调频发射机设计要点

淮海工学院

课程设计报告书

课程名称：通信电子线路课程设计

题目：调频发射机设计

学院：电子工程学院

学期：2013-2014-1

专业班级：通信工程112 姓名：金凯杰

学号： 2011120714 评语：

成绩：

签名：

日期：

调频发射机的设计

1 引言

随着科的发展和人民生活水平的提高，调频发射机也在快速发展，并且在用，

它用于演讲、教学、玩具、防盗监控等诸多领域。在生活中人们通过无线

电发射机可以把需要传播出的信息发射出去，接收者可以通过特制的接收机接受信

息，最普通的模式是：广播电台通过无线电发射机发射出广播，收听者通过收音机

即可接收到电台广播。

本设计为一简单功能的调频发射机，通过该发射机可以把声音转换为无线电信

号发射出去，该信号频率可调，通过普通收音机接收，只要频率适合时即可收到发

射器发送出的无线电信号，并通过扬声器转换出声音。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。

2 设计目的

电路设计反映学生理论知识的实际应用能力，扎实的电子线路理论是成功设计电路的基础。所以其要求是：

⑴功能和性能指标分析：对题目的各项要求进行分析，整理出系统和具体电路设计所需的更具体、更详细的功能要求和技术性指标数据，以求得设计的原始数据。

⑵选择元器件：很好地理解电路的工作原理，正确利用计算公式，选择合理的元件参数，且应降低成本，减少器件品种，减少元器件的功耗和体积。

⑶画出总体电路图初稿并审图，将错误降到最低程度，保证仿真顺利完成。

⑷仿真：通过仿真，检查各元器件的性能、参数、质量能否满足设计要求，检查各单元电路的功能和指标是否达到设计要求。

⑸画出总体电路图，要求按相关规定，布局合理，图面清晰，便于对图的理解和阅读，为印制电路板，并组装、调试和维修时做好准备。

3 设计内容及主要技术要求

3.１课题选择

本次课程设计选题主要从以下几个方面考虑：

⑴ 符合教学大纲要求；

⑵ 题目应有一定深度与广度，照顾《高频电子线路》课程各章节内容；

⑶ 具有一定实用性。

3.2 通信电子线路的一般设计方法

电子电路种类很多，千差万别，设计方法和步骤也因不同情况而异。这里给出通信电路设计的一般步骤，以供参考，设计者应根据具体情况，灵活掌握。

⑴ 总体实现方案的选择：由课题要求实现的电路功能及性能指标，决定最终实现电路的构成。应当针对关系到电路全局的问题，开动脑筋，多提些不同的方案深入分析比较；不要盲目热衷于数字化方案；既要考虑方案的可行性，还要考虑性能、可靠性、成本、功耗和体积等实际问题。

⑵ 单元电路的设计：根据课题要求实现的电路性能指标，确定总体实现方案中各单元电路的形式。明确本单元电路的任务，与前后级电路的关系。

⑶ 电路参数的计算：根据所选单元电路的形式，对组成电路的各元器件的值进行计算。

⑷ 元器件的选择：元器件的选择，除了要考虑计算出的参数值外，还要遵从节约电路成本，元器件购买方便，以及尽量利用现有条件实现的原则。

⑸ 仿真与实验：检查各元器件的性能参数质量是否满足设计要求，检查各单元电路的功能和指标是否达到设计要求。

⑹ 电路图的绘制：布局合理、排列均匀、图面清晰，注意信号流向，图形符号要标准，连接线应为直线，交叉和折弯要最少。

以上各步骤之间不是绝对独立的，往往需要交叉进行，尤其是有时受到元器件选择的限制，常会推翻最初的设计方案，从头来做。所以，在进行电路设计之初，要先把可能限制电路实现的因素考虑好，再着手设计，往往可以达到事半功倍的效果。在完成电路设计之后，可以使用计算机辅助分析软件（例如 Protel ）进行电路仿真，做初步调整，然后到实验室装调电路，在调试中分析和解决常见的电路故障。

3.3 调频发射机主要性能指标要求

发射功率W 80m P A ≥，负载电阻Ω=75L R ，工作中心频率MHz f 5.60=，最大频偏kHz f m 75=?，总效率%50>A η。

4幅发射机整体认识

调频发射系统由调频振荡器、缓冲隔离器、倍频器、高频功率放大器等组成。如果振荡器的振荡频率可以满足发射机载波频率的要求，就可以省去倍频级。

图1 直接调频发射机组成框图

①调频振荡器

本课题主要研究变容二极管调频电路。如果课题要求的载波频率不高，则可以采用LC调频振荡器。

②缓冲隔离器

将调频振荡与功放级隔离，以减小后级对振荡器频率稳定度及振荡波形的影响。缓冲隔离级通常采用射极跟随器电路。

③末级功放

要使负责天线上获得令人满意的发射功率，而且整机效率较高，应选择丙类功率放大器。但末级功放的功率增益不能太高，否则电路性能不稳定。因此要根据发射机各部分的作用，适当地分配功率增益。

