小型通信系统设计与制作 2.docx
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小型通信系统设计与制作2
电气与电子信息工程学院
《小型通信系统设计与制作》课程设计报告
专业班级：
2011电子信息工程①班
学 号：
************
***************
指导教师：
艾青、夏术泉
设计时间：
2014年11月10日—2014年11月28日
设计地点：
K2高频实验室
小型通信系统设计与制作
2014～2015学年第1学期
学生姓名：
叶文专业班级：
2011级电子信息工程①班
指导教师：
艾青、夏术泉工作部门：
电气学院
一：
课题名称：
小型通信系统设计与制作
二、设计目的：
通过本课程设计，使学生对通信系统的整体结构及配置有全面的了解。
训练学生的动手实践能力，培养学生具体问题的能力。
让学生通过本课程设计，熟悉基本通信系统单元的设计方法和工作原理，尤其是调频和解调原理。
对学生进行基本技能训练，例如组成系统、调试、查阅资料、绘图、编写说明书等；使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。
三、设计内容与要求
利用通信原理和高频电子线路的相关知识，来完成对输入的语音信号的调频，然后通过解调利用耳机接收该语音信号。
主要技术指标：
1、发射机功率PA≥100mW,负载电阻RL=75Ω
2、开阔地传播距离S＞100m
3、发射机工作频率fc=88MHz～108MHz
4、调频信号幅度ULm=1V时，最大频偏Δfm=20kHz
5、接收机工作频率fc’=88MHz～108MHz
6、输出平均功率Po=0.25W（负载电阻R8Ω）
7、接收灵敏度γ=10μV
四、设计进度表
序号
设计内容
所用时间
1
布置任务，查阅资料及调研。
2天
2
硬件设计，绘制电路图，生成PCB。
3天
3
实际电路调试。
3天
4
答辩、撰写设计报告书
2天
合计
10天
具体安排：
时间
内容
11月10日（星期一）
学生分组，下达课程设计任务书，学生查找资料
11月11日（星期二）
阅读资料，学习相关知识，老师讲解、设计举例
11月12日（星期三）
拾音电路设计，音频放大电路设计，借万用表、烙铁架等工具,高频谐振功放电路设计，列采购清单。
11月13日（星期四）
在机房画自己设计的原理图，PCB板图
11月14日（星期五）
元件、器件去市场采购
11月17日（星期一）
元件质量检测、讲焊接技术，
11月18日（星期二）
安装、焊接、故障诊断
11月19日（星期三）
制作实物验收评分
11月20日（星期四）
答辩
11月21日（星期五）
撰写课程设计报告
五、设计过程
1、方案论证
音频的输入采用MIC驻极体话筒，它可以感应空气中声波的微弱振动，并输出跟声音变化规律一样的电信号。
高灵敏度的话筒一般可以输出几十毫伏以上的信号，这个信号足以调制下一级的高频振荡信号的频率，而且价格也不贵。
（1）音频放大电路的设计：
方案一：
采用最简单的三极管放大电路
放大电路采用共发射机时，电压放大倍数Au和电流放大倍数Ai都比较大，但是输入电压和输出电压的相位相反；共基极时，Ai较大，但是Au较小，输出电压与输入电压同相，并且有跟随关系，它可以作为输入级，输出级或隔离作用的中间级，共集电极时，Ai较小，Au较大，输出电压与输入电压同相，多用于宽频放大等。
因此，可以选择共基极放大电路。
如下图所示：
方案二：
采用专用的音频放大芯片
近年来，芯片的集成度越来越高，外围电路已经集成到芯片内部了。
一些保护电路也集成到芯片内部了，电路的可靠性与安全性得到了很大的提升。
AN7114，AN7115等都是典型的音频放大芯片。
AN7114在Vvv=6.0V，THD=10%，RL=8Ω条件下，输出功率可达0.6W，噪声输出3mV。
极限参数：
Vcc=11V，耗散
功率（不带散热器）为1.2W，带散热器的条件下为2.25W。
