小功率调频发射机的设计课程设计

课程设计

课程高频电子线路

题目小功率调频发射机的设计

院系电子科学学院

专业班级电信XXXXXXX班

学生姓名XX

学生学号XXXXXXXXXXXX

指导教师

2013年3月1日

课程设计任务书

课程高频电子线路

题目小功率调频发射机的设计

专业电子信息工程姓名XX 学号XXXXXXXXX

主要内容、基本要求、主要参考资料等

1、主要内容

利用所学的高频电路知识，设计一个小功率调频发射机。通过在电路设计、安装和调试中发现问题、解决问题，加深对高频电子线路课程理论知识的理解，提高电路设计及电子实践能力。

2、基本要求

设计一个小功率调频发射机，主要技术指标为：

(1) 载波中心频率

06.5MHz

f=；

(2) 发射功率100mW

A

P>；

(3) 负载电阻75

L

R=Ω；

(4) 调制灵敏度25kHz/V

f

S≥；

3、主要参考资料

[1] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社，2006.

[2] 张肃文，陆兆雄. 高频电子线路(第三版). 北京：高等教育出版社，1993.

[3] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中科技大学出版社，2000.

[4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002.完成期限2月25日-3月1 日

指导教师

专业负责人

2013 年 2 月22 日

一、电路基本原理

1. 总设计方框图

与调幅电路相比,调频系统由于高频振荡输出振幅不变, 因而具有较强的抗干扰能力与效率.所以在无线通信、广播电视、遥控测量等方面有广泛的应用。如图1所示：

图1 变容二极管直接调频电路组成方框图

2.电路基本框图

图2 电路的基本框图

实际功率激励输入功率为1.56mW 拟定整机方框图的一般原则是，在满足技术指标要求的前提下，应力求电路简单、性能稳定可靠。单元电路级数尽可能少，以减少级间的相互感应、干扰和自激。

由于本题要求的发射功率Po 不大，工作中心频率f0也不高，因此晶体管的参量影响及电路的分布参数的影响不会很大，整机电路可以设计得简单些，设组成框图如图2所示，各组成部分的作用是：

(1)LC 调频振荡器：产生频率f0=6MHz 的高频振荡信号，变容二极管线性调频，最大频偏，整个发射机的频率稳定度由该级决定。

(2)缓冲隔离级：将振荡级与功放级隔离，以减小功放级对振荡级的影响。因为功放级输出信号较大，当其工作状态发生变化时（如谐振阻抗变化），会影响振荡器的频率稳定度，使波形产生失真或减小振荡器的输出电压。整机设计时，为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级电路常采用射极跟随器电路。

(3)功率激励级：为末级功放提供激励功率。如果发射功率不大，且振荡级的

LC 调频振荡器缓冲隔离器

功率激励

末级功放

调制信号变容二极管直接调频电路调频信号

载波信号

输出能够满足末级功放的输入要求，功率激励级可以省去。

(4)末级功放：将前级送来的信号进行功率放大，使负载（天线）上获得满足要求的发射功率。如果要求整机效率较高，应采用丙类功率放大器，若整机效率要求不高如≤50%而对波形失真要求较小时，可以采用甲类功率放大器。但是本题要求，故选用丙类功率放大器较好。

考虑到频率稳定度的因素，调频电路采用克拉泼振荡器和变容二极管直接调频电路。电路的工作原理是：利用调制信号控制变容二极管的结电容，改变振荡器振荡回路的总电容，从而使调频振荡器输出信号的频率随调制信号的变化而变化，即实现调频。调频后的信号经过缓冲隔离、宽放和功放后通过天线发射出去。

3.基本要求

设计一个小功率调频发射机，主要技术指标为： (1) 载波中心频率0 6.5MHz f =； (2) 发射功率100mW A P >； (3) 负载电阻75L R =Ω； (4) 调制灵敏度25kHz/V f S ≥；

