高频电子线路课程设计指导书(信号发生器).doc

课程设计指导书高频电子线路教研组2008年1月前 言电子线路课程设计是电子线路课程教学的一个重要实践环节。是针对高频电子线路课程的要求，通过学生独立进行某一课题的设计、安装和调试过程，对学生进行综合性训练，培养学生运用课程中所学到的理论与实践紧密结合，独立地解决问题。是电子类专业学生入学以来第一次较为全面的设计能力的培养。该教学环节的基本目的是：1 综合运用电子线路课程中所学到的理论知识去独立完成一个设计课题；2 通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析和解决实际问题的能力；3 进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用的原则；4 学会电子线路的安装与调试技能5 进一步熟悉电子仪器的正确使用方法；6 学会撰写课程设计总结报告；7 培养严格认真的工作作风和严谨的科学态度。目 录一 调幅发射机设计指导书- -3二 小功率调频发射机设计指导书-8三 附录-11附录1 高频电路设计的基本步骤-12附录2 高频电路设计程序-13附录3 选择高频元器件的基本设想-14附录4 课程设计发射机实验电路-15高频电子线路课程设计指导书一、调幅发射机设计指导书本课程设计的目的是要求学生掌握最基本的小功率调幅发射机的设计和安装调试。 （一） 调幅发射机的设计原则 1.方框图 图2-1为最基本的调幅发射机的方框图。主振器缓冲器调制信号高频功放振幅调制高频放大图2-12.技术指标调幅发射机的主要技术指标：载波频率 ，载波频率的稳定度，输出负载电阻RL，发射功率PA，发射机效率，调幅系数Ma，调制频率F。（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相比拟时，天线才能有效地把载波发射出去。波长与频率的关系为：= c/f。式中， c为电磁波传播速度，c=3×108m/s。若接收机的灵敏度Us=2V，则通信距离s与发射功率PA的关系为表2-1小功率发射系统的功率与通信距离的关系PA/mW50100200300400500s/km2.843.384.024.454.825.08（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（30-300MHZ）范围内；对调幅发射机一般在中频（0.3-3MHZ）和高频（3-30MHZ）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Pc之比称为发射系统的总效率，即3电路型式选择调幅发射机是由主振器，缓冲级，高频电压放大器，振幅调制器，高频功率放大器等电路组成。（1）主振器主振器就是高频振荡器，根据载波频率的高低、频率稳定度来确定电路型式。高频电子线路所讨论的工作频率是几百千赫到几百兆赫，而课程设计所设计的最高频率受到实验条件的限制，一般选在30兆赫以下。表2-2 波段的划分电容三点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形好。这是因为电容三点式振荡器中，反馈是由电容产生的，高次谐波在电容上产生的反馈压降较小，输出中高频谐波小；而在电感三点式振荡器中，反馈是由电感产生的，高次谐波在电感上产生的反馈压降较大。另外，电容三点式振荡器最高工作频率一般比电感三点式振荡器的高。 主要原因是在电感三点式振荡器中，晶体管的极间电容与回路电感相并联，在频率高时可能改变电抗的性质；在电容三点式振荡器中，极间电容与电容并联，频率变化不改变电抗的性质。因此振荡器的电路型式一般采用电容三点式。在频率稳定度要求不高的情况下，可以采用普通三点式电路、克拉泼电路、西勒电路。频率稳定度要求高的情况下，可以采用晶体振荡器，也可以采用单片集成振荡电路。 频率稳定度是振荡器的一项十分重要的技术指标，表示一定时间范围内或一定的温度、湿度、电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡频率稳定度越高。 式中f0为标称频率， f1为实际工作频率。改善频率稳定度，从根本上来说就是力求减少振荡频率受温度等外界因素影响的程度，振荡回路是决定振荡频率的主要部件。因此，改善振荡频率稳定度的最重要措施是提高振荡回路在外界因素变化时保持谐振频率不变的能力。这就是通常所谓的提高振荡回路标准性。提高振荡回路标准性，除了采用高Q值和高稳定的回 路电容和电感外，还可以采用与正温度系数电感作相反变化的负温度系数电容 ，实现温度补偿的作用或 采用部分接入的方法以减小不稳定的晶体 管 极 间电 容 和分布电容对振荡频率的影响（详见参考资料）。（2）高频电压放大器 高频电压放大器的任务是将振荡电压放大以后送到振幅调制器，可以选用高频调谐放大器。