调频发射机的设计要点

本科毕业论文

院系：信息工程学院

专业：电子信息科学与技术

班级： 11电信本

作者：张振祥

指导教师：杭联茂

完成时间： 2015 年 4 月

调频发射机的设计

摘要发射机的主要功能是将低频信号通过调制器发射机对高频信号的调制，而使低频信号变成一个可以在某个参数情况的中心频率校通过天线发射的电磁载波。调频发射机的设计可以给振荡电路提供一个相对比较稳定的频率。主要体现在，第一为了能够匹配调制级的工作而将语音信号的适度放大；第二为发射机提供基准频率采用载波电容三点式，然后在改变语音信号的大小，完成对载波信号的频率调制，第三利用丙类功率放大器，从而大大地提高调制信号的功率，然后通过滤波网络将高次谐波过滤掉，之后在通过拉杆天线将其发射出去。第四后续电路的调试，通过实验证明本课题设计的电路基本达到预期目标，基本上可以实现一些语音信号的电压放大、频率调制和功率放大，并且也能够达到一定的覆盖范围。

关键字：调频发射机低频信号功率放大器 LC振荡电路

目录

第一章引言 (1)

第二章设计行程 (2)

2.1 设计内容 (2)

2.2 设计目的与要求 (2)

2.3 报告任务与要求 (2)

第三章发射机原理及模块说明 (4)

3.1 发射机原理 (4)

3.1.1 设计整体思路 (4)

3.1.2 基本原理 (4)

3.1.3 调频发射机的基本原理图 (6)

3.1.4 各个元器件说明 (7)

3.2 模块说明 (7)

3.2.1 输入信号模块 (7)

3.2.2 振荡模块 (7)

3.2.3 放大和发射模块 (7)

3.2.4 调频发射机的主要技术指标 (8)

第四章 PCB板模块的设计与制作 (9)

第五章电路的调试及调试结果 (10)

第六章实习总结 (11)

结束语 (12)

元器件清单 (13)

参考文献 (14)

致谢 (15)

第一章引言

通信系统,特别是无线通信系统,它已广泛应用到国民经济,国防建设和人民日常生活的各个领域,通信的目的与任务是传递信息.无线通信系统的一个重要特点是利用高频信号来传递消息.通信中传递的消息的类型很多,传输消息的方法也很多.现代通信大多以电或光信号的形式出现,因此,通常被称作电信.传输电信号的媒介或介质可以是可以是有线的,也可以是无线的,而无线的形式最能体现高频电路的应用.尽管各种无线通信系统在所传递消息的形式,工作方式以及设备体制组成等方面有很大的差异,但设备中产生的,接受和检测高频信号的基本电路大都是相同的.。

调频发射机是通过一定的调制方式将要发送的音频信息用调制器加载到对应的高频载波信号上，经放到后达到所需要要求的的功率，然后以电磁波的方式通过天线将电磁波发射出去，覆盖到一定半径的空间,调频发射机设计课题主要通过调频发射机的组成来研究讨论学习高频电路,低频电路的线路组成,工作原理和分析,设计,仿真的方法.通过本次设计不仅学习基本电路的目的和加强对有关设备及系统的概念,而且对于其他通信系统也有典型意义。

第二章设计行程

2.1设计内容

本次设计具体安排如下：

2.2 设计目的与要求

本次设计要达到以下目的：

(1)、进一步认识调频发射与接收系统；

(2)、掌握调频（或调幅）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。

设计要求：

(1)、发射机采用FM或AM的调制方式，二者选一；

(2)、若发射的覆盖范围在80兆到100兆，且距离大于25米，通常不采用AM调制方式，用FM调制，要求发射

2.3 报告任务要求

(1)、给出设计题目、实践目的、设计原理、设计内容和要求；

(2)、通过查阅资料。在前言里叙述系统的发展背景及其应用

(3)、给出系统设计方案、电路原理图、各个电子元器件的型号、参数；

(4)、画出发射电路中，一些关键节点的信号波形；

(5)、系统调试方法以及在实验中对所遇到的问题的一些解决办法；

(6)、系统的功能扩展实现情况；

(7)、对此次设计的感悟；

第三章 发射机原理及模块说明

3.1发射机原理 3.1.1 设计整体思路：

输入信号→电路振荡→功率放大

3.1.2 基本原理

本设计图采用FM 调制。

对载波 和调制信号 进行FM 调制，使得载波 频率变化量与调制信号()t u Ω的大小成正比。即已调信号的瞬时角频率

（1）

已调信号的瞬时相位为

(2)

