小功率调幅发射机的设计、安装和调测.doc

小功率调幅发射机的设计、安装和调测
一． 设计目的
训练学生对高频电子元器件及电路的应用能力、高频电路的设计与调测能力，高频电子小系统的设计与调测能力，提高综合应用高频知识的能力、分析解决问题的能力。
二． 设计任务
设计一个小功率调幅发射机，指标为：中心频率6MHz;频率稳定度≤ 10-4;输出AM波峰包功率≥200mW；调制系数ma≥50%；包络基本不失真，用短波调幅收音机收听到的声音清晰且不失真。限定条件：天线阻抗50Ω，话筒为驻极体话筒XD-18。
三． 方案的确定与电路图
（—）系统方案的确定
根据设计任务要求，可选用图k1.1所示的典型小功率调幅发射机的方案。图中，晶体振荡器的作用是产生频率稳定度≤10-5的基本不失真的6MHz的正弦波。由于晶体振荡器频率稳定度通常可达10-6以上，因此一般满足频率稳定度≤10-5的要求。缓冲放大器用于减小高电平调幅电路对振荡器工作的影响，并对振荡器输出信号进行放大，其增益应该合适而且可调，以便满足高电平调幅电路，不难达到发射机的功率和失真要求。调制系数可以通过uB(t)和uΩ(t)的大小来满足，uB(t)的大小通过缓冲放大器的增益来调节，uΩ(t)的大小通过音频放大器的增益来调节。音频放大器的作用是不失真地放大音频信号，其增益应该合适而且可调。综上可见，高电平调幅电路是满足系统要求的关键，应首先设计该电路，然后根据该电路对信号uB(t)和uΩ(t)的要求确定其它电路。
音频放大器
话筒
高电平调幅
缓冲放大器
晶体振荡器

图 k1.1 小功率调幅发射机系统框图
（二）单元电路的设计
1.高电平调幅电路的设计
（1）电路及工作状态的选择。高电平调幅电路主要有基极调幅、集电极调幅和集电极-基极双重调幅电路。由于输出功率较小，故可选用效率虽较低但调制线性好、电路较简单的基极调幅电路。导通角通常选择70o左右，采用自给偏置，电路如图k1.2所示。为了提高调制线性度，应使电路工作在欠压区。

O+Vcc

C2 C3 Lc
+ CC TA L TB

CB1 C4 C5 RA
uB(t)
RE
+CB2 LB1 C1
U
LB2
图k1.2 高电平调幅电路方案

（2）基本原件的选择。图中，CB1、CB2、CC为隔直耦合电容，C1、C2为高频滤波电容。π由于载波频率fc=6MHZ,音频信号频率F≈20Hz~20KHZ,故取CB1=CB2=CC=0.033μf,C1=C2=1μf。C3为电源去耦电容，C3=10μf。扼流圈LC在该电路中主要起隔离高频信号、耦合电源的作用，通常取10mH。LB2=51Mh。LB1为高频扼流圈，其作用是隔离高频载波信号，耦合低频的音频信号，因此取LB1=470μH。RE为负反馈电阻，用以改善波形及测试工作状态，通常取10Ω。
（3）滤波匹配网络的设计。L、C4和C5构成π型滤波匹配网络,为确定它们的值,需要先确定集电极谐振电阻Re。电路的最大输出功率在临界状态时达到，考虑到匹配网络的实际传输效率，应选择临界状态时的最大输出功率
POmax>1.5倍输出峰包功率=1.5×220mW=330mW
故选择POmax=0.6W。设集电极饱和压降UCES=1V，电源电压VCC=12V,则临界状态时的高频信号幅度为Ucmmax=11V，可得集电极谐振电阻为
Re=U2cmmax/(2Pomax)≈100Ω
考虑到功放匹配电路中Qe1、Qe2不宜太大，否则谐振曲线太尖锐，不易调整，而且传输效率降低，故取Qe1=2。由于Qe1=wcReC4,因此得
C4=2/(6×106×2π×100)=530PF
实际可取560PF，然后根据实验调整。
由于 Re/（1+Q2e1）=RA/（1+Q2e2）
故可得 Qe2≈1.22
C5=Qe2/(wcRA)=650PF
C5可取680PF，然后根据实验调整。
L=L1+L2=(Qe1/wc)×(Re/(1+Q2e1))+ (Qe2/wc)×(Re/(1+Q2e1))
=1.72μH
故L取为1.8μH.
（4）三极管的选择。设导通角θ≈70o,根据三极管临界工作状态时的高频信号振幅Ucmmax=11V，可求得临界状态时集电极电流为
icmax=Icmmax/α1(θ)=Ucmmax/Reα1(70o)=11/(100×0.44)=0.25A
临界状态时的管耗为
PC=PD-Pomax=icmaxα0(θ)Vcc-Pomax=0.25×0.25×12-0.6=150Mw
由于失谐管子的管耗大大增加，因此PCM的选择应有足够余量。
三极管的最大集电极电压为uCEmax≈2VCC=24V
查手册知：NPN高频中功率管9013的参数为fT≥300MHz，PCM=700Mw,ICM=300Ma,
U（BR）CEO=30V,所以满足上述要求。9013的管角如图k1.3（b）所示。
（5）载波电压幅值Ubm与调制电压幅值UΩm的选择。由于采用自给偏置，因此Ubm应大于0.5V。为便于调整、提高调幅性能，应使Ubm在0.5 ~3V内可调，UΩm在0.1~1v内可调，然后通过实验确定它们的合理取值。综上所述，确定高电平调幅电路如图k1.3(a)所示