5 调幅发射的各模块介绍及电路图

5.1调频振荡器

振荡电路主要是产生频率稳定且中心频率符合指标要求的正弦波信号。由于是所产生的是固定的中心频率，因而采用频率稳定度较高的克拉拨振荡电路来作振荡级。其电路原理图如图所示。

图1 LC振荡电路

振荡电路仿真图如下：

图2 振荡电路仿真图

频率如下：

图3 振荡频率

5.2变容二极管调频

所谓调频，就是把要传送的信息（例如语言、音乐）作为调制信号去控制载波（高频振荡信号）的瞬时频率，使其按调制信号的规律变化。

设调制信号：

()t

V

tΩ

=

Ω

Ω

cos

υ，载波振荡电压为：()t

A

t

a

o

o

ω

cos

=

根据定义，调频时载波的瞬时频率()t ω随()t Ωυ成线性变化，即

()t t V K t o f o Ω?+=Ω+=Ωcos cos ωωωω

则调频波的数字表达式如下： ()???? ??ΩΩ+=Ωt V K t A t a f o o f sin cos ω

或

()()t m t A t a f o o f Ω+=s in cos ω 式中： Ω=?V K f ω是调频波瞬时频率的最大偏移，简称频偏，它与调制信号的振幅成正比。比例常数K f 亦称调制灵敏度，代表单位调制电压所产生的频偏。 式中：F f V K m f f ?=Ω?=Ω=Ωω称为调频指数，是调频瞬时相位的最大偏移，它的大小反映了调制深度。由上公式可见，调频波是一等幅的疏密波，可以用示波器观察其波形。

如何产生调频信号。最简便、最常用的方法是利用变容二极管的特性直接产生调频波，其原理电路如图4所示。

图4 变容二极管调频原理电路 变容二极管Cj 通过耦合电容C 1并接在LC 回路的两端，形成振荡回路总容的一部

分。因而，振荡回路的总电容C 为：

j N C C C +=

振荡频率为：

)(21

21

j N C C L LC f +==ππ 加在变容二极管上的反向偏压为：

()()()高频振荡，可忽略调制电压直流反偏O Q R V V υυ++=Ω

变容二极管利用PN 结的结电容制成，在反偏电压作用下呈现一定的结电容（势垒电

容），而且这个结电容能灵敏地随着反偏电压在一定范围内变化，其关系曲线称j C ～R υ曲

线，如图5。

图5 j C ～R υ曲线

由图5可见：未加调制电压时，直流反偏Q V 所对应的结电容为Ω

j C 。当调制信号为

正半周时，变容二极管负极电位升高，即反偏增加时，变容二极管的电容j C 减小；当调

制信号为负半周时，变容二极管负极电位降低，即反偏减小时，j C 增大，其变化具有一

定的非线性，当调制电压较小时，近似为工作在j C ～R υ曲线的线性段，j C 调制电压线

性变化，当调制电压较大时，曲线的非线性不可忽略，它将给调频带来一定的非线性失真。

我们再回到图4，并设调制电压很小，工作在Cj ～V R 曲线的线性段，暂不考虑高频电压对变容二极管作用。用调制信号控制变容二极管结电容

t V V Q Q R Ω+=cos υ

由图4可见：变容二极管的电容随υR 变化。

即： t C C C m jQ j Ω-=cos

可得出此时振荡回路的总电容为 t C C C C C C m jQ N j N Ω-+=+='cos

由此可得出振荡回路总电容的变化量为：

()

t C C C C C C m j jQ N Ω-=?=+-'=?cos

由式可见：它随调制信号的变化规律而变化，式中m C 的是变容二极管结电容变化的

最大幅值。我们知道：当回路电容有微量变化C ?时，振荡频率也会产生f ?的变化，其

关系如下：

C C f f ??≈?210…

式中，是0f 未调制时的载波频率；0C 是调制信号为零时的回路总电容，显然

jQ N o C C C +=

由公式 可计算出中心频率0f ： )(210jQ N C C L f +=

π 将代入式，可得：

t f t C C f t f m Ω?=Ω=?cos cos )/(21)(00

频偏：

m C C f f )/(2100=?

