高频电子线路设计报告.doc

计算机与信息工程系高频电子线路课程设计报告课 程： 高频电子线路 课 题： 无线电发射机 专 业： 通信工程 班 级： B110510 座 号： B11051021 姓 名： 姜芳东 指导老师： 孙昭峰 完成时间： 2013年 12月 26日 目录前言一、设计内容31.1进程安排31.2设计目的31.3设计要求4二、发射机原理42.1 设计整体思路42.2 基本原理42.3 调频发射机的原理图82.4、各个元器件说明8三、模块说明93.1 输入信号模块93.2 振荡模块93.3 放大和发射模块93.4 调频发射机的主要技术指标10四、PCB板的制作10五、电路的调试及调试结果结果115.1 电路的调试115.2 调试结果11六、实验总结及心得体会12元器件清单附页前言 调频发射机作为一种简单的通信工具，由于它不需要中转站和地面交换机站支持，就可以进行有效的移动通信，因此深受人们的欢迎。目前它广泛的用于生产、保安、野外工程等领域的小范围移动通信工程中。本课题重点在于设计能给发射机电路提供稳定频率的振荡调制电路。课题首先用两级电压并联负反馈放大电路，适当放大语音信号，以配合调制级工作；然后用石英晶体构成振荡电路为发射机提供稳定的基准频率载波，接着通过变容二极管完成语音信号对载波信号的频率调制，并通过LC并联谐振网络选出三倍频信号；最终利用两级功率放大，使已调制信号功率大大提高，经过串联滤波网络滤除高次谐波，最后通过拉杆天线发射出去。通过后续的电路仿真和部分电路的调试，可以证明本课题的电路基本成熟，基本能完成语音信号的电压放大、频率调制和功率放大，达到发射距离的要求。发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制,将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。通常，发射机包括三个部分：高频部分，低频部分，和电源部分。高频部分一般包括主振荡器、缓冲放大、倍频器、中间放大、功放推动级与末级功放。主振器的作用是产生频率稳定的载波。为了提高频率稳定性，主振级往往采用石英晶体振荡器，并在它后面加上缓冲级，以削弱后级对主振器的影响。低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级与末级低频功率放大级。低频信号通过逐渐放大，在末级功放处获得所需的功率电平，以便对高频末级功率放大器进行调制。因此，末级低频功率放大级也叫调制器。调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡(载频)信号上去的过程。所以末级高频功率放大级则成为受调放大器。一、设计内容1.1、进程安排本次设计时间为1.5周，共7天。具体时间安排如下：序号内容安排天数1布置实践任务（由指导老师指定课题，分配任务，讲解整个设计的整体要求。）0.52查资料、定方案（学生根据课题要求查找相关资料，并确定整个设计方案。）13方案评估（学生提交自己设计的方案，并在课上给出方案分析；指导老师对学生提交的方案进行综合评估，确定设计方案。）14采购（学生根据确定的设计方案，自己采购电子元器件。）0.55制板（学生根据方案电路图布线制板。）0.56调试及功能改进（学生焊接电路板并进行系统调试。时间允许条件下，学生可进行发挥设计，对系统功能进行扩展。）2.57实践总结（学生完成设计报告，指导老师对学生设计产品、报告进行评估定级）11.2 设计目的无线电发射与接收设备是高频电子线路的综合应用，是现代化通信系统、广播与电视系统、无线安全防范系统、无线遥控和遥测系统、雷达系统、电子对抗系统、无线电制导系统等，必不可少的设备。本次设计要达到一下目的：1、进一步认识射频发射与接收系统；2、掌握调频（或调幅）无线电发射机的设计；3、学习无线电通信系统的设计与调试。1.3 设计要求1、发射机采用FM或AM的调制方式，二者选一；2、若采用FM调制方式，要求发射频率覆盖范围为，传输距离为10m;3、 若采用AM调制方式，发射频率中波波段或30MHz左右，传输距离>10m；4、 为了加深对调制系统的认识，发射机建议采用分立元件设计；（采用集成电路的设计方法建议作为备用方案；）5、 已调信号采用通用的AM/FM多波段收音机进行接收测试。1.4 报告任务要求1、给出设计课题题目、实践目的、设计原理、设计内容和要求；2、查阅相关资料，对系统的发展背景、应用场合在序言中进行阐述。3、给出系统设计方案、电路原理图、各个电子元器件的型号、参数；4、画出发射电路中，一些关键节点的信号波形；5、系统调试方法，设计过程遇到的问题、思考及解决方法；6、系统的功能扩展实现情况；7、心得体会；二、发射机原理2.1 设计整体思路：输入信号电路振荡功率放大2.2 基本原理本设计图采用FM调制。载波，调制信号；通过FM调制，使得频率变化量与调制信号的大小成正比。即已调信号的瞬时角频率已调信号的瞬时相位为实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类，本设计图采用直接调频：直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号变化规律。要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的瞬时频率按调制信号变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。