需要使用几级放大器要看振幅调制器选择什么样的电路型式。如果选用集成模拟乘法器作振幅调制器，输入信号是小信号。当振荡器输出电压能够满足要求时，可以不加高频电压放大器。如果采用集电极调幅电路，就要使用一至二级高频电压放大器，以满足集电极调幅的大信号输入。谐振放大器的调试方法与阻容耦合放大器相同，首先应调整每一级所需的直流工作点，但要注意一点：在多级谐振放大器中，由于增益高，容易引起自激振荡。因此，在测试其直流工作点时，应先用示波器观察一下放大器的输出端是否有自激振荡波形。如果已经有自激振荡，应先设法排除它，然后再测试其直流工作点。否则，所测数据是不准确的。对于调谐放大器的频率特性、增益及动态范围的调整及测试，一般有两种方法，一种是逐点法；一种是扫频法。后者比较简单、直观。但由于其频标较粗，对于窄带调谐放大器难以精确测试。（3）振幅调制器 振幅调制器的任务是将所需传送的信息“加载”到高频振荡中，以调幅波的调制形式传送出去。通常采用低电平调制和高电平调制两种方式。采用模拟乘法器实现调制的方法是属于低电平调制，输出功率小，必须使用高频功率放大器才能达到发射功率的要求。采用集电极调幅电路实现调制的方式属于高电平调制。如果集电极调幅电路的输出功率能够满足发射功率的要求，就可以在调制级将信号直接发射出去。（4）高频功率放大器 高频功率放大器是调幅发射机的末级，它的任务是要给出发射机所需要的输出功率。本设计研究的是小功率调幅发射系统，通常采用丙类功率放大器，如果一级不能满足指标要求，可以选用两级。一般末级功率放大器工作在临界状态，中间级可以工作在弱过压状态。调幅发射机的各单元电路可以用分立元件组成的电路完成，也可以用集成电路来完成。 （二）设计任务 技术指标：载波频率f0 =10MHZ，载波频率稳定度不低于10-3，输出负载RL=50，总的输出功率PA=200mW，调幅系数平均值ma=30%。 调制频率F=20Hz20kHz.。本设计可提供的器件如下，参数见表2-3，表2-4。高频小功率晶体管 、集成模拟乘法器 （XCC , MC1496 ）、高频磁环 、运算放大器 （A741 ）、集成振荡器（E1648 ） 表2-3 单片集成模拟乘法器主要特性参数典型值表2-4（三）参考文献 1 杨翠娥. 高频电子线路实验与课程设计. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社. 2001.9.2 曾兴雯. 高频电子线路辅导. 西安：西安电子科技大学出版社. 2001.3.3 王尧. 电子线路实验. 南京：东南大学出版社. 2000.30.4 曾兴雯. 高频电路原理与分析. 西安：西安电子科技大学出版社. 2002.3.5 美Reihold Ludwig 王子宇.射频电路设计理论与应用.北京：电子工业出版社. 2003.5.6 华永平.电子线路课程设计仿真、设计与制作.南京：东南大学出版社. 2002.4. 二 小功率调频发射机设计指导书主要技术指标：发射功率PA500mW，负载电阻（天线）RL=50，工作中心频率f0=5MHz，最大频偏 ，总效率 。设计步骤：1. 拟定发射机的组成方框图 拟定整机方框图的一般原则是，在满足技术指标要求的前提下，应力求电路简单、性能稳定可靠。单元电路级数尽可能少，以减少级间的相互感应、干扰和自激。由于本题要求的发射功率PA不大，工作中心频率f0也不高，因此晶体管的参量影响及电路的分布参数的影响不会很大，整机电路可以设计得简单些，设组成框图如图3-1所示。 500mWLC调频振荡缓冲隔离功率激励末级功放调制信号1.25mW1.25mW0dB13dB13dB图3-1 组成框图各组成部分的作用是： （1）LC调频振荡器产生中心频率f0=5MHz的高频振荡，变容二极管线性调频，最大频偏、整个发射机的频率稳定度由该级决定。（2）缓冲隔离级将振荡级与功放级隔离，以减小功放级对振荡级的影响。因为功放级输出信号较大，当其工作状态发生变化时（如谐振阻抗变化），会影响振荡器的频率稳定度，使波形产生失真或减小振荡器的输出电压。整机设计时，为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。（3）功率激励级为末级功放提供激励功率。如果发射功率不大，且振荡级的输出能够满足末级功放的输入要求，功率激励级可以省去。 （4）末级功放将前级送来的信号进行功率放大，使负载（天线）上获得满足要求的发射功率。如果要求整机效率较高，应采用丙类功率放大器，若整机效率要求不高如，而对波形失真要求较小时，可以采用甲类功率放大器。但是本题要求，故选用丙类功率放大器较好。 2. 增益分配与单元电路设计     发射机的输出应具有一定的功率才能将信号发射出去，但是功率增益又不可能集中在末级功放，否则电路易产生自激。因此要根据发射机各组成部分的作用，适当地合理地分配功率增益。