100MHz调频发射机的设计和制作.doc

课程设计报告题 目：100MHz调频发射机的设计与制作 专 业：12通信工程 年 级：2012级 学 号：xxxxxx 学生姓名：xxx 联系电话： 指导老师：xxx 完成日期： 2015年 3 月 30 日摘 要 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。利用高频放大9018NPN三极管、线圈、二极管1N4148、瓷片电容、电解电容、开关、电阻元件，制作发射机，实现一定距离内发射信号的功能。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。关键词：调频发射机；调频；高频放大；9018NPN三极管；线圈；二极管1N4148。ABSTRACTFM transmitter as a simple communication tools, because it does not require station and ground switch station, can effectively support the mobile communications, so deeply the welcome of people. It currently extensive production, security, field engineering and other areas of small range of mobile communication engineering. This subject focuses transmitter circuit design can provide stability to the oscillation frequency modulation circuit. By using high frequency amplifier, coil, diode 1 n4148, 9018 NPN ceramics capacitors, electrolytic capacitors, switches, resistance element, transmitter, can realize the function of transmitting within a certain distance. Transmitter is the main task of the complete useful modulation of low frequency signal of high frequency carrier, it becomes in a center frequency has a certain bandwidth, is suitable for the transmission of electromagnetic waves by the antenna.Key Words: FM transmitter; FM; High frequency amplifier;9018 NPN transistor; Coil; 1 N4148 diode. II目录摘 要IABSTRACTI目录II1 设计要求及方案选择11.1设计要求11.2方案选择12 理论分析与设计52.1设计方框图电路的分析及设计52.2总电路的分析及设计53电路设计63.1 硬件电路的设计63.2 单元电路设计83.3语音信号调频到发射机103.4高频发射信号发射104 系统测试114.1调试所用的基本仪器清单114.2 调试过程124.3调试结果124.3测试结果分析135 总结14参考文献15附件16151 设计要求及方案选择1.1设计要求设计一个发射频率在100MHZ的调频发射机，这样能刚好覆盖调频收音机的接收频率，通过调整电感和电容的数值，可以方便地改变发射频率，避开调频电台。调频发射机主要由基本放大电路，载波产生电路，调频波产生电路，电容三点式的振荡器，谐振器，采集外界的声音信号的话筒MIC等构成。通过话筒或者外部信号输入插座将声音信号采集引入到调频发射机，再送到三极管的基极进行频率调制，并利用电容将发射信号耦合到天线上发射出去。调试一个频率为100MHz的高性能调频发射机，要求信号失真小，发射距离大于10米，能用普通收音机接收发射的信号。1.2方案选择 方案一：采用MAX2606调频发射芯片做调率发射电路方案，MAX2606采用SOT230-6微型封装，应用电路如图1-1所示，它的平均频率由L1设置，390H的电感可将中心频率设定在100MHz。调节电位器RP1则可以在88至108MHz的FM波段选择一个频道作为发射输出功率。输出功率对50的天线约为-21dB。图中的两个INPUT端接在功放机左右线路（LINE）输出端，左右声道音频信号均通过22k相加，并被电位器RP1衰减后，由脚送入MAX2606的内部振荡电路，经过调制后的射频信号从脚输出到发射天线，由于输入信号幅度高于60时将产生失真，因此使用电位器RP2将信号衰减到该电平以下。发射天线可以用一段75cm的电线充当。此时发射距离约为50米。为保证最佳接收效果，它最好与接收天线平行安装。MAX2606可工作于3至5的单电源，但最好采用稳定的电压，尤其是0.01F的退耦电容不能省略，以减少频率漂移和噪声，所以MAX2606的缺点就是有频率漂移和噪声。图1-1 基于MAX2606调频发射芯片发射电路方案二：通过音频信号改变载波的频率实现调频发射，调频发射机发射的频率带宽较宽，但其在高频段因所占的相对频带较调幅波发射更窄，发射距离远，信号失真小。并且在要求传输距离不是很远的情况下，我们用直接载波调频很容易实现载波调频发射机的设计，在能满足我的课程设计的技术指标要求的情况下，我门选择直接载波调频的方案来设接调频发射机。 