小功率调幅发射机设计.doc

一、设计题目
小功率调幅发射机
二、设计目的、内容及要求
2.1 设计目的
（1）加深对高频电子线路理论知识的掌握，使所学的知识系统、深入地贯穿到实践中。
（2）提高同学们自学和独立工作的实际能力，为今后课程的学习和从事相应工作打下坚实基础。
2.2 设计原理
小功率调幅发射机的设计
（1）掌握小功率调幅发射机原理；
（2）设计出实现调幅功能的电路图；
（3）应用multisim软件对所设计电路进行仿真验证。
技术指标：载波频率f0=1MHz~ 10MHz；低频调制信号1KHz正弦信号；调制系数
Ma=50％±5％；负载电阻RA=50Ω。
2.3 设计要求
根据原理，要求设计一个小功率调幅发射机，
（1)主要参数：
已知+Vcc=+10V、-VEE=-10V；话音放大级输出电压为5mV；负载电阻RA=50Ω
(2)主要元器件：主要元件有MC1496、3DG100、3DG130、4MHz晶振、NXO-10磁环；
(3)技术指标：载波频率f0=8MHz；低频调制信号1KHz正弦信号；调制系数Ma=50％；发射功率P0=300mW
三、调幅发射机的原理与分析
3.1调幅发射机的原理框图
所谓调幅，就是按照调制信号的变化规律去改变载波的幅度，使输出信号的频谱搬移到高频波段，而输出信号的振幅携带调制信号的相关信息。调幅发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的幅度调制,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，调幅发射机包括三个部分：高频部分，低频部分，和调制部分。
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或LC振荡电路，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。
调制部分即振幅调制电路，它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。
调幅发射机的原理框图如图1示：

低频信号
主振级

低频功放
隔离放大
调制器
被调级

图1 调幅发射机原理框图

3.2调幅发射机的设计方案
基本要求：输出功率P0=0.5W工作频率f0=5MHz调幅度ma=30%~100% 电源电压12v频率准确度△f/f0≤5×10-4；
根据课程设计要求，其工作频率为5MHz,输出载波频率为0.5W。由于输出功率小，所以可选用最基本的发射机结构。该结构由主振荡器、缓冲放大电路、低频放大器、振幅调制电路和高频功率放大电路构成。
3.2.1 主振荡器
主振器就是高频振荡器，根据载波频率的高低和频率稳定度来确定电路形式。在频率稳定度要求不高的情况下，可以采用电容反馈三点式振荡电路，如克拉泼、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。
1、电容三点式振荡器工作原理分析
所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B、E、C），分别与三个电抗性元件相连接，形成三个接点，故称为三点式振荡器，其基本电路如图2示：
图2 三点式振荡器的基本电路
根据相位平衡条件，图 (a)中构成振荡电路的三个电抗元件，X1、X2必须为同性质的电抗，X3必须为异性质的电抗，若X1和X2均为容抗，X3为感抗，则为电容三点式振荡电路（如图 (b)）；若X2和X1均为感抗，X3为容抗，则为电感三点式振荡器（如图 (c)）。由此可见，为射同余异。
基于电容三点式振荡器原理的常用电路有克拉泼电路和西勒电路。
（1）串联型改进电容三端式振荡器（克拉波电路）
电路组成如图3示：

图3 克拉泼振荡电路
电路特点是在共基电容三点式振荡器的基础上，用一电容C3，串联于电感L支路。
功用主要是以增加回路总电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。 因为C3远远小于C1或C2，所以电容串联后的等效电容约为C3。电路的
振荡频率为：

它有以下特点：
1、 振荡频率改变可不影响反馈系数。2、振荡幅度比较稳定；但C3不能太小，否则导致停振，所以克拉泼振荡器频率覆盖率较小，仅达1.2-1.4； 为此，克拉泼振荡器适合与作固定频率的振荡器 。
（2）并联型改进电容三段式振荡器（西勒电路）
电路组成如图4示：
图4 西勒振荡电路
电路特点是在克拉泼振荡器的基础上，用一电容C4，并联于电感L两端。功用是保持了晶体管与振荡回路弱藕合，振荡频率的稳定度高，调整范围大。电路的振荡频率为：

特点：1.振荡幅度比较稳定； 2.振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8；所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。
2 石英晶体振荡器
把晶体作为一个感性元件置于反馈网络的振荡电路中，与其他回路元件一起构成三点式振荡器。 并联型石英晶体正弦波振荡电路的电路原理如图。振荡电路的选频网络由石英晶体和电容C1、C2组成。电路的交流等效电路如图(b)所示。图中Rb=Rb1∥Rb2。该等效电路类似于改进型电容三点式振荡器。

