超外差式调幅接收机课程设计报告书.docx
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超外差式调幅接收机课程设计报告书
阳工程学院
课程设计
设计题目：
超外差式调幅接收机
工程学院
课程设计任务书
课程设计题目：
超外差式调幅接收机
系别自控系班级电子本101
学生学号
指导教师职称教授
课程设计进行地点：
实训A
任务下达时间：
2012年9月17日
起止日期：
2012年9月17日起——至2013年1月4日止
教研室主任2013年9月16日批准
阳工程学院
音频功率放大电路课程设计成绩评定表
系（部）：
自控系班级：
电子本101学生：
丽
指导教师评审意见
评价
容
具体要求
权重
评分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
5
4
3
2
工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，
0.2
5
4
3
2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。
0.2
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规。
0.5
5
4
3
2
指导教师评审成绩
（加权分合计乘以12）
分
加权分合计
指导教师签名：
年月日
评阅教师评审意见
评价
容
具体要求
权重
评分
加权分
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力
0.2
5
4
3
2
工作量
工作量饱满，难度适中。
0.5
5
4
3
2
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规。
0.3
5
4
3
2
评阅教师评审成绩
（加权分合计乘以8）
分
加权分合计
评阅教师签名：
年月日
课程设计总评成绩
分
中文摘要
随着科学技术的发展调频收音机的应用十分广泛,尤其消费类占有相当的市场。
从分离元件组成的收音机到由集成电路组成的收音机,调频收音机技术已达到十分成熟的地步。
在众多种收音机中,调频收音机以较高的技术含量和较高的音质得到了广泛的欢迎。
调频发射机也以其良好的发射效果而被广泛应用。
超外差收音机,首先把接收到不同频率的电台信号都变成固定的中频信号（我国规定中频信号是465kHZ）,由中频放大器进行放大,然后进行检波这样就克服了直放式收音机在接收不同频率的时候灵敏度不均匀的缺点。
而且固定频率的中频信号既便于放大又便于调谐因此超外差式收音机具有灵敏度高、选择性好的特点。
广播方式从调幅（AM）广播时代开始经历了调频（FM）广播、调频立体声（FMSTEREO）广播、数字音频广播（DAB）等阶段。
目前科学家正研究短波段的数字广播（DRM）。
本论文主要介绍了利用分立元件组成的FM收音机设计全过程包括电路各个模块参数的计算,电路各个模块的分析电路板的焊接过程、调试过程讨论了在设计过程中遇到的问题以与如何解决问题。
本次课程设计成果,基本上满足要求,性能指标符合。
FM收音机电路的缺点是伴有音质噪声,需进一步改进。
在本次设计中，其目的是得到一个调幅接收机机。
在超外差式调幅接收机的设计过程中，应将其分为高频放大、混频、本振、中放、限幅、鉴频、低频放大七个部分。
整个电路的设计必须注意几个方面。
选择性好的级，应尽可能靠近前面，因在干扰与信号都不大的地方把干扰抑制下去，效果最好。