方案三：利用通信原理和高频电子线路的相的任务是确保高效率输出足够大的高频功率，并馈送到天线进行发射。使用S9018构成基本放大电路，载波产生电路，调频波产生电路，电容三点式的振荡器，谐振器，采集外界的声音信号的话筒等构成。通过外部信号输入插座将声音信号采集引入到调频发射机，再送到三极管的基极进行频率调制并利用电容将发射信号耦合到天线上发射出去。图1-2 s9018结构图使用S9018等元件组成的电路，通过音频信号改变载波的幅值实现载波调幅发射，调幅发射机实现调制简便，调制所占的频带窄，幅度调制的系统结构简单，价格低廉，并且与之对应的调幅接收设备简单，对阻碍物的穿透能力强，调幅发射机广泛地应用于广播发射，但是传输距离短，容易失真。 综合对比，基于所学的相关知识与高频有关，方案三比其它制作简单方便而且价格低廉容易调试，适合锻炼我们的动手能力，所以选择方案一进行发射机的制作。话筒（MIC），电容C1，电阻R2、R4、 R5三极管V1组成基本放大电路。话筒可以将话音转换成音频信号，音频信号经过耦合电容C1传到三极管V1的基极，实现音频信号的放大，从而获得所需要的功率，以便对高频载波进行调制。设计中是所用到的信号放大电子器件，9018NPN三极管有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。此电子器件有两大优点。图1-3 9018NPN三极管结构图1、电流放大下面的分析仅对于NPN型硅三极管。如图1-3所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流 Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源 能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变 化量的倍，即电流变化被放大了倍，所以我们把叫做三极管的放大倍数（一般远大于1，例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射 极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。2、偏置电路 三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因。首先是由于三极管BE结的非线性，基极电流必须在输入电压 大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。如果我们事先在三极管的基极上加上一 个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小 信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的 信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极 电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。所以选择9018NPN三极管作为本次设计的最佳器件。图1-4 LC并联谐振电路原理结构图2 理论分析与设计2.1设计方框图电路的分析及设计高频时，三极管的结电容Cbe的作用不可忽略。高频三极管V1和结电容Cbe，电容C3、C5、C6组成一个电容三点式的振荡器 ，产生高频振荡信号，即载波。载波的频率主要由电容C4、电感L组成一个谐振器和结电容决定。 用放大了的音频信号去控制结电容 Cbe，便可控制载波的频率，使得载波的频率随着音频信号的改变而改变，从而实现调频。调频信号通过电容C4传送到发射天线，向外发射88108MHZ之间的调频电波。本设计图采用FM调制。通常小功率发射机采用直接调频方式，并组成框图如下图2-1所示： 图2-1 系统框图其中高频振荡级只要是产生频率稳定、中心频率符合指标要求的正弦波信号，且其频率受到外加音频信号电压调变；缓冲级主要是对调频振荡信号进行放大，以提供末级所需的激励功率，同时还对前后级起有一定的隔离作用，以避免级功放的工作状态变化而直接影响振荡极的频率稳定度。功放级的任务是确保高效率输出足够大的高频功率，并馈送到天线进行发射。2.2总电路的分析及设计 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。直接调频可用改变振荡回路的参数来实现，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，所以根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容、电阻的数值就能实现调频，也可用控制振荡器的工作状态来实现。其中高频振荡级主要是产生频率稳定、中心频率符合指标要求的正弦波信号，且其频率受到外加调制信号电压调变；缓冲级主要是对调频振荡信号进行放大，以提供末级所需的激励功率，同时还对前后级起有一定的隔离作用，为避免级功放的工作状态变化而直接影响振荡级的频率稳定度；功放级的任务是确保高效率输出足够大的高频功率，并馈送到天线进行发射。基本原理是：载波振荡为，调制信号为，数学表达式为 （2-1）瞬时频率为，瞬时相位为3电路设计3.1 硬件电路的设计总原理图如图3-1所示：图3-1总原理图基本原理：设载波信号，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 （3-1）已调信号的瞬时相位为 （3-2）实现调频的方法有直接调频和间接调频两大类。本次设计主要采用直接调频，其原理为：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。 三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。