LC 10mH
C310μf C310μf CC 0.033μf L 1.8μf C5 680PF
C4 560PF RA
CB1 0.033μf LB1 470μH RE 10Ω 50Ω
CB2 10μf C1 1μF

LB2 51Mh
(a)
9013
e b c

(b)
图k1.3 高平调幅电路
（a）电路 （b）9013管脚排列
2. 电源的选择
除高电平调幅以外的电路，信号的大小和功率都比较小，且对电源无特殊要求，故可根据高电平调幅电路的电源要求将各电路的电源选为VCC=12V。
3. 音频放大电路的设计
音频放大电路的输入信号由驻极体话筒提供，其值较大，可达100mV，为使UΩm能在0.1~1V内可调且有一定的调节余量，可确定音频放大电路增益为0.1~20，带宽20Hz ~ 20kHz。音频放大电路的Ri应远大于Rs,由于驻极体话筒XD-18的Rs较高（约几KΩ），因此可取RI=20KΩ。
拟采用图k1.4所示的单电源放大电路。图中12V电源通过68kΩ电阻为话筒提供直流偏置电压，这是话筒XD-18工作所要求的。隔直耦合电容C6和旁路电容C7根据下列式子确定

C6≥（3 ~10）/（2πfLR1） C7≥（3~10）/（2πfL（R2//R3））
由于Aumax=20,fmax=20kHz,而集成运放LM741的单位增益带宽为BWG=1MHz＞Aumaxfmax=4×105Hz,故集成运放可选用LM741，其管脚排列如图k1.5所示。

Rf 400kΩ
o A
C6 10μf R1 20KΩ 7 +12V
_ +

+
68KΩ uΩin 2 - fduu 6 o uo
+12V 3 LM741
+12v O R2 30 KΩ 4
R3 30 kΩ C7 10μf

图 k1.4 音频放大电路

NC VCC OUT 调零端1

调零端1 IN- IN+ VSS
图 k1.5 LM741 管脚排列
4．晶体振荡器的指标要求：fosc=6MHz,频率稳定度优于10-5 波形大小稳定，失真小，故可按频率指标设计，然后通过实验确定幅度。
(1) 电路形式的选择。采用应用较广的并联型晶体振荡电路。由于频率不高，故用共发射极组态就可以了。为便于调节fosc ，采用类似于改进型电容三点式的结构，如图k1.6所示。
（2）工作状态的选择。甲类工作状态波形好、稳定度高，但效率低；乙类、丙类则反之。由于本方案中所需的输出功率不大，可选择甲类。
（3）元器件的选择
1）直流通路原件的确定。通常取VBQ=(5~10)UBEQ。由于本电路为甲类工作状态且uo大些好（当uo足够大时可省去缓冲放大器），故信号动态范围要大些，VBQ应取大，现取VBQ=8.8v。偏置电阻RB1、RB2一般取几十kΩ，现取RB2=30kΩ，则根据
VBQ≈RB2/(RB1+RB2)XVCC
即 8.8V≈30kΩ/(RB1+30KΩ) X12V
可得 RB1=11KΩ
RE1主要用作交流电流负反馈电阻改善波形，其取值一般比较小，现取RE1=510Ω，采用1kΩ电位器实现之。
通常小功率振荡器的ICQ=1~5mA，现取ICQ=3mA，故可得直流电流负反馈电阻RE2为
RE2=(VBQ-VBEQ)/ICQ-RE1=(8.8V-0.7V)/3mA-510Ω≈2.2kΩ
LC为通直流阻交流的扼流圈，可取10mH。
2）CE、C5的确定。CE为旁路电容，其值太小则旁路作用不佳，太大则易产生见习振荡，通常按下式选取
CE≥（10~20）/（2πfoscRE2）
故可选CE=0.01μF。
C5为隔直耦合电容，可按下式选取
C5≥（10~20）/（2πfoscRL）
设RL=1KΩ，则可选C5=0.01μF。
3)回路原件选择。因为fosc=6MHz,故选用6MHz晶体。C3取20PF即可。
C1、C2是回路电容，应取大些以减小回路参数及分布参数的影响。由于反馈系数为
Fu≈-C1/C2
所以C1、C2的比例影响振幅条件及输出大小。C2/C1太小时易饱和，波形变差；太大时可能不起振。通常取C2/C1≈1~10。现取c1=c2=200PF,实验中视需要可作调整。
4）选管。因为管子甲类工作，为保证管子安全工作，应选择
PCM＞ICQUCEQ=3mA×(12v-8.1v)=11.7mW
ICM＞2ICQ=6Ma
U(BR)CEQ＞2VCC=24V
应选择特征频率fT≥（3~10）fosc =(3~10)MHz。根据前面所诉的9013参数可知可选用9013。
综上所诉，可得集体振荡器电路及其电路参数如图k1.6所示。
+12V
RB1 11KΩ LC
10mH C5 0.01μF uo