二、设计方案

1.电路原理图

(1)总体设计电路图

R 18R ES2R 19R ES2

R 15R ES2R 13R ES2

R 8R ES2

R 11R ES2

R 10

R ES2

R 20R ES2R 16R ES2

R 14R ES2

R 12R ES2

R 17R ES2

R 5R ES2

R 9R ES2

R 6R ES2

R 7R ES2

R 3PO T2

R 1PO T2

R 2PO T2

R 4PO T2

C 10C AP

C 5

C AP C 6

C AP

C 4C AP

C 3C AP

Q 1N PN

C 7

C AP

C 8

C AP

C 12C AP

C 11C AP

L1

IND U CTOR 1

L3

IND U CTOR 1

L2

IND U CTOR 1D 1D IO D E

V 1

SO U RC E V OLTA GE

Q 2N PN

Q 3N PN

T1

TR A NS 3

C 13C AP

Q 4N PN

C 9C AP

C 14

ELEC TR O1

C 1

C AP VA R

C 2C AP

T2

TR A NS 4

图3 总体设计原理电路图

(2)功率激励与末级功放电路

发射机的输出应具有一定的功率才能将信号发射出去，但是功率增益又不可能集中在末级功放，否则电路性能不稳，容易产生自激。因此要根据发射机的各组成

部分的作用，适当地合理地分配功率增益。如果调频振荡器的输出比较稳定，又具有一定的功率，则功率激励级和末级功放的功率增益可适当小些。功率激励级一般采用高频宽带放大器，末级功放可采用丙类谐振功率放大器。缓冲级可以不分配功率。

仅从输出功率Po≥100mW 一项指标来看，可以采用丙类功放。其电路形式如图4所示。

R 15R ES2

R 20R ES2R 16R ES2

R 14R ES2

R 17R ES2

R 5R ES2

R 3

PO T2

C 8

C AP

L3

IND U CT OR 1

Q 3N PN

T1

TR A NS 3

C 13C AP

Q 4N PN

C 9C AP

C 14

EL EC TR O1

C 1

C AP VA R

C 2C AP

T2

TR A NS 4

图4 功率激励与末级功放电路

2.元件参数

(1)丙类功率放大器(末级功放)设计

基本关系式：如图3所示，丙类功率放大器的基极偏置电压-VBE 是利用发射机电流的分量Ie0在射极电阻R14上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器的输入信号Vi 为正弦波时，集电极的输出电流iC 为余弦脉冲波。利用谐振回路LC 的选频作用可输出基波谐振电压uc 、电流iC1。

(1)集电极基波电压的振幅

Ucm= Icm1RP

式中，Icm1为集电极基波电流的振幅；RP 为集电极负载阻抗。 (2)输出功率Po Po= Ucm.Icm1= Ucm2/(2 RP) (3)直流功率Pv Pv= Vcc.Ic0 (4)集电极耗散功率PT PT= Pv- Po (5)集电极的效率η

η= Po/ Pv

(6)集电极电流分解系数α(θ)

αn (θ)= I cmn/icmmax

(7)导通角θ

bm

BB

om U V U -=

θcos , （θ一般取o o 8060-）

确定丙类放大器的工作状态：为了获得较高的效率η和最大的输出功率Po ，选丙类放大器的工作状态为临界状态，θ=700，功放管为3DA1。3DA1的参数如表1所示。

表1 3DA1参数表

PCM ICM VCES hfe fT AP 1W 750mA

≥1.5V

≥10

≥70MHz

13dB

(1)最佳匹配负载 Ω

=25.110R p

(2)由Po=0.1Ucm.Icm1= Ucm2/(2 RP)可得：集电极最大输出电压Ucm=10.5V (3)集电极基波电流振幅：Icm1=95.24mA

(4)集电极电流最大值Icm= Icm1/α1(700)=95.24/0.44=216.45mA (5)集电极电流直流分量Ic0= Icm*α0(700)=216.45*0.25=54.11mA (6)电源供给的直流功率Pv= Vcc* Ic0=649.35mW

(7)集电极的耗散功率PT=Pv-Po=649.35-500=149.35mW(小于PCM =1W) (8)总效率η=Po/Pv=500/649.35=77.00%

(9)输入功率 若设本级功率增益Ap=13dB(20倍)，则输入功率Pi=Po/Ap=5mW (10)基极余弦脉冲电流的最大值Ibm(设晶体管3DA1的β=10) Ibm= Icm /β=21.45mA

