小功率调幅发射机

1 小功率调幅发射机整体概述

1.1 小功率调幅发射机的初步认识

发射机的主要任务是完成有用的低频信号对高频载波的调制，将其变为在某一中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射的电磁波。

调幅发射机实现调幅简便，调制所占的频带窄，并且与之对应的调幅接收设备简单，所以调幅发射机广泛地应用于广播发射。

所谓调幅，就是指，使振幅随调制信号的变化而变化，严格的讲，就是指载波振幅与调制信号的大小成线性关系，而它的频率和相位不变。振幅调制分为4种方式：AM（普通调幅）、DSB（抑制载波双边带调幅）、SSB（单边带调幅）、VSB （残留边带调幅）。本设计调幅发射机指的是AM调幅发射机。

通常，发射机包括三个部分：高频部分，低频部分和电源部分。

高频部分一般包括主振荡器、缓冲放大、倍频器、中间放大、功放推动级与末级功放。主振荡器的作用是产生频率稳定的载波。缓冲级主要是削弱后级对主振器的影响。低频部分包括话筒、低频电压放大级、低频功率放大级。调制是将要传送的信息装载到某一高频振荡信号上去的过程。

1.2 小功率调幅发射机的主要技术指标

在设计调幅发射机时，主要遵循如下性能指标：

工作频率围：调幅制一般适用于中、短波广播通信，其工作频率围为

300kHz~30MHz。

发射功率：一般是指发射机送到天线上的功率。只有当天线的长度与发射频率的波长可比拟时，天线才能有效地把载波发射出去。波长λ与频率f的关系为λ=c/f。

调幅系数：调幅系数ma是调制信号控制载波电压振幅变化的系数，ma的取值围为0~1，通常以百分数的形式表示，即0%~100%。

频率稳定度：发射机的每个波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示。工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为Δf，则频率稳定度的定义为K=f0/Δf。式中为K 为频率稳定度。

非线性失真（包络失真）：调制器的调制特性不能跟调制电压线性变化而引起已调波的包络失真为调幅发射机的非线性失真，一般要求小于10%。

线性失真：保持调制电压振幅不变，改变调制频率引起的调幅度特性变化称为线性失真。

噪声电平：噪声电平是指没有调制信号时，由噪声产生的调制度与信号最大时间的调幅度比，广播发射机的噪声电平要求小于0.1%，一般通信机的噪声电平要求小于1%。

总效率：发射机发射的总功率PA 与其消耗的总功率PC 之比称为发射机的总效率η，即η=PA/PC。 本次课程设计要求的技术指标如下：

工作频率 f=8MHz ，发射功率P0>=300mW ，调制度ma=50%，整波效率大于40%，频率稳定度：f f ? ≤ 4510-?。

2 小功率调幅发射机的系统设计

2.1 系统原理框图

调幅发射机的系统原理框图如下图图1所示，其工作原理是：高频振荡器产生一个固定频率的高频载波信号，它的输出经过高频小信号谐振放大器之后送至调制器；音频放大器放大来自话筒的语音信号，该放大器为低频功率放大器，其输出也送至调制器；调制器将经过放大的语音信号调制，输出是已调幅的高频信号；该已调信号输出经带通或低通滤波器滤波，最后由功放级将载频信号的功率放大到所需发射功率，然后通过天线向外发射电磁波。

图1 小功率调幅发射机系统原理框图

本机振荡：产生高频率的载波信号。

缓冲隔离级：将晶体振荡级与调制级隔离，减小调制级对晶体振荡级的影响；将功率激励级与调制级隔离，减小功率激励级对调制级的影响。

话音放大级：将话筒信号电压放大到调制级所需的调制电压。

调制级：将话音信号调制到载波上，产生已调波。

功率激励级：为末级功放提供激励功率。

末级功放：对前级送来的信号进行功率放大，在负载上获得满足要求的发射功率

2.2 单元电路设计方案

2.2.1 高频振荡器

高频振荡器即为本机振荡器，根据载波频率的高低和频率稳定度来确定电路形式。一般采用三点式振荡器，其基本电路如下图图2所示。电容三点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形好。这是因为电容三点式振荡器中，反馈是由电容产生的，高次谐波在电容上产生的反馈压降较小，输出中高频谐波小；而在电感三点式振荡器中，反馈是由电感产生的，高次谐波在电感上产生的

反馈压降较大。另外，电容三点式振荡器最高工作频率一般比电感三点式振荡器的高。这是因为在电感三点式振荡器中，晶体管的极间电容与回路电感相并联，在频率高时可能改变电抗的性质；在电容三点式振荡器中，极间电容与电容并联，频率变化不改变电抗的性质。因此振荡器的电路型式一般采用电容三点式。在频率稳定度要求不高的情况下，可以采用克拉泼，西勒电路。频率稳定度要求高的情况下，可以采用晶体振荡器，也可以采用单片集成振荡电路。

频率稳定度是振荡器的一项十分重要的技术指标，表示一定时间围或一定的温度、湿度、电源电压等变化围振荡频率的相对变化程度，振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡频率稳定度越高。