直接调频可用如下方法实现：1.改变振荡回路的元件参数实现调频在LC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC振荡回路的电感L和电容C。在RC振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有二极管和场效应管。2.控制振荡器的工作状态实现调频在微波发射机中，常用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控于加在管子反射极上的反射极电压。因此，只需将调制信号加至反射极即可实现调频。若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。（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。克拉泼（clapp）电路是电容三点式振荡器的改进型电路，下图为它的实际电路和相应的交流通路： 实用电路 交流通路如图可知，克拉泼电路比电容三点式在回路中多一个与C1 、C2相串接的电容C3，通常C3取值较小，满足C3<<C1 ，C3<<C2，回路总电容取决于C3，而三极管的极间电容直接并接在C1 、C2上，不影响C3的值，结果减小了这些不稳定电容对振荡频率的影响，且C3较小，这种影响越小，回路的标准性越高，实际情况下，克拉泼电路比电容三点式的频稳度高一个量级，达。可是，接入C3后，虽然反馈系数不变，但接在AB两端的电阻RL=RL/Reo 折算到振荡管集基间的数值（设为RL）减小，其值变为式中，C1，2是C1 C2 和 各极间电容的总电容。因而，放大器的增益亦即环路增益将相应减小，C3越小，环路增益越小。减小C3来提高回路标准是以牺牲环路增益为代价的，如果C3取值过小，振荡器就会因不满足振幅起振条件而停振。（2）功率放大极：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，且工作在丙类状态，输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤，如下图为谐振功率放大器的原理电路图：其中Zl为外接负载，Lr Cr 为匹配网络，它们与外接负载共同组成并联谐振回路，调Cr使回路谐振在输入信号上，为实现丙类功放，基极偏置电压Vbb应该没在功率管的截至区内。若忽略基区宽度调制效应及管子结电容的影响，则输入信号电压Vb（t）=（coswt）*Vbm，根据，集电极电流波形是一串周期重复的脉冲序列，脉冲宽度小于半个周期，用傅里叶级数展开可得：由于集电极谐振回路调谐在输入信号频率上，因而它对ic中的基波分量呈分现的阻抗最大，且为纯电阻，称为谐振电阻，在高Q回路中，其值近似为：，式中= 为回路总电容，为回路谐振角频率，Qe= /RL为回路有载品质因素，而谐振回路上对中的其他量呈现的阻抗均很小，这样可以近似认为回路上仅有由基波分量产生的电压，Vc，而平均分量和各次谐波分量产生的电压均可忽略，因而可在负载上得到不失真信号功率。利用谐振回路的选频作用，可以将失真的集电极电流脉冲变换为不失真的余弦电压，同时还可以将含有电抗分量的外接负载变换为谐振电阻Re，而且调节 ，还能保持回路谐振时使Re等于放大管所需的集电极负载，实现阻抗匹配，因此在谐波功率放大器中，谐振回路起了选频和匹配的双重作用。丙类工作时集电极效率随管子导通时间的减小而增大，但随着导通时间的减少，中基波分量幅度将相应减小，从而导致放大器的输出功率减小，为了在增大输入激励电压幅度Vbm外，还必须同将基极偏执电压Vbb向负值方向增大。这样，加到基极上的最大反向电压（Vbb-Vbm）就将迅速增大，从而可能发生功率管发射结被反向击穿。2.3 调频发射机的原理图2.4 各个元器件说明MIC是驻极体话筒，它的作用就是感应空气中声波的微弱震动，并输出跟声音变化规律一样的电信号。一般可以输出十几毫伏以上的音频信号，这个信号足以调至下一级的高频振荡信号的频率。它有正负之分，一般和外壳相同的是腹肌。如是MIC驻极话筒的偏置电阻，有了这个电阻，话筒才能输出音频信号，这是因为MIC驻极话筒内部本身有一极场效应管放大电路，用来阻抗匹配和提高输出能力等作用。但是话筒不应选灵敏度太高的，否则容易出现声反馈，出现自己叫声。C2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。C7是是Q9018的基极滤波电容，一方面滤除高频杂音，另一方面让三极管的高频电位为0，R4和R7是三极管的集电极偏置电阻，它们起限制集电极电流Ic的作用。R5极管的发射极电阻，这里起到稳定直流工作点作用，和C8构成了高频信号负载芙蓉电阻作用，也是整个高频振荡回路的一部分。C4和L1组成并联谐振回路，起到选择振荡频率的主要作用，改变C4的容量或者.L1的形状（包括圈数），可以方便的改变发射频率。C4、C5、C8构成了电容三点式振荡，C5是反馈电容，是电路起振的关键。C6是耦合电容，具有阻直传交的作用，阻止每级之间的静态工作点相互影响。C11是高频信号输出耦合电容，目的是为了让让高频信号变成无线电波辐射到天空中。因此，天线最好竖直向上，长度最好等于无线电波的频率波长（或者整数倍），四周应该开阔，不要有金属物阻挡。C10和L2组成并联谐振回路，起到选择振荡频率的主要作用。C3和C9为滤波电容，起到电容滤波作用，滤除高频杂信号，防止它影响直流静态工作点。