30KΩ 1KΩ C3 20PF
RB2 RE1 200PF
C1 6MHz
CE
RE2 0.01μF
2.2KΩ 图k1.6 晶体振荡电路
C2 200pf

5. 缓冲电路的设计
缓冲放大器需将振荡器输出电压放大为0.5~3V的电压，以提高电平调幅电路所需的载波输入信号，所以要有合适且可调的增益。由于信号频率高，故不采用普通运放实现放大，应采用集成宽带放大器或采用三极管分立元件电路。
实践表明，采用前述高电平调幅电路时，只要Ubm达到1.2V就够用，该晶体振荡器能满足Ubm=1.2v的要求，因此可省去缓冲放大器
（三）总电路图

四 、列出元器件清单及所需仪器清单
电阻 电容 电感
10Ω 1个 200PF 2个 1.8μH 1个
50Ω 1个 560PF 1个 470μH 1个
2.2kΩ 1个 680PF 1个 10 mH 2个
11kΩ 1个 0.01μF 2个 51 mH 1个
20 kΩ 1个 0.033μF 2个
30 kΩ 3个 1μF 2个
10μF 2个

其它器件
电位器 三极管 集成运放 晶振
1kΩ 1个 9013 2个 LM741 1个 6MHz 1个
430kΩ 1个
面包板 直流稳压电源 示波器 高频信号发生器 万用表
1 块 1 台 1台 1 台 1 台