本机放大电路的输出是发射机的载波信号源，要求它的振荡频率应十分稳定。一般的LC 振荡电路，其日频率稳定度约为10-2~10-3，晶体振荡电路的Q 值可达数万，其日频率稳定度可达10-5~10-6.因此，在本设计中本机振荡电路

采用晶体振荡器。

图2 三点式振荡器的基本电路

2.2.2 语音放大器

语音放大器主要是对语音信号进行放大和限频，经过放大的音频信号送到调制器对高频载波进行调制。本机语音放大器采用UA741。UA741是高增益的集成运算放大器。可用于此处放大低频语音信号。其管脚图如下图图3所示。

1

1

1(a )(b )(c )

图3 UA741管脚图

2.2.3 振幅调制电路

振幅调制器的任务是将所需传送的信息加载到高频振荡中，以调幅波的调制形式传送出去。通常采用低电平调制和高电平调制两种方式。采用模拟乘法器实现调制的方法是属于低电平调制，输出功率小，必须使用高频功率放大器才能达到发射功率的要求。采用集电极调幅电路实现调制的方式属于高电平调制。如果集电极调幅电路的输出功率能够满足发射功率的要求，就可以在调制级将信号直接发射出去。低电平调幅电路输出功率小，适用于低功率系统。它的电路形式有多种，如斩波调幅器、平衡调幅器、模拟乘法器调幅等，比较常用的是采用模拟乘法器形式制成的集成调幅电路，即集成模拟乘法器MC1496调幅。这种集成电路的出现，使产生高质量调幅信号的过程变得极为简单，而且成本很低。

高电平调幅电路输出功率大，一般在系统末级直接产生满足发射要求的调幅波。它的电路形式主要有集电极调幅和基极调幅两种。集电极调幅电路的优点是效率高，晶体管获得充分的应用；缺点是需要大功率的调制信号源。基极调幅电路的优缺点正好与之相反，它的平均集电极效率不高，但所需的调制功率很小，有利于调幅发射系统整机的小型化。

本设计中，采用模拟乘法器MC1496构成调幅电路，其引脚图如下图图4所示。用它可以容易的实现两信号的相乘，将放大的语音信号同高频载波相乘，从而得到调制信号。

图4 MC1496引脚图

2.2.4高频功率放大器

功率放大器主要有甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）、丙类功放，根据功放的输出功率和效率来确定选择哪一种。采用低电平调幅电路的系统，由于调制器输出信号为调幅波，其后的功率放大器必须是线性的（如甲类、甲乙类或乙类功放）；而采用高电平调幅电路的系统，则在末级直接产生达到输出功率要求的调幅波，多以丙类放大器作为此时的末级电路。高频功率放大器是调幅发射机的末级，它的任务是要给出发射机所需要的输出功率。本设计研究的是小功率调幅发射系统，通常采用丙类功率放大器，如果一级不能满足指标要求，可以选用两级。一般末级功率放大器工作在临界状态，中间级可以工作在弱过压状态。

调幅发射机的各单元电路可以用分立元件组成的电路完成，也可以用集成电路来完成。本次设计采用分离的原件组成的电路完成。

3单元电路设计

3.1高频振荡器和语音放大电路

高频振荡器是调幅发射机的核心部件，主要用来产生一个频率稳定、幅度较大、波形失真小的高频正弦波信号作为载波信号。本级用来产生8MHz左右的高频振荡载波信号，由于整个发射机的频率稳定度由主振级决定，因此要求主振级有较高的频率稳定度，同时也要有一定的振荡功率（或电压），其输出波形失真较小。为此，这里采用西勒振荡电路，可以满足要求。

为了解决频率稳定度和振荡幅度的矛盾，常采用部分接入方式。由前述可知，为了保证振荡器有一定的稳定振幅及容易起振，当静态工作点确定后，晶体管部

参数f Y 的值就一定，对于小功率晶体管可以近似认为26f m CQ Y g I mV ==，反馈

系数大小应在0.15～0.5围选择。

如图3-1-1西勒振荡器电路所示

1R 、2R 、4R 提供偏置电压使三极管工作在

放大区，1C 起到滤波作用。

输出电路的总电容：

234545233424C C C C C C C C C C C C C =+≈+++ 振荡频率为：

osc f =≈在此西勒振荡器电路中，由于5C 和L 并联，所以5C 变化不会影响回路的接

入系数，如果使4C 固定，可以通过改变5C 来改变振荡频率，因此，西勒振荡器

可用作波段振荡器，适用于较宽波段工作。

晶体振荡器和话音放大电路的电路图如图3所示。其中，晶体、C1、C2、C3与T1构成改进型电容三点式振荡电路（克拉泼电路），振荡频率由晶振的等效电容和电感决定，电路中T1构成静态工作点由R1、R2、R3决定。在设置静态工作点时，应首先设定晶体管的集电极电流ICQ ，一般取0.5mA~4mA ，ICQ 太大会引起输出波形失真，产生高次谐波。设晶体管β=60，Icq=2mA ，VEQ=（1∕2~1∕3）Vcc ，则可算出R1，R2、R3。如下图图5所示。