如干扰与信号很大，则由于晶体管的非线性，将产生严重的组合频率与其他非线性失真，这时滤除杂波比较困难。
为此，在高级接收机中，输入电路常采用复杂的高选择电路。
为了使混频和本振分别调到最佳状态，要采用单独的本振。
总的来说，设计一部接收机时必须全面考虑，妥善处理一些相互牵制的矛盾，特别要抓住主要矛盾（稳定性、选择性、失真等），才能使得接收机有较好的指标。
关键词：
超外差，调幅，本振，混频
课程设计（论文）任务书
课程设计（论文）成绩评定表
1设计任务描述
1.1设计题目:
超外差式调幅接收机
1.2设计要求
（1）设计一个超外差式调幅接收机。
（2）设计指标
1、接收频率围540～1600kHz
2、灵敏度≤1mV
3、选择性≥50dB
4、频率特性通频带为9KHz
5、额定功率≥100mW
1.2.1设计目的
巩固已学的理论知识，能够建立超外差式调幅接收机的整机概念，了解超外差式调幅接收机整机各单元电路之间的关系与相互影响，正确设计、计算接收机的各个单元电路。
1.2.2基本要求
（1）进行方案的论证，给出原理框图。
（2）设计单元电路的原理图，完成基本理论计算。
（3）对单元电路进行计算机仿真分析。
（4）按国家有关标准画出整机电路图与线路板图。
（5）撰写符合设计要求的报告一份。
2.设计方案选择和论证
2.1设计思路
由输入电路，即选择电路，或称调谐电路把空中许多无线电广播电台发出的信号选择其中一个，送给混频电路。
混频将输入信号的频率变为中频，但其幅值变化规律不改变。
不管输入的高频信号的频率如何，混频后的频率是固定的，我国规定为465KHZ。
中频放大器将中频调幅信号放大到检波器所要求的大小。
由检波器将中频调幅信号所携带的音频信号取下来，送给前置放低频放大器。
前置低频放大器将检波出来的音频信号进行电压放大。
再由功率放大器将音频信号放大，放大到其功率能够推动扬声器或耳机的水平。
由扬声器或耳机将音频电信号转变为声音。
2.2方案论证
择中波晶体管超外差调幅收音机（不超过七只晶体管），其方框图如图1所示。
图2.1超外差收音机方框图
2.3总体电路的功能框图与其说明
1.总体电路功能框图
图2.2总体电路功能框图
2.模块说明
根据超外差收音机的原理，我们可以将电路分成以下几个模块：
输入回路、变频回路（包括本振电路、混频电路和选频电路）、中频放大（中放）回路、检波与AGC回路、低放级回路、功放级回路。
（1）输入回路
接收机输入回路的任务是接收广播电台发射的无线电波，并从中选择出所需电台信号。
输入回路是由接收机部的磁棒天线线圈与调台旋钮相连的可变电容CA构成的LC调谐电路，如图2.3所示。
调节可变电容CA可使LC的固有频率等于电台频率，产生谐振，以选择不同频率的电台信号。
再由L2耦合到下一级变频级。
图2.3输入回路图
（2）变频级电路
图2.4、变频电路原理图
本机振荡和混频合起来称为变频电路。
变频电路是以VTl为中心，它的作用是把通过输入调谐电路收到的不同频率电台信号（高频信号）变换成固定465KHz的中频信号。
图2.5、混频示意图
VTl、T2、CB等元件组成本机振荡电路，它的任务是产生一个比输入信号频率高465KHz的等幅高频振荡信号。
由于Cl对高频信号相当短路，Tl的次级Lcd的电感量又很小，对高频信号提供了通路，所以本机振荡电路是共基极电路，振荡频率由T2、CB控制，CB是双连电容器的另一连，调节它以改变本机振荡频率。
T2是振荡线圈，其初次绕在同一磁芯上，它们把VT1的等电极输出的放大了的振荡信号以正反馈的形式耦合到振荡回路，本机振荡的电压由T2的初级的抽头引出，通过C2耦合到VT1的发射极上
