調(diào)頻發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

1、惠州學(xué)院HUIZHOU UNIVERSITY 高頻電子線路課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目 調(diào)頻發(fā)射機(jī) 系 別 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 一、設(shè)計(jì)題目:調(diào)頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)與要求:1工作電壓：Vcc=+12V；(天線)負(fù)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(shè)計(jì)目的:設(shè)計(jì)一個(gè)采用直接調(diào)頻方式實(shí)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(jī)，可用于語音信號(hào)的無線傳輸、對(duì)講機(jī)中的發(fā)射電路等。四、設(shè)計(jì)框圖與分析:（一）總設(shè)計(jì)方框圖變?nèi)荻O

2、管直接調(diào)頻電路調(diào)制信號(hào)調(diào)頻信號(hào)載波信號(hào)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(qiáng)的抗干擾能力與效率.所以在無線通信、廣播電視、遙控測(cè)量等方面有廣泛的應(yīng)用。（二）實(shí)用發(fā)射電路方框圖 ( 實(shí)際功率激勵(lì)輸入功率為 1.56mW) 擬定整機(jī)方框圖的一般原則是，在滿足技術(shù)指標(biāo)要求的前提下，應(yīng)力求電路簡單、性能穩(wěn)定可靠。單元電路級(jí)數(shù)盡可能少，以減少級(jí)間的相互感應(yīng)、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(huì)很大，整機(jī)電路可以設(shè)計(jì)得簡單些，設(shè)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(hào)，變?nèi)荻O管線性調(diào)頻，最大頻偏，整個(gè)發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度由該級(jí)決定。(2)緩沖隔離級(jí)：將振蕩級(jí)與功放級(jí)隔離，以減小功放級(jí)對(duì)振蕩級(jí)的影響。因?yàn)楣Ψ偶?jí)輸出信號(hào)較大，當(dāng)其工作狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)（如諧振阻抗變化），會(huì)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(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，為減小級(jí)間相互影響，通常在中間插入緩沖隔離級(jí)。緩沖隔離級(jí)電路常采用射極跟隨器電路。(3)功率激勵(lì)級(jí)：為末級(jí)功放提供激勵(lì)功率。如果發(fā)射功率不大，且振蕩級(jí)的輸出能夠滿足末級(jí)功放的輸入要求，功率激勵(lì)級(jí)可以省去。 (4)末級(jí)功放  

4、; 將前級(jí)送來的信號(hào)進(jìn)行功率放大，使負(fù)載（天線）上獲得滿足要求的發(fā)射功率。若整機(jī)效率要求不高如而對(duì)波形失真要求較小時(shí)，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(shè)計(jì)原理圖:實(shí)際的無線調(diào)頻發(fā)射機(jī)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(hào)控制變?nèi)荻O管的結(jié)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(hào)的頻率隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，即實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。調(diào)頻后的信號(hào)經(jīng)過緩沖隔離、寬放和功放后通過天線發(fā)射出去。六、設(shè)計(jì)性能分析:(1)發(fā)射功率發(fā)射功率指發(fā)射機(jī)

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

6、偏越大。七、電路參數(shù)的計(jì)算與元件選擇整機(jī)電路的實(shí)際計(jì)算順序一般是從末級(jí)單元電路開始，向前逐級(jí)進(jìn)行。而電路的組裝和調(diào)試順序一般是從前級(jí)單元電路開始向后級(jí)逐級(jí)進(jìn)行?！疽弧吭鲆娣峙渑c功率放大器的設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)的輸出應(yīng)具有一定的功率才能將信號(hào)發(fā)射出去，但是功率增益又不可能集中在末級(jí)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(jī)的各組成部分的作用，適當(dāng)?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(lì)級(jí)和末級(jí)功放的功率增益可適當(dāng)小些。功率激勵(lì)級(jí)一般采用高頻寬帶放大器，末級(jí)功放可采用丙類諧振功率放大器。緩沖級(jí)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(xiàng)指標(biāo)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(jí)寬帶放大器加一級(jí)丙類功放實(shí)現(xiàn)，其電路形式如圖4-1所示。圖4-1 功率激勵(lì)與末級(jí)功放電路(一)丙類功率放大器(末級(jí)功放)設(shè)計(jì)1、基本關(guān)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(jī)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(dāng)放大器的輸入信號(hào)Vi為正弦波時(shí)，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(fù)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(dǎo)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(fù)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(shè)本級(jí)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(shè)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(jì)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(fù)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(jí)線圈總匝數(shù)比N=N3+N4高頻變壓器及高頻電感的磁芯應(yīng)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(shí)鐵損耗過大。NXO-100環(huán)形鐵氧體作高頻變壓器磁芯時(shí)，工作頻率可達(dá)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(dǎo)率；N為變壓器初級(jí)線圈匝數(shù)；A=25mm2為磁芯截面積；l=25mm為平均磁路長度。計(jì)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(jì)算值只能作為參考值，由于分布參數(shù)的影響，與設(shè)計(jì)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(biāo)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(lì)級(jí))設(shè)計(jì)功率激勵(lì)級(jí)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(jì)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(yīng)等于下級(jí)丙類功放的輸入功率Pi=25mW，其輸出負(fù)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(shí)際輸出功率PO設(shè)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(fù)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(jí)線圈匝數(shù)N1=6。(5)發(fā)射極直流負(fù)反饋電阻R13 取標(biāo)稱值360(6)功放輸入功率Pi本級(jí)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(fù)反饋電阻為10，則(8)本級(jí)輸入電壓振幅Uim2、計(jì)算電路靜態(tài)工作點(diǎn)(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(biāo)稱值R12=3k。 為了調(diào)節(jié)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，R11可由標(biāo)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(luò),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(jí)與負(fù)載之間插入LC濾波器，以改善負(fù)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(jí)電路(射極輸出器)設(shè)計(jì)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(diǎn)取出信號(hào)，并加入隔離、緩沖級(jí)如射極輸出器，以減弱外接負(fù)載對(duì)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(diǎn)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(hào)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(jié)合，具有穩(wěn)定工作點(diǎn)特點(diǎn)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(fù)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(diǎn)應(yīng)位于交流負(fù)載線的中點(diǎn)，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(biāo)稱值R9=10k。取標(biāo)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(duì)前一級(jí)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(shè)計(jì)調(diào)頻振蕩電路的作用是產(chǎn)生頻率的高頻振蕩信號(hào)。變?nèi)荻O管為線性調(diào)頻，

