通信基本电路课程设计09级3.doc

小功率调频发射机课程设计
一、 主要技术指标：
1. 中心频率：
2. 频率稳定度
3. 最大频偏
4. 输出功率
5. 天线形式 拉杆天线（75欧姆）
6. 电源电压
二、 设计和制作任务：
1. 确定电路形式，选择各级电路的静态工作点，并画出电路图。
2. 计算各级电路元件参数并选取元件。
3. 画出电路装配图
4. 组装焊接电路
5. 调试并测量电路性能
6. 写出课程设计报告书
三、 设计提示：
通常小功率发射机采用直接调频方式，并组成框图如下所示：
调频震荡级
缓冲级
功率输出级

其中，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，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。
上述框所示小功率发射机设计的主要任务是选择各级电路形式和各级元器件参数的计算。
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。关于该电路的设计参阅《高频电子线路实验讲义》中实验六内容。
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.缓冲级：
由于对该级有一定增益要求，考虑到中心频率固定，因此可采用以LC并联回路作负载的小信号谐振放大器电路。
并联谐振回路如图所示
如图，Rs RL 分别为输入信号源内阻和输出负载电阻，Rp为L中心损耗电阻，回路中总导纳为 Y（jw）=1/Re+j(wc-1/wL) 式中，Re=Rp//Rs//RL.因而电流源Is（jw）在回路上产生的电压为：
令回路总导纳为0，求得谐振角频率为，这个频率上，回路电压达到最大，，且与同相

其中，
Qe为有载品质因数，定义为：

Qo：为回路固有品质因素，可见要增大Qe 除提高Qo外，还应采用Rs 大的电流源激励，且尽可能增大RL值
并联谐振回路的幅频和相频特性曲线如下图：

幅频特性 相频特性

对该级管子的要求是：
至于谐振回路的计算，一般先根据f0算出LC的乘积值，然后选择合适的C，再求出L。C根据本课题的频率可取100pf~200pf
3.功放输出级：
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分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
从结构简单，调节方便期间，本课题采用型网络，计算元件参数时通常取Qe在10以内，型网络及计算如下：

实现条件：Re<Rl
元件表达式：

功率管应满足以下条件：

四、 参考电路
鉴于上述设计考虑，如图上的框图是可供选择的电路之一，在条件允许时，可采用MC2833单片集成电路来设计，该集成电路工作原理参见其它规格书，应结合本课题需求对电路外围元件参数作相应的计算修改。

考虑到变容二极管偏置电路简单起见，采用共基电路。因要求的频偏不大，故采用变容二极管部份接入振荡回路的直接调频方式。C3为基极高频旁路电容，R1、R2、R3、R4、R5为T1管的偏置电阻。采用分压式偏置电路既有利于工作点稳定，且振荡建立后自给负偏置效应有篮球振荡幅度的稳定。一般选为3mA左右，太小不易起振，太大输出振荡波形将产生失真。调节C9、CP可使高频线性良好。R7、R9为变容二极管提供直流偏置。调制音频信号C4、加到变容二极管改变振荡频率实现调频。振荡电压经电容C10耦合加至T2缓冲放大级。

T2缓冲放大级采用谐振放大，L2和C11应谐振在振荡载波频率上。如果发现通过频带太窄或出现自激可在L2两端并联上适当电阻以降低回路Q值。该级可工作于甲类以保证足够的电压放大。

T3管工作在丙类状态，既有较高的效率，同时可以防止T3管产生高频自激而引起的二次击穿损坏。调节偏置电阻可改变T3管的导通角。L3、L4、C15和C16构成型输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，即将天线阻抗变换为功放管所要求的负载值，并滤除不必要的高次谐波分量。常用的输出回路还有L型、T型以及双调谐回路等。