五、安装调测举例
（一） 看样板，确定总电路布局和电源、地、输入端、输出端的位置。
（二） 单元电路的安装与调测
1. 调幅电路（设载波频率为6MHz）
(1) 在合适的位置安装调幅电路，仔细检查，确保安装正确可靠。用万用表的“x1Ω”档测量电源和地间的电阻，以保证电源未被短路。
（2）谐振功放的调谐、调整与测量
1)调谐：将直流稳压电源调为+5v,然后接入电路。在uB（t）端输入6MHz、幅值1V的正弦波，用双通道示波器同时观察uB（t）端、输出端uo的波形。调节信号发生器的频率，观察uo大小、失真情况的变化。当uo最大且基本不失真时，就调好了。若谐振频率偏离6MHz较多，则需调整电路，使谐振频率为6MHz；若谐振频率为1MHz，则记录该频率f0=
2）将直流电源调为+12V，减小输入信号，直到uE端的余弦波脉冲刚刚消失，记录此时的信号幅值Ubmmin= ,此即功放工作需要的最小值。
3）调整与测量：根据指标Pomax≥220mV，可求得输出电压必须满足Uomax≥4.7V，因此应调节输入信号大小，观察发射极信号uE的变化，使功放工作于临界状态（临界时uE为最高尖脉冲），测量此时的uo的幅值，若uo幅值小于4.7V或波形失真，则需对电路作调整；若uo幅值大于4.7V且波形不失真，则记录Uomax= ,并测量、记录相应的输入幅值Ubmmax=
。这样得到使功放欠压工作的输入信号范围Ubmmin~Ubmmax。
（3）调幅和测量
1）加载波信号:在uB(t)端加上6MHz的正弦波，为获得较大调幅度，载波幅值宜取Ubm=（Ubmmin+Ubmmax）/2。
2)加调制信号：在uΩ（t）端加上6MHz的低频正弦波，观察输出电压波形，应为普通调幅波。调节调制信号的幅值，使调幅电路能输出调制系数ma≥50%、Uomax≥4.7V、包络基本不失真的普通调幅波，否则需调整电路。测量并记录fΩ=1kHz、Uomax=4.7V且ma=50%时对应的Ubm= ，UΩm= 。
3）保持调制信号的大小不变，调节其频率，观测并记录调幅电路对调制信号的通频带频率范围：fΩ= ~ 。
2晶体振荡电路
（1）安装电路，仔细检查，确保安装正确可靠。
（2）断开正反馈环路，接通12V直流电源，用万用表测量UEQ,从而求出IEQ，与理论值进行比较，无异常则可进行下面测试，若异常则需排除故障或调整电路。
（3）接通正反馈环路，用示波器观察输出波形。若无波形，应确认是否构成正反馈。若能确认，则可增大环路增益，使输出稳定波形。用示波器观察输出波形的形状和频率，若频率明显不对，则为寄生振荡或晶体不对；若频率正常。则用频率计测量之。若波形明显失真，则应调整三极管工作状态，使管子工作在甲类状态，输出波形不失真。
（4）观测振荡频率和输出信号的大小。若振荡频率约为6MHz，则满足输出要求，否则要调整电路。若带调幅电路时的输出电压幅值在1V~12V之间，则能满足调幅电路对载波大小的要求，否则要调整电路或设计缓冲放大器。当电路调好后，测量并记录：fosc= ,
半小时频率稳定度为 ，空载时输出电压为 ，带调幅电路时输出电压值为
。
3. 音频放大电路
（1）安装电路，仔细检查，确保安装正确可靠。
（2）接通12V直流电源，用万用表测量LM741的输入、输出脚直流电位：UIN+= ,
UIN= , UO= ,并与理论值比较，若直流电位正常，则进行下面的测量。
（3）输入6kHz、幅值100mV的正弦波，调节Rf，观测输出幅值范围，若输出幅值能在0.1V~1V内可调，则满足了增益指标。记录输出幅值范围： ~ 。
（4）输入6kHz、幅值100mV的正弦波，调节Rf，使输出电压幅值为0.5V。然后保持输入信号的大小不变，调节其频率，测量音频放大电路的30dB带宽对应的频率范围： ~ 。
若通频带能覆盖120Hz~120KHz范围，则音频放大电路就调好了。
（三） 系统电路统调与性能指标测量
（1）按照总电路图连接各单元电路，仔细检查，确保安装正确可靠。
（2）接通12V直流电源，同时观察调幅电路的载波输入波形和输出波形，若输出波形不失真，则可进行下面的调试。
（3）给音频放大电路输入6kHz、幅值100mV的正弦波，观察整机输出电压波形，应为普通调幅波。调节Rf，使整机输出为调制系数ma≥50%、Uomax≥4.7V、包络基本不失真的普通调幅波。（若不能，则需调整调幅电路载波信号的大小）。测量并记录fΩ=6kHz、Uomax=4.7V
且ma=50%时对应的载波信号幅值Ubm= ，音频放大电路的输入信号幅值Uωinm= 。
（4）保持音频输入信号的幅值不变，改变其频率，测量音频通道的3dB带宽频率范围：
~ 。
（5）功能、指标达标后，保持现场，申请验收，否则，应通过分析原因，采取合理的措施调整电路，知道达到指标为止。

六、实测性能指标与整机视听效果
通过对实验结果的收听，得到了理想的放大的不失真的信号。
七、改进意见和收获体会
改进意见：电源线应该接到同一个地方，方便连线。
同一个模块的电路应该尽量连接到同一个地方。

收获体会：
通过一个星期的实验和课程设计，我学会了基本的电路连接，提高了我对高频电子元器件及电路的应用能力，提高了对高频电路的设计与调试能力，提高了对高频电子小系统的设计与调测能力，提高了综合应用高频知识的能力和分析问题的能力。
通过实验提高了我对高频电子元器件的应用能力，设计和调试能力，提高了综合应用高频电子器件的能力。
课程设计师直接提高我们应用能力的重要的手段，我们应该全面应用每一次的实验和课程设计的机会去提高我们的能力。
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