diào)頻則是利用頻率和相位之間的關(guān)系，將調(diào)制信號進行適當

9、處理（如積分）后，再對高頻振蕩進行調(diào)相，以達到調(diào)頻的目的。兩種調(diào)頻法各有優(yōu)缺點。直接調(diào)頻的穩(wěn)定性較差，但得到的頻偏大，線路簡單，故應(yīng)用較廣；間接調(diào)頻穩(wěn)定性較高，但不易獲得較大的頻偏。    常用的變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路如圖Z0916（a）所示。    圖中D為變?nèi)荻O管，C2、L1、和C3組成低通濾濾器，以保證調(diào)制信號順利加到調(diào)頻級上，同時也防止調(diào)制信號影響高頻振蕩回路，或高頻信號反串入調(diào)制信號電路中。調(diào)制級本身由兩組電源供電。    對高頻振蕩信號來說，L1可看作開路，電源

10、EB的交流電位為零，R1與C3并聯(lián)；如果將隔直電容C4近似看作短路，R2看作開路，則可得到圖（b）所示的高頻等效電路。不難看出，它是一個電感三點式振蕩電路。變?nèi)荻O管D的結(jié)電容Cj，充當了振蕩回路中的電抗元件之一。所以振蕩頻率取決于電感L2和變?nèi)荻O管的結(jié)電容Cj的值， 。    變?nèi)荻O管的正極直流接地（L2對直流可視為短路），負極通過R1接+EB，使變?nèi)荻O管獲得一固定的反偏壓，這一反偏壓的大小與穩(wěn)定，對調(diào)頻信號的線性和中心頻率的穩(wěn)定性及精度，起著決定性作用。    對調(diào)制信號來說，L2可視為短路，調(diào)制信號通過

11、隔直流電容C1和L1加到變?nèi)荻O管D的負極，因此，當調(diào)制信號為正半周時，變?nèi)荻O管的反偏電壓增加，其結(jié)電容減小，使振蕩頻率變高；調(diào)制信號為負半周時，變?nèi)荻O管的反偏壓減小，其結(jié)電容增大，使振蕩頻率變低。    由上可見，變?nèi)荻O管調(diào)頻的原理是，用調(diào)制信號去改變加在變?nèi)荻O管上的反偏壓，以改變其結(jié)電容的大小，從而改變高頻振蕩頻率的大小，達到調(diào)頻的目的。由變?nèi)荻O管結(jié)電容Cj變化實現(xiàn)調(diào)頻的波形示意圖如圖Z0917所示。圖Z0918是應(yīng)用電路舉例請讀者自行分析2.使用VCO實現(xiàn)變?nèi)荻O管直接調(diào)頻(圖)調(diào)頻廣播具有抗干擾性能強、聲音清晰等優(yōu)點，獲得了快速的發(fā)展。

12、調(diào)頻電臺的頻帶通常大約是200250kHz，其頻帶寬度是調(diào)幅電臺的數(shù)十倍，便于傳送高保真立體聲信號。由于調(diào)幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機中存在著通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號的頻率局限于308000Hz的范圍內(nèi)。在調(diào)頻時，可以將音頻信號的頻率范圍擴大至3015000Hz，使音頻信號的頻譜分量更為豐富，聲音質(zhì)量大為提高。許多中小功率的調(diào)頻發(fā)射機都采用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻技術(shù)，即在工作于發(fā)射載頻的LC振蕩回路上直接調(diào)頻，采用晶體振蕩器和鎖相環(huán)路來穩(wěn)定中心頻率。較之中頻調(diào)制和倍頻方法，這種方法的電路簡單、性能良好、副波少、維修方便，是一種較先進的頻率調(diào)制方案。變?nèi)荻O管直接調(diào)頻原理二極管通過改變

13、外加反向電壓可以改變空間電荷區(qū)的寬度，從而改變勢壘電容的大小。變?nèi)荻O管是就是利用這種特性制成的特殊的PN結(jié)二極管，是一種電抗可變的非線性電路元件，一般使用的材料為硅或砷化鎵。圖1是變?nèi)荻O管的特性曲線，圖2是變?nèi)荻O管直接調(diào)頻示意圖。變?nèi)荻O管在反向偏置時，結(jié)電容可用下式來表示：，其中，VD為PN結(jié)內(nèi)建電位差，Cj0為外加反向電壓u=0時的結(jié)電容，n為電容變化指數(shù)。n取決于變?nèi)荻O管PN結(jié)的雜質(zhì)分布規(guī)律，對于緩變結(jié)n值等于1/3，突變結(jié)n值等于1/2，超突變結(jié)n值在15之間。變?nèi)荻O管在反向偏置直接調(diào)頻電路中，不能工作于正向偏壓區(qū)。如圖2所示，為了保證變?nèi)荻O管在調(diào)制電壓變化過程中保持反向偏