三模块说明3.1 音频输入模块这部分电路组要由电容C1和欧姆的电阻R3组成低通滤波电路，L1是起到阻止后面的高频信号通过，电阻R4和R5起到电平转换的作用，把较高的电压通过这两个电阻的分压后，变成较低的电压，这样防止较高的音频信号将后面的振荡电路中的三极管烧毁。电感L1起到隔离高频信号的作用，防止振荡电路中产生的高频信号通过。电容C2有隔直通交的作用，准许音频信号加载到后一级，而防止直流电通过。3.2 振荡模块 如图原理图所示，这部分主要是有三极管（Q1）、电容（C4、C5、C7、C8）和电感L1组成的电容三点式高频小信号振荡器。接在三极管基集和电源之间的电阻R4和R5主要是为三极管提静态工作电压使三极管能正常工作。电容C4、C8和C5、三极管Q1，组成了电容三点式使信号的相位改变360度，再通过三极管提供振荡消耗的能量和滤波产生了高频信号。接在地与三极管发射极之间的电阻是为了稳定三极管的静态工作电压，电容C7是滤波电容，滤除产生的高频信号，稳定静态工作点防止零点漂移。电容C6是将信号耦合到下一级电路中去，有隔直通交的作用。3.3 放大和发射模块这一部分电路组要是有三极管Q2、空心电感L2、电容C10、C11和电阻R7组成，其中电感L2、电容C10和三极管Q2组成了谐振电路具有放大高频小信号和滤波的作用，被调制后的信号通过三极管Q2的基集输入，通过电感L2、电容C10和三极管Q2组成了谐振电路的滤波和放大最后通过接在三极管Q2集电极的电容C11耦合后接到发射天线上去。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。使本电路完全满足了系统的要求，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，与此同时，载波频率稳定度控制在200Hz以内，输出信号频率偏差不超过20kHz，各项指标满足技术要求。而且，本电路调试量小，成本也不高。 注意在焊接时一定要小心、谨慎，尽量避免将两种不同的元件焊在一起，以防发生短路。另外在焊接时一定要看准再焊，以免各种元件发生混乱。3.4 调频发射机的主要技术指标 1、 工作频率范围 调频一般适用于米波广播、电视、雷达，其工作频率范围为30MHz300MHz。 2、 发射功率PAV 发射功率一般指发射机输送到天线上的功率。由麦克斯韦电磁波理论可知，只有当天线的长度与发射电磁波的波长相比拟时，天线才能有效地将已调波发射出去。3、频率计算 本调频发射机的振荡电路是电容三点式振荡电路，其频率计算公式为：   根据这个公式可以计算得到振荡电路的震荡频率。四、PCB 板的设计与制作：  频率对馈电电源，地线分布等电磁兼容问题都有着严格的要求。是因为电源和噪声能耦合到系统中，使得噪和杂散变坏。因此，在布局PCB板图时，应做到以下几点： （1）单独稳压，稳压器的输入输出端都要接有滤波电路； （2）布线元件排列应该尽量整齐； （3）电源应该加宽，约为1mm宽，信号线宽也要达到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。使本电路完全满足了系统的要求，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，与此同时，载波频率稳定度控制在200Hz以内，输出信号频率偏差不超过20kHz，各项指标满足技术要求。而且，本电路调试量小，成本也不高。 注意在焊接时一定要小心、谨慎，尽量避免将两种不同的元件焊在一起，以防发生短路。另外在焊接时一定要看准再焊，以免各种元件发生混乱。五、电路的调试及调试结果5.1、电路的调试    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。     用一信号收音机调谐在75MHZ，发射机音频线接入音频信号，用无感螺丝刀调空心线圈L2，使频率在75MHZ，可收到清晰的话音信号，调L3空心线圈可以加远发射距离（只要调整好频率覆盖就行）。反复调整几次能够收到参考信号为止。在焊接时请按先焊小元件再焊大元件的原理进行操作。原件尽量贴着底板，“对号入座”不得将元件错焊，焊完后反复检查有无虚假错焊，有无托锡短路照成的故障。给电路通上12V电源后，用万用表测量变容管两端电压，确保其为4V调节电位器W2，确保其为4v5.2、调试结果功率为71.2MHz此发射机可以发射信号到65米以外的地方六、实验总结及心得体会通过此次课程设计，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！课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等，掌握了焊接的方法和技术，通过查询资料，也了解了收音机的构造及原理。我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。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。元器件清单： 名称规格大小数量 电阻R2100K1R32.7K1R420K1R51001R733K1电容C14.7u1C21u1C3、C8100u2C418p1C5、C6、C1147p3C71000p1C91021C1033p1电感L13T1L25T1麦克风1三极管90182天线七、参考资料1 高吉祥.高频电子线路.电子工业出版社.2005.12 谢嘉奎.高频电子线路.高等教育出版社.2001.33 张肃文.高频电子线路.高等教育出版社.1999.84 胡宴如. 高频电子线路实验与仿真.高等教育出版社. 2009附页17