调频发射机的设计和制作.docx
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调频发射机的设计和制作
调频发射机的设计和制作
1.课程设计的目的
（1）掌握小功率调频发射机整机电路的设计方法。
（2）学会如何将高频单元电路组合起来实现满足工程实际需要的整机电路。
（3）能够使用电路仿真软件进行电路调试。
2.设计方案论证
2.1总体方案
（1）调频发射机的整机电路的设计方法整机电路的设计计算顺序一般是从末级单元电路开始，向前逐级进行。
而电路的装调顺序一般从前级单元电路开始，想后级逐级进行。
电路的调试顺序先分级调整单元电路的静态工作点，测量其性能参数；然后在逐级进行联调，直到整机调试；最后进行整机技术指标测试。
由于功放运用的折线分析方法，其理论计算为近似值。
（2）高频电路由于受分布参数及各种耦合与干扰的影响，其稳定性比起低频电路来要差些，因此调试工作比较复杂，特别是整机调试，应前后级多次反复调整，直到满足技术指标要求。
⑶调频可以有两种实现的方法，一种是直接调频，就是用调制信号直接控制振荡器的频率使其按调制信号的规律呈线性变化。
另一种就是间接调频，先对调制信号进行积分，再对载波进行相位调制。
两种调频电路在性能上的一个重大差别是收到调频特性非线性限制的参数不同，间接调频电路提供的最大频偏较小，二直接调频可以得到比较大的频偏。
2.2各部分设计及原理分析
2.2.1电路的基本原理
通常小功率发射机采用直接调频方式，其组成框图如图1所示，电路原理图如图2所示。
图1直接调频方式的组成框图
图2小型调频发射机参考电路
其中高频振荡级主要是产生频率稳定、中心频率符合指标要求的正弦波信号，且其频率受到外加音频信号电压调变；缓冲级主要是对调频振荡信号进行放大，以提供末级所需的激励功率，同时还对前后级起有一定的隔离作用，为避免级功放的工作状态变化而直接影响振荡级的频率稳定度；，功放级的任务是确保高效率输出足够大的高频功率，并馈送到天线进行发射。
2.2.2选择各级电路形式和各级元器件参数的计算
（1）频振荡级
由于是固定的中心频率，可考虑采用频率稳定度较高的克拉泼振荡电路。
所谓频率稳定就是在各个外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。
振荡器的频率不近决定于振荡回路元件值LC，而且与振荡管的输入/输出阻抗有关，当外界因素（如电源电压、温度、湿度等）变化时，这些参数（如振荡频率、回路品质因数Q等）变化从而对频率稳定度发生变化。
（2）缓冲级
由于对该级有一定增益要求，考虑到中心频率固定，因此可采用以LC并联回路作负载的小信号谐振放大器电路。
缓冲放大级采用谐振放大，L和C谐振在振荡载波频率上。
若通频带太窄或出现自激则可以在L两端并联上适当电阻以降低回路品质因数Q的值。
该缓冲放大级可工作于甲类用来保证足够的电压放大。
对该级管子的要求是：
至于谐振回路的计算，一般先根据
计算出LC的乘积值，然后选择合适的C再求出L、C根据本课题的频率可取100pF—200pF。
（3）功放输出级
为了获得较大的功率增益和较高的集电极效率，该级可采用共发射极电路，同时使其工作在丙类状态，组成丙类谐振功率放大器，输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，从结构简单、调节方便起见，本课题可采用
п型网络，计算元件参数时通常取
在10以内，功放管要满足以下条件：
2.3参考电路
2.3.1间接调频
采用间接调频的方式，其组成如图3所示。
其正弦波振荡器一般采用高频稳度的晶体振荡器，产生的载波通过调相器后引入一个可控的附加相移，从而达到间接调频的目的。
考虑到电路的复杂度故采用直接调频的方案。
图3间接调频组成
2.3.2振荡级
在调频振荡级可选用电感三点式，电容三点式和晶体振荡器产生正弦波电压。
本实验采用较为稳定的克拉泼电路如图4所示三极管。
T1应为甲类工作状态，其静态工作点不应设的太高，工作点太高振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将使振荡波形严重失真，但工作点太低将不易起振。
在克拉泼电路中C1，C2受三极管级间电容Cce，Cbe，Ccb的影响。
因此，在电容的取值上应该满足C4
C1,C4
C2.（C1=220pC2=220pC4=100p）。
又因为
，所以
3.5uH。
图4克拉泼电路
2.3.3缓冲级
为了使第三级能够达到额定功率必须加大激励即Vbm，因此要求缓冲级有一定的增益，考虑到中心频率固定，可采用LC并联回路作负载的小信号谐振放大器。
由
可得
1.7uH
2.3.4功率输出级
为了有较高的效率和稳定的输出可用丙类功放电路，如图5。
同上可得