(11)基极基波电流的振幅Ibm1= Ibm α1(700)=21.45*0.44=9.44mA (12)基极电流直流分量Ib0= Ibm α0(700)=21.45*0.25=5.36mA (13)基极输入电压的振幅Ubm=2Pi/ Ibm1=5.30V (14)丙类功放的输入阻抗

Ω=-=-=8644.0*)70cos 1(25

)()cos 1(0

1'

θαθbb i r Z

(2)宽带功率放大器(功率激励级)设计

功率激励级功放管为3DG130。3DG130的参数如表2所示。

表2 3DG130参数表

PCM ICM VCES hfe fT AP 700mW

300mA

≤0.6V

≥30

≥150MHz

13dB

Ω

=?==110.250.5

2 1.5)-(122P )V -(V Rp 2

O 2CES CC

计算电路参数：

(1)有效输出功率PH 与输出电阻RH

宽带功率放大器的输出功率PH 应等于下级丙类功放的输入功率Pi=25mW ，其输出负载RH 等于丙类功放的输入的输入阻抗|Zi|=86Ω。即

PH=25mW RH=86Ω

(2)实际输出功率PO

设高频变压器的效率η=80%，则 Po= PH/η=31.25mW

(3)集电极电压振幅Ucm 与等效负载电阻H R ' 若取功放的静态电流ICQ=ICm=7mA ，则 Ucm= 2Po /ICQ=2Po /ICm=8.93V

Ω

≈Ω==K 3.15.12752Po Ucm R'2

H 约为1.3K Ω

(4)高频变压器匝数比N1/N2

3'21==H

H R R N N η

取变压器次极线圈匝数N2=2，则初级线圈匝数N1=6。 (5)发射极直流负反馈电阻R13

Ω

=--=--=86.35276.093.81213mA V I V Ucm Vcc R CQ CES 取标称值360Ω (6)功放输入功率Pi

本级功放采用3DG130晶体管，若取功率增益AP=13dB(20倍)，则输入功率

mW A Po P P i 56.1/==

(7)功放输入阻抗Ri

交交负R R r R bb i *3025'+=+≈β

(取Ω=25'bb r 30=β) 若取交流负反馈电阻为10Ω，则

Ω=325i R

(8)本级输入电压振幅Uim

V P R U i i im 0.110*56.1*325*223

≈==-

计算电路静态工作点 (1)BQ V 、BQ I

V R I V CQ EQ 47.286.352*10*73

13==?=-

V V V EQ BQ 17.37.0=+=

m I I CQ BQ 23.030/7/===β

(2)R11、R12 (I1=5~10倍IBQ )

若取基极偏置电路的电流I1=5BQ I =5*0.23mA=1.15mA ，则

Ω

≈==k mA V I V R BQ BQ 75.215.117.3512

取标称值R12=3k Ω。 Ω

≈-=-=k mA V I V Vcc R BQ 65.715.117.312111

为了调节电路的静态工作点，R11可由标称值为5.1 k Ω的电阻与10 k Ω的电位器组成。

(3)高频旁路电容C10=0.02uF 。 (4)输入耦合电容C9=0.02uF 。

此外,还可以在直流电源VCC 支路上加高频电源去耦滤波网络,通常采用LC 的Π型低通滤波器。电容可取0.01uF,电感可取47uH 的色码电感或环形磁芯绕制。还可在输出变压器次级与负载之间插入LC 滤波器，以改善负载输出波形。 (3)缓冲隔离级电路(射极输出器)设计

从振荡器的什么地方取输出电压也是十分重要的。一般尽可能从低阻抗点取出信号，并加入隔离、缓冲级如射极输出器，以减弱外接负载对振荡器幅度、波形以及频率稳定度的影响。

射极输出器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，放大倍数接近于1。 电路形式：由于待传输信号是高频调频波，主要考虑的是输入抗高，传输系数大且工作稳定。选择电路的固定分压偏置与自给偏压相结合，具有稳定工作点特点的偏置电路。如图5所示。射极加RW2可改变输入阻抗。