振荡频率： ()()t f f t f f t f o o Ω

?+=?+=c o s 由此可见：振荡频率随调制电压线性变化，从而实现了调频。其频偏f ?与回路的中心频率f 0成正比，与结电容变化的最大值Cm 成正比，与回路的总电容C 0成反比。

图6 二极管调频电路

图7 二极管调频电路仿真图

5.3缓冲隔离器

该电路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，工作状态的变化（如谐振阻抗）会影响振荡级的频率稳定度，或波形失真或输出电压减小。为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级常采用射极跟随器电路，如图8所示。

图8 缓冲级原理电路

图9 缓冲级原理电路仿真图 调节射极电阻2E R ，可以改变射极跟随器输入阻抗。如果忽略晶体管基极电阻b`b r 的

影响，则射极输入器的输入电阻 L B

R R R ''=β/i 输出电阻，式中，0r 很小，所以可将射极输出器电路等效为一个恒压源。电压放大倍数

0210/)(r R R R E E += L

m L m v R g R g A '+'=1 一般情况下，L

m R g '>>1,所以射极输出器具有输入阻抗高、输出阻抗低、电压放大倍数近似等于1的特点。晶体管的静态工作点应位于交流负载线的中点，一般取

2CC CEQ V V =,CQ I =(3-10)mA.若取CEQ V =6V,CQ I =4mA ，则Ω==+k I V R R CQ

CE E E 5.121 取Ω=k R E 11电阻，Ω=k R E 12电位器。

5.4末级功放

5.4.1谐振放大级电路

由于对该级有一定增益要求，考虑到中心频率固定，因此可采用以LC 并联回路作负载的小信号谐振放大器电路。对该级管子的要求是

()(35)2BR CEO CC f f V V γ≥-≥

至于谐振回路的计算，一般先根据0f 计算出LC 的乘积值，然后选择合适的 C 再求出L 、C 根据本课题的频率可取100pF —200pF 。

谐振放大级电路部分如图10所示

图10 谐振放大级电路

5.4.2 功放输出级电路

设计中采用共发射极电路，为了获得较大的功率增益和较高的集电极功率，同时使其工作在丙类状态，组成丙类谐振功率放大器。在选择功率管时要求

0cm P P ≥

max cm c I i ≥

()CC BR CEO V 2V ≥

()r osc f 35f ≥

T3管工作在丙类状态，既有较高的效率，同时可以防止T3管产生高频自激而引起的二次击穿损坏。调节偏置电阻可改变T3管的导通角。L3、L4、C15和C16构成π型输出回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，即将天线阻抗变换为功放管所要求的负载值，并滤除不必要的高次谐波分量。常用的输出回路还有L 型、T 型以及双调谐回路等。具体电路图如下图11所示：

图11 丙类谐振功率放大器电路 由设计电路图知L3、C10 和C11为匹配网络，与外接负载共同组成并谐回路．为了实现功率输出级在丙类工作，基极偏置电压V B3应设置在功率管的截止区．同时为了加强交流反馈，在T 3的发射极串接有小电阻R 14．在输出回路中，从结构简单和调节方式 选择L 3，C 10，C 11构成π型输出，Q3管工作在丙类状态，调节偏置电阻可以改变Q3管的导通角。导通角越小，效率越高,同时防止T3管产生高频自激而引成回路用来实现阻抗匹配并进行滤波，即将天线阻抗变换为功放管所要求的负载值，并滤除不必要的高次谐波分量。仿真波形如下：

图12 功放电路仿真图

5.5总电路原理图设计

根据上述，设计出总电路图，如图13：

图13 总电路图

6心得体会

此次的高频课程设计，我学到了许多以前在课本上学不到的东西，同时也把以前学到的理论知识运用到了此次的课程设计中，很好地加强了我在高频电子线路方面的知识，特别是在调频部分。整个调试程序的过程让我对multisim软件有了更深一步的了解。

在整个电路课程设计过程中，我们不断地在遇到问题和解决问题之中盘旋。例如在之前对仿真软件的不熟悉，在仿真时多次出不了波形等等，我们从来没有想过放弃，一起坚持不断的调试。通过这次课程设计，加强了我们的动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们把老师以前所讲的都运用到了这次设计中，这样加强了我们对课本知识的理解和巩固。我觉得这次设计不仅加强了我们对课本知识的回顾和温故，而且锻炼了我们运用软件的能力。更重要的锻炼了我们动手能力。书中的理论有点枯燥，运用书中的知识去调试，那是一种无法比拟的成就感。这样更能激发我们对我们专业的兴趣，和对我们专业知识的理解和掌握，能激发我们对电子科研技术的钻研，增加设计兴趣。

在本次设计作品完成期间我遇到很多困难，尽管很艰苦，一次又一次品尝到了解决问题的喜悦,最终完成了这次课程设计，在高频课程设计中我们发现了自己知识的不足，通过老师和同学的帮助，以及去图书馆查找资料，终于把问题都解决了，让我学到了很多，同时也巩固了所学的知识。同事很感谢我们组所有人的努力。

7参考文献

［1］康华光.《电子技术基础》（模拟部分）[M]，高等教育出版社，1999.

［2］阎石.《数字电子技术》第四版[M]，高等教育出版社，2009.

［3］曹才开《电路分析基础》第四版[M]，清华大学出版社，2009.

［4］谢嘉奎.《电子线路》(线性部分) 第四版[M]，高等教育出版社，1999.

［5］曹才开.《高频电子线路原理与实践》[M]，中南大学出版社，2010.

［6］谢自美.《电子线路设计与实验测试》第二版[M]，华中科技大学，2010.

8附录

图14 调频发射机 Pcb