14、壓，必須加上一個大于調(diào)制信號振幅的反向直流偏壓E0。所以在單音調(diào)制時，變?nèi)荻O管上的電壓u=E0+Ucost，得到結(jié)電容變化規(guī)律為(見本期雜志）式中，稱為電容調(diào)制度，為靜態(tài)工作點時的結(jié)電容。則振蕩回路的諧振角頻率為：(見本期雜志）式中，是未受調(diào)制時的振蕩角頻率，即載波角頻率。將式中作為變量，并在處展開為泰勒級數(shù)，得到：(見本期雜志）從上式可以看出，振蕩器的頻率變化量中不僅包含有與調(diào)制信號成正比的分量，而且含有調(diào)制信號的二次諧波及更高次諧波分量，同時還有中心頻率的漂移。一般總是在保證最大角頻偏的前提下，選擇具有較大變?nèi)葜笖?shù)n的管子，減小電容調(diào)制度m，從而減小中心頻率的漂移，提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度

15、，還要消除各次諧波失真分量，實現(xiàn)線性調(diào)頻。鎖相穩(wěn)頻技術(shù)對于變?nèi)荻O管直接調(diào)頻電路來說，由于調(diào)制器是由普通的LC自激振蕩器和并聯(lián)的變?nèi)荻O管組成，所以有很多因素會引起振蕩頻率發(fā)生變化，這些因素包括變?nèi)荻O管的非線性、電源電壓的變動、負載的變化、溫度等環(huán)境條件的變化、電路元器件老化、機械振動等。為了消除這些導致中心頻率不穩(wěn)定的因素，除了注意電路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計外，還應(yīng)當采用自動相位控制電路使中心頻率穩(wěn)定在規(guī)定范圍以內(nèi)。圖3是典型的鎖相穩(wěn)頻電路的結(jié)構(gòu)框圖。共包括四個部分：壓控振蕩器、鑒相器、基準晶體振蕩器和分頻器。放大的調(diào)制信號加入壓控振蕩器，對其進行頻率調(diào)制，經(jīng)過調(diào)制的高頻信號一路送至后面的放大電路，

16、另一部分送入分頻器進行分頻。分頻器輸出的方波信號送入鑒相器中，與基準晶體振蕩器經(jīng)過分頻后得到的基準信號進行比較，實現(xiàn)相位鎖定。鑒相器的輸出信號經(jīng)過環(huán)路濾波器送入壓控振蕩器中，控制壓控振蕩器的振蕩頻率，從而達到穩(wěn)定頻率的目的。由于調(diào)頻的結(jié)果使壓控振蕩器輸出信號的瞬時頻率總是偏離其基準值，而環(huán)路的功能就是要抑制這種頻偏，這就產(chǎn)生了一個矛盾。為了解決這個矛盾，應(yīng)該使調(diào)制信號的頻譜處于環(huán)路通帶之外，也就是需要在鑒相器和壓控振蕩器之間加一個低通濾波器，將其濾除。環(huán)路只對引起壓控振蕩器平均中心頻率不穩(wěn)定的那一部分起作用，也就是說，已調(diào)信號在中心頻率附近很小的一個頻偏范圍內(nèi)變化。主要電路工作原理本電路實際上

17、是一個小功率調(diào)頻發(fā)射機，其調(diào)制部分采用了變?nèi)荻O管直接調(diào)頻技術(shù)，主要功能是實現(xiàn)87108MHz頻段內(nèi)以100kHz為間隔的調(diào)頻激勵源；輸入調(diào)頻信號為音頻(30Hz15kHz)，要求實現(xiàn)最大頻偏為75kHz，其框圖如圖4所示。下面簡單分析一下各主要部分的工作原理。  VCO電路VCO電路是實現(xiàn)頻率調(diào)制與載波生成的關(guān)鍵性電路部分，其具體電路如圖5所示。4個性能一致的超突變結(jié)變?nèi)荻O管MV209采取較為復雜的串并聯(lián)形式，通過電路的復雜性來換取性能的改善，并采用部分接入法接入諧振回路，即將變?nèi)荻O管C與容量較小的耦合電容C1串聯(lián)，再與一個電容C2并聯(lián)，構(gòu)成回路總電容。這樣做不會改變變?nèi)荻O管