工作温度-20—70℃，适合于小型便携式收录音机及音响设备作功率放大器。
其典型电路应用图如下：
（2）振荡电路设计：
方案一：
采用LC振荡电路
由于晶体管存在极间电容，对于电感反馈振荡器，极间电容与电感并联，在频率高的时候极间电容影响大，有可能使电抗的性质改变，故电感反馈振荡器的工作频率不能过高，电容反馈振荡器，其极间电容与电容与电容并联，不存在在电抗性质改变的问题，故工作的频率可以较高。
因此，采用电容式三点振荡电路。
方案二：
采用石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器作滤波元件构成的振荡器，其振荡器频率由石英谐振器决定。
与LC谐振回路相比，石英晶体谐振器具有很高的标准性和极高的品质因数。
（3）天线的选择：
方案一：
鞭状天线
最简单的天线就是鞭状天线（WHIP），所谓的鞭状天线指的就是一根长四分之一波长的导管或导线站立在接地面上，最普遍的例子就是汽车上用的天线，以及做为广播接收天线、市民波段天线、及业余无线电用天线，甚至是大哥大的天线。
四分之一波长鞭状天线的尺寸并不小，对于1MHz的AM广播波段而言，四分之一波长大约是75公尺左右，但是对于FM广播波段而言，比如是100MHz，则四分之一波长大约是75公分，这种四分之一波长的尺寸会随着频率的上升而逐渐缩小。
例如频率到了1000MHz，四分之一波长就只剩下7.5公分，如果以公分为单位的话，四分之一波长就是以7500去除以频率（MHz）。
但这算出来的长度只是一个参考基准点，因为实际应用时，天线长度可能需要长一些，也可能需要短一点。
如天线主体肥胖时，可能就要短一些，或者不是从天线底端做馈送点，可能要短一些；至于天线体所摆放的接地面太小时，那么天线体可能就要适度地加长了。
鞭状天线可不一定非要是四分之一波长不可，另一种不同型式的鞭状天线称之为短鞭状天线。
通常一根垂直的地面天线，其馈送点会呈现出电容性，为了弥补这电容性，可以采用电感来去除它。
因此缩短了的鞭状天线，在靠近接地面端就必须要使用电感来去除电容性，这里的电感可以让天线体本身缠绕呈线出来。
方案二：
弹簧（线圈）天线
这种天线通常由长度是标准鞭状天线长度2到3倍左右的绕线所构成，这些线就缠绕成空心线圈般。
至于缠绕圈数，则与线径大小、缠绕的直径大小、以及圈距大小等有关。
这样的天线必须要调整到与工作频率呈现谐振状态，而且可以由缠绕的圈距之压缩与拉开来调整谐振频率。
如果缠绕是采用密绕的方式，那么绕成的线圈长度必须要小于十分之一波长，这类天线有很尖锐的调谐点，所以必须要小心的调整。
此天线的实数阻抗值小于20奥姆，而且这阻值与天线缠绕的直径大小以及和接地面的相关位置有关。
（4）可行性分析：
音频放大电路采用专用的音频芯片固然好，但成本高，可以调试的环节少，不利于动手能力的培养，违背了课程设计的初衷，故不予采用。
振荡电路的设计采用石英晶体振荡器能得到较为准确的频率和很高的品质因数，但对于一个振荡电路而言，没用什么优势可言，不能动态的调节振荡频率，考虑到本次课程设计的目的，在于利用所学的高频知识来制作一个发射机，为了有更多的调试和测试空间，故采用电容式三点振荡电路。
天线的选择考虑到制作的使用性和方便性，采用简单的鞭状天线，当然也可采用弹簧状天线，只不过用到的天线的长度需要的更多。
可以分别做一个，再测试他们的效果的差别，最后决定采取哪一种天线。
2、设计原理
输入20Hz-2000Hz的音频信号，通过音频放大电路放大后加入载波进行调制，由天线发送出去，在接收机端接收到后进行滤波，解调，再由音频放大电路驱动扬声器将音频信号无失真的还原。
硬件系统方框图如下：
（1）音频收集模块
一个无线话筒，则音频信号的收集是必不可少的。
本电路中考虑到需要做一个小巧的无线话筒，因而直接采用的是驻极体小话筒MIC，它灵敏度极高。
据介绍，甚至手表的嘀嗒的声音也可以被它收集到。
话筒采集到的交流声音信号通过C2耦合和R2匹配后送到三极管的基极。
