高频课程设计---调频(FM)发射机的设计

高频课程设计论文题目：高频(FM)发射机的设计

系别：电子信息与电气工程系

专业：通信工程

摘要：作为通信系统的重要组成部分，无线电技术越来越重要。本文研制一种调频发射机，介绍了调频发射机的制作方法及其工作原理，同时给出了系统的组成框图及系统各部分功能，设计了PCB电路板，并且对所设计的发射机的功能进行了安装与调试。本文中的发射机发射的频率可在66-109MHz频段内进行调制，并可用普通的调频收音机接收。

关键词：小功率调频发射机音频信号调制波载波

目录

1设计课题

2实践目的

3设计要求

4基本原理

4.1 系统方案选择

4.2 整体系统描述

4.3 单元电路设计

4.3.1 音频放大电路

4.3.2 高频振荡电路

4.3.3 高频功率放大电路

5系统调试

5.1 PCB板的设计

5.2 系统调式

6结论

7参考文献

8附录

1设计课题

调频发射机设计

2实践目的

无线电发射与接收设备是高频电子线路的综合应用，是现代化通信系统、广播与电视系统、无线安全防范系统、无线遥控和遥测系统、雷达系统、电子对抗系统、无线电制导系统等必不可少的设备。本次设计要求达到以下目的：

1.进一步认识射频发射与接收系统；

2.掌握调频无线电发射机的设计；

3.学习无线电通信系统的设计与调试。

3设计要求

1.发射机采用FM的调制方式；

2.发射频率覆盖范围为88-108MHz，传输距离大于10m；

3.为了加深对调制系统的认识，发射机采用分立元件设计；

4.已调信号采用通用的AM/FM多波段收音机进行接收测试。

4 基本原理

4.1 系统方案选择

方案一：以晶体振荡器做成高精度高稳定度的调频发射机

以晶体振荡器做成高精度高稳定度的调频电路，这完全可以达到我们的要求，但是这种方案比较复杂，能过搜索我们有另外一种方案，见方案二。

方案二：以调频方式做成三级发射机

这种方案的性能是比较好的，这种发射机主要由三个模块组成，第一级是音频放大电路；第二级是高频振荡电路；第三级是高频功率放大电路。

4.2 整体系统描述

本调频发射机的总体电路如下：声--电转换、音频放大、高频振荡调制和高频功率放大等。声--电转换由驻极体话筒担任，它拾取周围环境声波信号后即输出相就应电信号，经电容C2输入到晶体管Q1，Q1担任音频放大功能，对音频信号进行

放大，经C3送至晶体管Q2进行频率调制；Q2组成共基极高频振荡器，基极与集电极的电压随基极输入的音频信号变化而变化，从而改变高频振荡的频率，最终实现频率调制。系统总体电路图如下图所示：

4.3 单元电路设计

4.3.1 音频放大电路

话筒MIC 、电容C1、C2，电阻R1、 R2、R3 、R4、R5、R11，三极管Q1组成基本放大电路。话筒可以将话音转换成音频信号， 信号经过耦合电容C2 传到三极管Q1的基极， 实现音频信号的放大， 从而获得所需要的功率，以便对高频载波进行调制。而要使共射放大电路工作在放大区，必须有合适的静态工作点。

如何设测量态工作点呢？首先在输入信号Ui=0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流Ic 以及各电极对地的电位UB 、Uc 、UE 。一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压UE 或Uc ，然后算出Ic 的方法，例如，只要测出UE ，即可

用：

E E C E R U I I =

≈算出Ic(也可根据C C

CC

C R U U I -==，由Uc 确定Ic)同时也能算出

UBE= UB-UE ，UcE= Uc-UE 。

4.3.2 高频振荡电路

高频时，三极管的结电容Cbe 的作用不可忽略。三极管Q2、电感L1、结电容Cbe 、电容C4，C5 组成了改进型电容三点式高频振荡电路， 产生高频振荡信号， 即载波。载波的频率主要由电感L1、结电容Cbe 、电容C4，C5 决定。

Q2（Q29018)这是个超高频管，主要用作载频，调频发射电路是将待传送的音频

信号通过一定的方式调制到载波信号上， 并放大为额定的功率， 然后利用天线以电磁波的方式发射出去。

信号波和高频载波的数学表达式如下:

t f V t V V c cm c cm c πω2cos cos ==

t f V t V V c sm s sm πω2cos cos s ==

其中Vcm 为信号波的最大振幅和Vsm 为载波信号的最大振幅。载波频率fc 称之为中心频率，随着频率的变化，角频率ω也会发生变化， 因此

s t

c ωωωωcos m ?+=

这时的频率变化△f 称之为最大频率偏移。经过调频后的信号称之为被调频波Vm ，

可表示为:

m cm V V θsin m =

被调频波vm 会随信号波vs 而变化，其瞬间相位为时间积分。因此，相位角θm 可由下式计算:

t

t dt s

s c t

m ωωωωωθsin 0

m ?+==?

