本科毕业设计--20m调频发射机的设计与制作.doc

本 科 生 毕 业 设 计 (论 文) 题目： 调频发射机教学单位 _电气信息工程学院_姓 名 _肖 睿_学 号 _200931002152_年 级 _2009级_专 业 _电子信息工程_ 指导教师 _王一冰 目 录摘要2Abstract3一、引言4二、发射机的原理分析与电路设计：42.1系统框图：42.2振荡器的设计：52.2.1振荡器原理52.2.2变容二极管部分接入调频62.3稳压电源的设计82.4谐振功放的设计82.4.1：高频功放的简介82.4.2谐振功放的工作原理：92.4.3输出功率以及效率112.4.4谐振功率放大器的动态特性122.4.5谐振放大器电路的设计152.5信号的发射16三、 试验数据的测量与分析17四、参考文献：19五、附录205.1、系统总图205.2 PCB TopLayer图205.3 PCB BottomLayer图215.4实物图215.5元件清单21六、 致谢22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。而且方便广泛的用于生产、保安、野外工程等领域的小范围移动通信工程中。这次我们主要设计一个频率20MHZ的调频发射机，对输入信号进行调频发射。首先输入信号控制变容二极的电容值大小，进行变容二极管部分接入的电容三点式调频，产生调频信号。调频信号利用两级LC谐振功率放大，功率大大提高，经过LC滤波网络滤除高次谐波，最后通过拉杆天线发射出去。在级间采用变压器耦合，一来实现了阻抗匹配，二来实现了前后级的隔离，使晶体管静态工作点相互独立。其振荡级用三端稳压芯片提供稳定的电压，保证振荡器产生稳定的调频信号。关键词：变容二极管，电容三点式，LC谐振放大，Abstract FM transmitter as a simple communication tool, because it does not need to transfer station and the ground switch station support, can be effective mobile communication, therefore is popular among people. Convenient and widely used in the production, security, field engineering in areas such as small scale of mobile communication engineering. This time we mainly to design a frequency of 20 MHZ FM transmitter, FM was carried out on the input signal. First the input signal control varactor diode capacitance value size, for varactor part connected to the three-point capacitance frequency modulation, frequency modulation signal is produced. Frequency modulation signal of two-stage LC resonance power amplifier, power is greatly increased, the higher harmonic filtering through LC filter network, finally through the telescopic antenna. Using transformer coupling between level, then realize the impedance matching, and achieve the isolation level before and after, the transistor quiescent point are independent of each other. The oscillation magnitude using three-terminal voltage regulator chip to provide stable voltage, guarantee the stability of oscillator to produce frequency modulation signal.Key words: varactor diode, capacitor three-point, LC resonant amplification,一、引言 调频发射机采用直接调频或者间接调频方式，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信号，缓冲级主要是对调频振荡信号进行放大，以提供末级所需要的激励功率，同时还对前后级起有一定的隔离作用，同时使阻抗匹配，为避免级功放的因工作状态变化而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。 