超外插式调频收音机设计--课程设计.doc

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通信电路课程设计

通 信 电 路 课 程 设 计 报 告

题目：调频收音机设计

一、 绪论
1. 调频收音机概述
接收机用于调制发射机的原始信号，称之为解调，实现这一功能的电路称之为解调器。对于模拟解调器，我们希望能够使失真能够和噪声最小，这样输出的信号会更加接近原始信号。
超外差式调频收音机，是将目标电台信号在调谐电路中调制，通过电路本身变成一个预设定频率，然后进行放大检波。这一固定频率由差频作用产生，由于收音机中有本振存在，可以将其与外来高频信号进行混合，称为混频。由于晶体管的非线性作用导致混频的结果就会产生一个新频率，这就是外差作用。
故而，采用这种电路的接收机称为外差式收音机。

2. 设计目标及基本要求
（1） 接收信号范围88MHz~108MHz；
（2） 完成电路设计，相关参数计算；
（3） 完成各模块仿真，并提供仿真报告；
（4） 完成印刷电路板设计、制作及安装调试；
（5） 印刷电路板上应有题目和小组成员姓名。

3. 设计方案及方法简述
对于超外差接收机，由接受天线、高频带通滤波器、高频放大器、本振、混频、陶瓷滤波器、宽带中频放大器、包络检波器、低放及功放还有扬声器等组成。在设计中将采用单元电路分别设计方针，组合模块完成总电路设计。
(1) 高频放大：高频放大器是用来放大高频信号的器件（高放所放大的对象是已调信号，它除载频信号外还有边频分量）。根据高放的对象是载频信号这一状况，一般采用管子做放大器件，而且并联谐振回路作为负载，让信号谐振在信号载频。
(2) 混频：混频将高频放大信号和本振信号混合，输出一个中频信号，在调频电路中，本振信号必须是独立的，这与条幅电路是最大的区别。混频电路是一个典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。
(3) 本振：本振电路用LC谐振回路来产生一个稳定的本地振荡频率，将这个谐振频率与高频放大输出信号混频，得到一个中频信号。
(4) 中放：如果外来信号和本机振荡相差不是预定的中频，就不可能进入放大电路。因此在接收一个需要的信号时，混进来的干扰电波首先就在变频电路中被剔除掉，加之中频放大电路是一个调谐好了的带有滤波性质的电路，所以接收机的选择性指标很高。
(5) 鉴频：在鉴频器部分，采用比例鉴频器，普通鉴频器的线性范围较宽，调整较易，但在鉴频器前必须加上一级限幅器，而比例鉴频器则不需要但是为了得到良好的限幅特性，必须仔细调整比例鉴频器的工作状态与电路参数，也可以在前一级加一盒限幅器。
(6) 低频放大：一般从鉴频器输出的信号都比较小，为了得到我们所需的信号，必须将输出信号放大。一般采用三极管放大电路来实现这一功能。因为本次设计是音频信号，所以采用运算放大器效果比较好。
系统原理框图，如下：

图 1.1.1
二、 单元电路设计
1. 单元总设计方案
超外差式调频收音机，将分为：高频放大电路，本振电路，混频电路，中频放大电路，鉴频电路，低频放大电路。
分立单元设计将对以上各部分进行独立设计设计仿真。

2. 分立单元设计
2.1. 高频放大电路设计
2.1.1. 电路需求分析及其技术指标
调频收音机频率接收范围为88MHz ~ 108MHz，高频放大电路要求放大倍数大于10，且带宽大于音频信号两倍。

2.1.2. 电路可行性分析及原理参数计算

(1) 设置静态工作点

采用三极管2N2222,它的放大倍数为50，由于放大器是工作早小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.8-2mA之间选取为宜，设计电路取1.5mA,设。
因为，而,所以；
因为（硅管的发射结电压）所以;