图5 晶体振荡器和话音放大电路

3.2调制电路

3.2.1 调制电原理图

根据上面的方案设计，选定模拟乘法器MC1496构成的调幅电路如下图图6所示。X通道两输入端8和10脚直流电位均为6V，可作为载波输入通道；Y通道两输入端1和4脚之间有外接调零电路；输出端6和12脚外可接调谐于载频的带通滤波器；2和3脚之间外接Y通道负反馈电阻R8。若实现普通调幅，可通过调节10kΩ电位器RP1使1脚电位比4脚高错误!未找到引用源。，调制信号错误!未找到引用源。与直流电压错误!未找到引用源。叠加后输入Y通道，调节电位器可改变错误!未找到引用源。的大小，即改变调制指数M a；若实现DSB调制，通过调节10kΩ电位器RP1使1、4脚之间直流等电位，即Y通道输入信号仅为交流调制信号。为了减小流经电位器的电流，便于调零准确，可加大两个750Ω电阻的阻值，比如各增大10Ω。

MC1496线性区好饱和区的临界点在15-20mV左右，仅当输入信号电压均小于26mV时，器件才有良好的相乘作用，否则输出电压中会出现较大的非线性误差。显然，输入线性动态围的上限值太小，不适应实际需要。为此，可在发射极引出端2脚和3脚之间根据需要接入反馈电阻R8=1kΩ，从而扩大调制信号的输

入线性动态围，该反馈电阻同时也影响调制器增益。增大反馈电阻，会使器件增益下降，但能改善调制信号输入的动态围。

MC1496可采用单电源，也可采用双电源供电，其直流偏置由外接元器件来实现。

1脚和4脚所接对地电阻R5、R6决定于温度性能的设计要求。若要在较大的温度变化围得到较好的载波抑制效果（如全温度围-55至+125），R5、R6一般不超过51Ω；当工作环境温度变化围较小时，可以使用稍大的电阻。

图6 调制电路原理图=

3.2.2 MC1496的搭建

模拟乘法器是完成两个模拟量（电压或电流）相乘的电子器件。高频电子线路中的振幅解调，同步检波，混频，倍频，鉴频，鉴相等调制和解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分立器件要简单得多，而且性能优越。课设运用Multisim软件对电路进行设计，因此MC1496需要自己搭建，其原理电路图如图7所示。MC1496是四象限模拟乘法器，其部电路图和引脚图如图10-1所示。其中V1、V2与V3、V4组成双差分放大器，以反极性方式相连接，而且两组差分对的恒流源V5与V6又组成一对差分电路，因此恒流源的控制电压可正可负，以此实现了四象限工作。V7、V8为

差分放大器V5与V6的恒流源。

图7 MC1496搭建图

3.4 整体电路设计

将以上各级单元电路一次连接就构成了小功率调幅发射机整体电路原理图，

如图9所示：

图9 小功率调幅发射机整体电路

4 调试与仿真

4.1晶体振荡器的调试

调晶体振荡器时，应先断开晶振，使振荡器不振荡，再用万用表测三极管的各极电压。VEQ应满足VEQ∕（R2+R3）≈Icq=2mA，若不满足则可调整R1的值。将三极管的静态工作点调试正确以后，再接上晶振，测量振荡器的振荡频率和输出电压幅度，如图8所示：

图8 晶体振荡器的调试

4.2调制器的测试

测调制器电路静态工作点时，应使本振信号V0=0.先测MC1496五角的电压Vs，调整R5的值，是V5∕R5=I0；然后测量各点静态工作电压，其值应与设计值大致相同。加本振电压v0=100mV，使调制电压vΩ=0，调节RP3使mc1496输出信号为最小值，再使vΩ=100mV，这时测得的输出波形应为载波被抑制的双边带信号波形，在调节RP3使输出波形为ma=50%的调幅波，如图9所示：

图9 调制器测试

4.3整机联调及其常见故障分析

晶振级与缓冲级联调时缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况。产生的主要原因是缓冲级的输入阻抗不够大，使晶振级负载加重。这可通过增大缓冲级的射极电阻RP1来提高缓冲输入级输入阻抗，也可通过减小C4，即减小晶振级与缓冲级的耦合来实现。

本机振荡级、缓冲级、话语放大级以及调制级联调时，往往会出现过调幅现象。产生的原因可能是经射级跟随器输出的本振电压v0偏小或者是话音放大级输出的调制电压vΩ过大。可以调节RP2使v0=100~150mV，并测量调制器输出的波形。调整话音放大级增益，以满足调幅度ma=50%的技术指标要求。

功率激励级与功率放大级联调时，往往会出现低频调试、高频自激、输出功率小、波形失真大等现象。产生的原因可能是级间通过电源产生串扰或是甲类功放与丙类功放的阻抗不匹配，级间相互影响。这可在每一级单元电路的电源上加低、高频去耦电路，以消除来自电源的串扰，也可以重新调整谐振回路，使回路谐振。