图 5 晶体振荡器电路
石英晶体振荡器相当于一个高Q值的LC电路。 当要求正弦波振荡电路具有很高的频率稳定性时，可以采用石英晶体振荡器，其振荡频率决定于石英晶体的固有频率，频率稳定度可达10-6～10-8的数量级。
鉴于石英晶体在仿真时有一定的难度，本次设计选择了西勒电路作为调幅发射机的振荡级电路。
3.2.2 低频放大器
生活中音频信号的频率范围是300Hz~3400Hz，所以对音频信号的放大一般采用低频放大器即可。低频信号放大器的作用就是放大音频信号，使其达到调制电路输入信号的要求。
低频信号放大电路可以用三极管来实现，也可以用集成的运算放大器来实现。本次设计采用LM741的芯片来实现放大功能。
3.2.3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。
集电极调幅的电路图如图6：

图6 集电极调幅原理电路
其基本工作原理是利用某一极的直流电压来控制集电极高频电压的振幅。等幅载波由高频变压器T1输入到被调放大级的基极，调制信号通过低频变压器T2加到集电极回路且与电源电压串联，即集电极电源电压随调制信号而变。
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。
模拟乘法器是完成两个模拟量（电压或电流）相乘的电子器件。高频电子线路中的振幅解调，同步检波，混频，倍频，鉴频，鉴相等调制和解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分立器件要简单得多，而且性能优越。
模拟乘法器的电路原理图如图7示，常用集成芯片MC1496实现此功能。

MC1496
图7 MC1496的引脚图
MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。其中V1、V2与V3、V4组成双差分放大器，V5、V6组成的单差分放大器用以激励V1～V4。V7、V8及其偏置电路组成差分放大器V5、V6的恒流源。引脚8与10接输入电压，1与4接另一
输入电压，输出电压从引脚6与12输出。引脚2与3外接电阻RE，对差分放大器V5、V6产生串联电流负反馈，以扩展输入电压的线性动态范围。引脚14为负电源端（双电源供电时）或接地端（单电源供电时），引脚5外接电阻R5。用来调节偏置电流I5及镜像电流I0的值。
运用模拟乘法器进行调幅的电路图如图8示：

图8 模拟乘法器调幅原理电路
本次设计选用模拟乘法器的调制方式，完成音频信号的载波调幅。
3.2.4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，通过前面的电路以后，进入功率放大级的是已调信号。但由于信号的功率太小，发射出去存在很大衰减，影响信号的传送，所以要进行功率放大。末极放大可以采用高频小信号谐振放大器电路。
高频小信号谐振放大器的主要性能指标有：
（1）中心频率 指放大器的工作频率。它是设计放大电路时，选择有源器件、计算谐振回路元器件参数的依据。
（2）增益 指放大器对有用信号的放大能力。通常表示为在中心频率上的电压增益和功率增益。
电压增益 式5
功率增益 式6
式中，、分别为放大器中心频率上的输出、输入电压；、分别为放大器中心频率上的输出、输入功率。
通频带 指放大电路增益由最大值下降3dB时所对应的频带宽度，用表示。它相当于输入不变时，输出电压由最大值下降到0.707倍或功率下降到一半时对应的频带宽度。
高频小信号的原理电路图如图9示：

图9 高频小信号原理电路
四、模块电路设计
本次设计电路主要有四个模块：主振荡器模块、低频放大模块、调制电路模块和功率放大模块。
4.1主振荡器的电路设计
主振荡器采用西勒电路，因为其振荡频率可以做得比较高，并且中心频率也相对稳定。本次设计的调幅发射机，其主振荡器应输出2V,7MHz的正弦波信号。根据高频课程的理论学习，设计出如下的电路原理图如图10示：

图10 主振荡器模块
在设置静态工作点时，应首先设定晶体管的集电极电流ICQ，一般取0.5mA~4mA，ICQ太大会引起输出波形失真，产生高次谐波。
为了减少后级对主振级振荡电路振荡频率的影响，采用缓冲级。主振级与缓冲级联调时会出现缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况，可通过增大缓冲级的射极电阻来提高缓冲输入级输入阻抗，也可通过减小，如图所示。
4.2 低频放大模块设计
话音放大信号用来对话音信号进行放大。话音放大电路通过运放实现话音信号放大。它的电路原理框图如下图所示。实际电路通过话筒输入信号，在仿真时用一个电源代替。因为话音信号频率在kHz左右，电压幅度很小，所以选择幅度为2KHz，幅值为8mv的正弦波信号代替。此话音信号经过运放，实现了10倍放大。如图11示：

图11 低频信号放大模块
4.3调制模块设计
调制模块的主要部件是模拟乘法器，因为在软件中找不到这个集成元件，其内部电路需要自己画出。模拟乘法器的内部电路如图12示：

