調(diào)頻發(fā)射機(jī)高頻實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　調(diào)頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　調(diào)頻發(fā)射機(jī)作為一種簡(jiǎn)單的通信工具，它首先將音頻信號(hào)和高頻載波調(diào)制為調(diào)頻波,使高頻載波的頻率隨音頻信號(hào)發(fā)生變化,再對(duì)所產(chǎn)生的高頻信號(hào)進(jìn)行放大,激勵(lì),功放和一系列的阻抗匹配,使信號(hào)輸出到天線,發(fā)送出去的裝置。本文主要討論了調(diào)頻發(fā)射

2、機(jī)的原理實(shí)現(xiàn)方式并設(shè)計(jì)了電路圖，將調(diào)頻發(fā)射機(jī)的電路分為了它由調(diào)制器、前置功放、末級(jí)功放和直流穩(wěn)壓電源等部分組成，分別討論它們的原理及其特性。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】 調(diào)頻發(fā)射機(jī) 調(diào)制器 直流穩(wěn)壓電源</p><p><b>　　【引言】</b></p><p>　　頻率調(diào)制又稱調(diào)頻（FM），它是使高頻振蕩信號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào)的規(guī)

3、律變化（瞬時(shí)頻率變化的大小與調(diào)制信號(hào)成線性關(guān)系），而振幅保持恒定的一種調(diào)制方式。本文著重討論了調(diào)頻發(fā)射的實(shí)現(xiàn)電路的各個(gè)組成部分及實(shí)現(xiàn)電路，使用直接調(diào)頻法對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，末級(jí)使用高頻功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，確保信號(hào)達(dá)到可以發(fā)射的足夠的功率。</p><p>　　1.電路原理及方案選擇</p><p>　　1.1 FM調(diào)制原理</p><p>　　1.1.1載波，調(diào)制

4、信號(hào)；通過(guò)FM調(diào)制，使得頻率變化量與調(diào)制信號(hào)的大小成正比。即已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)角頻率</p><p>　　已調(diào)信號(hào)的瞬時(shí)相位為</p><p>　　實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的方法分為直接調(diào)頻和間接調(diào)頻兩大類。</p><p><b>　?。?） 直接調(diào)頻</b></p><p>　　直接調(diào)頻的基本原理是利用調(diào)制信號(hào)直接控制振蕩器的振蕩頻率，

5、使其反映調(diào)制信號(hào)變化規(guī)律。要用調(diào)制信號(hào)去控制載波振蕩器的振蕩頻率，就是用調(diào)制信號(hào)去控制決定載波振蕩器振蕩頻率的元件或電路的參數(shù)，從而使載波振蕩器的瞬時(shí)頻率按調(diào)制信號(hào)變化規(guī)律線性地改變，就能夠?qū)崿F(xiàn)直接調(diào)頻。直接調(diào)頻可用如下方法實(shí)現(xiàn)：</p><p>　　a.改變振蕩回路的元件參數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻</p><p>　　在LC振蕩器中，決定振蕩頻率的主要元件是LC振蕩回路的電感L和電容C。在RC振蕩器中

6、，決定振蕩頻率的主要元件是電阻和電容。因而，根據(jù)調(diào)頻的特點(diǎn)，用調(diào)制信號(hào)去控制電感、電容或電阻的數(shù)值就能實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。</p><p>　　調(diào)頻電路中常用的可控電容元件有變?nèi)荻O管和電抗管電路。常用的可控電感元件是具有鐵氧體磁芯的電感線圈或電抗管電路，而可控電阻元件有二極管和場(chǎng)效應(yīng)管。</p><p>　　b.控制振蕩器的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻</p><p>　　在微波發(fā)射機(jī)

7、中，常用速調(diào)管振蕩器作為載波振蕩器，其振蕩頻率受控于加在管子反射極上的反射極電壓。因此，只需將調(diào)制信號(hào)加至反射極即可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。</p><p>　　若載波是由多諧振蕩器產(chǎn)生的方波，則可用調(diào)制信號(hào)控制積分電容的充放電電流，從而控制其振蕩頻率。</p><p><b>　　(2)間接調(diào)頻</b></p><p>　　不直接針對(duì)載波，而是通過(guò)后一級(jí)的