本课题调频发射机设计采用实现调频的方法为直接调频：

通过对信号的调制以后来调剂振荡器的频率，表示出信号调制以后的规律的相关变化。另外元件的震荡频率和参数通过调制信号的变化来控制，就可以控制振荡频率的大小，让调制信号变化和振荡器的频率变化成正比，以上步骤就能实现调频的功能呢。用下面的方法来实现直接调频：

1.通过修改振荡回路中元件的参数来实现调频

在RC 振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻R 和电容C 。而在LC 振荡器中，决定振荡频率的主要元件则是LC 振荡回路的电感L 和电容C 。所以，调频可以用调节以后的信号去控制电容电感，电阻等参数的数值来实现。一般采用容值变化的二极管和电频管。 2.通过控制振荡器的工作状态来实现调频

在微波发射机中，比较常用的载波振荡器就是速调管振荡器，其振荡频率主要是由加在管子反射极上的反射极电压来控制的。故只需将调制信号加至反射极即可实现调频。

若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。 （1）频振荡级：

因为中心频率是固定的，所以可考虑采用频率较稳定的克拉泼振荡电路。

下图为直流电路和交流电路的克拉泼（clapp ）电路：

ττωττω?d )(d )()(0

c 0

??Ω+==t

f t u k t t )()(c t u k t f Ω+=ωω)(t u c )(t u Ω)cos()(cm t U t u c c ω+=

图3-1 实用电路 图3-2交流通路

从图中可以看出，相比电容三点式电路，克拉泼电路则在回路中多出一个电容C3，而多出来的这个电容C3又与C1 、C2是相串接的，况且在实际中，一般C3取值较小，远远小于C1和C2，电路的总电容由C3决定，因为图中的电容均是串联连接，而如果三极管的极间电容直接并接在C1 、C2上，C3的值将不会受到影响，结果也就使得这些不稳定电容对振荡频率基本够不成什么影响，C3决定对电路的影响，通常情况下成正比。

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 换算到振荡管集基间的数值（设为RL’’）减小，其值变为

(3)

上述表达式中，其中电容表示个回路的总电容。所以，电路的环路增益，C3和环路增益成正变化，电路的环路增益减小，其他两个通通变小。但是当C3的值很少的时候，该条件不满足起震条件，所以振荡器就会停止工作。 （2）功率放大极：

共发射级电路的功能一般是集电极和功率较大，工作状态在丙类的时候，通过匹配和功率等步骤达到所需要求，下图为谐振功率放大器的原理电路图：

2

22)2

,133(L L L L R C C C R n R +='≈''

图3-3 谐振功率放大器的原理电路图

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：

（4） 图中出现了谐振电阻，因为当在输入的信号频率上市进行调谐，所以上图中的的一些基波所显示的阻抗很大，在高频回路中，其值表达式为：

,式

上式表达式中回路总电容，

为回路谐振角频率， 为回路有载品质因素。

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，c i 中基波分量幅度1c m I 将相应减小，由于输出功率成正相关，所以此时输出功率也变小。当操作和实验参数取值不当时，可能导致击穿功率管发射结。

3.1.3 调频发射机的原理图

???+???++=???+++=t n I t I I i i i i cn c co c c c c ωωcos cos 1321t V V v V V s bm BB b BB BE ωcos +=+=t

r s C L /10==ωωRL L Q r e /0ω=11C C C C C r r t

+=1

120

20R C L R L R t r e ==ω

图3-4 发射机原理图

3.1.4 各个元器件说明

MIC是驻极体话筒，一般用来感应空气中声波的微弱震动，通过模拟，输出的信号跟生意所模拟的变化一样的电信号。通常情况下声音信号在十毫伏到二十毫伏之间，就可以满足调制下级所需要的频率。声音信号有正负之分，根据相关情况确定正负极。

R4和R7是三极管的集电极偏置电阻，它们的作用便是限制集电极电流Ic。

C4和L1组成并联谐振回路的主要作用就是选择振荡频率，通过改变C4的容量或L1的形状（包括圈数），便可以改变发射频率。

C4、C5、C8构成了电容三点式振荡，而在电路起振过程中起关键作用的便是反馈电容C5。

C10和L2所组成的并联谐振回路的主要作用也是选择振荡频率。

3.2．模块说明

3.2.1 音频输入模块

通常由电阻和电容组成该部分电路，隔离高频的信号一般采用L1，电平转换一般用电阻R4，R5，作用是把高压转换成低压，以防相关仪器受损。隔离高频的信号一般用电感L1，以防相关高频的信号通过。同时为了防止直流通过，用电容C2来隔离。