因为，所以12.3

为使三极管工作在放大区，选择

(2) 选频网络

1) 采用固定电感调电容的方法来达到88-108MHz的谐振频率。
2) 回路中的总电感L：。
3) 回路电容的计算：因为则。
则采用1050pF的固定电容，的可调电容。
4) 求电感匝数N2与N1的匝数（仿真中为方便起见暂定，不考虑匝数问题）
根据理论推导，当线圈的尺寸及所用对的磁芯确定后，则其相应的参数就可以认为是一个确定值，可以把它看成是一个常数，此时线圈的电感量仅和线圈匝数的平方成正比，即：。
式中：K-系数，它与线圈的尺寸及磁性材料有关；N-线圈的匝数
一般K值的大小是由试验确定的。当要绕制的线圈电感量为某一值时，可先在骨架上（也可以在磁芯上）缠绕10匝，然后用电感测量仪测出其电感量，再用下面的公式求出系数K值：

(3) 电路选择

由于单级单调谐放大器电路简单容易实现，本文选择单级单调谐放大器电路。
电路增益：

谐振频率处放大器的增益为：

2.1.3. 单元电路设计图及仿真结果分析
(1) 仿真电路图，如下图 2.1.1 ：

图 2.1.1
(2) 仿真结果及分析
Ⅰ 在可调电容为100%时：

图 2.1.2
根据以上波形可以看出，在波形取最大值时，输出电压与输入电压的比值是19.7，而设计要求是放大倍数大于10，已经达到了预期要求。

图 2.1.3

图 2.1.4
由幅频特性曲线(图 2.1.3 图2.1.4)可以看出谐振频率为89.37MHz,带宽为112.9kHz,符合设计要求带宽小于音频信号的两倍（200kHz）。

Ⅱ 可调电容为0时：

图 2.1.5
由图可知，放大倍数为34.18，满足设计要求。

图 2.1.6
由幅频特性曲线(图 2.1.6 图 2.1.7)可以看出谐振频率为109.48MHz,带宽为161.2kHz,符合设计要求带宽小于音频信号的两倍（200kHz）。
综上可知，本次仿真实验的谐振频率为89.37-109.48MHz，放大倍数皆大于10，带宽小于200kHz,实现了所有的设计要求。

图2.1.7

2.2. 本振电路设计
2.2.1. 电路需求分析及其技术指标

设计一个本振电路，本振电路用LC谐振回路来产生一个稳定的本地振荡频率，将这个谐振频率与高频放大输出信号混频，得到一个中频信号。
输出本振频率为77.3-97.3MHz的可调信号。
2.2.2. 电路可行性分析及原理参数计算

本振电路选择克拉泼电路。因为克拉泼电路的频率稳定性较好。由于C1>>C3，C2>>C3,C3为可变电容，它的作用是将L与C1、C2分隔开，使反馈系数仅取决于C1和C2的比值，振荡频率则基本上由C3和L决定。这样，C3就减弱了晶体管与振荡回路之间的耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高了频率稳定度。另一方面，不定电容则与C1、C2并联，基本上不影响振荡频率。
此外更重要的原因是本设计的波段覆盖系数为1.26，在克拉泼电路的波段覆盖系数范围1.2-1.3内。
(1) 静态工作点设置
采用三极管BC107BP，因为它的放大倍数足够大，由经验可知，因此，这里取。为使三极管工作在放大区，选择。
(2) 电感、电容的选择
由于克拉泼电路中，根据所需的振荡频率决定L、C3的值，然后取C1、C2远大于C3即可。但是C3不能取得太小，C1、C2也不能取得太大，否则将影响振荡器的起振。综合这两个因素，查阅资料后取C1=60pF,C2=80pF,C3=5pF。
电路中的总电容为：

当谐振频率为77.3MHz时，电感
当谐振频率为97.3MHz时，电容
带入取得C3=2.98pF，后根据仿真结果调整为2.6pF，可调电容取为1.7pF。

2.2.3. 单元电路设计图及仿真结果分析
(1) 仿真电路图（图 2.2.1）

图 2.2.1
(2) 仿真结果及其分析
1） 当可调电容为0时

图 2.2.2

图2.2.3
由上图（图 2.2.2 图 2.2.3）可以看出，当振荡电路稳定时，电路的工作频率为95.1MHz,输出电压为正弦波形，最大幅度为3.382V，达到了预设目标。
2） 当可调电容为2.96pF时

