1、<p>　　小功率調頻發(fā)射機課程設計</p><p><b>　　題目</b></p><p>　　小功率調頻發(fā)射機的設計和制作</p><p><b>　　主要技術指標</b></p><p>　　1．中心頻率 </p><p>　　2．頻率穩(wěn)定度

2、 </p><p>　　3. 最大頻偏 </p><p>　　4．輸出功率 </p><p>　　5. 天線形式 拉桿天線（75歐姆）</p><p>　　6. 電源電壓 </p><p><b>　　三、設計提示</b></p><p>　

3、　通常小功率發(fā)射機采用直接調頻方式，它的組成框圖如下所示。其中高頻振蕩級主要是產生頻率穩(wěn)定、中心頻率符合指標要求的正弦波信號，且其頻率受到外加音頻信號電壓調變；緩沖級主要是對調頻振蕩信號進行放大，以提供末級所需的激勵功率，同時還對前后級起有一定的隔離作用，為避免級功放的工作狀態(tài)變化而直接影響振蕩級的頻率穩(wěn)定度；，功放級的任務是確保高效率輸出足夠大的高頻功率，并饋送到天線進行發(fā)射。</p><p>　　上述框所示小

4、功率發(fā)射機設計的主要任務是選擇各級電路形式和各級元器件參數的計算。</p><p><b>　　頻振蕩級</b></p><p>　　由于是固定的中心頻率，可考慮采用頻率穩(wěn)定度較高的克拉潑振蕩電路。關于該電路的設計參閱《高頻電子線路實驗講義》中實驗六內容。</p><p><b>　　2、緩沖級</b></p>

5、<p>　　由于對該級有一定增益要求，考慮到中心頻率固定，因此可采用以LC并聯回路作負載的小信號諧振放大器電路。對該級管子的要求是</p><p>　　至于諧振回路的計算，一般先根據計算出LC的乘積值，然后選擇合適的C再求出L。C根據本課題的頻率可取100pF—200pF。</p><p><b>　　功放輸出級</b></p><p

6、>　　為了獲得較大的功率增益和較高的集電極效率，該級可采用共發(fā)射極電路，且</p><p>　　工作在丙類狀態(tài)，輸出回路用來實現阻抗匹配并進行濾波，從結構簡單、調節(jié)方便起見，本課題可采用п型網絡，計算元件參數時通常取在10以內，計算公式請參閱教材第二章。功放管要滿足以下條件：</p><p><b>　　四、參考電路</b></p><p&g

7、t;　　鑒于上述設計考慮圖3—1所示是可供午安用的電路之一。在條件許可時，亦可采用MC2833單片集成電路滅設計，該集成電路工作原理請參見其規(guī)格書，應結合本課題要求對電路外圍元件參數作相應計算修改。</p><p>　　考慮到變容二極管偏置電路簡單起見，采用共基電路。因要求的頻偏不大，故采用變容二極管部份接入振蕩回路的直接調頻方式。C3為斟極高頻旁路電容，R1、R2、R3、R4、R5為T1管的偏置電阻。采用分壓式

8、偏置電路既有利于工作點穩(wěn)定，且振蕩建立后自給負偏置效應有籃球振蕩幅度的穩(wěn)定。一般選IC為3mA左右，太小不易起振，太大輸出振蕩波形將產生失真。調節(jié)C9、CP可使高頻線性良好。R7、R9為變容二極管提供直流偏置。調制音頻信號C4、加到變容二極管改變振蕩頻率實現調頻。振蕩電壓經電容C10耦合加至T2緩沖放大級。</p><p>　　T2緩沖放大級采用諧振放大，L2和C11應諧振在振蕩載波頻率上。如果發(fā)現通過頻帶太窄或

9、出現自激可在L2兩端并聯上適當電阻以降低回路Q值。該級可工作于甲類以保證足夠的電壓放大。</p><p>　　T3管工作在丙類狀態(tài)，既有較高的效率，同時可以防止T3管產生高頻自激而引起的二次擊穿損壞。調節(jié)偏置電阻可改變T3管的導通角。L3、L4、C15和C16構成型輸出回路用來實現阻抗匹配并進行濾波，即將天線阻抗變換為功放管所要求的負載值，并濾除不必要的高次諧波分量。常用的輸出回路還有L型、T型以及雙調諧回路等。