18、最大頻偏。發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度由該級(jí)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(hào)直接線性地改變載波瞬時(shí)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(hào)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(hào)規(guī)律變化，實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻。 1、LC 振蕩器主要技術(shù)指標(biāo)：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(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)本題對(duì)頻率穩(wěn)定度要求不是很高，故選用圖1-7所示的改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器與變?nèi)荻O管調(diào)頻電路。(2)三點(diǎn)式振蕩器設(shè)計(jì)：基極偏置電路元件R1、R2、R3、R4、

19、C1的計(jì)算圖中，晶體管V1與C2、C3、C4、C5、Cj、L1組成改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器，V1為共基組態(tài)，C1為基級(jí)耦合電容。 其靜態(tài)工作點(diǎn)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(yán)重，頻率穩(wěn)定性降低。ICQ偏小對(duì)應(yīng)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(diǎn)取,測(cè)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(dāng)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(biāo)稱值R2

20、=8.2k。根據(jù)公式 得R1=28.2K 實(shí)際運(yùn)用時(shí)R1取20k電阻與47k電位器串聯(lián)，以便調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。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(shè)計(jì)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(shí)的反向偏置電壓VQ，。R5為隔離電阻，為了減小調(diào)制信號(hào)Ui對(duì)VQ的影響，一般要求R5遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R6和R7。C6和高頻扼流圈ZL1對(duì)Ui相當(dāng)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(jié)電容，它與外加電壓的關(guān)系為 (

21、 Cj0 為變?nèi)莨?偏時(shí)結(jié)電容,UD 為其PN結(jié)內(nèi)建電位差, 為變?nèi)葜笖?shù)) 變?nèi)荻O管參數(shù)選擇測(cè)變?nèi)荻O管的特性曲線，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。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(jì)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(gòu)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(duì)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(duì)變?nèi)菥w管的影響，p值應(yīng)取小，但p值過小又會(huì)使頻偏達(dá)不到指標(biāo)要求，可以先取p=0.2。則 ，取標(biāo)稱值。（VQ=-4V時(shí)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(shí)諧振回路的總電容為 代入元件值可得 由公式 可得 計(jì)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(shí)際運(yùn)用時(shí) 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(yīng)遠(yuǎn)大于R6、R7，取R5=150k。低頻調(diào)制信號(hào)Ui的耦合支路電容C6及電感ZL1應(yīng)對(duì)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(yīng)對(duì)調(diào)制信號(hào)Ui呈現(xiàn)高阻，取。3、計(jì)算調(diào)制信號(hào)的幅度為達(dá)到最大頻偏的要求

24、，調(diào)制信號(hào)的幅度，可由下列關(guān)系式求出。                                因 式中，靜態(tài)時(shí)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(jié)電容的最大變化量                 由變?nèi)荻O管2CC1C的特性曲線可得，當(dāng) 時(shí)，特性曲線的斜率，故調(diào)制信號(hào)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(jié): 通過本次課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步掌握了小功率調(diào)頻發(fā)射機(jī)的原理及其主要技術(shù)指標(biāo)。在設(shè)計(jì)的過程中，我們解決了一個(gè)又一個(gè)的難題，克服了種種困難。例如：如何解決發(fā)射機(jī)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(xué)請(qǐng)教，我們解決了一系列的問題。由于時(shí)間蒼促，設(shè)計(jì)之中難免出現(xiàn)不足之