调频发射与接收系统设计.docx

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调频发射与接收系统设计

调频发射与接收系统设计

本课题的设计目的是要求掌握小功率调频发射与接收系统的基本原理、电路设计与电路调试。

第1节调频发射系统

图4.1为调频发射系统的基本组成框图，表示的是直接调频发射机的组成。

本课题主要研究直接调频发射系统。

图4.1直接调频发射系统组成框图

1、主要技术指标

①发射功率

发射功率一般是指发射机输送到天线上的功率。

只有当天线的长度与发射机高频振荡的波长λ相比拟时，天线才能有效地把载波发射出去。

波长λ与频率f的关系为

f=c/f

式中，c为地磁波传播速度，c=3×108m/s。

若接收机的灵敏度US=2mV，则通信距离s与发射功率PA的关系为

skm=1.07

小功率发射系统的功率PA与通信距离s的关系如表1所示。

表1 发射功率PA与通信距离s的关系

PA/mW

50

100

200

300

400

500

s/km

2.84

3.38

4.02

4.45

4.82

5.08

②工作频率或波段

发射机的工作频率应根据调制方式，在国家或有关部门所规定的范围内选取。

对调频发射机，工作频率一般在超短波范围内。

③总效率

发射系统发射的总功率PA与其消耗的总功率P′c之比称为发射系统的总效率ηA，即

ηA=PA/P′c          （2-3）

2、电路型式的选择

调频发射系统是由调频振荡级、缓冲隔离级、倍频级、高频功率放大级等组成。

如果振荡器的振荡频率可以满足发射载波频率的要求，就可省去倍频级。

（1）调频振荡级

本课题主要研究变容二极管调频电路。

选择震荡器的电路型式是根据载波频率f0、频率稳定度的技术要求决定的。

如果课题要求的载波频率f0不高，则可以采用LC调频震荡器。

（2）缓冲隔离级

将调频震荡器与功放级隔离，以减小后级对震荡器频率稳定度及振荡波形的影响。

缓冲隔离级通常采用射极跟随器电路。

（3）功率推动级

为末级功放提供激励功率。

可以选择在弱过压工作状态的丙类功放，也可以由甲类功放承担。

如果发射功率不大，且振荡级的输出功率能够满足末级功放的输入要求，那么功率推动级也可以省去。

（4）末级功放

要使负载（天线）上获得令人满意的发射功率，而且整机效率较高，应选择丙类功率放大器。

末级功放的功率增益不能太高，否则电路性能不稳，容易产生自激。

因此要根据发射机各部分的作用，适当地合理分配功率增益。

（5）集成调频发射系统

上面概述的是调频系统方框图中各单元电路型式是选择，各个单元电路可以由分立元件组成，也可以由集成电路组成。

而单片集成FM低功率发射电路，则可包含调频振荡器级、缓冲隔离级、倍频级等多个单元电路。

单片集成调频发射系统如图4.2所示。

由于单片集成调频发射系统的输出功率比较小，因此需要在集成电路后加功率放大器。

图4.2集成调频发射机方框图

3、设计任务

（1）设计课题：

小功率FM发射机设计

（2）主要技术指标：

发射功率PA≥80mW，负载电阻RL=75Ω，工作中心频率f0=6.5MHz，最大频偏△fm=75kHz，总效率ηA＞50%。

（3）本设计可提供的主要器件如下：

①高频小功率晶体管：

3DG6；②高频小功率晶体管：

3DG12；③变容二极管：

2CC1D；④高频磁环：

NXO-100；⑤集成调频发射IC：

MC2833；⑥通用印制电路板1块；⑦供调试发射用的75Ω发射天线1根。

第2节　MC2833原理与实验设计

MC2833型单片调频发射机的特点是：

（1）工作频率高，可达100MHz以上，其典型应用为49.7MHz；

（2）供电电压较低，为（3～8）V；（3）片内增加了两级放大器，在工作频率为49.7MHz、负载为50Ω、谐波衰减不低于50dB时，输出功率可达10mW。

图4.3所示是MC2833的内部组成方框图。

它是由可变电抗和高频振荡组成的调频振荡器、缓冲加两级放大器组成的三倍频功率放大器、对音频信号进行放大的微音放大器以及电压基准四部分组成。

MC2833各片脚的名称与作用如下：

①脚：

可变电抗输出端，通过电感和晶体接到16脚高频振荡器上作为振荡回路的一部分。

②脚：

去耦端，外接一电容至地，起高频旁路作用。

③脚：

调制信号输入端，信号由片内微音放大器输出端经耦合电容送入，可控制可变电抗的大小，实现对高频震荡器的频率调制，产生调频波。

④脚：

微音放大器输出端，送出音频信号。

⑤脚：

微音放大器输入端。

⑥脚：

接地端。

⑦脚：

第二放大管的    

发射级端。

⑧脚：

第二放大管的基级端。

⑨脚：

第二放大管的集电级端。

⑩脚：

电源输入端（（3～8）V）。

11.脚：

第一放大管的集电级端。

12.脚：

第一放大管的发射级端。

13.脚：

第一放大管的基级端。

14.脚：

    图4.3MC2833内部组成方框图

高频（射频）输出端，由内部调频振荡器经

缓冲器送出。

15、16.脚：

高频振荡器的振荡回路外接电容端。

15、16.脚间接56pF，15脚接51pF到地。

1、MC2833组成调频发射机的基本原理

语音通过话筒变成音频电压信号送给微音放大器进行音频电压放大。

此音频电压信号经耦合电容送给可变电抗的输入端脚3去控制可变电抗。

而由受音频电压控制的可变电抗经小电感和晶体与高频振荡器组成调频振荡电路，产生调频波经缓冲送给两级三倍频放大器。

通过高频振荡器后，输出载频为49.875MHz的调频波。

2、实验电路

本实验提供的实验板是一个由MC2833为主，并增加了一级外接高频功率放大器而组成的调频发射系统。

其电路如图4.4所示。

图4.4集成调频发射系统实验电路

本发射系统的信息传送过程：

需传送的信息（语音）经过话筒变成音频电信号，音频电信号经脚5送给微音放大器进行音频放大，然后放大的音频信号从脚4经2.2μF的耦合电容送到脚3去控制可变电抗的大小。