8、可控的移相網(wǎng)絡(luò)。 將先進(jìn)行積分，而后以此積分值進(jìn)行調(diào)相，即得間接調(diào)頻。</p><p>　　1.1.2.系統(tǒng)框圖</p><p>　　采用FM調(diào)制的調(diào)頻發(fā)射機(jī)其原理框圖如下圖所示，它由調(diào)制器、前置功放、末級(jí)功放和直流穩(wěn)壓電源等部分組成。</p><p><b>　　圖1系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>

9、　　1.2調(diào)頻方案選擇</b></p><p>　　利用通信原理和高頻電子線路的相關(guān)知識(shí)，為確保電路能高效率輸出足夠大的高頻功率，并饋送到天線進(jìn)行發(fā)射，可進(jìn)行如下設(shè)計(jì)方案的選擇： </p><p>　　方案一：通過(guò)音頻信號(hào)改變載波的幅值實(shí)現(xiàn)載波調(diào)幅發(fā)射，調(diào)幅發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)制簡(jiǎn)便，調(diào)制所占的頻帶窄，并且與之對(duì)應(yīng)的調(diào)幅接收設(shè)備簡(jiǎn)單，所以調(diào)幅發(fā)射機(jī)廣泛地應(yīng)用于廣播發(fā)射，但是調(diào)幅發(fā)射機(jī)的

10、信號(hào)容易失真且發(fā)射距離不遠(yuǎn)。 </p><p>　　方案二：本方案的調(diào)頻發(fā)射機(jī)主要由四個(gè)基本模塊組成，第一級(jí)是由駐極體話筒構(gòu)成的聲-電轉(zhuǎn)換電路；第二級(jí)是超高頻振蕩調(diào)制器；第三級(jí)音頻放大電路；第四級(jí)高頻功率放大器；總體電路如下圖（1），該電路由聲--電轉(zhuǎn)換、音頻放大器、高頻振蕩調(diào)制器和高頻功率放大器等部分組成。聲--電轉(zhuǎn)換器由駐極體話筒M1擔(dān)任，它拾取周圍環(huán)境聲波信號(hào)后即輸出相應(yīng)電信號(hào)，經(jīng)C2送至Q1的基極進(jìn)行頻率

11、調(diào)制,Q1組成共基極超高頻振蕩器，基極與集電極的電壓隨基級(jí)輸入的音頻信號(hào)變化而變化，從而改變高頻振蕩的頻率，最終實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)制。再經(jīng)C6輸入到晶體管Q2，Q2擔(dān)任音頻放大器，對(duì)已調(diào)音頻信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)過(guò)C10輸入到晶體管Q3，Q3擔(dān)任功率放大器，對(duì)信號(hào)再次放大，使信號(hào)功率足夠大，達(dá)到發(fā)射遠(yuǎn)的目的。且元件利用少，且成本低廉，接線簡(jiǎn)單。具體方案和有關(guān)原理如下所述：</p><p><b>　　2.電路設(shè)計(jì)

12、</b></p><p>　　2.1 總體電路設(shè)計(jì)介紹</p><p>　　如圖（2）所示，這個(gè)設(shè)計(jì)的聲音調(diào)頻電路采用常用分立元件構(gòu)成的電路。射頻電路有高頻振蕩器，緩沖放大器，末級(jí)功率放大器及天線組成。高頻振蕩器用來(lái)產(chǎn)生載頻信號(hào)，頻點(diǎn)落在60MHz內(nèi)，通過(guò)改變電感量即可改變發(fā)射頻率。在音頻信號(hào)的作用下，通過(guò)改變晶體管極間電容實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)頻波，射頻信號(hào)由Q1的發(fā)射極輸出

