小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)

1、1 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)整體概述1.1 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)的初步認(rèn)識(shí) 發(fā)射機(jī)的主要任務(wù)是完成有用的低頻信號(hào)對(duì)高頻載波的調(diào)制，將其變?yōu)樵谀骋恢行念l率上具有一定帶寬、適合通過(guò)天線發(fā)射的電磁波。調(diào)幅發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)幅簡(jiǎn)便，調(diào)制所占的頻帶窄，并且與之對(duì)應(yīng)的調(diào)幅接收設(shè)備簡(jiǎn)單，所以調(diào)幅發(fā)射機(jī)廣泛地應(yīng)用于廣播發(fā)射。所謂調(diào)幅，就是指，使振幅隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，嚴(yán)格的講，就是指載波振幅與調(diào)制信號(hào)的大小成線性關(guān)系，而它的頻率和相位不變。振幅調(diào)制分為4種方式：AM（普通調(diào)幅）、DSB（抑制載波雙邊帶調(diào)幅）、SSB（單邊帶調(diào)幅）、VSB（殘留邊帶調(diào)幅）。本設(shè)計(jì)調(diào)幅發(fā)射機(jī)指的是AM調(diào)幅發(fā)射機(jī)。通常，發(fā)射機(jī)包括三個(gè)部分：高頻部

2、分，低頻部分和電源部分。高頻部分一般包括主振蕩器、緩沖放大、倍頻器、中間放大、功放推動(dòng)級(jí)與末級(jí)功放。主振蕩器的作用是產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的載波。緩沖級(jí)主要是削弱后級(jí)對(duì)主振器的影響。低頻部分包括話筒、低頻電壓放大級(jí)、低頻功率放大級(jí)。調(diào)制是將要傳送的信息裝載到某一高頻振蕩信號(hào)上去的過(guò)程。1.2 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)在設(shè)計(jì)調(diào)幅發(fā)射機(jī)時(shí)，主要遵循如下性能指標(biāo)：工作頻率范圍：調(diào)幅制一般適用于中、短波廣播通信，其工作頻率范圍為300kHz30MHz。發(fā)射功率：一般是指發(fā)射機(jī)送到天線上的功率。只有當(dāng)天線的長(zhǎng)度與發(fā)射頻率的波長(zhǎng)可比擬時(shí)，天線才能有效地把載波發(fā)射出去。波長(zhǎng)與頻率f的關(guān)系為=c/f。調(diào)幅系數(shù)：調(diào)

3、幅系數(shù)ma是調(diào)制信號(hào)控制載波電壓振幅變化的系數(shù)，ma的取值范圍為01，通常以百分?jǐn)?shù)的形式表示，即0%100%。 頻率穩(wěn)定度：發(fā)射機(jī)的每個(gè)波道都有一個(gè)標(biāo)稱(chēng)的射頻中心工作頻率，用f0表示。工作頻率的穩(wěn)定度取決于發(fā)信本振源的頻率穩(wěn)定度。設(shè)實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱(chēng)工作頻率的最大偏差值為f，則頻率穩(wěn)定度的定義為K=f0/f。式中為K為頻率穩(wěn)定度。 非線性失真（包絡(luò)失真）：調(diào)制器的調(diào)制特性不能跟調(diào)制電壓線性變化而引起已調(diào)波的包絡(luò)失真為調(diào)幅發(fā)射機(jī)的非線性失真，一般要求小于10%。線性失真：保持調(diào)制電壓振幅不變，改變調(diào)制頻率引起的調(diào)幅度特性變化稱(chēng)為線性失真。噪聲電平：噪聲電平是指沒(méi)有調(diào)制信號(hào)時(shí)，由噪聲產(chǎn)生的調(diào)制度與