可变电抗与3.3μH电感、16.625MHz晶体串联与高频振荡器的外接电容56pF、51pF组成调频电容三点式振荡电路，其载波振荡频率为16.625MHz。

此调频振荡信号从片内送给缓冲级，由脚14经耦合电容送到由第一放大管组成的三倍频放大器，其负载为由B1变压器耦合的谐振回路，其谐振频率为49.875MHz。

放大的三倍频信号经B1的次级传送到第二放大管的基极脚8。

第二放大管与B2变压器耦合的谐振回路组成第二级三倍频放大器，然后经B2的次级送给由晶体管T3组成的高频输出级，经天线将信号辐射出去。

为了确保电源的稳定，电路还增加了一个集成稳压电路7805，并在输出级与集成单片的供电上采用高频扼流圈和高频旁路电容进行去耦滤波，起到隔离作用。

3、实验要求

（1）学习掌握本实验电路的基本原理与信息传输过程。

掌握发射系统各组成部分的功能及输入、输出信号的频谱、波形以及各组成部分之间的关系。

（2）对系统进行调试，使实验的发射系统处于正常工作状态。

根据发射系统的原理测量各功能电路的输入、输出波形频率。

（3）提出测量发射系统技术指标的方法，并提出实现测量所需的仪器设备型号，完成主要技术指标的测量。

（4）根据实验结果，分析说明发射系统各功能电路的作用及要求。

分析说明本实验发射系统的特点以及对本实验发射系统进行改进的意见。

第3节调频接收系统

调频接收系统的方框图如图4.5所示。

图4.5调频接收机方框图

1、调频接收系统的主要技术指标

①工作频率范围：

接收系统可以接收到的无线电波的频率范围称为接收机的工作频率范围。

接收系统的工作频率必须与发射机的工作频率相对应。

②灵敏度：

接收系统接收微弱信号的能力称为灵敏度。

一般用输入信号电压的大小来表示。

接收的输入信号越小，灵敏度越高。

③选择性：

接收系统从各种信号和干扰中选出所需信号（抑制不需要的信号）的能力称为选择性。

单位用dB（分贝）表示，dB数越高，选择性越好。

④频率特性：

接收系统的频率响应范围称为频率特性或通频带。

⑤输出功率：

负载输出的最大不失真功率称为输出功率。

2、电路型式选择

根据调频接收系统的方框图，它是由输入回路、高频放大器、混频器、本机振荡、中频放大器、鉴频器、低频功放等组成。

（1）输入回路

由天线接收并通过馈线送给接收系统的各种电波信号，都要先送到有谐振特性的输入回路。

输入回路是接收系统选择信号的第一关。

它的作用是初步选取接收系统要接收的某一载频信号，尽量减少损耗地传送到下一级，并抑制接收频道以外的一切干扰信号。

对输入回路的要求；为了保证信号不产生频率失真，通频带要有适当的宽度。

为了对邻频道信号有足够的衰减，要有一定的选择性。

输入回路的电路型式有几种，这里可以采用简单的单调谐回路，如图4.6所示。

图4.6接收系统的输入回路

（2）高频电压放大