则被调频波可表示为:

)sin sin(sin cm t m t V V V s c m cm m ωωθ+==

其中m=△ω/ωs 。高频振荡电路由振荡线圈L 和电容C 与振荡级晶体管组成， 调频波段的振荡频率一般为87.5～108MHz 。振荡级晶体管会在L 和C 的控制下高速导通和截止。基极输入放大的音频信号， 经过振荡级晶体管的放大作用， 使音频信号与高频振荡信号完成调制。特定频率的载波信号通过天线发射出去， 可以将信号覆盖一定的范围。范围的大小取决于发射的功率。发射的频率取决于振荡电路的振荡频率。来自前级的音频信号经耦合电容注入振荡级晶体管的基极、改变振荡频率， 产生所需的调频信号。

4.3.3 高频功率放大电路

Q3是调谐功率管。调谐回路通过调整回路的LC 参数，使LC 谐振频率与需要接收

的电台频率相同，对该频率呈高阻抗，使它能够进入高放级，对其它频率呈低阻抗近似短路，不能进入高放级，从而达到选择电台的目的。

功率放大器的基极偏置电压VBE 是利用发射极电流的直流分量IEO 在发射极电阻上产生的压降来提供的。当放大器的输入信号vi ’为正弦波时，集电极输出电流ic 为余弦脉冲波。得用谐振回路LC 的选频作用可输出基波谐振电压vc1，电流ic1。分析可得：

011R I V m c m c =

式中，m c V 1为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；m c I 1为集电极基波电流振幅；0R 为集电极回路的谐振阻抗。

2102111212121R V R I I V P m

c m c m c m c C =

==

式中，P C 为集电极输出功率

CO CC D I V P =

式中，P D 为电源V CC 供给的直流功率；I CO 为集电极电流脉冲i C 的直流分量。

放大器的效率η为

CO

m

c CC m c I I V V 1121??

=η

5 系统安装与调试

5.1 PCB 板的设计

以上只是对原理图的设计，以下着手的工作是做PCB 版图，对Protel99se 的使用要熟悉，按照原理图进行。在此软件中做好PCB 图然后刻录，做板可以用手工画板也可以用热转印，由于条件限制，本设计用的是手工制作，具体PCB 图形如下：

5.2系统调式

将高频发射机接入5V的电源，然后用数字示波器观察天线的输

出波形及频率，结果发现一点波形都没有，原以为是电感调的不好，所以反复地改变电感值，得到的结果都一样。理论上至少会出现高频振荡产生的正弦波的，所以初步断定是电路出现问题了。断开电源检查了一下发现电路板有一处断路了，用万用表测了一下确实如此，于是排除了此问题。第二次接入电源后发现结果还是与前次一样，猜想肯定还有其它问题，于是又断开电源仔细排查，结果完全出乎我的意料，原来我把三个晶体管全部接反了，集电极与发射极的引脚接错了，这让我不禁傻笑了一下，幸好器件没有损坏。我把三个晶体管全部解焊下来，再正确地安装上去，最后用示波器测到了正弦波（高频载波）。但是观察得到所产生的频率只有54.3MHz，与所要求的频率范围相差甚远。于是我通过调节高频振荡回路上的电感使调制频率达到69.01MHz。

下一步我在发射机的麦克风输入音频信号，再用调频收音机接收。将调频收音机的频率设置在69.0MHz左右，很快收音机收到音频信号。

最后，带上收音机远离发射机测量发射机的发射半径，测得结果大约为85米。

发射天线波形图（数字示波器测得）：

6结论

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，通过这次实验我们可以更好地巩固和加深对小功率调频发射机工作原理和非线性电子线路的进一步理解。学会基本的实验技能，提高运用理论知识解决实际问题的能力。在实验过程中，通过选取元件、确定电路形式、以及计算等等，提高我们的动手能力，同时通过调试来发现自己的错误并分析及排除这些故障，使我们对小功率放大器的知识得到了加深！在调试过程中应该注意以下几点：

用电压表测一下三个三极管的管脚电压是否满足该设计的要求。

用示波器测出发射机所发射的频率是否在65-110MHz左右，如果不是，试着调节L1、L2、L3。

如果在天线处观察波形的峰峰值不在4V的话，则应该在Q2和Q3的发射极的电阻上各并联一个电容，以使其提高。

参考文献

1.高吉祥. 高频电子线路. 北京:电子工业出版社.2009

2.王涤生. 制作无线话筒[M]. 北京:电子工业出版社.2002

3. 王正谋,朱力恒. Protel99se电路设计与仿真技术.福州:福建科学技术出版

社.2004

4.华成英.模拟电子技术基本教程. 北京:清华大学出版社.2006

5.何书森何华斌.实用电子线路设计速成.福州:福建科学技术出版社.2004

附录一

系统实测性能指标：

发射频率：69.0MHz

工作电压：3V-12V

发射半径：大于80M

电压峰峰值： 4.6V（电源5V）

附录二

调频（FM）发射机设计器件清单：