另外，驻极体话筒内实际藏有一枚FET，可视之为一级，FET将话筒前振膜之电容变化放大，这就是驻极体话筒很灵敏的原因。
音频收集模块
（2） 音频放大模块
这个模块是对所收集到的音频信号进行无失真地放大，为下面的调制做准备。
因为在自然环境中，由于诸多因素，所收集到的声音（即音频信号）都经过了很多的干扰，因此其所携带的能量都是很微弱的，为了使其能够正常的进入调制模块来与本振进行调制，需要将其音频信号来进行适当的放大来达到相关匹配。
另一方面，这个无线话筒也是一个调频发射机，发出的信号又要经过大自然的无数干扰才会得到接收，若原始信号的能量就不够强烈，那么接收端的信号就无从谈起了。
所以只有对其原始的音频信号进行充分放大，达到相应要求之后，再发射出去。
接收端才能够正常进行解调恢复原始的音频信号。
这里的音频放大模块采取的是基本的三极管甲类的放大。
R2=10kΩ是三极管的基极偏置电阻，给三极管提供电流，
使其三极管始终工作在甲类无失真的放大状态，达到最好的放大效果。
R1=30OΩ是直流反馈电阻，是稳定三极管的工作状态。
音频放大模块
（3）载波振荡模块
一个调频信号发射机，载波振荡（即俗称本振）模块更是必不可少的。
根据电磁场理论可以知道，通过天线发射的信号需要与天线匹配，即天线的长度要大于信号波长的四分之一。
而音频信号的频带是20Hz至20kHz，对应的波长范围是15至15000km。
制造出巨大的天线是不合适的，所以我们需要一个高频载波来将我们的音频信息“装载”上去，再进行发送。
基于这样的理论基础，我设计的是高频三极管与C2、C3、C5所构成的一个电容三点式振荡器。
通过调整L的数值（拉伸或者压缩线圈L）可以方便地改变发射频率。
载波震荡模块
3、原理电路图
电路说明：
（1）MIC是驻极体话筒，它的作用就是感应空气中声波的微弱振动，并输出跟声音变化规律一样的电信号，本方案选用的是灵敏度较高的话筒，一般可以输出几十毫伏以上的音频信号，这个信号足以调制下一级的高频振荡信号的频率。
注意：
话筒有正负之分，一般和外壳相通的是负极。
（2）R1是MIC驻极体话筒的偏置电阻，有了这个电阻，话筒才能输出音频信号，这是因为MIC话筒内部本身有一级场效应管放大电路，用来阻搞匹配和提高输出能力等作用。
（3）C5是音频信号耦合电容，将话筒感应输出的声音电信号传递到下一级。
（4）C1是Q9013的基极滤波电容，一方面滤除调频杂音，另一方面让Q9013的高频电位为0,对50MHZ以上的高频电路来说，Q9013是一个共基极放大电路，这是最后能形成振荡的基础，因为振荡电路的基础条件就是必须具备一定的增益，再就是具备合适相位的反馈（一般是正反馈）。
（5）R4是Q9018的基极偏置电阻，给Q提供一个较小的基极电流，Q将会有一个较大的发射极电流到R5,由于R2、R4中的电流作用会在各自电阻上产生压降并互相影响，结果会自动稳定在某一数值状态，也就是书上讲的射极跟随器。
（6）R5是Q9018的发射极电阻，这里起稳定直流工作点的作用，和C4还组成了高频信号负载电阻作用，也是整个高频振荡回路的一部分。
（7）C3和L组成并联谐振回路，起到选择振荡频率的主要作用，改变C8和容量或者改变L的形状（包括圈数），可以方便的改变了射频率。
（8）C6是高频信号输出耦合电容，目的是为了让高频信号变成无线电波幅射到天空中，因此，天线最好竖起向上，长度最好等于无线电波的波长或其整数倍，四周应该开阔，不要有金属物阻挡。
（9）C2是反馈电容，电路起振的关键元件就是它。
分析本电路的高频状态时，集电极是输出，发射极是输入，输出信号通过C6加到输入端，产生强烈的正反馈，自然就产生振荡了，这实际上也就是书中说的电容三点式振荡电路。
4、元器件的检测
先检测三极管是否处于放大状态，用万用表检测集电极电压Ubc>0,发射极Ube<0若不满足则说明三极管的工作状态不在放大区，偏置电阻的值可能被焊接错了，这是可以用万用表的欧姆档测下R1.R2的值，看R2=？
10R1，可以用电感测试仪测下电感的值，用公式f=1/2∏LC粗略计算出谐振频率，再用收音机在这个频率附近搜索，发现其具体频率。