18、的調(diào)頻特性，雖然會在一定程度上減小調(diào)頻電路的最大頻偏，但是可以改善變?nèi)荻O管結(jié)電容隨溫度變化而帶來的中心頻率漂移問題，同時通過調(diào)整耦合電容C1的大小，可以保證變?nèi)荻O管工作在線性區(qū)，并控制頻偏大小。在保證最大頻偏的前提下，盡量消除非線性失真、降低輸出信號的相位噪聲。起振電路中選用具有低轉(zhuǎn)角頻率、低噪聲指數(shù)的雙極性晶體管2SC3356，以提高VCO電路頻譜近端的頻譜質(zhì)量。在起振電路后附加一級射隨器，以減小負載電路對起振電路的影響，從而獲得良好的性能。已調(diào)信號通過射隨器后，分為兩路，一路反饋至MC145170的FIN端口，以構(gòu)成鎖相回路，另一路送入后端的放大電路，以滿足系統(tǒng)的輸出功率要求。鎖相穩(wěn)頻

19、電路鑒相器是穩(wěn)定頻率的核心部分，該部分由數(shù)字鑒相-鑒頻集成芯片MC145170和環(huán)路低通濾波器組成，如圖6所示。標準晶體振蕩器選用MORION公司的溫補晶振MV68系列(10MHz)，頻率偏差小于5×10-6，短期頻率穩(wěn)定度為10-9/S，相位噪聲小于-145dBc/Hz/10kHz，完全可以保證電路滿足系統(tǒng)對頻偏的要求。鎖相環(huán)集成芯片選用了摩托羅拉公司的MC145170，來實現(xiàn)調(diào)頻激勵源的中心頻率在87108MHz內(nèi)以100kHz為間隔的變化。摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC145170是一片可用于MF、HF和VHF波段的、串行碼輸入編程的單模CMOS鎖相環(huán)頻率合成器芯片。該芯片內(nèi)含完全可編

20、程的÷R和÷N計數(shù)器，輸入譯碼器，在fin腳內(nèi)置一放大器，可外接晶體振蕩器，可編程的參考輸出，具有線性轉(zhuǎn)移功能的單端或雙端鑒相器和可調(diào)整的C寄存器。在實際電路中，選用10kHz的鑒相頻率，因此設(shè)置R=1000，N=870010800。同時設(shè)置C寄存器為(C7C6C5C4C3C2C1C0)=(10000000)，選擇R與V雙端輸出，禁止LD、fR、fV、REFOUT輸出，以減小電路功耗，同時降低無用端口對電路的影響。常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器。由它們的傳遞函數(shù)可知，有源比例積分濾波器具有兩個獨立可調(diào)參數(shù)，更重要的是具有滯后-超前特

21、性，有利于環(huán)路的穩(wěn)定。因此，在設(shè)計中采用有源比例積分濾波器，其電原理圖如圖7所示。由前面的分析可知，該鎖相環(huán)是一窄帶載波跟蹤環(huán)，故BL應(yīng)小于調(diào)制頻率30Hz。因此應(yīng)通過調(diào)整環(huán)路濾波器的參數(shù)R1、R2與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)，則根據(jù)公式，可以得到R1=170k，R2=7.5k。PCB板的設(shè)計與測試結(jié)果頻率合成器對饋電電源、地線分布等電磁兼容問題都有著較嚴格的要求。這是因為電源和數(shù)據(jù)總線的噪聲能耦合到鎖相環(huán)系統(tǒng)中，使得相噪和雜散變壞。因此，在布局PCB版圖時，應(yīng)做到一下幾點。(1)對鑒相器、壓控振蕩器分別單獨供電、單獨穩(wěn)壓，穩(wěn)壓器的輸入、輸出端都接有型濾波電路；(2)布線、元件排列應(yīng)該盡量整齊；(3)電源線應(yīng)該加寬，約為1mm寬，信號線寬度也要達到0.75mm。采取以上措施能夠有效地濾除所有無用頻率和電源紋波，抑制各種干擾和噪聲，降低頻率合成器的相位噪聲和雜散。下面表1和表2給出了在載頻為100MHz時的各項測試指標，表3則給出了該電路在各載頻頻點的調(diào)頻信噪比指標。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，本電