混频电路由VTl、T3的初级线圈等组成，是共发射极电路。
其工作过程是：
（磁性天线接收的电台信号）通过输入调谐电路接收到的电台信号，通过Tl的次级线圈Lcd送到VTl的基极，本机振荡信号又通过C2送到VTl和发射极，两种频率的信号在T1中进行混频，由于晶体三极管的非线性作用，混合的结果产生各种频率的信号，其中有一种是本机振荡频率和电台频率的差等于465KHz的信号，这就是中频信号。
混频电路的负载是中频变压器，T3的初级线圈和部电容组成的并联谐振电路，它的谐振频率是465KHz，可以把465KHz的中频信号从多种频率的信号中选择出来，并通过T3的次级线圈耦合到下一级去，而其它信号几乎被滤掉。
（3）中频放大检波与自动增益控制电路
图2.6中频放大与检波电路示意图
选频级输出的中频信号由V2的基极输入并进行放大，中放电路中的负载是中频变压器B4和谐振电容C。
它们也是并联谐振在中频465kHz。
中频信号进行中频放大器放大以后，再送给检波以得到所需的音频信号，经功率放大输出，耦合到扬声器，还原为声音。
电路如图2.6所示。
VT2、VT3为中放管。
T2、T3为中频变压器，因谐振频率为465kHz，故简称“中周”。
电路作用是放大465kHz的中频信号，提高灵敏度和选择性。
接收机检波电路的任务是把要接收的广播电台音频信号从中频载波中“取下来”，以达到接收的目的。
实际电路中采用一个三极管将基极和集电极连在一起，用基极和发射极来从当一个二极管。
它的作用是对中频载波信号进行检波，检波后的残余中频与高次谐波再通过C16、C17、R10组成高频滤波电路滤除，最后把取出来的音频信号经电容耦合到低放级放大。
RP为检波负载。
电路作用是利用VD的单向导电性，取出中频调幅信号中的音频信号，以便放大和声音还原。
中频信号经一级中频放大器充分放大后由T4耦合到检波管VT3，VT3既起放大作用，又是检波管，VT3构成的三极管检波电路，这种电路检波效率高，有较强的自动增益控制（AGC）作用。
AGC控制电压通过R3加到VT2的基极，
检波级的主要任务是把中频调幅信号还原成音频信号，C4、C5起滤去残余的中频成分的作用。
保证中频信号不随电台信号强弱而变化，趋于稳定。
（4）前级低频放大电路
它将前级的信号再加以放大，以达到规定的功率输出，去推动喇叭发声，可选择我们熟悉的OTL电路。
低频放大电路的设计，是根据要求的输出功率、选择的电源电压、喇叭的交流电阻，从后向前进行。
确定输出功率后进行功放管的选择，应通过手册查出功放管主要极限参数。
例：
小功率晶体管3AX31B的极限参数：
PCM≥125mW，ICM≥125mA，BVCEO≥12V。
末级一对功放管的β、
与正向基极—发射级电阻RBE等都要对称（保证误差在20%以）。
激励级要求输出功率较小，一般甲类放大器能满足要求。
可求出输出级的功率增益，根据所要求的输出功率指标与输入变压器的效率η求出激励级的输出功率，定出交流电压幅值Um与交流电流的幅值Icm，求出变比K与ICQ。
功率放大至低放前级要加入合适的负反馈。
3.功能块与单元电路设计
3.1功能块设计与其参数计算
3.1.1高频功率放大电路
图3.1高频功率放大电路
高频功率放大电路如图3.1所示,他不仅要放大高频信号，而且还要有一定的选频作用，因此晶体管的负载为LC并联谐振回路。
其具体的工作原理如下：
从天线ANTA1接收到的高频信号经过CA1、CCA1、LA1组成的选频回路，选取信号为fs=10.7MHZ的有用信号，经晶体管QA1进行放大，由CA3、TA1初级组成的调谐回路，进一步滤除无用信号，将有用信号经变压器和CB1耦合进入ICB1
.