学过了高频电子线路这门课程后，可以自己制作一台微型调频发射机了。这样即可以提高问自己的动手能力，更重要的是可以帮助他我更好地理解所学专业理论知识，进一步激发我们对电子专业的热爱与兴趣。二、发射机的原理分析与电路设计：2.1系统框图：部分接入调频输入信号f in变容二极管三端稳压管LM7806 电容三端式振荡器谐振功率放大推动 变压器耦合拉杆天线发射谐振功率放大2.2振荡器的设计：2.2.1振荡器原理三点式LC正弦波振荡器的组成法则（相位条件）是“射同基反”，即与晶体管发射极相连的两个电抗元件应为同性质的电抗，而与晶体管集电极基极相连的电抗元件应与前者性质相反。图一.所示为满足组成法则的基本电容反馈LC振荡器共基极接法的典型电路。当电路参数选取合适，满足振幅起振条件时，电路起振。当忽略负载电阻、晶体管参数及分布电容等因素影响时，振荡频率可近似认为等于谐振回路的固有振荡频率，即 （1）式中 近似等于与的串联值 （2） 图一该电路为共基极放大器，从发射级和基极间输入，集电极和基极间输出。输出电压经过电容组成的反馈网络，从两端取得反馈电压，加到放大器的输入端，从而构成正反馈。可看出该电路的反馈网络由与构成(忽略输入端电容)。该反馈的反馈系数，基本放大器的放大倍数,其中gm是晶体管的导纳，RL是晶体管放大器集电极和基极间的等效负载电阻,其中 (忽略三极管结电阻）。该电路起振和平衡的条件是： 和 振荡器的主要指标是输出波形失真度与频率稳定度。对于后者，晶体振荡器是最好的，但应用中有其缺点，一是频点固定且不易购买;二是直接调制时频偏太小，因而不得不多次倍频，使电路复杂且波形变坏，影响发射器的效果。其实一般采用电容三点式或克拉泼振荡电路完全能够胜任，频率稳定度与波形失真已能满足要求。 电容三点式电路(见图)的正反馈量由C1、C2决定，而C1、C2并联在三极管的结电容上，能减小结电容变化对频率的影响，微调L可在较大范围内改变频率。 克拉泼振荡电路（见图），因为C3C1,C3C2.所以频率仅由C3和L决定，随着C3的减小，虽然频率更加稳定，但正反馈量变小，当改变频率时容易在频率高端停振，故改变C3或L只能在较小的范围内改变振荡频率，该电路宜采用fT较高的振荡管以利于起振。 提高振荡器频稳度和改善输出波形的方法有：晶体管结电容要小，fT要高供电要稳压使用低损耗的高频电容。静态工作点低一些，则IEQ小，rbe大，Au小，有利于改善振荡器的输出波形。2.2.2变容二极管部分接入调频变容二极管(Varactor Diodes)为特殊二极管的一种。当外加顺向偏压时，有大量电流产生，PN（正负极）结的耗尽区变窄，电容变大，产生扩散电容效应；当外加反向偏压时，则会产生过渡电容效应。但因加顺向偏压时会有漏电流的产生，所以在应用上均供给反向偏压。变容二极管也称为压控变容器，是根据所提供的电压变化而改变结电容的半导体。变容二极管部分接入调频是指加到变容二极管上的信号是直流偏置VO和调频信号即，随时间变化二极管两端的电压改变，控制变容二极管电容的改变，接入到振荡器的电容值改变，使振荡器输出信号频率改变，完成变容二极管部分接入调频。 其中2CC13电容变化值为30125pf，电压范围为010V。三极管s9018是NPN型三极管，ft=1100MHz，Cob=1.3pf，Pcmax=400mW，Icmax=50mA。 图 二 在图二中，C0是输入信号耦合电容，C1为电源滤波电容，滑变器R2分压为变容二极管提供反偏电压，R4*和R8为三极管提供静态工作点。R1,R3，R2是输入信号的衰减器，衰减输入信号的幅度，从而减小变容二极管的电容变化值，最终减小振荡器输出的频率变化范围。变容二极管电容Cj，C3，C4，C12构成振荡器选频网络电容C。其中C为等效总电容。C是C4和C12串联，Cj和C3串联之后再并联得到的总电容即 (此为不考虑三极管结电容情况下的理想值)振荡频率为： 要想增加或者减小频偏可以改变变容二极管在等效总电容中所占的比例。微调电感值可以较大的改变振荡器频率。2.3稳压电源的设计图三 图三中，78L06是三端稳压管，其中2脚是直流电平的输入，Vinmax=35V,2脚接地，三脚是稳压管的输出Vout=6.0V。可以提供超过1A的输出电流。在其输入级接大小两个滤波电容滤除高次谐波。可以有效的改善电源对振荡器的影响。2.4谐振功放的设计2.4.1：高频功放的简介在发射机中，振荡器产生的信号功率很小，为了获得足够大的功率，高频功率放大器通常由工作于不同状态的多级放大电路组成，包括缓冲放大，中间放大，推挽放大，末级功率放大。这些都属于高频功率放大的范畴。高频功率放大器和低频功率放大器的共同点是输出功率大和效率高。不同点是二者的工作频率和相对带宽不同。低频功率放大器的工作频率低，相对频带宽度很大，如一般工作在20-20kHz。高端频率与低端频率相差1000倍，因此他们都是采用无调谐负载，如电阻，变压器等。高频功率放大器工作频率高，几百千赫兹直到几百，几千甚至几万兆赫兹。相对频带宽度很小，如调幅广播的带宽是9k赫兹。若中心频率为900kHz，则相对频带宽度仅为1% 。