10、</p><p>　　圖3—1 小型調頻發(fā)射機參考電路</p><p><b>　　五、制作調試</b></p><p>　　自制前應先集齊所有元件，并對其質量及參數進行細心的檢測，再根據所需的體積設計一款合適的線路板?？偠灾?，良好的元件質量、合適的印板布局是有效提高自制成功率的保證，主要調試步驟如下：</p><p&g

11、t;　　排版電路板，然后將所有元件連同天線一并按設計好的電路焊在萬能板上，對安裝焊接工藝要求是：盡量縮短高頻部分元件引線；電阻、電容盡可能臥式安裝，并無虛焊、脫焊現象。</p><p>　　給發(fā)射機通電，電壓為9V。天線接示波器與頻率計，反復調節(jié)L1、L2、L3匝間距離以使場強計示數增至最大，必要時對各級的諧振電容進行調節(jié)，使輸出頻率達到要求，并出現不失真的正弦波。</p><p>　　不

12、起振或振蕩弱；若輸出功率小，若能保證元件的質量，以下步驟可助你排除故障：1，在CC兩端并聯一個7pF電容(注意：該電容不可過大，否則你會發(fā)現調制失效)；2，調振蕩級偏置電阻；3，改變C6容量一試，如果上述方法不能解決，也有可能是元件布局不合理引起，可重新對電路板進行布線。</p><p>　　連接頻偏儀測出角頻偏</p><p><b>　　六、測試結果</b><

13、;/p><p><b>　　七、個人電路設計</b></p><p>　　采用間接調頻的方式，其組成如圖2所示。其正弦波振蕩器一般采用高頻穩(wěn)度的晶體振蕩器，產生的載波通過調相器后引入一個可控的附加相移，從而達到間接調頻的目的?？紤]到電路的復雜度故采用直接調頻的方案。</p><p><b>　　1．振蕩級</b></p&

14、gt;<p>　　在調頻振蕩級可選用電感三點式，電容三點式和晶體振蕩器產生正弦波電壓。具體電路如圖3，4所示。</p><p>　　本實驗采用較為穩(wěn)定的克拉潑電路如圖5所示三極管T1應為甲類工作狀態(tài)，其靜態(tài)工作點不應設的太高，工作點太高振蕩管工作范圍易進入飽和區(qū)，輸出阻抗的降低將使振蕩波形嚴重失真，但工作點太低將不易起振。</p><p>　　在克拉潑電路中C1，C2受三極管

15、級間電容Cce，Cbe，Ccb的影響。因此在電容的取值上應滿足C4C1,C4C2.（C1=220p C2=220p C4=100p）</p><p><b>　　3.5uH</b></p><p><b>　　2．緩沖級</b></p><p>　　為了使第三級能夠達到額定功率必須加大激勵即Vbm，因此要求緩沖級有一定的增

16、益，可采用LC并聯回路作負載的小信號諧振放大器。由可得1.7uH</p><p><b>　　3．功率輸出級</b></p><p>　　為了有較高的效率和穩(wěn)定的輸出可用丙類功放同上可得1.1uH.</p><p>　　級與級之間還應加入級間耦合電容，電容取值應對交流近似短路（）</p><p><b>　　八

17、、實驗相關資料 </b></p><p>　　1. 變容二極管調頻電路</p><p>　　實現調頻的方法很多，大致可分為兩類，一類是直接調頻，另一類是間接調頻。直接調頻是用調制信號電壓直接去控制自激振蕩器的振蕩頻率（實質上是改變振蕩器的定頻元件），變容二極管調頻便屬于此類。間接調頻則是利用頻率和相位之間的關系，將調制信號進行適當處理（如積分）后，再對高頻振蕩進行調相，以達到調