1.1uH.级与级之间还应加入级间耦合电容，电容取值应对交流近似短路（
）。
图5丙类功放电路
2.3.5变容二极管调频电路
常用的变容二极管主要参量是：
零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围（以皮法为单位）以及截止频率等。
变容二极管直接调频电路如图6所示，特性曲线如图7所示。
图6变容二极管调频电路
图7变容二极管特性曲线
图中D为变容二极管，C2、L1、和C3组成低通滤滤器，以保证调制信号顺利加到调频级上，同时也防止调制信号影响高频振荡回路，或高频信号反串入调制信号电路中。
调制级本身由两组电源供电。
对高频振荡信号来说，L1可看作开路，电源EB的交流电位为零，R1与C3并联；如果将隔直电容C4近似看作短路，R2看作开路，则可得到高频等效电路。
变容二极管D的结电容Cj，充当了振荡回路中的电抗元件之一。
所以振荡频率取决于电感L2和变容二极管的结电容Cj的值，
。
变容二极管的正极直流接地（L2对直流可视为短路），负极通过R1接+EB，使变容二极管获得一固定的反偏压，这一反偏压的大小与稳定，对调频信号的线性和中心频率的稳定性及精度，起着决定性作用。
对调制信号来说，L2可视为短路，调制信号通过隔直流电容C1和L1加到变容二极管D的负极，因此，当调制信号为正半周时，变容二极管的反偏电压增加，其结电容减小，使振荡频率变高；调制信号为负半周时，变容二极管的反偏压减小，其结电容增大，使振荡频率变低。
由上可见，变容二极管调频的原理是，用调制信号去改变加在变容二极管上的反偏压，以改变其结电容的大小，从而改变高频振荡频率的大小，达到调频的目的。
由变容二极管结电容Cj变化实现调频的波形示意图如图8所示。
图8实现调频的波形
2.3.6变容二极管直接调频原理
二极管通过改变外加反向电压可以改变空间电荷区的宽度，从而改变势垒电容的大小。
变容二极管是就是利用这种特性制成的特殊的PN结二极管，是一种电抗可变的非线性电路元件，一般使用的材料为硅或砷化镓。
变容二极管在反向偏置直接调频电路中，不能工作于正向偏压区。
为了保证变容二极管在调制电压变化过程中保持反向偏压，必须加上一个大于调制信号振幅的反向直流偏压E0。
由此可以看出，振荡器的频率变化量中不仅包含有与调制信号成正比的分量，而且含有调制信号的二次谐波及更高次谐波分量，同时还有中心频率的漂移。
一般总是在保证最大角频偏的前提下，选择具有较大变容指数n的管子，减小电容调制度m，从而减小中心频率的漂移，提高振荡器的频率稳定度，还要消除各次谐波失真分量，实现线性调频。
2.3.7锁相稳频技术
对于变容二极管直接调频电路来说，由于调制器是由普通的LC自激振荡器和并联的变容二极管组成，所以有很多因素会引起振荡频率发生变化，这些因素包括变容二极管的非线性、电源电压的变动、负载的变化、温度等环境条件的变化、电路元器件老化、机械振动等。
为了消除导致中心频率不稳定的因素，除了注意电路和结构的设计外，还应当采用自动相位控制电路使中心频率稳定在规定范围以内。
图9是典型的锁相稳频电路的结构框图。
共包括四个部分：
压控振荡器、鉴相器、基准晶体振荡器和分频器。
放大的调制信号加入压控振荡器，对其进行频率调制，经过调制的高频信号一路送至后面的放大电路，另一部分送入分频器进行分频。
分频器输出的方波信号送入鉴相器中，与基准晶体振荡器经过分频后得到的基准信号进行比较，实现相位锁定。
鉴相器的输出信号经过环路滤波器送入压控振荡器中，控制压控振荡器的振荡频率，从而达到稳定频率的目的。
环路只对引起压控振荡器平均中心频率不稳定的那一部分起作用，也就是说，已调信号在中心频率附近很小的一个频偏范围内变化。
图9锁相稳频电路的结构框图
2.3.8锁相稳频电路的工作原理
---本电路实际上是一个小功率调频发射机，其调制部分采用了变容二极管直接调频技术，变容二极管直接调频是利用调制信号直接控制变容二极管反偏电压改变其电容量进而改变振荡器的振荡频率的，要功能是实现87～108MHz频段内以100kHz为间隔的调频激励源；输入调频信号为音频（30Hz～15kHz），要求实现最大频偏为75kHz，其原理图如图10所示：
图10锁相稳频电路原理图
鉴相器是稳定频率的核心部分，使输出电压与两个信号之间的相位差有确定的关系的电路，该部分由数字鉴相-鉴频集成芯片MC145170和环路低通滤波器组成，标准晶体振荡器选用温补晶振MV68系列（10MHz），频率偏差小于5×10-6，短期频率稳定度为10-9/S，相位噪声小于-145dBc/Hz/10kHz，完全可以保证电路满足系统对频偏的要求。
在实际电路中，选用10kHz的鉴相频率，因此设置R=1000，N=8700～10800。
由前面的分析可知，该锁相环是一窄带载波跟踪环，故BL应小于调制频率30Hz。