在输入信号很微弱的情况下使用高频放大器。

高频放大器的型式按器件可分为晶体管放大器、场效应管放大器和集成电路放大器。

按负载的性质可分为谐振和非谐振放大器。

在高频范围内采用任何一种型式的高频电压放大器都可满足要求。

（3）混频器

混频器的作用就是将输入信号的载频fS与本振信号频率fL进行频率变换，将输入信号的载频变成固定中频的载波信号，并保持其调制规律不变。

混频器有高中频和低中频之分，本课程设计题目只研究低中频。

混频器有晶体三极管混频器、二极管混频器、场效应管混频器、模拟乘法器构成的混频器等。

至于选用哪种混频器，要根据需要而定。

需要变频功率大，一般选用由三极管混频器、场效应管混频器、模拟乘法器构成的混频器。

混频器的工作频率比较高的话，可采用二极管混频器，其中的二极管可采用肖特基表面势垒二极管。

（4）本机振荡器

本机振荡器就是产生频率为fL的等幅振荡信号，然后将信号送入混频器与输入信号的各个频率分量进行混频，并由混频器的输出选频回路选出fI=fL－fS的中频信号及上下边频分量。

本机振荡器的电路型式可以采用电容三点式电路和晶体振荡器。

（5）中频放大器

中频放大器的任务是将混频器的输出信号进行电压放大，以满足鉴频器的输入信号幅度要求。

根据混频器输出的中频频率来确定中频放大器的型式。

一般选用的中频放大器有晶体三极管调谐放大器、场效应管调谐放大器、集成放大器等。

（6）鉴频器

鉴频器是完成调频信号的解调。

鉴频电路可分为三类，第一类是调频-调幅调频变换型。

这种类型的鉴频器有双失谐回路鉴频器、相位鉴频器、差分峰值鉴频器等。

第二类是相移乘法鉴频型。

这种类型的鉴频器可以用模拟乘法器构成。

第三类是脉冲均值型。

这种类型的鉴频器有脉冲计数式鉴频器。

鉴频器的种类比较多，在本课程研究的高频频段内每一类型鉴频器都适应。

以上调频接收机各个方框图内的单元电路，可以采用分立元件或集成电路组成调频接收系统，也可以使用单片调频接收系统。

3、设计任务

（1）设计课题：

调频接收系统的设计

（2）主要技术指标：

载波频率f0=6.5MHz，输出功率P0=0.25W，RL=8Ω，灵敏度1mV。

（3）本设计可提供的主要器件如下：

①高频小功率晶体管：

3DG6、3DG8；②集成模拟乘法器：

XCC，MC1496；③单片调频接收IC：

MC3362；④高频中周10A型；⑤运算放大器μ741；

第4节MC3362原理与实验设计

MC3362型单片调频接收机的特点：

（1）工作频率高，使用芯片内部振荡电路时，工作频率可达200MHz，使用外接本振电路时，则工作频率可高达450MHz；

（2）接收灵敏度高，当信噪比为12dB时，典型值可达0.3μV；（3）功耗低，标准耗电电流只有3.6mA（VCC=3V）；（4）供电范围宽，（2～7）V均能正常工作；（5）音频输出电压较大，约为350mV。