3.1.2混频电路
因为中频比外来信号频率低且固定不变，中频放大器容易获得比较大的增益，从而提高收音机的灵敏度。
在较低而又固定的中频上，还可以用较复杂的回路系统或滤波器进行选频。
它们具有接近理想矩形的选择性曲线，因此有较高的邻道选择性。
如果器件仅实现变频，振荡信号由其它器件产生则称之为混频器。
二极管环形混频电路
图3.2二极管环形混频电路（a）原理电路（b）等效电路
A、原理电路与其等效电路：
如图3.2（a）、（b）所示。
对于图3.2（a）所示电路，通常将信号输入端口称之为R端口，本振电压输入端口称之为L端口，中频输出信号端口称之为I端口。
需要说明的是：
二极管双平衡组件用作双边带调制电路时，由于变压器的低频响应差，调制信号一般必须加到I端口，载波信号加到R端口，所需双边带信号从L端取出。
二极管环形混频器产品已形成完整的系列，它用保证二极管开关工作所需本振功率电平的高低进行分类，其中常用的是Level7，Level17，Level23三种系列，它们所需的本振功率分别为7dBm（5mW），17dBm（50mW）和23dBm（200mW），显然，本振功率电平越高，相应的1dB压缩电平也就越高，混频器的动态围也就越大。
对应于上述三种系列，1dB压缩电平所对应的最大输入信号功率分别为1dBm（1.25mW）、10dBm（10mW）、15dBm（32mW）。
二极管环形混频器具有工作频带宽（从几十千赫到几千兆赫）、噪声系数低（约6dB）、混频失真小、动态围大等优点。
二极管环形混频器的主要缺点是没有混频增益，端口之间的隔离度较低，其中L端口到R端口的隔离度一般小于40dB，且随着工作频率的提高而下降。
实验表明，工作频率提高一倍，隔离度下降5dB。
B、原理分析
电路工作条件：
二极管伏安特性为过原点斜率等于的直线；输入电压中，，，且，此时，二极管将在的控制下轮流工作在导通区和截止区。
由图3.2（a）知，流过负载的总电流为：
当时，二极管D3、D2导通，D1、D4截止，相应的等效电路为图3.2（c）：
图3.2（c）
列出的KVL方程为：
所以，流过各二极管的电流为：
（3.1）
流过负载的总电流为：
（3.2）
当＜0时，二极管D1、D4导通，D3、D2截止，相的等效电路如图3.2（d）
图3.2（d）
列出的KVL方程为：
（3.3）
流过各二极管的电流为：
（3.4）
流过负载的总电流为：
（3.5）
在的整个周期，流过负载的总电流可以表示为：
（3.6）
利用开关函数，可以将上式表示为：
即：
（3.7）
由此可见，电流中包含的频率分量为：
中的有用中频分量为（3.7）
电路特点：
若二极管特性一致，变压器中心抽头上、下又完全对称，则环形电路的最重要特点就是各端口之间有良好的隔离。
C、插入损耗
根据定义，由图3.2（a）知，流过输入信号源端的电流为
将式（3.3）和（3.5）代入上式中得：
（3.8）
所以接在信号源端的等效负载电阻为：
（3.9）
若令，实现功率匹配，信号源提供的信号功率最大，为
（3.10）
输出端输出的中频电压幅值为
（3.11）
相应的输出中频功率为：
（3.12）
因此，电路的插入损耗为：
（3.13）
实际二极管环形混频器各端口的匹配阻抗均为50Ω。
应用时，各端口都必须接入滤波匹配网络，分别实现混频器与输入信号源、本振信号源、输出负载之间的阻抗匹配。
3.1.3.中频放大电路
中频放大电路的任务是把变频得到的中频信号加以放大，然后送到检波器检波。
中频放大电路对超外差收音机的灵敏度、选择性和通频带等性能指标起着极其重要的作用。
图3.3（a）是LC单调谐中频放大电路，图3.3（b）为它的交流等效电路。