五、 焊接电路板：
焊接电路板有许多需要注意的地方，电路板焊接的好坏直接关系着实验的成败
1. 要先检查所有的元件是否可用，C9018应分清基极，集电极，发射极，变容二极管要使用万用表区分好正负极，避免接线时出现错误
2. 排版时要注意横平竖直，最好将三个三极管平行放置，这样易于测试
3. 焊接时要注意防止虚焊，电容电感尽量卧式安装，焊接完成后尽量缩短高频部分的元件引线，但不用剪太短，否则不容易更改
4. 接地线时不能贪图省事，用锡一直拉一排连接各管脚的地这样不易更改线路，应仍使用导线连接，便于修改
5. 绕中周时应有规律的绕，均匀的绕，从下到上或者从上到下，切不可上面绕几圈下面绕几圈，这样在调节的时候会出错，焊接漆包线时一定要将焊接处的漆刮干净，最好用火烧，绕完后要用万用表测试其是否导通
6. 电源线和地线排放的位置不能靠太近，否则用鳄鱼夹加电时易发生短路碰电
六、 调试电路
1. 给电路板通电，电压为9V，不加音频信号，注意接地，测试三极管的静态工作点，看是否符合理论要求
2. 分别调节L1 L2 L3使输出中心频率达12MHz。并出现不失真的波形（正弦波），调节L1主要改变中心频率，调节L2主要调节峰峰值的大小，波形失真则可以调节L3，但由于这三级电路互为谐振回路，三者之间会相互影响，一次调节其中一个会对其余两个造成影响。因此这三者应统调。如调解L1使中心频率达到12MHz后，调节L2使满足峰峰值要求时，随着Vpp的上升，中心频率也会有所上升，这时应回头再微调L1，确保中心频率的值
3. 加上1kHz的音频信号，用频偏移测出角频
在调试过程中，出现了许多问题，由于虚焊，导致电路板运行不稳定，输出频率与电压值经常发生跳变，为了解决虚焊问题，电路板不加音频信号，加上9V电压并接地，同时在输出级用示波器观察，接触各个焊点，如果示波器的波形发生跳变，则表示这点很可能发生虚焊，逐一修改
解决虚焊问题，依然有跳变情况，再一次检查发现，仍有一处错焊，改正线路后，频率稳定度总算明显提高。但是中心频率达不到要求，最多只能达到10MHz左右，而试着拆下中周重新绕漆包线，由于频率低于要求指标，减少了线圈数，频率这次跳到13MHz，超过了指标要求，经过数次调整，达到的要求的12MHz。
第二次调试时C9018静态工作点出现问题，没有达到理论值的4V，负载处输出也达不到指标水平。尝试了将Rb和L3间的电阻短接，在C9018发射极并上小电阻，依然没有明显成效，后来经老师指点，换了多种方法，最后在R11处并了3个200欧电阻，调节L1 L2 L3，终于使各项指标达到要求，最后测得Vpp=5.00v，中心频率为12.017MHz，频偏65kHz，完成了相应的技术调试

七、 实验结果
项目
理论值（由设计图计算）
实际值（由最后测量结果计算）
电感L1（uH）
3.3
0.713
电感L2（uH）
1.76
1.76
电感L3（uH）
1.85
1.58
中心频率f0（MHz）
12
12.017
最大频偏
10kHz
65kHz
电压（输出）Vpp

5.00V
输出功率mW
30
125
八、 实验相关资料
1. 调频有2种实现方法，直接调频和间接调频
直接调频
调频信号的特点是它的瞬时频率接调制信号规律变化，直接调频法就是用调制信号直接控制振荡器，被控的振荡器可以是LC振荡器，晶体振荡器或张弛振荡器
间接调频
将调制信号进行积分，用其值进行调相，使得到所需的调频信号，这种通过调相实现调频的方法称为间接调频
正选振荡器中实现直接调频常用变容二极管
变容管作为振荡回路总电容的直接调频电路
如图，Cj为变容管的结电容，它与L共同构成振荡器的振荡回路，其振荡频率近似等于回路的谐振频率

因为，为PN结的内建电位差，Cj（0）为v=0时的结电容，n为变容指数。为保证变容管在调制信号电压变化范围内保持反偏，必须加上反偏电压Vq，即其中，，调频特性曲线作图后可知，除N=2时为理想直线其余均为非线性曲线
当时，=m，当N一定时，m增大，可增大相对频偏
调频波的相对角频偏与m成正比是直线调频电路的一个重要特征
变容管部分接入振荡回路的直接调频电路
变容管作为振荡回路总电容，它的最大优点是调制信号对震荡频率的调节能力强，即调频灵敏度高，也是本课题选用的方法，如图所示：

相应的调频方程为
一般接入电路中的C2取值较大，C1取值较小，C2课使减小，振荡频率增高，C1可是增大，振荡频率降低，电路可提供的最大角频偏为，其中，
P=（1+P1）（1+P2+P1P2）, P1=/c2, P2=C1/
虽然减小1/P倍，但温度引起的Vq不稳定而造成的负载频率的变化也同样减少1/P，即载波稳定度提高了P倍，同时，加到变容管上的高频振荡电压振幅相应的减小，这对调制失真是有利的
间接调频电路有三种实现方法：矢量合成法，可变相移法和可变延时法