另外，该芯片的噪声低，镜像选择性好，并有接收信号强弱显示器，其动态范围可达60dB。

图4.7所示是MC3362的内部组成方框图。

它是由两级混频器和两个本振源组成的两级变频，经限幅放大送给鉴频器实现调频解调。

通常第一混频级的第一中频选为10.7MHz，可选用中心频率为10.7MHz的三端陶瓷滤波器作为第一中频的滤波器。

第二混频级的第二中频选为455MHz，可采用中心频率为455MHz的三端陶瓷滤波器作为第二中频的滤波器。

而第二本振信号源的频率应选为10.245MHz，这样就能保证第二混频器输入信号载频为10.7MHz时与本振频率10.245MHz相差为455MHz。

图4.7MC3362内部组成方框图

MC3362各引脚功能说明如下：

脚6是电源（Vcc）正端，脚16（Vee）是电源负端，也是公共地端。

脚1和脚4是第一混频器信号输入端，可以平衡输入，也可以不平衡输入，脚24可用电容器高频旁路。

脚20、21、22、23是第一本振的相关引脚。

其中，脚20是第一本振信号输出端；脚21、脚22是第一本振的选频电路连接端；脚23是可变电容控制端，内部是一个变容二极管，从脚23输入控制电压，可改变第一本振的频率。

脚19是第一混频器的输出端。

脚17、18、2、3、4、5是第二混频器的相关引脚，脚17、18是第二混频器输入端，输入的是第一中频输出的已调信号。

脚2是第二本振内部放大器的集电极输出端，脚3是第二本振内部放大器的发射极引出端，脚4是第二本振内部放大器的基极引出端。

通过外接晶体或选频电路，内部放大器与外接选频电路构成第二本振信号与脚17、脚18输入的第一中频信号同时加到第二混频器，产生第二混频信号的输出端。

脚7、8、9是限幅放大器的相关引脚，脚7是限幅器输入端，脚8、9是限幅器退耦滤波端。

脚10是电表驱动指示端。

由于限幅器消耗电流大小与信号强度有关，通过电流表可以知道信号强弱情况。

脚11是第二中频载波检测端。

脚12是外接相移网络线圈端子，从方框图可看出，第二中频已调信号和被移相了的第二中频信号加到乘法器进行鉴频，产生音频信号或数据信号。

该信号经过放大，由脚13鉴频输出端输出。

脚14是比较器输入端，脚15是比较器输出端。

1、由MC3362组成的接收系统

由MC3362组成的接收系统是一个超外差接收系统，只是采用了两级混频等措施来提高系统的性能。

采用MC3362与外电路组成接收系统，对其进行系统调试与测量。

2、实验电路

本实验是一个由MC3362为主，增加了高频放大器和音频放大器而组成的调频接收系统。

其电路图如图4-8所示。

图4.8集成调频接收系统实验电路

本接收系统的信息传输过程：

外来调频信号经天线送到高频调谐放大器进行选频放大，放大信号经集电极调谐回路的次级送到MC3362的第一混频器的输入端，再与第一本振信号进行混频，经放大后送给中心频率为10.7MHz的三端陶瓷滤波器选出载频为10.7MHz的调频信号送给第二混频器。

第二本振信号的本振频率为10.245MHz，它也送给第二混频器与载频为10.7MHz的调频信号进行混频，经中心频率为455MHz的三端陶瓷滤波器选出载频为455MHz的调频信号送限幅放大器进行限幅放大。

放大后的调频信号送给由相移网络和乘法器组成的鉴频器进行鉴频，脚13送出解调后的音频信号经低通滤波送给由LM386组成的音频功率放大器进行功率放大，最后送给扬声器还原成声音。

若输入信号为数据调制的调频波，则脚13送出为解调的数据信号，经耦合电容0.001μF送给脚14经比较器整形从脚15端输出。

3、实验要求

（1）学习掌握本实验电路的基本原理与信息传输过程。

掌握接收系统各组成部分的输入和输出信号的频谱、波形以及它们之间的关系。

（2）对系统进行调试，使实验的接收系统处于正常工作状态。

根据系统原理测量各功能电路的输入、输出波形及频率。

（3）提出接收系统技术指标的方法，并提出实现测量所需的仪器设备型号，完成主要技术指标的测量。

（4）根据实验结果，分析说明接收系统各功能电路的作用及要求。

分析说明本实验系统的特点以及对本实验系统进行改进的意见。