18、頻的目的。兩種調頻法各有優(yōu)缺點。直接調頻的穩(wěn)定性較差，但得到的頻偏大，線路簡單，故應用較廣；間接調頻穩(wěn)定性較高，但不易獲得較大的頻偏。    常用的變容二極管直接調頻電路如圖Z0916（a）所示。    圖中D為變容二極管，C2、L1、和C3組成低通濾濾器，以保證調制信號順利加到調頻級上，同時也防止調制信號影響高頻振蕩回路，或高頻信號反串入調制信號電路中

19、。調制級本身由兩組電源供電。    對高頻振蕩信號來說，L1可看作開路，電源EB的交流電位為零，R1與C3并聯；如果將隔直電容C4近似看作短路，R2看作開路，則可得到圖（b）所示的高頻等效電路。不難看出，它是一個電感三點式振蕩電路。變容二極管D的結電容Cj，充當了振蕩回路中的電抗元件之一。所以振蕩頻率取決于電感L2和變容二極管的結電容Cj的值， 。</p><p>　　圖

20、Z0918是應用電路舉例請讀者自行分析</p><p>　　2. 使用VCO實現變容二極管直接調頻(圖)</p><p>　　調頻廣播具有抗干擾性能強、聲音清晰等優(yōu)點，獲得了快速的發(fā)展。調頻電臺的頻帶通常大約是200～250kHz，其頻帶寬度是調幅電臺的數十倍，便于傳送高保真立體聲信號。由于調幅波受到頻帶寬度的限制，在接收機中存在著通帶寬度與干擾的矛盾，因此音頻信號的頻率局限于30～800

21、0Hz的范圍內。在調頻時，可以將音頻信號的頻率范圍擴大至30～15000Hz，使音頻信號的頻譜分量更為豐富，聲音質量大為提高。---許多中小功率的調頻發(fā)射機都采用變容二極管直接調頻技術，即在工作于發(fā)射載頻的LC振蕩回路上直接調頻，采用晶體振蕩器和鎖相環(huán)路來穩(wěn)定中心頻率。較之中頻調制和倍頻方法，這種方法的電路簡單、性能良好、副波少、維修方便，是一種較先進的頻率調制方案。</p><p>　　變容二極管直接調頻原理

22、---二極管通過改變外加反向電壓可以改變空間電荷區(qū)的寬度，從而改變勢壘電容的大小。變容二極管是就是利用這種特性制成的特殊的PN結二極管，是一種電抗可變的非線性電路元件，一般使用的材料為硅或砷化鎵。圖1是變容二極管的特性曲線，圖2是變容二極管直接調頻示意圖。</p><p>　　---變容二極管在反向偏置時，結電容可用下式來表示：，其中，VD為PN結內建電位差，Cj0為外加反向電壓u=0時的結電容，n為電容變化指

23、數。n取決于變容二極管PN結的雜質分布規(guī)律，對于緩變結n值等于1/3，突變結n值等于1/2，超突變結n值在1～5之間。---變容二極管在反向偏置直接調頻電路中，不能工作于正向偏壓區(qū)。如圖2所示，為了保證變容二極管在調制電壓變化過程中保持反向偏壓，必須加上一個大于調制信號振幅的反向直流偏壓E0。所以在單音調制時，變容二極管上的電壓u=E0+UΩcosΩt，得到結電容變化規(guī)律為(見本期雜志）---式中，稱為電容調制度，---為靜態(tài)工作

24、點時的結電容。---則振蕩回路的諧振角頻率為：(見本期雜志）---式中，是未受調制時的振蕩角頻率，即載波角頻率。將式中作為變量，并在處展開為泰勒級數，得到：(見本期雜志）---從上式可以看出，振蕩器的頻率變化量中不僅包含有與調制信號成正比的分量，而且含有調制信號的二次諧波及更高次諧波分量，同時還有中心頻率的漂移。一般總是在保證最大角頻偏的前提下，選擇具有較大變容指數n的管子，減小電容調制度m，從而減小中心頻率的漂移</p&g