13、，送到Q2,L2,C8,R5等組成的緩沖放大器進(jìn)行功率提升，并可減輕末級(jí)放大電路對(duì)振蕩器的影響。末級(jí)為高頻丙類窄帶放大，對(duì)射頻功率再進(jìn)一步放大，經(jīng)C13耦合到發(fā)射天線向周圍空間輻射。由于高頻電路受干擾嚴(yán)重，如果電源從前級(jí)接進(jìn)去，干擾信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)每一級(jí)的放大，越來(lái)越強(qiáng)，所以Vcc應(yīng)該從末級(jí)接入。</p><p>　　調(diào)頻電路是通過(guò)改變晶體管極間電容實(shí)現(xiàn)調(diào)頻的，由于任何PN結(jié)在輸入電壓時(shí)，輸入電壓的變化將會(huì)引起結(jié)電容變

14、化，即所謂的變?nèi)菪?yīng)。因此，利用變?nèi)菪?yīng)也可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。</p><p>　　圖（1）中，Q1,L1,C3,C5, C7, C4,Cb’c構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩電路，其工作原理如下： 對(duì)高頻而言，Q1基極是接地的，所以是共基極電路?；鶚O-基極間的結(jié)電容Cb’c并聯(lián)在L1C3諧振回路兩端，能影響振蕩頻率。調(diào)制電壓加于Q1基極，可改變Q1的基極電壓，使發(fā)射極與基極間的輸入電壓發(fā)生變化，從而使結(jié)電容Cb’c跟隨調(diào)制電壓而變化

15、，這就實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻。在經(jīng)過(guò)Q2,Q3放大后由天線發(fā)射出去。經(jīng)查三極管9018的靜態(tài)結(jié)電容Cb’c為2pF，取C3,C5,C7,C4的值分別為：15pF，10Pf,39Pf,102pf根據(jù)以下頻率公式的計(jì)算電感值。電路的中心頻率計(jì)算公式如下：f0=1/(2∏(L1C∑)½)</p><p>　　C∑=(C4C7/(C4+C7) +Cb’c )C5/((C4C7/(C4+C7) +Cb’c )+C5)+C3&

16、lt;/p><p>　　得 L1=1/(2∏f0) ²/C∑</p><p>　　在實(shí)際電路中，電感L1需要微調(diào)一滿足中心頻率的要求。</p><p><b>　　圖2總體電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.2單元電路設(shè)計(jì) </p&

17、gt;<p>　?。?）LC調(diào)頻振蕩器——主振級(jí)：是正弦波自激振蕩器，用來(lái)產(chǎn)生頻率為57MHz~80MHZ的高頻振蕩信號(hào)，由于整個(gè)發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度由它決定，因此要求主振級(jí)有較高的頻率穩(wěn)定度，同時(shí)也有一定的振蕩功率(或電壓)，其輸出波形失真要小。在調(diào)頻振蕩級(jí)可選用電感三點(diǎn)式，電容三點(diǎn)式和晶體振蕩器產(chǎn)生正弦波電壓。

18、 </p><p>　?。?）FM調(diào)頻電路設(shè)計(jì)</p><p>　　FM調(diào)頻電路原理是三極管組共基極高頻振蕩器，基極與發(fā)射極結(jié)電容</p><p>　　隨著輸入電壓的變化而變化，從而改高頻振蕩的頻率。本模塊由三極管等</p&

19、gt;<p>　　元件構(gòu)成電容點(diǎn)式振蕩器，不僅能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的載波，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)制功能。 </p><p>　　具體電路如下圖3所示：</p><p>　　圖3 FM調(diào)頻電路 等效電路圖</p><p>　　（3）音頻放大電路設(shè)計(jì)<

20、;/p><p>　　音頻放大電路由共射放大電路構(gòu)成。由調(diào)制級(jí)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的音頻信號(hào)非常弱，因此必須再加上一級(jí)共射放大的電路。然而要使共射放大電路工作在放大區(qū)，必須有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q。 </p><p>　　a、靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量</p><p>　　測(cè)量放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)，應(yīng)在輸入信號(hào)Ui=0的情況下進(jìn)行，即將放大器輸入端與地端短接，然后選用量程合適的直流毫安表和直流電壓表