3.2.2 振荡模块

如图所示，由电容、三极管和电感三部分组成的。电阻R4和R5的作用是保证三极管可以正常的运行工作。高频信号由电容C4、C8和C5、三极管Q1所组成的电路部分提供。C7为滤波电容，其作用是滤除不需要的信号，稳定静态工作点。电容C6的总用是隔离直流通交流的作用。

3.2.3 放大和发射模块

三极管、空心电感、电容和电组成该部分电路，谐振电路部分由电感、电容和三极管三部分组成，该电路的作用是放大高频信号和滤波，三极管的基集输入信号一般是经过调制器以后的调制信号，然后通过谐振电路的相关滤波过程，放大以后，在经过天线发射出去。

通过上面的步骤以后能够过滤掉无用的频率和载波和，减弱降低相关的仪器干扰和噪声干扰，减弱频率合成器的相关参数和干扰。让本课题设计的电路满足了相关系数的要求，而且在非线性失真、频率响应、相位噪声和信噪比等方面功能都比较良好。当失真的系数，相

位噪声分别在0.1%以下，-100dBc/Hz/10kHz以下，频率响应系数也比较好，在同一情况下，当200Hz以内的频率，载波频率稳定度较高，20kHz以内的信号的频率误差，以上都都可以达到技术所需要的要求。而且，本电路调试量小，成本也不高。

3.2.4调频发射机的主要技术指标

（1）、工作频率范围

电视，广播一般采用调频，所覆盖的范围为29MHz ～290MHz。

（2）、发射功率PAV

发射机发射到天线上的功率一般称为发射功率。当满足天线的长度和所要发射的电磁波的长度成正比时，调制信号才能被最大效率的发送出去。

（3）、频率计算

本课题设计的调频发射机一般采用三点式电容振荡电路，它的频率计算表达式如下:

(5)

f

n=

根据这个公式可以计得到振荡电路的震荡频率。

第四章 PCB板的设计与制作

当需要把相关噪声添加到电路中，降低噪声的影响和电路中的杂散信号，所以为了满足上面的要求对单元电路元件提出更高的要求。故在设计PCB板图时，应做到以下几点：（1）单独稳压，分别将滤波电路接到稳压器的输入输出端；

（2）布线元件排列应该尽量整齐；

（3）电源的宽度应该为0.9mm宽，信号的线宽应该为0.70mm。

通过上面的步骤和调试能够把所有的噪声干扰和无用的频率信号能够全部有效的过滤掉，消弱干扰和噪声对设计的影响。为了使所设计的电路达到所需要的要求和系数，在失真，消除噪声干扰，通频带的信噪比，频率响应等方面有比较好的性能，通常要减小合成器的噪声和杂散。当非线性失真，相位噪声两个系数分别在0.09%、-99dBc/Hz/9kHz以下，同一情况，载波频率稳定度，输出信号频率偏差两个系数分别在190Hz、19kHz以下，以上系数指标满足课题设计的相关要求。而且，它的优点有调试的电路调较小，低成本两个方面。

另外在焊接时一定要不要浮躁，心平气和，以免将不同的几种元件焊接在一起，电路发生短路。而且要牢记各个元件的位置，以免在焊接时候发生混乱。

第五章电路的调试及调试结果

电路的调试：

通过前面设计好的单元电路，将所要的元件找出，一一和万能板上面的对应，做完以上步骤，然后将所有的元件和天线焊接在万能板和电路板上面。通常为了万能板的美观，一般将电阻和电容卧接在焊接过程中。在焊接的过程中，为了避免出错，一般先焊小元件再焊接大的。在焊接的过程中应该注意避免虚焊、多焊等情况，同时元件的引线尽量短一点。完成焊接的工作以后，一定用电压表测量，保证相关元件电压恒为4V。当给收音机的频率加载调谐在75.00MHZ，然后音频的信号接入发射机，多空心线圈L2用螺丝刀进行旋钮，使其的频率和前面保持一致，这样就可以接收到干扰较小的的话音信号。通常如果需要调L3空心线圈，是为了是当满足覆盖范围要求较大的时候。多次调整便可以得到所需要的信号。

调试结果：

图5-1此发射机可以发射信号到65米以外的地方

第六章实验总结

因为高频信号比较容易受到噪声，电路参数等影响，所以稳定性要比低频信号差，为了提高其稳定性，调试就会比低频的调试繁琐，特别是在整机调试的时候，要戒骄戒躁，保持足够多的耐心，要多次对设计参数进行合适的调整，调整的范围一定不能太大，最后得到所需要的参数和结果。