R82K

R101K

RL3 5K 3DG130

图5 射极输出器电路

估算偏置电路元件：

(1)已知条件：Vcc=+12V ，负载电阻RL=325Ω(宽带放大器输入电阻)，输出电压振幅等于高频宽带放大器输入电压振幅，即Uom=1.0V ，晶体管为3DG100（3DG6）。3DG100的参数如表3所示。

表3 3DG100参数表

PCM ICM VCES hfe fT AP 100mW

30mA

30~200

≥150MHz

β0=60。晶体管的静态工作点应位于交流负载线的中点，一般取UCEQ=0.5Vcc ，

ICQ=(3~10)mA 。

根据已知条件选取ICQ=4mA,，VCEQ=0.5Vcc=6V ，则

Ω

=-=-==+k mA V

Vc V R R EQ cc w 5.14612I I V CQ CQ EQ 210 (2)R10、Rw2： 取R10=1kΩ，Rw2为1kΩ的电位器。

(3) R8、R9

VEQ=6.0V

VBQ= VEQ+0.7=6.7V IBQ=ICQ/β0 =66.67uA

Ω

≈=k I V R BQ

BQ

10109 取标称值R9=10k Ω。

Ω

=-=k I V V R BQ

BQ

cc 95.7108 取标称值R8=8.0k Ω。

(4)输入电阻Ri

若忽略晶体管基区体电阻的影响，有

Ω≈+=k R R R R R R L w i 63.3]||)[(||)||(21098β

（RL=325Ω）

(5)输入电压Uim

V P R U i i im 37.310*56.1*3630*223≈==-

(6)耦合电容C8、C9

为了减小射极跟随器对前一级电路的影响，C8的值不能过大，一般为数十

pF ，这里取C8=20pF ，C9=0.02uF 。 (3)调频振荡器设计

调频振荡电路的作用是产生频率MHZ f 6=的高频振荡信号。变容二极管为线

性调频，最大频偏kHz f m 10=?。发射机的频率稳定度由该级决定。调频振荡器电路

如图6所示。

LC 调频振荡器是直接调频电路，是利用调制信号直接线性地改变载波瞬时频率。

如果为LC 振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号规律变化，实现直接调频。

RL1 5K

R110K

R24K

R32K

R41K

R5150K

R620K

R710K

C10.01uF

C2510pF

C32100pF

C4100pF

C633pF

C75100p F

C8

33pF

C520pF

3DG130

47uH

AC

图6 调频振荡器电路

LC 振荡器的主要技术指标：

工作中心频率：f0=5MHz ；

最大频偏：kHz f m 10=?；

频率稳定度：小时/10*5/400-≤?f f

(1)确定电路形式，设置静态工作点

本题对频率稳定度o f f /?

要求不是很高，故选用图1-7所示的改进型电容三点式振荡器与变容二极管调频电路。

(2)三点式振荡器设计：基极偏置电路元件R1、R2、R3、R4、C1的计算 图中，晶体管V1与C2、C3、C4、C5、Cj 、L1组成改进型电容三点式振荡器，V1为共基组态，C1为基级耦合电容。 其静态工作点由R1、R2、R3、R4共同决定。晶体管V1选择3DG100，其参数见表所示。