21、，分別測(cè)量晶體管的集電極電流Ic以及各電極對(duì)地的電位UB、Uc、UE。一般實(shí)驗(yàn)中，為了避免斷開(kāi)集電極，所以采用測(cè)量電壓UE或Uc，然后算出Ic的方法，例如，只要測(cè)出UE，即可用：算出Ic(也可根據(jù)，由Uc確定Ic)同時(shí)也能算出UBE= UB-UE，UcE= Uc-UE。</p><p>　　圖4 音頻放大電路 圖5 直流等效電路</p&g

22、t;<p>　　b、靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試</p><p>　　放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試是指對(duì)管子集電極電流Ic（或UcE）的調(diào)整與測(cè)試。靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適，對(duì)放大器的性能和輸出波形都有很大影響。如工作點(diǎn)偏高，</p><p><b>　　圖6靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)試</b></p><p>　　放大器在加入交流信號(hào)以后易產(chǎn)生飽合失真，此時(shí)Uo的負(fù)

23、半周將被削底，如上圖2所示；如工作點(diǎn)偏低則易產(chǎn)生截止失真，即Uo的正半周被削頂（一般截止失真不如飽合失真明顯），如圖2所示。這些情況都不符合不失真放大的要求。所以在選定工作點(diǎn)以后還必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試，即在放大器的輸入端加入一定的輸入電壓Ui，檢查輸出電壓Uo的大小和波形是否滿足要求。如不滿足，則應(yīng)調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)的位置。</p><p>　　圖4的音頻放大電路是電路的一級(jí)放大，由于通過(guò)調(diào)制電路的信號(hào)很小所以要用甲類放

24、大器，以防止失真或無(wú)法達(dá)到放大作用，這里負(fù)載采用L2、C4并聯(lián)諧振回路達(dá)到選聘和匹配作用。R3的作用是給基極提供偏置電壓，設(shè)置三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)和設(shè)置放大倍數(shù)。C13濾波減小干擾。</p><p>　?。?）高頻功率放大電路設(shè)計(jì)</p><p>　　功率放大器的基極偏置電壓VBE是利用發(fā)射極電流的直流分量IEO（≈ICO）在射極電阻上產(chǎn)生的壓降來(lái)提供的，故稱為自給偏壓電路。當(dāng)放大器的輸入信

25、號(hào)為正弦波時(shí)，集電極的輸出電流iC為余弦脈沖波。利用諧振回路LC的選頻作用可輸出基波諧振電壓vc1,電流ic1。由下圖7為丙類功率放大器實(shí)物圖。分析可得下列基本關(guān)系式：</p><p>　　式中，為集電極輸出的諧振電壓及基波電壓的振幅；</p><p>　　為集電極基波電流振幅；為集電極回路的諧振阻</p><p>　　式中，PC為集電極輸出功率</p>

26、<p>　　式中，PD為電源VCC供給的直流功率；ICO為集電極電流</p><p>　　脈沖iC的直流分量。圖7</p><p>　　放大器的效率為 </p><p>　　圖7 高頻功率放大電路</p><p>　　最后一級(jí)設(shè)為丙類放大，以提高發(fā)射功率使已調(diào)信號(hào)可以發(fā)射更遠(yuǎn)，集電極同樣采用L1、C7并聯(lián)諧振電路選頻

27、匹配。后面通過(guò)旁路電容C14=220uF的極性電容濾除無(wú)用的小信號(hào)，減小干擾。再通過(guò)C6將調(diào)制信號(hào)輸出即可。</p><p>　　3. 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試結(jié)果</p><p>　　實(shí)物圖接好后，對(duì)著PCB圖和原理圖查看電路，確定元件焊接沒(méi)有錯(cuò)誤后，接入+12V的電壓，當(dāng)接上示波器，用示波器測(cè)量調(diào)制輸出端。雖然成果還沒(méi)達(dá)到理想的完美效果，但是能調(diào)到這個(gè)程度自己已經(jīng)很開(kāi)心了，相關(guān)波形如圖下圖所示：