图中tr1、tr2为中频变压器，它们分别与C1、C4组成输入和输出选频网络，同时还起阻抗变换的作用，因此，中频变压器是中放电路的关键元件。
图3.3中频放大电路
中频变压器的初级线圈与电容组成LC并联谐振回路，它谐振于中频465kHz。
由于并联谐振回路对诣振频率的信号阻抗很大，对非谐振频率的信号阻抗较小。
所以中频信号在中频变压器的初级线圈上产生很大的压降，并且耦合到下一级放大，对非谐振频率信号压降很小，几乎被短路（通常说它只能通过中频信号），从而完成选频作用，提高了收音机的选择性。
由LC调谐回路特性知，中频选频回路的通频带B＝f2-f1＝，见图3.4。
式中QL是回路的有载品质因数。
QL值愈高，选择性愈好，通频带愈窄；反之,通频带愈宽，选择性愈差。
图3.4放大器的频率特性
中频变压器的另一作用是阻抗变换。
因为晶体管共射极电路输入阻抗低，输出阻抗高，所以一般用变压器耦合，使前后级之间实现阻抗匹配。
一般收音机采用两级中放，有3个中频变压器（常称中周）。
第一个中频变压器要求有较好的选择性，第二个中频变压器要求有适当的通频带和选择性，第三个中频变压器要求有足够的通频带和电压传输系数，由于各中频变压器的要求不同，匝数比不一样，通常磁帽用不同颜色标志，以示区别，所以不能互换使用。
实际电路中常采用具有中间抽头的并联谐振回路,如图3.5（a）所示。
（b）是它的等效电路，可以看出，它是由两个阻抗性质不同的支路组成。
由于L1、L2都绕在同一磁芯上，实际上是一个自耦变压器。
图3.5LC并联回路部分接入法
利用变压器的阻抗变换关系，可求得等效谐振电路的谐振阻抗：
ZOB0＝（）2ZAB0＝（）2ZAB0（式中N＝N1＋N2为电感线圈的总匝数）。
即具有抽头并联谐振电路的谐振阻抗ZOB0等于没有抽头的谐振阻抗ZAB0的倍。
由于＜1，所以ZOB0＜ZAB0，适当选择变比可取得所需求的ZOB0，从而实现阻抗匹配。
上述中放电路结构简单，回路损耗小，调试方便，所以应用广泛。
3.1.4鉴频电路
实现调频信号解调的鉴频电路可分为三类,第一类是调频-调幅调频变换型。
这种类型是先通过线性网络把等幅调频波变换成振幅与调频波瞬时频率成正比的调幅调频波,然后用振幅检波器进行振幅检波。
第二类是相移乘法鉴频型。
这种类型是将调频波经过移相电路变成调相调频波,其相位的变化正好与调频波瞬时频率的变化成线性关系,然后将调相调频波与原调频波进行相位比较,通过低通滤波器取出解调信号。
因为相位比较器通常用乘法器组成,所以称为相移乘法鉴频。
第三类是脉冲均值型。
这种类型是把调频信号通过过零比较器变换成重复频率与调频信号瞬时频率相等的单极性等幅脉冲序列,然后通过低通滤波器取出脉冲序列的平均值,这就恢复出与瞬时频率变化成正比的信号。
图3.6是双失谐回路鉴频器的原理图。
它是由三个调谐回路组成的调频-调幅调频变换电路和上下对称的两个振幅检波器组成。
初级回路谐振于调频信号的中心频率,其通带较宽。
次级两个回路的谐振频率分别Ｗ01、Ｗ02,并使Ｗ01、Ｗ02与Ｗc成对称失谐。
即:
Ｗ01-Ｗc=Ｗc-Ｗ02。
图3.6双失谐回路鉴频器的原理图
图3.7左边是双失谐回路鉴频器的幅频特性,其中实线表示第一个回路的幅频特性,虚线表示第二个回路的幅频特性,这两个幅频特性对于Ｗc是对称的。
当输入调频信号的频率为Ｗc时,两个次级回路输出电压幅度相等,经检波后输出电压
Ｕ0=Ｕ01-Ｕ02
当输入调频信号的频率由Ｗc向升高的方向偏离时,Ｌ2Ｃ2回路输出电压大,而Ｌ1Ｃ1回路输出电压小,则经检波后Ｕ01<Ｕ02,则Ｕ0=Ｕ01-Ｕ02<0。
当输入调频波信号的频率由Ｗc向降低方向偏离时,Ｌ1Ｃ1回路输出电压大,Ｌ2Ｃ2回路输出电压小,经检波后Ｕ01>Ｕ02,则Ｕ0=Ｕ01-Ｕ02>0。
其总鉴频特性如图3.7所示
图3.7总鉴频特性