图 2.2.4

图 2.2.5
由上图（图 2.2.4 图 2.2.5）可以看出，当振荡电路稳定时，电路的工作频率为77.0MHz,输出电压为正弦波形，最大幅度为4.923V，达到了预设目标
综上可知，本课题设计的克拉泼电路的工作频率范围为77.0-95.1MHz,与预设目标77.3-97.3MHz的工作频率相差不大，完成了本振电路设计。
2.3. 混频电路设计
2.3.1. 电路需求分析及其技术指标
在通信接收机中，低噪声放大器将天线输入的微弱信号进行选频放大，然后送入混频器，混频作用在于将不同载频的高频已调波信号变换为较低的同一固定载频的高频已调波信号，但保持调至规律不变，然后送入中放。
超外差式调频收音机把载频位于88~108MHz各调频信号变换为中频为10.7MHz的普通调频信号。
2.3.2. 电路可行性分析及原理参数计算
晶体管混频电路原理图如下图2.3.1所示。其中，晶体管起信号的混频作用，两个输入信号分别为和；电容Cin1、Cin2、Cout为信号输入和输出的耦合电容，起到隔直流的作用，使前后级的直流电位不相互影响，保证各级工作的稳定性；电容Ce对高频交流信号相当于短路，消除偏置电阻Re对高频信号的负反馈作用，提高高频信号的增益；电阻元件Rb1、Rb2、Re决定晶体管的工作点；电路中的电感L和电容C组成的谐振电路起选频作用，在产生的组合频率中选择所需要的中频输出信号。

图 2.3.1
在忽略三极管内部反馈和集电极电压反作用的情况下，基极电压和集电极电流的函数关系可以写为：

要产生10.7MHz的中频信号，那么两输入信号的频率差就应为10.7MHz，已知经过高频放大的接收信号频率在88~108MHz，且本振频率在77.0-95.1MHz。
接下来计算谐振回路的LC，谐振回路所起的主要作用就是选频，即选出频率是10.7MHz的中频信号，即

从而我们不妨取L=2000pH，则C=0.1106uF,把这些参数值代入仿真电路即可。

2.3.3. 单元电路设计图及仿真结果分析
（1） 仿真电路图 图 2.3.2

图 2.3.2
（2） 仿真电路测试及数据分析
如输入高频信号为如图 2.3.2 所示 V1 = 20mV f1 = 88MHz ，V2 = 1V，f2 = 77.3MHz在经过LC选频网络后，产生混频信号，如图 2.3.3 所示。

图 2.3.3
电路分析：在调节电路参数时，发现随着射极电流的增大，电路的变频增益也逐渐增大。但是随着射极电流的增大，混频电路的噪声系数会急剧增加，受噪声影响输出波形有很多毛刺，在电路实际使用过程中，尽量控制电路输出波形的受到噪声的干扰影响。
2.4. 中频放大电路设计
2.4.1. 电路需求分析及其技术指标
电路完成混频后，输出信号为中频10.7MHz信号，而输出电压幅值较小，需要进行一级中频放大将产生的信号进行放大，要求中频放大的中心频率在10.7MHz，增益在20倍以上。
2.4.2. 电路可行性分析及原理参数计算
（1） 设置静态工作点

采用三极管2N2222A,要求电路的放大增益在20倍以上，放大器是工作早小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.8-2mA之间选取为宜，设计电路取1.5mA,设。
因为，而,所以；
因为（硅管的发射结电压）所以;

因为，所以 12.3

为使三极管工作在放大区，选择
（2） 选频网络
采用固定电感调电容的方法来达到88-108MHz的谐振频率。
回路中的总电感L：。
回路电容的计算：因为则。
则采用1050pF的固定电容，的可调电容。
而在实际电路测试设计中，则对以上参数进行调整，以便选择适合的电路元器件。
2.4.3. 单元电路设计图及仿真结果分析
（1） 仿真电路图 图 2.4.1