28、</p><p><b>　　3.1運(yùn)行開(kāi)始階段</b></p><p>　　當(dāng)按下運(yùn)行開(kāi)關(guān)k時(shí)，電路運(yùn)行，由LC調(diào)頻振蕩器產(chǎn)生高頻載波。剛開(kāi)始振蕩效果如下圖8</p><p>　　圖8 電路運(yùn)行開(kāi)始階段圖</p><p>　　3.2 音頻放大電路設(shè)計(jì)模塊</p><p>　　為了考查音頻放大電路

29、工作是否正常，特地進(jìn)行了驗(yàn)證，下圖所示為第二級(jí)音頻放大電路設(shè)計(jì)模塊工作圖形（圖9）。其中：藍(lán)色實(shí)線為輸入的小信號(hào)，紅色實(shí)線就是經(jīng)音頻放大電路輸出后的放大信號(hào)。</p><p>　　圖9 音頻放大電路工作波形</p><p>　　3.3 第三級(jí)輸出波形</p><p>　　將示波器的正極接到輸出端，負(fù)極接地，按下工作開(kāi)關(guān)k，輸出波形即為調(diào)頻波。工作穩(wěn)定后波形見(jiàn)截圖：&

30、lt;/p><p>　　圖10 第三級(jí)輸出調(diào)頻波</p><p><b>　　4、心得體會(huì)</b></p><p>　　在平常的學(xué)習(xí)中，由于沒(méi)有認(rèn)真學(xué)習(xí)高頻這門課程，所以在拿到課程設(shè)計(jì)的題目時(shí)，更本無(wú)從下手，也不能想起任何一些有關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，那時(shí)很是急躁，在查閱資料的過(guò)程中，雖然網(wǎng)上有很多相關(guān)的設(shè)計(jì)，但是對(duì)于原理解說(shuō)部分也看不懂。當(dāng)自己明白一切要靠自

31、己時(shí)，我靜下心來(lái)，努力進(jìn)入狀態(tài)，通過(guò)請(qǐng)教同學(xué)和參考資料，終于確定了一種方案，并搞清楚了電路的工作原理。這個(gè)過(guò)程讓我明白我們應(yīng)該注重平常的學(xué)習(xí)，打好基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上才談得上延伸和擴(kuò)展。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)使我深刻認(rèn)識(shí)到一些課程設(shè)計(jì)之外的東西：凡事不能投機(jī)取巧，無(wú)論做什么事情都要腳踏實(shí)地，一步一個(gè)腳印，同時(shí)要做到勤學(xué)好問(wèn)，不要不懂裝懂。由于自己能力有限，對(duì)于原理部分的設(shè)計(jì)在借鑒別人的基礎(chǔ)上也應(yīng)該認(rèn)真消化吸收

32、，使之轉(zhuǎn)化為自己的知識(shí)拿來(lái)應(yīng)用。也應(yīng)該明確到：盡信書(shū)不如無(wú)書(shū)，書(shū)本上的知識(shí)也不一定是完全正確的，也要通過(guò)實(shí)踐才能印證。</p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】</b></p><p>　　[1] 高吉祥，高頻電子線路，電子工業(yè)出版社，2005.1</p><p>　　[2] 張肅文，高頻電子線路，高等教育出版社，1999.8</p>

33、;<p>　　[3] 謝自美，電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試，華中理工大學(xué)出版社，2000.5</p><p>　　[4] 黃智偉，全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，北京航空航天大學(xué)出版社，2006.12</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　電路實(shí)現(xiàn)電路圖如下：</p><p>

34、;<b>　　元器件清單：</b></p><p>　　三極管9018，一個(gè)</p><p><b>　　電感3 個(gè)</b></p><p><b>　　電阻20k一個(gè)</b></p><p><b>　　10k一個(gè)</b></p><

35、p><b>　　2.2k一個(gè)</b></p><p><b>　　1k兩個(gè)</b></p><p><b>　　33k一個(gè)</b></p><p><b>　　電容1uf一個(gè)</b></p><p><b>　　33pf兩個(gè)</b&g

36、t;</p><p><b>　　15pf一個(gè)</b></p><p><b>　　10pf一個(gè)</b></p><p><b>　　39pf一個(gè)</b></p><p><b>　　100uf兩個(gè)</b></p><p><