4、信號(hào)最大時(shí)間的調(diào)幅度比，廣播發(fā)射機(jī)的噪聲電平要求小于0.1%，一般通信機(jī)的噪聲電平要求小于1%。總效率：發(fā)射機(jī)發(fā)射的總功率PA與其消耗的總功率PC之比稱(chēng)為發(fā)射機(jī)的總效率，即=PA/PC。本次課程設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)如下：工作頻率 f=8MHz，發(fā)射功率P0>=300mW，調(diào)制度ma=50%，整波效率大于40%，頻率穩(wěn)定度： 。 2 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)原理框圖 調(diào)幅發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)原理框圖如下圖圖1所示，其工作原理是：高頻振蕩器產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的高頻載波信號(hào)，它的輸出經(jīng)過(guò)高頻小信號(hào)諧振放大器之后送至調(diào)制器；音頻放大器放大來(lái)自話筒的語(yǔ)音信號(hào)，該放大器為低頻功率放大器，其輸出也送

5、至調(diào)制器；調(diào)制器將經(jīng)過(guò)放大的語(yǔ)音信號(hào)調(diào)制，輸出是已調(diào)幅的高頻信號(hào)；該已調(diào)信號(hào)輸出經(jīng)帶通或低通濾波器濾波，最后由功放級(jí)將載頻信號(hào)的功率放大到所需發(fā)射功率，然后通過(guò)天線向外發(fā)射電磁波。 圖1 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)系統(tǒng)原理框圖本機(jī)振蕩：產(chǎn)生高頻率的載波信號(hào)。緩沖隔離級(jí)：將晶體振蕩級(jí)與調(diào)制級(jí)隔離，減小調(diào)制級(jí)對(duì)晶體振蕩級(jí)的影響；將功率激勵(lì)級(jí)與調(diào)制級(jí)隔離，減小功率激勵(lì)級(jí)對(duì)調(diào)制級(jí)的影響。話音放大級(jí)：將話筒信號(hào)電壓放大到調(diào)制級(jí)所需的調(diào)制電壓。調(diào)制級(jí)：將話音信號(hào)調(diào)制到載波上，產(chǎn)生已調(diào)波。功率激勵(lì)級(jí)：為末級(jí)功放提供激勵(lì)功率。末級(jí)功放：對(duì)前級(jí)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行功率放大，在負(fù)載上獲得滿(mǎn)足要求的發(fā)射功率2.2 單元電路設(shè)計(jì)方案

6、2.2.1 高頻振蕩器高頻振蕩器即為本機(jī)振蕩器，根據(jù)載波頻率的高低和頻率穩(wěn)定度來(lái)確定電路形式。一般采用三點(diǎn)式振蕩器，其基本電路如下圖圖2所示。電容三點(diǎn)式振蕩器的輸出波形比電感三點(diǎn)式振蕩器的輸出波形好。這是因?yàn)殡娙萑c(diǎn)式振蕩器中，反饋是由電容產(chǎn)生的，高次諧波在電容上產(chǎn)生的反饋壓降較小，輸出中高頻諧波小；而在電感三點(diǎn)式振蕩器中，反饋是由電感產(chǎn)生的，高次諧波在電感上產(chǎn)生的反饋壓降較大。另外，電容三點(diǎn)式振蕩器最高工作頻率一般比電感三點(diǎn)式振蕩器的高。這是因?yàn)樵陔姼腥c(diǎn)式振蕩器中，晶體管的極間電容與回路電感相并聯(lián)，在頻率高時(shí)可能改變電抗的性質(zhì)；在電容三點(diǎn)式振蕩器中，極間電容與電容并聯(lián)，頻率變化不改變電抗的

7、性質(zhì)。因此振蕩器的電路型式一般采用電容三點(diǎn)式。在頻率穩(wěn)定度要求不高的情況下，可以采用克拉潑，西勒電路。頻率穩(wěn)定度要求高的情況下，可以采用晶體振蕩器，也可以采用單片集成振蕩電路。 頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一項(xiàng)十分重要的技術(shù)指標(biāo)，表示一定時(shí)間范圍內(nèi)或一定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對(duì)變化程度，振蕩頻率的相對(duì)變化量越小，則表明振蕩頻率穩(wěn)定度越高。本機(jī)放大電路的輸出是發(fā)射機(jī)的載波信號(hào)源，要求它的振蕩頻率應(yīng)十分穩(wěn)定。一般的LC振蕩電路，其日頻率穩(wěn)定度約為10-210-3，晶體振蕩電路的Q值可達(dá)數(shù)萬(wàn)，其日頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-510-6.因此，在本設(shè)計(jì)中本機(jī)振蕩電路采用晶體振蕩器。圖2 三點(diǎn)式