小功率振荡器的集电极静态工作电流ICQ 一般为(1~4)mA 。ICQ 偏大，振荡幅度增加，但波形失真严重，频率稳定性降低。ICQ 偏小对应放大倍数减小，起振困

难。为了使电路工作稳定，振荡器的静态工作点取mA I CQ 2=,V V CEQ 6=,测得三极管

的60=β。

mA

R R R R V Vcc I CEQ cQ 26

124343=+-=+-=

由上式可得R3+R4=3kΩ，为了提高电路的稳定性，R4的值可适当增大，取

R4=1kΩ，则R3=2kΩ。

V k mA R I V V V cQ BE BQ EQ 21*24=Ω=≈-=

V

V R R R Vcc R R R V EQ BQ 7.27.012212

212=+=+=+=

66.6uA

I I CQ

BQ ==

β

为了提高电路的稳定性，取流过电阻R2上的电流

mA I I BQ 33.0102==

4K 0.67A 2.7V

I V R 2

BQ 2==

≈

取标称值R2=4kΩ。

根据公式

13.7

R V R R R V 1CC 2

12

BB =?+=

则

得 R1=13.7KΩ

实际运用时R1取10kΩ电阻与5kΩ电位器串联，以便调整静态工作点,C1为基极旁路电容，可取C1=0.01uF 。C8=0.01uF,输出耦合电容。

调频电路设计：调频电路由变容二极管Cj 和耦合电容C5组成，R6和R7 为

变容二极管提供静态时的反向偏置电压VQ ，Vcc

R R R V Q 767

+=。R5为隔离电阻，为了减小调制信号Ui 对VQ 的影响，一般要求R5远远大于R6和R7。C6和高频扼流圈ZL1对Ui 相当于短路，C7为滤波电容。

变容二极管Cj 通过C5部分接入振荡回路，有利于提高主振频率0f 的稳定性，

减小调制失真。变容二极管的接入系数j C C C p +=

55

，式中，Cj 为变容二极管的结电

容，它与外加电压的关系为

γ

)1(0D j U u C Cj +=

( Cj0 为变容管0偏时结电容,UD 为其PN 结内建电位差,γ 为变

容指数)

三、电路调试与仿真分析

1.系统仿真

仿真波形如图所示：

图7 ORCAD 输入信号的仿真

仿真波形如图所示：

图8 ORCAD输出信号的仿真

2. 电路安装与调试步骤

通过仿真可以看出，电路在仿真条件下基本符合设计要求，这说明所设计的硬件电路和程序在理论上符合设计要求，因此可以进行实物搭建与调试，在实际电路中检验电路的工作状态是否与设计要求相符。

电子电路调试技术包括调整和测试两部分。调整主要是对电路参数的调整，如对电阻、电容和电感等，以及机械部分进行调整，使电路达到预定的功能和性能要求；测试主要是对电路的各项技术指标和功能进行测量与试验，并与设计的性能指标进行比较，以确定电路是否合格。电路测试是电路调整的依据，又是检验结论的判断依据。

通电观察：通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。

静态调试：静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。

动态调试：动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输出端测试输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。

按照以上调试方法与步骤对所搭建的实际电路进行调试，调试结果与仿真结果完全一致，也就是说本次课设所设计的抢答器基本符合设计要求，达到了本次课设的目的。

四、总结及体会

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。

用频率计测出T1、T2、T3的发射极所发射的频率是否在12M HZ，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T2和T3的发射极的电阻上各并联一个电容，以使其提高。

现在来说说电路中一些元件的作用，其中C3为基极高频旁路电容，R1、R2、R3、R4、R5为T1管的偏置电阻，R7、R9为变容二极管提供直流偏置。T3管工作在丙类状态，妈有较高的效率，赐教可以防止T3管产生高频自激而引起的二次击穿损坏。调节偏轩电阻可改变T3管的导通角。L3、L4、C15和C16构成兀型输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，并滤除不必要的高次谐波分量。

经过这次课程设计，让我对前面的路有了更多的信心，因为在这个过程中，我学到了不少实用的东西，对于高频电子电路有了更深层次的掌握，并且提高了独立解决问题的能力。虽然这次课程设计中我对电路进行了仿真，并且认真的对电路的每一部分进行了修正，但最后出来的波形还是不很稳定。本次课程设计没有要求制作电路板并且对其进行调试，但我相信要是调试的话也一定回去的满意的效果。

我们在学习理论知识的同时还要努力培养自己的动手操作能力，对于电子技术的我们更是如此，通过这次课程设计我也看到了自己的差距，今后会努力提高自己的动手操作能力，以求真正领会通信专业里边的各种知识，为将来的工作打下良好的基础。

在整个课设的过程中，我十分感谢祈存荣老师的热心帮助，在我不懂的时候，老师给予了我指导，让我对于这次课设感到非常的有信心！做实物更是我十分不擅长的，遇到疑难杂症时候，老师总能耐心的给我测试，指导。我怀着崇敬的心情对老师表示感谢！

主要参考资料

[1] 阳昌汉. 高频电子线路. 哈尔滨：高等教育出版社，2006.

[2] 张肃文，陆兆雄. 高频电子线路(第三版). 北京：高等教育出版社，1993.

[3] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉：华中科技大学出版社，2000.

[4] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002.