2. 扩展最大频偏的方法
一个调频波，设它的瞬间角频率为，倍频器可以在保持调频波的相位对角频偏不变即=的条件下成倍地扩展其最大角频偏
混频器可以在保持最大角频偏不变的条件下，不失真地改变调频波的相对角频偏
对于直接调频电路，先在较高频处调频，而后用混频器降低载波频率，对于间接调频，应在较低频处调频，而后用倍频器，获得较大的绝对频偏
九、 结束语
这个实验是关于小功率调频发射机工作原理分析及其安装调试。从开始的焊接到后面的调试，都出现了大大小小的问题，也从中学到了不少的东西。
在焊电路方面，通过又一次的焊接，把以前忘光的焊接知识补了回来，，也又一次充分认识到了焊接技术的重要性和学到了一些新的高频电路不同于低频电路的焊接知识，横平竖直排布，三极管平行排布等，但问题还是不少，头号问题便是虚焊，焊接技术的生疏和不扎实，导致了电路中多处虚焊了，也自然的导致了后面的技术调试上因为虚焊的问题大大的影响了实验的顺利进行。其次是线路的排布，由于这次的电路相对简单，不会遇到什么大的线路的排布的问题，但是小错误还是没有克服，容易把这个线和那个线接错掉，也给后面的调试弄了不少的麻烦。
可见，焊接一定要细心，就如老师所说的，焊接的好坏，极大程度的影响着整个实验的成败。也正是这次焊接，还总结出一些小技巧，比如中周一般容易遇到要重新绕线的问题，为了方便中周的装卸，这次我们没有直接把中周焊在电路板上，而是用来4个数码管管脚当成中周的座焊在电路板上，极大的方便了中周的拔插；还有，焊接的时候经常遇到把电路板倒过来，元件会掉下去的情况，要么就是又要重新放置，要么就是焊完之后发现元件高高的远离电路板，没有紧贴着电路板，既不美观也不科学，容易压弯甚至管件相碰短路，非常不方便，我们找来了一个长夹子，先把一个管脚折弯，然后用夹子夹起来，非常牢固，屡试不爽，等等类似的新发现，每一次实验只要认真，旧知识也能有新发现，如是而已。
电路板焊完，自然就到了调试过程，调试没开始的时候就幻想着自己运气好，数据一下子就出来了，但当调试真正开始的时候，才明白，那几乎是不可能的事情，作为一名专业的技术人员，不应该抱着这种侥幸的心理去试验，而是抱着时刻准备去应对各种调试过程中出现的问题，这样才能说明自己真正的了解了电路的原理，学到了真知识，而不是照搬电路图，做不出来就重做一块，直到成功为止，这样尽管板做出来了，但是浪费了太多的资源，最关键的是自己什么都没学到。
在调试过程中，虚焊的问题立马就显现出来了，频率跳变，电压不稳定，为了这个问题大费周折，再虚焊问题基本解决之后，又发现了几处的焊接线路的错误，纠正之后，总算输出了还算正常的波形，不过依然没有达到指标要求，在前一批实验的同学们也介绍了一些解决的办法，然而我们试过之后却发现依然没办法输出自己想要的结果来，后来经过了老师的指导和不懈的努力，2天的时间调试，总算输出了自己需要的指标，完成了调试试验。
不过，也从调试中明白了，调试也是一个实验中非常重要的一环，而不是简单的对一个电路的一些数据测量，检查电路能否能用，因为制作一块电路，很少可能一次就能成功的，除非你是流水线式的生产，所以，调试部分必不可少，而且，调试也是对自己对这个电路是否真正的了解一个很好的检测，对于不同的状况能够大概的推测出问题的原因出在哪里并作出相应的检测和修正，才能说明自己真正的懂了。
总之，我们离一名合格的技术人员还有很长的路要走，这一次不过是我们以后的道路上的一个小小的试炼，完成的实验是最次要的，学习到了知识是次要的，最重要的是我们懂得了，做实验，心态最重要，绝对不能心浮气躁，对小问题不屑一顾，对大问题等着别人的结果坐享其成，只有这样，我们的实验才算是真正的收获到了成果。