图 2.4.1
（2） 仿真电路测试及分析

图 2.4.2
对电路进行测试，输入电压Vi(p-p) = 28.3mV,输出电压为 Vo(p-p) = 780mV,电压增益为：

电路满足设计要求，可实现中频放大。
2.5. 鉴频电路设计
2.5.1. 电路需求分析及其技术指标
鉴频电路的输出的低频解调电压与输入调频信号瞬时频偏的关系为频率鉴频特性，理想鉴频特性为线性，实际电路的非线性失真应该尽量小，同时中频位于线性鉴频范围的中点，保证电路产生暑输出波形不发生失真。
设计中采用频幅转换，利用LC电路的频相转换特性设计，之后采用检波电路得到信号。
2.5.2. 电路可行性分析及原理参数计算
变换电路采用调谐回路实现频率幅值的变换。回路的谐振频率高于FM波的载频，并尽量利用幅频特性的斜率部分。当频率大于载频时回路两端的电压大，当频率小于载频时回路两端电压小，形成FM-AM波形。
电路参数可以根据调谐回路的谐振计算公式确定。单级调谐回路的谐振频率由公式确定电容。

由于二极管检波电路简单线性度好，采用二极管检波可以获得良好的检波效果，二极管检波器由二极管整流和低通滤波两部分组成，二极管具有单向导通特性，可以将交流信号整成直流，RC电路作为检波器的负载在两端产生调制频率电压，同时启动低通滤波的效果。
由于二极管具有导通电压，所以在大信号条件下进行，后级采用RC低通滤波，滤掉高频分量，RC的值由调制信号频率决定。
同时，在检波过程中避免惰性失真，应当满足：

在避免底部切割失真，应当满足：

2.5.3. 单元电路设计图及仿真结果分析
（1） 仿真电路图 图 2.5.1

图 2.5.1
（2） 仿真电路测试及分析

图 2.5.2

图 2.5.3
由 图 2.5.1 及图 2.5.2 可知可以实现鉴频功能，但是存在一定的鉴频延迟，鉴频波形与输入信号之间存在时间差值，但基本满足设计要求，可以实现鉴频功能。
2.6. 低频放的电路
2.6.1. 电路需求分析及其技术指标
设计低频放大电路，对鉴频后的信号进行功率放大，使之实现输出功率低于0.5W的要求，并能够完美输出波形信号。
2.6.2. 电路可行性分析及原理参数计算
对电路设计要求进行分析，采用OCL双电源互补对称功率放大电路。
(1) 输入级：前置放大电路：
由于提供的前级信号比较微弱，而且有一定噪声。因此采用一级的基极分压射极偏置的前置放大电路对信号进行放大以及见效噪声，限制问片。考虑设计电路对于频率响应及零输入是噪声、电流、电压的要求，前置放大电路的设计：
直流稳压电源：9V，电容为10微法。
(2) 输出级：OCL双电源互补对称功率放大电路。
确定静态工作点：

综上，得。
确定电路中的电阻阻值：
直流稳压电源的电压为9V，而要求输出功率为0.5W，而有,
又知，，且，则可求的，最后选取其余电阻阻值。
2.6.3. 单元电路设计图及仿真结果分析
（1） 低频放大电路总电路图：

图 2.6.1
（2） 仿真电路测试及分析

图 2.6.2
在输入电压为Vi(p-p) = 36.0 mV的正弦波时，输出电压 Vo(p-p) = 166mV，可知电压增益为 A = 4.6 满足设计要求。
3. 总电路图
总电路设计图（图 2.7.1）

图 2.7.1

PCB原理图设计（图 2.7.2）：

图 2.7.2
PCB 电路板图（图2.7.3）：

图 2.7.3

三、 电路安装与调试
1. 对照元件清单清点元件

元件
数量
规格
备注
固定电容
16
0.01uF,10uF,
50uF,150pF

可调电容
4
10pF,48pF

电阻
28
1K,2K,5.1K,10K,
51K,82K,150K,430

二极管
1N5407/1
1N5408/2
1N5407
1N5408

三极管
2N3904/2
2SC945/3
2N3906/1
2N3904 NPN
2SC945 NPN
2N3906 NPN

电感
3
0.0145uH,1.49uH, 10mH
有部分电感使用自绕线圈

扬声器
1
Antenna

2. 元件的插接与焊接

使用电烙铁将电阻电容元器件焊接在电路板上，并调整电感位置，焊接；
天线单独通过一根导线焊接在电路板上；
电源引出导线连接到电路板的电源接口，进行插接；
扬声器确定引脚位置，焊接在电路板上；
电路存在一根飞线，单独导线连接后，焊接。