IC 的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数（=IC/IB, 表示变化量。），三极管的放大倍数一般在几十到几百倍。 LC并联谐振回路阻抗的相频特性是一条具有负斜率的单调变化曲线，利用曲线中，线性部分可以进行频率与相位的线性转换，这主要应用在相位鉴频电路中；同样，LC并联谐振回路阻抗的幅频特性曲线中的线性部分也可以进行频率与幅度的线性转换，因而在斜率鉴频电路中也得到了应用。 调频信号的电流是等幅、频率随调制信号变化的电流。当此电流通过斜率鉴频器的频率一振幅变换网络时，由于LC并联谐振网络的中心频率为f0，输入的高频信号使LC网络一直处于失谐状态，即工作于谐振曲线上以A为中心的BC之间的区域。当输入信号频率增大时，工作点由A向C移动，对应的输出电压由Uma减小为Umc；反之，当输入信号频率减小时，工作点由A向B移动，对应的输出电压由Uma增大为Umb。当输入信号最大频偏f变化不大时，线段BC很短，可近似看作直线，因此它所产生的频率-振幅变换作用是线性，输出电压振幅的变化与输入信号频率的变化呈线性关系。因此网络可以将等幅的调频信号变成调幅-调频信号，该信号再经过二极管包络检波器就能够解调出输出信号。3.2 单元电路设计 (1)限幅二极管的工作原理 当二极管与负载或后级输入端并联时，输入信号的极性与幅度能够足以令二极管正向导通，则输入信号经过二极管后的幅度就被限制在二极管的正向导通压降上了，从而实现了限幅的作用，也可以说输出信号被钳位了。 所谓限幅电路是限制信号输出幅度的电路，它能按限定的范围削平信号电压的波形幅度，是用来限制信号电压范围的电路，又称限幅器、削波器等。限幅电路应用非常广泛，常用于整形、波形变换、过压保护等电路。 限幅电路按功能分为上限幅电路、下限幅电路和双向限幅电路三种。上限幅电路在输入电压高于某一上限电平时产生限幅作用；下限幅电路在输入电压低于某一下限电平时产生限幅作用；双向限幅电路则在输入电压过高或过低的两个方向上均产生限幅作用。（2）高频三极管9018和电容C3、C5、C6组成一个电容三点式的振荡器 。C4、L组成一个谐振器：谐振频率就是调频话筒的发射频率，根据图中元件的参数发射频率可以在88108MHZ之间，正好覆盖调频收音机的接收频率，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，避开调频电台。发射信号通过C4耦合到天线上再发射出去。 （3)R4是V1的基极偏置电阻，给三极管提供一定的基极电流，使V1工作在放大区。R5是直流反馈电阻，起到稳定三极管工作点的作用。话筒MIC采集外界的声音信号。电阻R3为MIC提供一定的直流偏压，R3的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度越弱，电阻越小话筒的灵敏度越高。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。 电路中D1和D2两个二极管反向并联，主要起一个双向限幅的功能，二极管的导通电压只有0.7V，如果信号电压超过0.7V就会被二极管导通分流，这样可以确保声音信号的幅度可以限制在正负0.7V之间，过强的声音信号会使三极管过调制，产生声音失真甚至无法正常工作。CON4（音源输入端）输入插座，可以将电视机耳机插座或者随身听耳机插座等外部声音信号源通过专用的连接线引入调频发射机，外部声音信号通过R1衰减和D1、D2限幅后送到三极管基极进行频率调制。 （4）电路中发光二极管D3用来指示工作状态，当调频话筒得电工作时就会点亮，R6是发光二极管的限流电阻。C8、C9是电源滤波电容，因为大电容一般采用卷绕工艺制作的，所以等效电感比较大，并联一个小电容C8可以使电源的高频内阻。 （5）电路中开关S1和S2。S1是电源开关，当拨向右边时，发射机工作。S2有两个不同的位置，拨到最左边时音频输入调频，最右边是接通做调频话筒使用，音频输入时，右边做为无线转发器使用，因为做无线转发器使用时话筒不起作用，但是话筒会消耗一定的静态电流，所以断开K2可以降低耗电、延长电池的寿命。 总之，通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化，同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制。3.3语音信号调频到发射机音频输入接口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，把微弱的电压信号放大到足够的幅度(通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化，同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制)。通过发射天线向外发射，由于发射频率可以在88108MHZ之间，正好覆盖调频收音机的接收频率，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，避开调频电台。发射信号通过C4耦合到天线上再发射出去，用普通调频收音机就可收听广播了。3.4高频发射信号发射CK是外部信号输出插座，可以将电视机耳机插座或者随身听耳机插座等外部声音信号源通过专用的连接线引入调频发射机，外部声音信号通过R1衰减和D1、D2限幅后送到三极管基极进行频率调制。3.6 功率输出级电路设计这级电路主要是把已经放大的声音信号加大功率，把声音信号通过天线发射得更远，因此R4是为三极管提供偏置电压，使三极管9018处于丙类的工作状态，得到更大的功率。C4和L1是共集电极发射该声音信号。C7主要是耦合好信号加载到天线上去，把信号发射出去。