8、振蕩器的基本電路2.2.2 語(yǔ)音放大器 語(yǔ)音放大器主要是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行放大和限頻，經(jīng)過(guò)放大的音頻信號(hào)送到調(diào)制器對(duì)高頻載波進(jìn)行調(diào)制。本機(jī)語(yǔ)音放大器采用UA741。UA741是高增益的集成運(yùn)算放大器。可用于此處放大低頻語(yǔ)音信號(hào)。其管腳圖如下圖圖3所示。 圖3 UA741管腳圖2.2.3 振幅調(diào)制電路振幅調(diào)制器的任務(wù)是將所需傳送的信息加載到高頻振蕩中，以調(diào)幅波的調(diào)制形式傳送出去。通常采用低電平調(diào)制和高電平調(diào)制兩種方式。采用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法是屬于低電平調(diào)制，輸出功率小，必須使用高頻功率放大器才能達(dá)到發(fā)射功率的要求。采用集電極調(diào)幅電路實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方式屬于高電平調(diào)制。如果集電極調(diào)幅電路的輸出功率能夠

9、滿(mǎn)足發(fā)射功率的要求，就可以在調(diào)制級(jí)將信號(hào)直接發(fā)射出去。低電平調(diào)幅電路輸出功率小，適用于低功率系統(tǒng)。它的電路形式有多種，如斬波調(diào)幅器、平衡調(diào)幅器、模擬乘法器調(diào)幅等，比較常用的是采用模擬乘法器形式制成的集成調(diào)幅電路，即集成模擬乘法器MC1496調(diào)幅。這種集成電路的出現(xiàn)，使產(chǎn)生高質(zhì)量調(diào)幅信號(hào)的過(guò)程變得極為簡(jiǎn)單，而且成本很低。高電平調(diào)幅電路輸出功率大，一般在系統(tǒng)末級(jí)直接產(chǎn)生滿(mǎn)足發(fā)射要求的調(diào)幅波。它的電路形式主要有集電極調(diào)幅和基極調(diào)幅兩種。集電極調(diào)幅電路的優(yōu)點(diǎn)是效率高，晶體管獲得充分的應(yīng)用；缺點(diǎn)是需要大功率的調(diào)制信號(hào)源?；鶚O調(diào)幅電路的優(yōu)缺點(diǎn)正好與之相反，它的平均集電極效率不高，但所需的調(diào)制功率很小，有利

10、于調(diào)幅發(fā)射系統(tǒng)整機(jī)的小型化。本設(shè)計(jì)中，采用模擬乘法器MC1496構(gòu)成調(diào)幅電路，其引腳圖如下圖圖4所示。用它可以容易的實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)的相乘，將放大的語(yǔ)音信號(hào)同高頻載波相乘，從而得到調(diào)制信號(hào)。圖4 MC1496引腳圖2.2.4高頻功率放大器功率放大器主要有甲類(lèi)、甲乙類(lèi)或乙類(lèi)（限于推挽電路）、丙類(lèi)功放，根據(jù)功放的輸出功率和效率來(lái)確定選擇哪一種。采用低電平調(diào)幅電路的系統(tǒng)，由于調(diào)制器輸出信號(hào)為調(diào)幅波，其后的功率放大器必須是線性的（如甲類(lèi)、甲乙類(lèi)或乙類(lèi)功放）；而采用高電平調(diào)幅電路的系統(tǒng)，則在末級(jí)直接產(chǎn)生達(dá)到輸出功率要求的調(diào)幅波，多以丙類(lèi)放大器作為此時(shí)的末級(jí)電路。高頻功率放大器是調(diào)幅發(fā)射機(jī)的末級(jí)，它的任務(wù)是要給