如果调频振荡器的输出比较稳定，又具有一定的功率，则功率激励级和末级功放级的功率增益可适当小些，否则功率增益主要集中在这两级。缓冲级可以不分配功率增益。设各级功率增益如图3-1所示。 下面仅介绍缓冲隔离级的电路设计。 图3-2 缓冲隔离级电路不论是在低频电路还是高频电路的整机设计中，缓冲隔离级常采用射极跟随器电路，如图 3-2 所示。调节射极电阻RE2，可以改变射极跟随器输入阻抗。如果忽略晶体管基极体电阻rb'b的影响，则射极输出器的输入电阻 Ri为Ri=RB'/RL' ，式中，RL'=(RE1+RE2)/RL,RB'=RB1/RB2，输出电阻R0为 R0=(RE1+RE2)/r0 。式中，r0很小，所以可将射极输出器的输出电路等效为一个恒压源。电压放大倍数AV为式中，gm晶体管的跨导，一般情况下 。所以，图3-2所示射极输出器具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压放大倍数近似等于1的特点。晶体管的静态工作点应位于交流负载线的中点，一般取 ，ICQ=310mA. 对于图2所示电路，取VCEQ=6V，ICQ=4mA，若晶体管的电流放大倍数=60，则RE1+RE2=VEQ/ICQ=1. 5k，取RE1=1k的电阻，RE2=1k的电位器。IRB10IBQ，IBQ=ICQ/，估算功率激励级的输入阻抗为335，即射随器的负载电阻RL=335，并可计算出射随器的输入电阻Ri，即 Ri=RB /RL3.6k输入电压Vi为为减小射随器对前级振荡器的影响，耦合电容C1不能太大，一般为数十皮法。C2为0.022F左右。3. 电路装调与测试 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，向后逐级进行。电路的调试顺序为先分级调整单元电路的静态工作点，测量其性能参数，然后再逐级进行联调，直到整机。最后进行整机技术指标测试。由于功率放大器运用的是折线分析方法，造成了理论计算的近似，另外单元电路的设计计算没有考虑实际电路中，分布参数的影响，级间的相互影响，所以电路的实际工作状态与理论设计计算的工作状态相差较大，因而元件参数在整机调整过程中，修改比较大，这是在高频电路整机调试中需要注意的。图 3-3 为一整机调试完成后的实验电路。图 3-3 调频发射机实验电路三、附录附录1 高频电路设计的基本步骤附录2 高频电路设计程序附录3 选择高频元器件的基本设想附录4 课程设计发射机实验电路15附录1. 高频电路设计的基本步骤：设计高频电路电路要求的特性如何？（频率、功率增益、噪声系数、稳定度等）是小信号还是大功率电路确定偏置种类（甲、乙、丙）和工作状态（线性或非线性）小信号电路为得到所需特性必需的偏置是多少？大信号电路确定晶体管fT、Gpe、NF确定晶体管Po、Pcmax、Vcc需要多大的输入输出功率？*测量偏置点的Y参数、S参数确定偏置电路确定Pi、Po甲类、甲乙类的线性放大确定元件（R、L、C）*确定电路参数（可使用史密斯导抗图、电抗图）非线性放大设计印刷电路图（元件装配图）反复验证上述步骤（设计结束）测量晶体管的输入输出阻抗为得到良好的线性所需的静态电流确定电路常数根据使用的元件确定散热设计偏置热稳定的设计测量静态时晶体管的输入输出阻抗合格不合格开始确定电路指标l 功率增益l 噪声系数l 通频带l 偏置l AGCl 输出电压l 稳定度半导体出厂说明书确定晶体管确定机器大小规格l 部件大小限制电路设计l RF电路IE=25mAl 考虑AGC电流的加法确定电路用部件确定偏置电位l 有正向AGC和反向AGC，由于外加电压器件特性将变动，所以需在调整时确定常数l 输入输出耦合电路的设计要兼顾功率增益和稳定度选择性的要求设计功率增益l 由于要兼顾稳定度，所以根据Y参数决定匹配电路、调谐电路的常数确定AGC常数l 为提高稳定度而加中和。由于输入输出失配引起功率增益下降审查中和电路l 使用频率l 部件大小l 成本l 温度系数再一次从头审查设计结束布线、组装调整结束l RF电路布线要粗，距离要短附录2. 高频电路的设计程序CC是不是L其他C电容L电感dia选择高频电路用元件使用的频率约为多少小信号（1W以下）满足要求的元件是什么？选择高频损耗小的满足要求的元件是什么电路处理的功率是大功率还是小功率？a（150MHZ）b（50300MHZ）c（300MHZ1GHZ）Power（1W以上）是需要散热器的功率电路吗？（匹配用）可变、半可变还是固定匹配用还是偏置用（可变）a有机薄膜可变电容空气可变电容 有无温度系数按输出功率而定a磁芯骨架线圈b、c空心线圈c分布参数电路b、c空气可变电容陶瓷可变电容 c分布参数电路（旁路用）a、b陶瓷电容c金属膜电容和陶瓷电容并用(固定)a、b、c电解质电容、陶瓷电容满足要求的元件是什么（有）a、b、c陶瓷可变电容（无）a、b、c空气可变电容附录3. 选择高频元器件的基本设想附录4 课程设计发射机实验电路