焊接电路板时需要注意以下几点：

（1）、首先在实验之前必须要检查所有元器件是否可用，焊接三极管时要仔细看清基极，集电极，发射极，防止焊接错致使整个实验出现错误；

（2）、接地线时为了以后能够更容易修改，仍应该使用导线连接；

（3）、为避免在调节的时候出现差错，一般绕线圈采用同一个方向绕，上下均可。；

(4)、在电源线和地线排放的位置需保持一定的距离，避免在用鳄鱼夹加电时俩者由于接触而发生短路；

在调试过程中应该注意以下几点：

（1）将万能表调到电压档测量一下三极管的管脚电压是否满足该设计所需的电压要求。（2）测一下发射极所发射的频率是否正好是71M HZ，如果不是，则通过缓慢调解L1来改变振荡频率。

(3)在天线处观察波形，查看波形的峰值是否处于2-3 V的范围，如若不是，则须在发射机的电阻处并联一个电容，以使其提高。

结束语

通过本次论文设计，让我对调频发射机有了更进一步的认识，基本上能够熟悉了整个调频电路系统，这次论文设计中所做的实验便是有关于小功率调频发射机的工作原理分析及其中一些安装调试，通过此次论文中，我们更好的巩固和理解了理论知识，对调频发射机的结构有所了解。学会基本的实验技能，教会我们在面对问题时能够从容不迫的面对，通过对实验中所出现的情况细心观察，结合自身所学的理论知识和所学的实践经验来分析问题最终使得问题能够迎刃而解。在整个实验过程中，我们都必须以着胆大心细的态度来选取元件、确定电路，综合布线等，经过这一段时间的身处其地的实战，不仅提高了我们的动手能力，同时通过调试过程我们也发现了自己出现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有了更亲身的体会及理解！

本次课题设计分为三个时间段进行制作及调试，在杭老师的悉心指导下和一些同学的互帮互助中最终使得设计圆满结束。整个设计过程也比较坎坷，设计初期由于自己的相关理论知识匮乏及动手能力的不足遇到了不少难题，比如对一些专业名词的不理解，对一些电路都不清楚，只能泡图书馆查阅资料来弥补自己的不足，以及后来设计电路的排版不合理，找了好几次杭老师才得以修改好，好在以前参加过收音机的制作，在焊接中没出现啥大问题，总之真是不处其中不知难、不去经历不懂甘啊，不管怎么，最终在虚心的请教和不限的努力下终于解决了这些问题。

从这次的论文设计中，我真正的体会到了知识的重要性，如果我平时就努力学习，多读书，那么实验开始就不会那么吃力、那么无从下手了，真是书到用时方恨少啊，经过这么一次亲身经历，我也理解了马原和毛概中为什么总是强调要理论联系实际了，如果把我们所学的理论知识能够熟练自如地运用到实际生活当中，那么我们的生活真的将是如鱼得水，“书中自有黄金屋，书中自有颜如玉”我们得多读书、多学习，争取做一个用知识改变生活的智者，那样我们将会活的更轻松幸福。

元器件清单：

参考文献

[1] 高吉祥.高频电子线路[M].电子工业出版社. 2005.1

[2] 谢嘉奎.高频电子线路[M]，高等教育出版社.2001.3

[3] 张肃文.高频电子线路[M]，高等教育出版社.1999.8

[4] 胡宴如.高频电子线路实验与仿真[M],高等教育出版社. 2009

致谢

首先，感谢学校四年来对我的“养育”之恩。不仅给我们提供一流的教学设施，还想法设法的设身处地的为我们创造各种适合我们学习的环境，使我们能够身心愉快的投入到学习中。其次，感谢学院的老师，有了他们的谆谆教诲，才使本论文的前期准备以及整个研究过程得以顺利完成。学院老师们的严谨治学态度、扎实的理论基础、全身心投入工作的精神以及对学生尽心尽力的态度给了我极大的帮助与鼓励，使我受益匪浅。从学院老师的教学态度上，我学到的不仅局限于书本上的知识，还有做人的道理。他们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风以及将每位同学视为己出那种亲和无私的爱深深地感染和激励着我。同时也感谢我的论文指导老师杭联茂老师，谢谢您的悉心指导，更谢谢您三年以来的照顾，无论以后从事什么工作，我将谨记您的教会，做一个合格的社会建设者。最后，再次感谢在座的每位，谢谢你们的倾听，希望能得到各位的批评指证，在此谨向学院全体老师致以诚挚的感谢和崇高的敬意！