11、出發(fā)射機(jī)所需要的輸出功率。本設(shè)計(jì)研究的是小功率調(diào)幅發(fā)射系統(tǒng)，通常采用丙類(lèi)功率放大器，如果一級(jí)不能滿(mǎn)足指標(biāo)要求，可以選用兩級(jí)。一般末級(jí)功率放大器工作在臨界狀態(tài)，中間級(jí)可以工作在弱過(guò)壓狀態(tài)。 調(diào)幅發(fā)射機(jī)的各單元電路可以用分立元件組成的電路完成，也可以用集成電路來(lái)完成。本次設(shè)計(jì)采用分離的原件組成的電路完成。3單元電路設(shè)計(jì)3.1高頻振蕩器和語(yǔ)音放大電路高頻振蕩器是調(diào)幅發(fā)射機(jī)的核心部件，主要用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定、幅度較大、波形失真小的高頻正弦波信號(hào)作為載波信號(hào)。本級(jí)用來(lái)產(chǎn)生8MHz左右的高頻振蕩載波信號(hào)，由于整個(gè)發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度由主振級(jí)決定，因此要求主振級(jí)有較高的頻率穩(wěn)定度，同時(shí)也要有一定的振蕩功率（

12、或電壓），其輸出波形失真較小。為此，這里采用西勒振蕩電路，可以滿(mǎn)足要求。為了解決頻率穩(wěn)定度和振蕩幅度的矛盾，常采用部分接入方式。由前述可知，為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅及容易起振，當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)確定后，晶體管內(nèi)部參數(shù)的值就一定，對(duì)于小功率晶體管可以近似認(rèn)為，反饋系數(shù)大小應(yīng)在0.150.5范圍內(nèi)選擇。如圖3-1-1西勒振蕩器電路所示、提供偏置電壓使三極管工作在放大區(qū)，起到濾波作用。輸出電路的總電容： 振蕩頻率為： 在此西勒振蕩器電路中，由于和L并聯(lián)，所以變化不會(huì)影響回路的接入系數(shù)，如果使固定，可以通過(guò)改變來(lái)改變振蕩頻率，因此，西勒振蕩器可用作波段振蕩器，適用于較寬波段工作。晶體振蕩器和話音放大電

13、路的電路圖如圖3所示。其中，晶體、C1、C2、C3與T1構(gòu)成改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路（克拉潑電路），振蕩頻率由晶振的等效電容和電感決定，電路中T1構(gòu)成靜態(tài)工作點(diǎn)由R1、R2、R3決定。在設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)首先設(shè)定晶體管的集電極電流ICQ，一般取0.5mA4mA，ICQ太大會(huì)引起輸出波形失真，產(chǎn)生高次諧波。設(shè)晶體管=60，Icq=2mA，VEQ=（1213）Vcc，則可算出R1，R2、R3。如下圖圖5所示。圖5 晶體振蕩器和話音放大電路3.2調(diào)制電路3.2.1 調(diào)制電原理圖根據(jù)上面的方案設(shè)計(jì)，選定模擬乘法器MC1496構(gòu)成的調(diào)幅電路如下圖圖6所示。X通道兩輸入端8和10腳直流電位均為6V，可作

14、為載波輸入通道；Y通道兩輸入端1和4腳之間有外接調(diào)零電路；輸出端6和12腳外可接調(diào)諧于載頻的帶通濾波器；2和3腳之間外接Y通道負(fù)反饋電阻R8。若實(shí)現(xiàn)普通調(diào)幅，可通過(guò)調(diào)節(jié)10k電位器RP1使1腳電位比4腳高，調(diào)制信號(hào)與直流電壓疊加后輸入Y通道，調(diào)節(jié)電位器可改變的大小，即改變調(diào)制指數(shù)Ma；若實(shí)現(xiàn)DSB調(diào)制，通過(guò)調(diào)節(jié)10k電位器RP1使1、4腳之間直流等電位，即Y通道輸入信號(hào)僅為交流調(diào)制信號(hào)。為了減小流經(jīng)電位器的電流，便于調(diào)零準(zhǔn)確，可加大兩個(gè)750電阻的阻值，比如各增大10。MC1496線性區(qū)好飽和區(qū)的臨界點(diǎn)在15-20mV左右，僅當(dāng)輸入信號(hào)電壓均小于26mV時(shí)，器件才有良好的相乘作用，否則輸出電壓