3. 电路板实物图片
见图 3.1 与 图 3.2。
4. 收音机整机调试
（1） 本振电路调整
接通正负9V直流电源，通过示波器显示本振输出信号，观察输出电压信号幅值大小并通过频谱分析仪分析输出振荡频率，可调节本振网络可调电容大小或调节本振网络电容，测试输出信号的频率范围是否在要求的77.3~97.3MHz。
经调试，本振电路部分接电源端为9V，震荡电路经起振至稳定后，输出电压为5.09V，满足信号的输出条件，且震荡频率约为69~96.4MHz左右，本振电路基本满足设计要求，并实现该功能。

图 3.1 电路板实物图正面
（2） 高频放大部分调整
使用频率信号发生装置产生频率106.3MHz频率的信号，将产生的信号与天线连接，模拟信号强度较高环境，观察高放信号放大情况。
经调试，发生信号与天线接收信号存在一定程度的失真，信号衰减较大，接收信号幅频特性在一定程度上发生失真，经高放放大后，信号实现了增益约为11倍左右，但信号仍十分弱，示波器显示波形存在毛刺，显示结果有一定的上下变动。

图 .2 电路板实物图背面
（3） 混频电路调试
混频电路通过调节混频电路的电容来改变电路输出的信号的频率，高频放大电路的输出和本振产生的震荡信号作为输入信号，观察输出信号的输出电压与频率。
经调试，输出电压由于高放信号较弱，导致输出信号微弱，失真严重，示波器观察波形出现明显失真，受电路电感元件互感及手工工艺绕接和部分器件焊接限制，输出频率范围较难固定在中频，调试难度较大，示波器显示极不稳定，难以确切记录数据并进行更进一步分析。

（4） 经中放及低放后电路最终输出情况
测试最终输出波形及扬声器输出声音的情况。
经测试，通过中频放大电路极低频放大电路后最终输出并不稳定，由于在高放时的信号较差，导致通过混频、中放、低放后，输出信号大幅度失真，无法还原原信号，示波器输出波形不稳定，频率变化，未能实现信号的较清晰还原。扬声器无法听到对应频率电台的声音，仅能听到沙鸣噪声，但在调节混频电容中，依稀可辨噪声声音大小有较小变化，但并不明显。

四、 课程设计总结
在这次课程设计中学习到了如何将课本上的理论知识应用到实际设计中来，体会了这个过程的艰难，在这一次设计学习中，掌握了很多平时课本上学不到的只是，不仅仅是对于理论的巩固与学习，更是在此之外理解了实际设计中所要面临的诸多非理想条件下的设计方法，以及对应的解决方案。
这次设计巩固运用通信电路的知识，基本掌握超外差式收音机的设计方法，流程以及具体电路的设计调试，提高了设计能力和动手能力，并在实践中求得理论知识的巩固。
在实际设计中，虽然对于理论知识有所掌握，但仍无法得心应手的使用进行高效简洁的设计，在这方面仍需不断加深知识理解。
而在电路的实际焊接过程中依然存在着一些问题，而焊接工艺仍需提高。

五、 收音机展望
现在的收音机差不多都是超外差的了，随着时代的变迁，经济的发展，而收音机并没有被人们遗忘。
也许是经历了太久的沉寂，在数字化和网络化浪潮来势汹涌的背景下，广播媒介爆发了巨大的转变， 实现了传统广播与数字广播的融合发展，随着DAB、CMMB等新技术的广泛应用和普及，人们更加喜欢广播所展现出来的新生命力，以至于2007年伊始，广播界就出现了这样一个新的趋势：广播在户外的收听率在某些时段已经高于在家收听率，这使得户外移动收听成为传统广播新的价值增长点。有超过30%的听众更喜欢使用便携式的收听设备，比如手机、MP3、PDA、笔记本电脑等。

六、 参考文献

沈伟慈 《通信电路》 西安电子科技大学出版社 2007年10月