天线的长度理论值为波长的1/4，实际制作并不需要那么长，10cm就可以，当然为了有更好的接收效果及接收距离，可以将天线制作为波长的1/4，通常一根垂直的地面天线，其馈送点会呈现出电容性，为了弥补这电容性，可以采用电感来去除它。
在靠近接地面端就必须要使用电感来去除电容性，这里的电感可以让天线体本身缠绕呈线出来。
因此制作天线的时候可以将天线底部绕制成螺旋状，以除去馈点的电容性。
还有就是阻抗匹配和功率匹配问题。
放大器的阻抗匹配是指放大器输出阻抗和下一级放大器或负载的输入阻抗相等或相近。
如果相差较大，就是不匹配状态。
只有匹配状态才能实现比较理想的功率传递。
由于高频功率放大器工作于非线性状态，所以线性电路和阻抗匹配（即：
负载阻抗与电源内阻相等）这一概念不能适用于它。
因为在非线性（如：
丙类）工作的时候，电子器件的内阻变动剧烈：
通流的时候，内阻很小；截止的时候，内阻接近无穷大。
因此输出电阻不是常数。
所以所谓匹配的时候内阻等于外阻，也就失去了意义。
因此，高频功率放大的阻抗匹配概念是：
在给定的电路条件下，改变负载回路的可调元件，使电子器件送出额定的输出功率至负载。
这就叫做达到了匹配状态。
功率匹配是指源阻抗与负载阻抗匹配，以获得最大的功率输出。
可以调节电容C8的容量和改变L的形状来调节发射频率（因为采用的是固定电容，所以只有改变L的形状来实现阻抗匹配。
当然也可以找一可变电容来代替C8。
），来实现功率匹配和阻抗匹配。
六、安装与调试
1．安装
此次设计的实物用到的元件比较少，使用的是万用印刷电路板，焊接之前设计了一套元件插接方案，所以焊接的时候直接按照图示搭接方案直接焊接所以很顺利完成。
2．调试
把FM收音机的电源和音量打开，将频率调在100MHz左右无电台的地方。
给无线话筒电路板通上电源，对准收音机，用无感螺丝刀调节振荡线圈L1的稀疏（线圈匝间距离），直到收音机传出尖叫声。
再慢慢移开话筒和收音机距离，同时适当调节收音机（或者话筒板）的音量、调谐旋钮，直到声音最清晰、距离又最远为止。
七、课程设计心得
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关高频电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。
在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。
最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。
在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。
果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。
此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。
八、附录
附录一：
电路原理图
附录二：
PCB图
附录三：
元器件清单
元器件及位号清单
位号
名称
型号及规格
数量
R1、R2、R4、
电阻
22K
3
R3
1.5M
1
R5
200
1
C1、C2、
瓷片电容
102
2
C3
15
1
C4
5
1
C6
10
1
C7
221
1
C5
电解电容
100U
1
Q1
三极管
9018
1
Q2
9013
1
L1
电感
9T
1
天线
50cm
1
话筒
1
电路板
1
附录四：
参考文献
1、张肃文.《高频电子线路》北京：
高等教育出版社，2000.
2、南利平.《通信原理》北京：
清华大学出版社，2002.
课程设计成绩评定表
姓名
叶文
学号
201140210122
专业班级
2011电子信息工程1班
课程设计题目：
小型通信系统设计与制作
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
升级会员 