15、中會(huì)出現(xiàn)較大的非線性誤差。顯然，輸入線性動(dòng)態(tài)范圍的上限值太小，不適應(yīng)實(shí)際需要。為此，可在發(fā)射極引出端2腳和3腳之間根據(jù)需要接入反饋電阻R8=1k，從而擴(kuò)大調(diào)制信號(hào)的輸入線性動(dòng)態(tài)范圍，該反饋電阻同時(shí)也影響調(diào)制器增益。增大反饋電阻，會(huì)使器件增益下降，但能改善調(diào)制信號(hào)輸入的動(dòng)態(tài)范圍。MC1496可采用單電源，也可采用雙電源供電，其直流偏置由外接元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。1腳和4腳所接對(duì)地電阻R5、R6決定于溫度性能的設(shè)計(jì)要求。若要在較大的溫度變化范圍內(nèi)得到較好的載波抑制效果（如全溫度范圍-55至+125），R5、R6一般不超過(guò)51；當(dāng)工作環(huán)境溫度變化范圍較小時(shí)，可以使用稍大的電阻。 圖6 調(diào)制電路原理圖=3.2

16、.2 MC1496的搭建模擬乘法器是完成兩個(gè)模擬量（電壓或電流）相乘的電子器件。高頻電子線路中的振幅解調(diào)，同步檢波，混頻，倍頻，鑒頻，鑒相等調(diào)制和解調(diào)的過(guò)程，均可視為兩個(gè)信號(hào)相乘或包含相乘的過(guò)程。采用集成模擬乘法器實(shí)現(xiàn)上述功能比采用分立器件要簡(jiǎn)單得多，而且性能優(yōu)越。課設(shè)運(yùn)用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此MC1496需要自己搭建，其原理電路圖如圖7所示。MC1496是四象限模擬乘法器，其內(nèi)部電路圖和引腳圖如圖10-1所示。其中V1、V2與V3、V4組成雙差分放大器，以反極性方式相連接，而且兩組差分對(duì)的恒流源V5與V6又組成一對(duì)差分電路，因此恒流源的控制電壓可正可負(fù)，以此實(shí)現(xiàn)了四象限工作

17、。V7、V8為差分放大器V5與V6的恒流源。圖7 MC1496搭建圖 3.4 整體電路設(shè)計(jì)將以上各級(jí)單元電路一次連接就構(gòu)成了小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)整體電路原理圖，如圖9所示：圖9 小功率調(diào)幅發(fā)射機(jī)整體電路4 調(diào)試與仿真4.1晶體振蕩器的調(diào)試調(diào)晶體振蕩器時(shí)，應(yīng)先斷開(kāi)晶振，使振蕩器不振蕩，再用萬(wàn)用表測(cè)三極管的各極電壓。VEQ應(yīng)滿(mǎn)足VEQ（R2+R3）Icq=2mA，若不滿(mǎn)足則可調(diào)整R1的值。將三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試正確以后，再接上晶振，測(cè)量振蕩器的振蕩頻率和輸出電壓幅度，如圖8所示：圖8 晶體振蕩器的調(diào)試4.2調(diào)制器的測(cè)試測(cè)調(diào)制器電路靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使本振信號(hào)V0=0.先測(cè)MC1496五角的電壓Vs，調(diào)整R5的值，是V5R5=I0；然后測(cè)量各點(diǎn)靜態(tài)工作電壓，其值應(yīng)與設(shè)計(jì)值大致相同。加本振電壓v0=100mV，使調(diào)制電壓v=0，調(diào)節(jié)RP3使mc1496輸出信號(hào)為最小值，再使v=100mV，這時(shí)測(cè)得的輸出波形應(yīng)為載波被抑制的雙邊帶信號(hào)波形，在調(diào)節(jié)RP3使輸出波形為ma=50%的調(diào)幅波，如圖9所示：圖9 調(diào)制器測(cè)試4.3整機(jī)聯(lián)調(diào)及其常見(jiàn)故障分析晶振級(jí)與緩沖級(jí)聯(lián)調(diào)時(shí)緩沖級(jí)輸出電壓明顯減小或波形失真的情況。產(chǎn)生的主要原因是緩沖級(jí)的輸入阻抗不夠大，使晶振級(jí)負(fù)載加重。這可通過(guò)增大緩沖級(jí)的射極電阻RP1來(lái)提高緩沖輸入級(jí)輸入阻抗，也可通過(guò)減小C4，即減小晶振級(jí)與緩沖級(jí)的耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)