3.2主要元器件选择
1、三极管选择
变频管的截止频率f应比实际最高频率高出2～3倍以上。
各级三极管的穿透电流ICEO都应该尽量小，对于β的选择，一般希望选大些，特别是第一中放管的β值应选大于100，但不宜过大（容易引起自激），应根据实际需要选配适当的β值。
可以全部选用中等β值（60～80）配套，或采用β=80～120的与30～60的配成一套（电源电压不高，功率管ICEO即使稍大些也可用）。
2、电容的选择
高频部分的电容耦合电容和旁路电容在0.01～0.047μF间选用。
变频管的振荡耦合电容和基极旁路不能过大或过过小，否则，因容值过大引起间歇振荡，过小引起低端停振现象，应根据振荡频率f估算所涉与回路的时间常数选取该电容。
中频槽路电容误差可允许5%～10%（通常中周TTF系列配200pF电容）。
电解电容允许误差不作要求，但要注意其耐压值，有较高的绝缘电阻。
本机振荡回路并联的微调电容，可采用具有负温度系数的拉线电容。
4.总体电路原理图与说明
4.1总电路图
超外差调幅接收机整机电路原理图：
图4.1超外差调幅接收机整机电路原理图
4.2总体电路原理
超外差调幅收音机基本原理：
空间有许许多多电台发送的电磁波，它们都有自己的固定频率，收音机通过天线和由电感线圈和可变电容器组成的谐振电路（称调谐电路）来选择性的接收所需高频信号。
由调谐电路选择出的所需要的电台信号是已调幅的高频信号，并且十分微弱，需要先经过高频小信号放大器进行放大处理，再经过变频器（混频器和本振）将高频信号变为频率为465KHz的中频信号，这是超外差式收音机的核心部分，由于它是调制信号，喇叭无法将这种信号直接还原成声音，因此，必须从高频信号中把音频信号分离出来，这个分离过程称为解调，或检波。
在收音机中，检波是由半导体器件二极管或三极管来完成。
调幅的高频信号经检波还原出音频信号，再经过低频功放然后送往喇叭，喇叭将音频信号还原为声音。
收音机接收天线将广播电台播发的高频的调幅波接收下来，通过变频级把外来的各调幅波信号变换成一个低频和高频之间的固定频率—465KHz（中频），然后进行放大，再由检波级检出音频信号，送入低频放大级放大，推动喇叭发声。
而不是把接收天线接收下来的高频调幅波直接放大去检出音频信号（直放式）。
超外差式收音机由输入回路高放混频级、一级中放、二级中放、前置低放兼检波级、低放级和公放级等部分组成，接受频率围为540KHZ~1600KHZ的中波段。
4.3元器件清单
表4.1
序号
元件名
型号
个数
1
三极管
3DG201
4
2
三极管
9013
2
3
发光二极管
3mm红色
1
4
磁棒线圈
5*13*55
1
5
中周
465KHz
3
6
变压器
E14
1
7
扬声器
58mm
1
8
电阻
100
3
9
电阻
120
2
10
电阻
330，1.8K，30K，
100K,120K,200K
各1只
11
电位器
5K
1
12
电解电容
0.47uF，10uF
各1只
13
电解电容
100uF
2
14
瓷片电容
682，103
各一只
15
瓷片电容
223
3
16
双联电容
CBM-223P
1
5．电路仿真
5.1仿真图
对各个电路进行仿真，仿真图形如下：
图5.1本地振荡器输出波形
图5.2混频器输出波形
图5.3中频放大器仿真波形
图5.4包络检波器的输出端波形
5.2仿真软件介绍
Multisim是加拿大图像交互技术公司（InteractiveImageTechnoligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也
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