25、t;<p>　　鎖相穩(wěn)頻技術---對于變容二極管直接調頻電路來說，由于調制器是由普通的LC自激振蕩器和并聯的變容二極管組成，所以有很多因素會引起振蕩頻率發(fā)生變化，這些因素包括變容二極管的非線性、電源電壓的變動、負載的變化、溫度等環(huán)境條件的變化、電路元器件老化、機械振動等。為了消除這些導致中心頻率不穩(wěn)定的因素，除了注意電路和結構的設計外，還應當采用自動相位控制電路使中心頻率穩(wěn)定在規(guī)定范圍以內。---圖3是典型的鎖相穩(wěn)頻

26、電路的結構框圖。共包括四個部分：壓控振蕩器、鑒相器、基準晶體振蕩器和分頻器。放大的調制信號加入壓控振蕩器，對其進行頻率調制，經過調制的高頻信號一路送至后面的放大電路，另一部分送入分頻器進行分頻。分頻器輸出的方波信號送入鑒相器中，與基準晶體振蕩器經過分頻后得到的基準信號進行比較，實現相位鎖定。鑒相器的輸出信號經過環(huán)路濾波器送入壓控振蕩器中，控制壓控振蕩器的振蕩頻率，從而達到穩(wěn)定頻率的目的。</p><p>　　由于

27、調頻的結果使壓控振蕩器輸出信號的瞬時頻率總是偏離其基準值，而環(huán)路的功能就是要抑制這種頻偏，這就產生了一個矛盾。為了解決這個矛盾，應該使調制信號的頻譜處于環(huán)路通帶之外，也就是需要在鑒相器和壓控振蕩器之間加一個低通濾波器，將其濾除。環(huán)路只對引起壓控振蕩器平均中心頻率不穩(wěn)定的那一部分起作用，也就是說，已調信號在中心頻率附近很小的一個頻偏范圍內變化。</p><p>　　主要電路工作原理---本電路實際上是一個小功率調

28、頻發(fā)射機，其調制部分采用了變容二極管直接調頻技術，主要功能是實現87～108MHz頻段內以100kHz為間隔的調頻激勵源；輸入調頻信號為音頻(30Hz～15kHz)，要求實現最大頻偏為75kHz，其框圖如圖4所示。</p><p>　　下面簡單分析一下各主要部分的工作原理。 ● VCO電路---VCO電路是實現頻率調制與載波生成的關鍵性電路部分，其具體電路如圖5所示。</p><

29、p>　　4個性能一致的超突變結變容二極管MV209采取較為復雜的串并聯形式，通過電路的復雜性來換取性能的改善，并采用部分接入法接入諧振回路，即將變容二極管C與容量較小的耦合電容C1串聯，再與一個電容C2并聯，構成回路總電容。這樣做不會改變變容二極管的調頻特性，雖然會在一定程度上減小調頻電路的最大頻偏，但是可以改善變容二極管結電容隨溫度變化而帶來的中心頻率漂移問題，同時通過調整耦合電容C1的大小，可以保證變容二極管工作在線性區(qū)，并控

30、制頻偏大小。在保證最大頻偏的前提下，盡量消除非線性失真、降低輸出信號的相位噪聲。---起振電路中選用具有低轉角頻率、低噪聲指數的雙極性晶體管2SC3356，以提高VCO電路頻譜近端的頻譜質量。在起振電路后附加一級射隨器，以減小負載電路對起振電路的影響，從而獲得良好的性能。已調信號通過射隨器后，分為兩路，一路反饋至MC145170的FIN端口，以構成鎖相回路，另一路送入后端的放大電路，以滿足系統的輸出功率要求。</p>&

31、lt;p>　　鎖相穩(wěn)頻電路---鑒相器是穩(wěn)定頻率的核心部分，該部分由數字鑒相-鑒頻集成芯片MC145170和環(huán)路低通濾波器組成，如圖6所示。</p><p>　　標準晶體振蕩器選用MORION公司的溫補晶振MV68系列(10MHz)，頻率偏差小于5×10-6，短期頻率穩(wěn)定度為10-9/S，相位噪聲小于-145dBc/Hz/10kHz，完全可以保證電路滿足系統對頻偏的要求。---鎖相環(huán)集成芯片選