因此应通过调整环路滤波器的参数R1、R2与C，使得BL小于30Hz。
取ξ=0.7，令BL=10Hz，N=10000，C=10μF，kv=2π×1.2×106（rad/v）≈7.54×106（rad/v），则根据公式，可以得到R1=170kΩ，R2=7.5kΩ。
2.3.9PCB板的设计与测试
频率合成器对馈电电源、地线分布等电磁兼容问题都有着较严格的要求。
这是因为电源和数据总线的噪声能耦合到锁相环系统中，使得相噪和杂散变坏。
因此，在布局PCB版图时，应做到一下几点：
（1）对鉴相器、压控振荡器分别单独供电、单独稳压，稳压器的输入、输出端都接有Π型滤波电路；
（2）布线、元件排列应该尽量整齐；
（3）电源线应该加宽，约为1mm宽，信号线宽度也要达到0.75mm。
采取以上措施能够有效地滤除所有无用频率和电源纹波，抑制各种干扰和噪声，降低
频率合成器的相位噪声和杂散。
2.3.10电路板制作与调试
（1）排版电路板，然后将所有元件连同天线一并按设计好的电路焊在万能板上，对安装焊接工艺要求是：
尽量缩短高频部分元件引线；电阻、电容尽可能卧式安装，并无虚焊、脱焊现象。
减小各个器件的引脚，降低对电路的影响。
（2）给发射机通电，电压为9V。
天线接示波器与频率计，反复调节L1、L2、L3匝间距离以使场强计示数增至最大，必要时对各级的谐振电容进行调节，使输出频率达到要求，并出现不失真的正弦波。
（3）不起振或振荡弱，若输出功率小，若能保证元件的质量，以下步骤可助你排除故障：
1，在CC两端并联一个7pF电容（注意：
该电容不可过大，否则你会发现调制失效）；2，调振荡级偏置电阻；3，改变C6容量一试，如果上述方法不能解决，也有可能是元件布局不合理引起，可重新对电路板进行布线。
（4）连接频偏仪测出角频偏。
3．设计结果与分析
3.1元器件
在课程设计中用到的元器件列表如表1所示
表1元器件列表
瓷片电容
104,102,20,10,22,51,103,5/25
等效电阻
100Ω
二极管
IN4148
三极管
9018,3DC12
线圈
6T
开关
触发式开关
电感线圈
L1（10匝），L25T，L35T
电阻
10K,100K,270,47K，1K,10（3个）
3.2测试结果
测试结果见表2
表2测试结果
电感（H）
理论值
实际值
调试前
调试后
L1
3.3
3.2
0.9
L2
1.7
1.7
1.5
L3
1.1
1.4
1.9
频率
0（MHz）
12
11.8
最大频偏△
m（
+10KHz
幅度V
4.2
3.3测试结果的分析
从表中的数据可以看出，本电路满足了系统的要求，并且在相位噪声、非线性失真、音频频率响应和调频信噪比等方面都有很好的特性。
相位噪声小于-100dBc/Hz/10kHz，非线性失真小于0.1%，音频频率响应非常理想，调频信噪比达到80dB以上。
与此同时，载波频率稳定度可控制在200Hz以内，输出信号频率偏差不超过1kHz，各项指标满足国家广电总局的技术要求。
而且，本电路调试量小，成本也不高，更易于进行批量生产。
4．设计体会
这个课程设计是关于小功率调频发射机工作原理分析及其安装调试，通过这一学期的学习，我初步掌握了调频发射极的理论知识，并通过这次的课程设计使我可以更好地巩固和加深对小功率调频发射机工作原理和非线性电子线路的进一步理解以及更深刻的了解了高频信号的特性。
学会基本的实验技能，提高运用理论知识解决实际问题的能力。
在实验过程中，通过选取元件、确定电路形式、以及计算等等，提高我们的动手能力，同时通过调试来发现自己的错误并分析及排除这些故障，使我对小功率放大器的知识得到了加深。
虽然这次的课程设计中，我遇到很多的困难，出现了很多的错误，但是在老师和同学的帮助下，不断的改正错误，这使我认识到遇到困难时，只要坚持，想一切办法去解决才能够保持前进，为我以后的学习具有积极作用。
5.参考文献
[1]博战捷，童辉.AM信号到DSB信号的连续过渡与同步检波[J].吉林:
大学学报2010.2[2]潘有富.调频发射机的改造[J].电声技术,2003.03.
[3]赵青，李栋.制作微型调频发射机[J].南通职业大学学报,2003.04.
[4]张肃文.高频电子线路[M].北京：
高等教育出版社,2008.8
[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社.2008.5
[6]郑长明，于海勳.高频电路实验与仿真[M].北京:
科学出版社，2005.8
[7]胡宴如.高频电子线路[M].北京:
高等教育出版社.2007.4
[8]于洪珍.通信电子线路[M].北京:
清华大学出版社.2008.7
[9]高吉祥.高频电子线路[M].北京:
电子工业出版社.2007.6
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