武漢理工大學(xué)高頻課程設(shè)計小功率調(diào)幅發(fā)射機

1、武漢理工大學(xué)高頻電子線路課程設(shè)計摘要高頻電子線路課程設(shè)計是繼高頻電子線路理論學(xué)習(xí)和實驗教學(xué)之后又一重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。它的任務(wù)是在學(xué)生掌握和具備電子技術(shù)基礎(chǔ)知識與單元電路的設(shè)計能力之后，讓學(xué)生綜合運用高頻電子線路知識，進行實際高頻系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)測，利用multisim等相關(guān)軟件進行電路設(shè)計，提高綜合應(yīng)用知識的能力、分析解決問題的能力和電子技術(shù)實踐技能，讓學(xué)生了解高頻電子通信技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。為今后從事電子技術(shù)領(lǐng)域的工程設(shè)計打好基礎(chǔ)。小功率調(diào)幅發(fā)射機常用于通信系統(tǒng)和其它無線電系統(tǒng)中，特別是在中短波廣播通信的領(lǐng)域里更是得到了廣泛應(yīng)用。原因是調(diào)幅發(fā)射機實現(xiàn)調(diào)幅簡便，調(diào)制

2、所占的頻帶窄，并且與之對應(yīng)的調(diào)幅接收設(shè)備簡單，所以調(diào)幅發(fā)射機廣泛地應(yīng)用于廣播發(fā)射。本課設(shè)結(jié)合Multisim軟件來對小功率調(diào)幅發(fā)射機電路的設(shè)計與調(diào)試方法進行研究。Multisim軟件能實現(xiàn)從電學(xué)概念設(shè)計到輸出物理生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以及這之間的所有分析、驗證和設(shè)計數(shù)據(jù)管理，使用起來效率較高并且極為方便。關(guān)鍵字：小功率調(diào)幅發(fā)射機，振蕩電路，調(diào)制電路，功率放大器Multisim仿真17目錄1 小功率調(diào)幅發(fā)射機整體概述11.1 小功率調(diào)幅發(fā)射機的初步認識11.2 小功率調(diào)幅發(fā)射機的主要技術(shù)指標12 小功率調(diào)幅發(fā)射機的系統(tǒng)設(shè)計32.1 系統(tǒng)原理框圖32.2 單元電路設(shè)計方案42.2.1 高頻振蕩器42.2.2

3、振幅調(diào)制電路52.2.3高頻功率放大器63單元電路設(shè)計73.1高頻振蕩器電路73.2 調(diào)制電路83.2.1 調(diào)制電原理圖83.2.2 MC1496的搭建93.3功率放大級電路103.4 整體電路設(shè)計104 調(diào)試與仿真114.1克拉潑振蕩器的調(diào)試114.2調(diào)制器的測試124.3整機聯(lián)調(diào)及其常見故障分析125 心得與體會156 參考文獻167 原件清單171 小功率調(diào)幅發(fā)射機整體概述1.1 小功率調(diào)幅發(fā)射機的初步認識發(fā)射機的主要任務(wù)是完成有用的低頻信號對高頻載波的調(diào)制，將其變?yōu)樵谀骋恢行念l率上具有一定帶寬、適合通過天線發(fā)射的電磁波。所謂調(diào)幅，就是指，使振幅隨調(diào)制信號的變化而變化，嚴格的講，就是指載

4、波振幅與調(diào)制信號的大小成線性關(guān)系，而它的頻率和相位不變。振幅調(diào)制分為4種方式：AM（普通調(diào)幅）、DSB（抑制載波雙邊帶調(diào)幅）、SSB（單邊帶調(diào)幅）、VSB（殘留邊帶調(diào)幅）。本設(shè)計調(diào)幅發(fā)射機指的是AM調(diào)幅發(fā)射機。通常，發(fā)射機包括三個部分：高頻部分，低頻部分和電源部分。高頻部分一般包括主振蕩器、緩沖放大、倍頻器、中間放大、功放推動級與末級功放。主振蕩器的作用是產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的載波。緩沖級主要是削弱后級對主振器的影響。低頻部分包括話筒、低頻電壓放大級、低頻功率放大級。調(diào)制是將要傳送的信息裝載到某一高頻振蕩信號上去的過程。1.2 小功率調(diào)幅發(fā)射機的主要技術(shù)指標在設(shè)計調(diào)幅發(fā)射機時，主要遵循如下性能指標：工

5、作頻率范圍：調(diào)幅制一般適用于中、短波廣播通信，其工作頻率范圍為300kHz30MHz。發(fā)射功率：一般是指發(fā)射機送到天線上的功率。只有當(dāng)天線的長度與發(fā)射頻率的波長可比擬時，天線才能有效地把載波發(fā)射出去。波長與頻率f的關(guān)系為=c/f。調(diào)幅系數(shù)：調(diào)幅系數(shù)ma是調(diào)制信號控制載波電壓振幅變化的系數(shù)，ma的取值范圍為01，通常以百分數(shù)的形式表示，即0%100%。頻率穩(wěn)定度：發(fā)射機的每個波道都有一個標稱的射頻中心工作頻率，用f0表示。工作頻率的穩(wěn)定度取決于發(fā)信本振源的頻率穩(wěn)定度。設(shè)實際工作頻率與標稱工作頻率的最大偏差值為f，則頻率穩(wěn)定度的定義為K=f0/f。式中為K為頻率穩(wěn)定度。非線性失真（包絡(luò)失真）：調(diào)制