因此高频功率放大器一般采用选频网络作为负载回路。故又称为谐振功率放大器。所谓谐振放大器，就是采用谐振回路作负载的放大器。根据谐振回路的特性，谐振放大器对于靠近谐振频率的信号，有较大的增益；对于远离谐振频率的信号，增益迅速下降。所以，谐振放大器不仅有放大作用，而且也起着滤波或选频的作用。放大器按照电流导通角的不同可以分为甲乙丙三种类型。甲类工作时=180，乙类工作时=90，丙类工作时90，低频功率放大器可工作于甲类，甲乙类或乙类。甲类工作时其理想效率为50%，乙类工作时理想效率为78.5%。甲乙类工作时其理想效率为50%78.5%。为了提高效率，高频功率放大器多工作于丙类状态。近年来又出现了丁类和戊类等开关型功率放大器，其理想效率可达100% 。2.4.2谐振功放的工作原理： 谐振功率放大器的基本工作原理如图四所示 图四其中Ra为Ca等效损耗电阻，Rr为电感线圈L的损耗电阻，Ube，Uce分别为加在三极管基极与发射集，集电极与发射极之间的电压。Ui是信号源电压，VBB,VCC分别为加到基极与集电极的直流电压。VBB又称为偏置电压。输出回路实质上是典型的并联谐振回路。并联谐振网络的品质因素,谐振电阻。实际工作时回路应该调节在输入信号的频率上。晶体管导通电压VBZ 0.7V时，当VBB0.7V就可以工作在丙类。设输入信号。则 Uc是谐振回路两端的电压。 从图五可以看出，当时Ic达到最大值Icmax。由于该电流的周期与输入信号周期相同，可以用傅里叶级数分解为无数多个正弦波之和 式中，Ic0是集电极电流的直流分量，Ic1m,Ic2m,.,Icnm分别为集电极电流的基波，二次谐波，n次谐波的振幅。 当集电极调谐在输入信号的频率上时，即与输入信号的基波谐振时，谐振回路对基波电流呈现阻抗Re，对直流和其它各次谐波呈现很小的阻抗，可以近似的看做是短路。这样，包含有直流 ，基波，高次谐波的信号经谐振回路时，只有基波产生压降。因而LC谐振回路两端输出不失真的高频信号电压。若谐振电阻为Re，则 可见集电极的交流输出电压是与输入信号相同的余弦电压，但是相位相反。同时谐振回路还将含有电抗分量的外接负载变化为谐振电阻Re，通过调节L和C，还能使并联谐振回路谐振阻抗Re与晶体管所需要的集电极负载值相等，实现阻抗匹配。因此，谐振回路在电路中起到了滤波和阻抗匹配的双重作用。图五 谐振功率放大器的转移特性曲线2.4.3输出功率以及效率 由于输出回路调谐在基波的频率上，输出电路中的高次谐波处于失谐状态，相应的输出电压很小，因此谐振功率放大器的集电极输出电压波形Uce中只是包含直流分量与交流分量，其交流分量与输入信号Ui波形一样，但相位相差。放大器输出的交流功率等于集电极基波电流分量在负载Re上的平均功率，即电源的输入直流功率PD等于集电极直流分量Ic0与VCC的乘积，即 集电极的耗散功率PC等于直流功率PD与交流功率PO只差，即 集电极效率为式中，称为集电极电压利用系数，1；称为波形系数。g1（）是导通角的函数。图六是0（），1（），2（），3（）分解系数的曲线图。图六2.4.4谐振功率放大器的动态特性、负载特性 负载特性是指当保持晶体管及VCC,VBB,Uim不变时，改变负载电阻Re，谐振功率放大器的电流Ic0，Ic1，输出电压Ucm，输出功率Po，集电极耗散Pc，电源功率PD及集电极效率c随之变化的曲线。 当Re从小变大时，工作状态由欠压变到临界再进入过压状态。集电极电流变化如下图七所示。 图七工作由欠压到临界再到过压，相应的集电极电流由余弦脉冲变成凹陷脉冲。图八 谐振功率放大器的负载特性图八所示是谐振功率放大器的负载特性，从欠压到临界再到过压，Ic1m,Ic0,Ucm及PD,PC,PO,C的变化曲线。、集电极调制特性 集电极调制特性即集电极直流电压VCC的变化对ic脉冲及Ic1m,Ic0,Ucm的影响如图九所示图九 集电极调制特性、放大特性 谐振功率放大器的放大特性是指当VCC,VBB,Re不变时，改变输入信号Uim对放大器特性影响的特性。 当Uim由小到大时，管子的导通时间增长，放大器由欠压状态进入过压状态。其ic,Ic1m,Ic0,Ucm的变化如图十图十、VBB对放大器状态的影响 VBB对放大器状态的影响即在VCC , Re，Uim不变得时候VBB对放大器状态的影响。由于uBEmax=VBB+Uim,所以改变VBB和改变Uim的情况是类似的，放大器依然有欠压状态进入过压状态。其变化如图十所示。2.4.5谐振放大器电路的设计图 十一 电路中R5，R7是放大器的偏置电阻，提供静态工作点，同时也可以调节R5,R7控制放大器的增益。第一级谐振放大器工作于甲类状态。集电极是由变压器前级线圈电感和C6组成的LC选频网络，其谐振在输入信号频率上，即f=20MHz。变压器初级线圈电感为1.26uH。由可以算出C=50pf。在实际中是采用30pF的电容并联一个25pF的可变电容，这样可以准确的谐振在f=20MHz上。 两级谐振放大用变压器耦合，变压器耦合一是为了选频，二是为了实现阻抗匹配，三是做耦合元件使用。做阻抗匹配时，由于变压器变比是3:1.所以R1：R2=9:1.这样，后级电阻在前级等效电阻增加，增加了功率放大器的适应负载变化能力，同时实现了阻抗匹配，再者，增加了集电极的等效负载Re，由于，增加了回路的品质因数。