C8、C9是电源滤波电容，原来因为大电容由于容量大，所以体积一般也比较大，且通常使用多层卷绕的方式制作，这就导致了大电容的分布电感比较大（也叫等效串联电感，英文简称ESL）,由于电感对高频信号的阻抗很大，所以大电容的高频性能不好。而一些小容量电容则刚刚相反，由于容量小，因此体积可以做得很小（缩短了引线，就减小了ESL，因为一段导线也可以看成是一个电感的），而且常使用平板电容的结构，这样小容量电容就有很小的ESL，这样它就具有了很好的高频性能，但由于容量小的缘故，对低频信号的阻抗大。所以，如果为了让低频、高频信号都可以很好的通过，就采用一个大电容再并上一个小电容的方式。原理图如下3-3所示：图3-2功率输出级部分原理图4 系统测试4.1调试所用的基本仪器清单表1 元件清单元件大小数量电阻10K, 68K, 27K,100,680各一个电解电容101,102,103,6.8p，47p，4.7uF， 1uF 100uF各一个二极管1N41482个三极管NPN 90181个线圈铜线10T可调电容48p1个开关1个音频输入接口1个4.2 调试过程 正确选择测试点,减小仪器对被测电路的影响。在高频情况下，测量仪器的输入阻抗及连接电线的分布参数都有可能影响被测电路的谐振频率及谐振回路的Q值，为了减小这种影响，应使仪器的输入阻抗远大于测试点的输出阻抗。 2. 所有测量仪器如高频电压表示波器和数字频率计等的地线及输入电线的地线要与被测电路的地线连接好，接线尽量短。 3. 观测动态波形并测量电路的性能参数低频电路的调试基本相同，所不同的是，按照理论公式计算的电路参数与实际的参数可能相差较大，电路的调制可能要复杂一些。 4. 电路的调制顺序为：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，直到整机调试；最后进行整机计数指标测试。 5. 由于功率放大器运用的是折线分析方法，其理论计算为近似值。此外，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和级间的互相影响，所以电路的实际工作状态与理论工作状态相差较大。4.3调试结果 （1）、用收音机能在100MHz左右收到高性能发射机发射的音乐与声音，结果调试在99.5MHz左右，与题目相差不大。 （2）、接收到的信号还算很稳定，但也会存在的干扰，距离越远干扰越大。4.3测试结果分析1、收音机存在一定的啸叫声或失真远距离使用时，特别采集到强度较高的信号时，收音机存在严重的啸叫声或失真。这是由于音频放大级增益较高，同时配用的话筒又具有较高的拾音灵敏度所引起。这是可适当调节电阻R3，R3的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度越弱，电阻越小话筒的灵敏度越高。2、用CK接口输入音源信号时，收音机输出声音小且伴有交流声。改善方法：、尽量缩短音频输入引线；、在发射机与音源二条连线中各串联一个10uH高频电感；、对音源进行屏蔽隔离。由于设计电路时元件存在误差，并且电路的参数设置会产生误差，加上本身电路设计存在问题有待改进和各级电路接在一起时互相干扰。此外本次所设计电路的仿真水平，离设计指标所要求的还一段距离。尤其是高频功率放大失相对比较大。还有可能是倍频器工作频率并非调在收音机接收范围内，实际上收音机接收到的只是微弱的谐波信号，其表现在虽然场强较大但有效发射距离很小，不到10米(正常条件下，配合良好的收音机，开阔地有效距离约为50-100米)。5 总结 通过该课程设计，全面系统的理解发射机的一般原理。把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。把学过的书本知识强化，能够把课堂上学的知识通过自己设计的作品表示出来，加深了对理论知识的理解。以前对调频发射机的认识是模糊的。在此次的课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料的十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在做课程设计，但我们不是艺术家，他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔，耳我们一切都要有根有据，有理可循，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。其次，在这次的课程设计，运用到了近期所学的专业课知识。带着问题去学习，我发现效率很高。要做好一个课程设计，就必须做到：要有一个清晰的思路；在设计时，要反复的修改，不断的改进。发现、提出、分析、解决问题和实践能力的提高都会受益于我在以后的学习、工作和生活。在设计的过程中，难免会遇到各种各样的问题，同时也能在设计的过程中发现自己的不足之处，对以前所学过的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，虽然在感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中有意想不到的困惑，这也将激发了我今后努力学习的兴趣。在买元件的过程中，懂得了各种元器件的型号命名方法及型号组成部分的符号及其意义、判断各种元器件质量判别方法、各种元器件的分类及一些应用。例如：利用色标法辨认电阻、电容的大小；用万用表测试二极管的好坏等。总之，这次设计使我受益匪浅，我从中吸取了很多经验教训，同时也学到了很多专业知识。参考文献1 张肃文.高频电子线路北京M.北京：高等教育出版社Z.2000. 2 江思敏、姚鹏翼.PADS电路原理图和PCB设计M.机械工业出版社A.2007.3 高吉祥.高频电子线路M.电子工业出版社A.2005.1.4 谢嘉奎.高频电子线路M.高等教育出版社Z.2001.3. 5 张肃文.高频电子线路北京M.高等教育出版社.2000.