32、用了摩托羅拉公司的MC145170，來實現調頻激勵源的中心頻率在87～108MHz內以100kHz為間隔的變化。摩托羅拉公司生產的MC145170是一片可用于MF、HF和VHF波段的、串行碼輸入編程的單模CMOS鎖相環(huán)頻率合成器芯片。該芯片內含完全可編程的÷R和÷N計數器，輸入譯碼器，在fin腳內置一放大器，可外接晶體振蕩器，可編程的參考輸出，具有線性轉移功能的單端或雙端鑒相器和可調整的C寄存器。---在實際電路中

33、，選用10kHz的鑒相頻率，因此設置R=1000，N=8700～10800。同時設置C寄存器為(C7C6C5C4C3C2C1C0)=(10000000)，選擇φR與φV雙端輸出，禁止LD、fR、fV、REFOUT輸出，以減小電路功耗，同時降低無用端口對電路的影響。---常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器</p><p>　　PCB板的設計與測試結果---頻率合成器對饋電電

34、源、地線分布等電磁兼容問題都有著較嚴格的要求。這是因為電源和數據總線的噪聲能耦合到鎖相環(huán)系統中，使得相噪和雜散變壞。因此，在布局PCB版圖時，應做到一下幾點。---(1)對鑒相器、壓控振蕩器分別單獨供電、單獨穩(wěn)壓，穩(wěn)壓器的輸入、輸出端都接有Π型濾波電路；---(2)布線、元件排列應該盡量整齊；---(3)電源線應該加寬，約為1mm寬，信號線寬度也要達到0.75mm。---采取以上措施能夠有效地濾除所有無用頻率和電源紋波，抑制各種

35、干擾和噪聲，降低頻率合成器的相位噪聲和雜散。下面表1和表2給出了在載頻為100MHz時的各項測試指標，表3則給出了該電路在各載頻頻點的調頻信噪比指標。---從表中的數據可以看出，本電路完全滿足了系統的要求，并且在相位噪聲、非線性失真、音頻頻率響應和調頻信噪比等方面都有很好的特性。相位噪聲小于 -100dBc/Hz/10kHz，非線性失真小于0.1%，音頻頻率響應非常理想，調頻信噪比達到80dB以上。與此同時，載波頻率穩(wěn)定度控制在200

36、Hz以內，輸出信號頻率偏差不超過1kHz，各項指標滿足國家廣電總局的技</p><p><b>　　九、實驗小結</b></p><p>　　這個實驗是關于小功率調頻發(fā)射機工作原理分析及其安裝調試，通過這次實驗我們可以更好地鞏固和加深對小功率調頻發(fā)射機工作原理和非線性電子線路的進一步理解。學會基本的實驗技能，提高運用理論知識解決實際問題的能力。在實驗過程中，通過選取元

37、件、確定電路形式、以及計算等等，提高我們的動手能力，同時通過調試來發(fā)現自己的錯誤并分析及排除這些故障，使我們對小功率放大器的知識得到了加深！在調試過程中應該注意以下幾點：</p><p>　　用電壓表測一下三個三極管的管腳電壓是否滿足該設計的要求。</p><p>　　用頻率計測出T1、T2、T3的發(fā)射極所發(fā)射的頻率是否在12M HZ，如果不是，試著調節(jié)L1、L2、L3。</p>

38、;<p>　　如果在天線處觀察波形的峰峰值不在4V的話，則應該在T2和T3的發(fā)射極的電阻上各并聯一個電容，以使其提高。</p><p>　　現在來說說電路中一些元件的作用，其中C3為基極高頻旁路電容，R1、R2、R3、R4、R5為T1管的偏置電阻，R7、R9為變容二極管提供直流偏置。T3管工作在丙類狀態(tài)，媽有較高的效率，賜教可以防止T3管產生高頻自激而引起的二次擊穿損壞。調節(jié)偏軒電阻可改變T3管的導