在做耦合元件使用时，隔离两级放大器的直流成分，使两级放大器的静态工作点独立。第一级功放的输出幅度可以达到600mv，经过变压器耦合到次级输入为200mv。同样200mvVBZ=0.7V,第二级功率放大器依旧工作在全导通状态，即甲类状态。经过第二级功率放大器后幅度可以达到3.56V，进过变压器耦合最后输出幅度可以到1.6v。因为，在此模块中，减小Rb(R5，R7)，可以增加IEQ,从而减小了rbe ，Au增大。2.5信号的发射 信号的发射是调频发射机的末级电路，它是把已调信号通过天线发射。其原理图如下图十二所示图 十二 已调信号通过变压器T2的次级线圈与L2，C10组成并联滤波网络选频后通过天线E1发射。L=LT2 +L2 2.5uH，=20MHz，则C1025pF.,实际中因为天线也是一个电感，所以用一个10pf的电容与一个025pF的可变电容并联。通过调节可变电容可以使信号在输入信号频率上以最大的幅度发射。三、 试验数据的测量与分析振荡级发射级（天线）频偏F1（MHz）F2（MHz）f(MHz)118.7518.600.15219.0018.880.12319.5019.370.13419.7019.670.13519.8019.770.13619.9019.770.13720.0019.870,13820.1019.980.12920.1320.000.131020.2020.070.131120.2520.120.13表1 上表是改变变容二极管的两端的电压从而改变变容二极管电容值所测数据。通过数据分析可以看出，在振荡级和发射天线出存在一个=0.13MHz,也就是说存在一个系统误差，但是在实际应用中该误差是可以通过调节变容二极管的电压使输出频率为20M。从而减小该误差对系统的影响。 测试点测试值名称VPP波形有无失真F（MHz)（中心频率）f(MHz)频率稳定度（%）振荡级输出368mV无20.14680.31.5推动级输出176mV有20.00760.351.75功放级输出（变压器前）3.56V无19.98760.42功放级输出（变压器后）1.68V有20.00190.52.5天线输出（空载）1.60V无20.00350.52.5天线输出（10负载）1.37无19.99720.52.5表2 1）该系统在20.00MHz时在带10欧姆负载时的输出幅度可以达到1370mV,即输出功率； 2）信号在两处都有失真，因为变压器为自制的，耦合信号不理想，所以出现波形部分失真，但是经过再次选频可以使信号恢复。 3)该系统用的频率稳定度如上表2所示，看似频率稳定度不好，实际上测该信号时是使用示波器测量的，示波器对频率测量不理想（本人用示波器观察了信号源的输出信号，在低频（1KHz）稳定度较高可以达到0.01%，在高频（15MHz）时频率稳定度下降到2%3%），通过比较，本系统频率稳定度也是较高的。至于频率稳定度越到后级越差，这是谐振放大带来的噪声和电路板上布局布线不足带来引线而电感产生的高次谐波，这些地方都有待改善。功放输出波形图：图十三下图是调制信号为f=1.8k，Vpp=600mV时的调频信号， 图十四下图是f=470Hz。Vpp=1.3V的调频信号图十五四、参考文献：高频电子线路 高瑜翔主编 ，科学出版社德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南 黄争 主编 德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划部 2012年6月模拟电子技术基础简明教程 （第三版）主编：杨素行 高等教育出版社五、附录5.1、系统总图5.2 PCB TopLayer图5.3 PCB BottomLayer图5.4实物图5.5元件清单变容二极管2cc131个78L061个C90181个C19071个2n55511个525pF可变电容3个收音机中周（自制变压器）2个 1.26uH自制电感2个电阻电容若干拉杆天线1根六、 致谢 四年的大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，毕业设计即将完成之日，感慨良多。首先诚挚的感谢我的指导老师王一冰老师，从电路的设计、调试到完成、论文写作及修改过程中，自始至终都倾注着老师的心血。老师以严谨的治学之道、宽厚仁慈的胸怀、积极乐观的生活态度，兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神为我树立了一辈子学习的典范，他的教诲与鞭策将激励我在学习和生活的道路上励精图治，开拓创新。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。我以最诚挚的心意感谢王一冰老师。 我还要感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间的友情，维系着寝室那份家的融洽。四年里，我们有着喜与怒，哀与乐总之那是我们一生最值得回忆的时光，我们马上就要各奔前程了，希望大家珍重。 最后我要感谢学校，谢谢学校给我这机会让我在实验室调试电路，给我们提供仪器和平台。 2013年 5 月 4 日22