图12 乘法器内部结构电路

运用模拟乘法器实现调制的电路图如图13示：

图13 调制模块
4.4 末极放大模块设计
末极放大模块采用了常用的小信号放大器，输入为调制信号。经过小信号高频放大器后，调制信号的幅度可以实现一定程度的放大。
设计电路图如图14示：

图14 高频小信号放大模块
五、电路元件参数的选择
5.1主振荡器的电路参数选择
5.1.1确定静态工作电流
合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。－般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中：
选ICQ=2mA VCEQ=6V β=100
则有
为提高电路的稳定性Re值适当增大，取Re=1KΩ则Rc＝2KΩ
因：UEQ=ICQ·RE 则： UEQ =2mA×1K=2V
因： IBQ=ICQ/β 则： IBQ =2mA/100=0.02mA
一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ , 若取10IBQ
因： 则：
取标称电阻12KΏ。
因： ：
为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由27KΏ电阻与27K电位器串联构成。
5.1.2确定主震回路元器件
回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/8—1/2。
因振荡器的工作频率为：
当LC振荡时，f0=6MHz L＝10μH
本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C3、C4决定，即

有 。取C3 =120pf，C4=51pf（用33Pf与5-20Pf的可调电容并联），因要遵循C1，C2>>C3,C4，C1/C2=1/8—1/2的条件，故取C1=200pf，则C2=510pf。
4.2高频小信号放大器的谐振回路参数选择
1）回路中的总电容C∑
因为：
则:：
2）回路电容C
因有 ，所以
取C为标称值40pf。
六、电路仿真
6.1主振荡器与缓冲级的仿真
首先应该确定三极管的静态工作点，其VEQ应满足VEQ∕（R2+R3）≈Icq=2mA，若不满足则可调整R1的值。将三极管的静态工作点调试正确以后，再测量振荡器的振荡频率和输出电压幅度，如图15示：

图15 主振荡器输出信号
主振荡器的输出信号：峰峰值为2V，频率为7MHz的正弦波。

6.2 话音放大电路仿真
话音信号放大电路的仿真结果图如图16示:

图16 经过放大的音频信号
6.3调制电路仿真
调制电路的仿真结果图如图17示：

图17 调幅信号
输出调幅信号：峰峰值为1V 的调幅信号。
6.4功放电路的仿真
高频小信号放大电路的仿真结果图如图18示：

图18 经过放大的调制信号
由波形可以看出，经过高频小信号放大器后，调幅波的幅度大概变为了原来的7--8倍，峰峰值为6V左右，基本满足小功率调幅信号的输出标准。

七、心得体会
本次课程设计通过对高频知识的运用，利用EWA软件设计了一个小功率调幅发射机。调幅发射机的设计分为四个模块，主振荡器模块、低频放大模块、调制模块和高频放大模块，设计时先将各部分电路设计出来，并且单独进行仿真和调试，然后再将各模块连接起来进行调试并且仿真。仿真成功后，再根据电路图制作实物并调试。
在设计各个环节中都遇到了很多问题：首先，参数的选定很难。因为对课程的理解只是一些电路原理和实现方法，很少亲自选定各个器件的参数。经过上网搜查资料和针对性的修改最终确定了器件的参数；其次，理论上符合要求的电路，仿真后却得不到相应的结果，尤其是整机联接的时候出现了更多问题，也花费了很多时间，不过最终还是成功地完成了仿真。在这个设计过程中对以前学的知识有了更深刻的了解，也明白了所学知识的应用范围，收获颇丰。
设计环节完成之后，就是实物的制作和调试了。因为课设是与考试同步进行的，时间不是很充裕，所以只是制作了关键部分——调制模块的电路图。因为用的是集成芯片，调试不存在太大的难度。经过信号输入和调幅度的调整，最终得到了完美的调幅波。
通过这次课程设计，我再次感受到理论与实际的差别，认识到理论联系实际的重要性。我做的小功率调幅发射机所应用到的理论知识都是书中基本的知识点，因此在设计过程中对课本知识也有了进一步的理解，对以后的学习有很大的促进作用。

八、参考文献
[1]杨翠娥 《高频电子线路实验与课程设计》 哈尔滨工程大学出版社
[2]何中庸 《高频电路设计与制作》 科学出版社
[3]张肃文 《高频电子线路》第三版 高教出版社
[4]曾兴雯，陈健，刘乃安主《高频电子线路辅导》 西安电子科大出版社
[5]杨霓清 《高频电子线路实验与综合设计》 机械工业出版社
[6]于海勋，郑长明 《高频电路实验与仿真》 科学出版社

附录一：总体电路图

附二：元器件清单

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