6、器的調(diào)制特性不能跟調(diào)制電壓線性變化而引起已調(diào)波的包絡(luò)失真為調(diào)幅發(fā)射機的非線性失真，一般要求小于10%。線性失真：保持調(diào)制電壓振幅不變，改變調(diào)制頻率引起的調(diào)幅度特性變化稱為線性失真。噪聲電平：噪聲電平是指沒有調(diào)制信號時，由噪聲產(chǎn)生的調(diào)制度與信號最大時間的調(diào)幅度比，廣播發(fā)射機的噪聲電平要求小于0.1%，一般通信機的噪聲電平要求小于1%?？傂剩喊l(fā)射機發(fā)射的總功率PA與其消耗的總功率PC之比稱為發(fā)射機的總效率，即=PA/PC。本次課程設(shè)計要求的技術(shù)指標如下：電源電壓±10V，工作頻率 f=8MHz，調(diào)制度ma=50%；負載電阻Rl=75時，發(fā)射功率P0=300mW，整波效率>40%。

7、2 小功率調(diào)幅發(fā)射機的系統(tǒng)設(shè)計2.1 系統(tǒng)原理框圖調(diào)幅發(fā)射機的系統(tǒng)原理框圖如下圖圖1所示，其工作原理是：高頻振蕩器產(chǎn)生一個固定頻率的高頻載波信號，它的輸出經(jīng)過高頻小信號諧振放大器之后送至調(diào)制器；音頻放大器放大來自話筒的語音信號，該放大器為低頻功率放大器，其輸出也送至調(diào)制器；調(diào)制器將經(jīng)過放大的語音信號調(diào)制，輸出是已調(diào)幅的高頻信號；該已調(diào)信號輸出經(jīng)帶通或低通濾波器濾波，最后由功放級將載頻信號的功率放大到所需發(fā)射功率，然后通過天線向外發(fā)射電磁波。圖1 小功率調(diào)幅發(fā)射機系統(tǒng)原理框圖本機振蕩：產(chǎn)生高頻率的載波信號。調(diào)制級：將話音信號調(diào)制到載波上，產(chǎn)生已調(diào)波。功率激勵級：為末級功放提供激勵功率。末級功放：

8、對前級送來的信號進行功率放大，在負載上獲得滿足要求的發(fā)射功率。2.2 單元電路設(shè)計方案2.2.1 高頻振蕩器高頻振蕩器即為本機振蕩器，根據(jù)載波頻率的高低和頻率穩(wěn)定度來確定電路形式。一般采用三點式振蕩器，其基本電路如下圖圖2所示。電容三點式振蕩器的輸出波形比電感三點式振蕩器的輸出波形好。這是因為電容三點式振蕩器中，反饋是由電容產(chǎn)生的，高次諧波在電容上產(chǎn)生的反饋壓降較小，輸出中高頻諧波小；而在電感三點式振蕩器中，反饋是由電感產(chǎn)生的，高次諧波在電感上產(chǎn)生的反饋壓降較大。另外，電容三點式振蕩器最高工作頻率一般比電感三點式振蕩器的高。這是因為在電感三點式振蕩器中，晶體管的極間電容與回路電感相并聯(lián)，在頻率

9、高時可能改變電抗的性質(zhì)；在電容三點式振蕩器中，極間電容與電容并聯(lián)，頻率變化不改變電抗的性質(zhì)。因此振蕩器的電路型式一般采用電容三點式。在頻率穩(wěn)定度要求不高的情況下，可以采用克拉潑，西勒電路。頻率穩(wěn)定度要求高的情況下，可以采用晶體振蕩器，也可以采用單片集成振蕩電路。 頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一項十分重要的技術(shù)指標，表示一定時間范圍內(nèi)或一定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對變化程度，振蕩頻率的相對變化量越小，則表明振蕩頻率穩(wěn)定度越高。本機放大電路的輸出是發(fā)射機的載波信號源，要求它的振蕩頻率應(yīng)十分穩(wěn)定。一般的LC振蕩電路，其日頻率穩(wěn)定度約為10-210-3。因此，在本設(shè)計中本機振蕩電路采用克

10、拉潑（共基極）振蕩器。圖2三點式振蕩器的基本電路2.2.2 振幅調(diào)制電路振幅調(diào)制器的任務(wù)是將所需傳送的信息加載到高頻振蕩中，以調(diào)幅波的調(diào)制形式傳送出去。通常采用低電平調(diào)制和高電平調(diào)制兩種方式。采用模擬乘法器實現(xiàn)調(diào)制的方法是屬于低電平調(diào)制，輸出功率小，必須使用高頻功率放大器才能達到發(fā)射功率的要求。采用集電極調(diào)幅電路實現(xiàn)調(diào)制的方式屬于高電平調(diào)制。如果集電極調(diào)幅電路的輸出功率能夠滿足發(fā)射功率的要求，就可以在調(diào)制級將信號直接發(fā)射出去。低電平調(diào)幅電路輸出功率小，適用于低功率系統(tǒng)。它的電路形式有多種，如斬波調(diào)幅器、平衡調(diào)幅器、模擬乘法器調(diào)幅等，比較常用的是采用模擬乘法器形式制成的集成調(diào)幅電路，即集成模擬乘

11、法器MC1496調(diào)幅。這種集成電路的出現(xiàn)，使產(chǎn)生高質(zhì)量調(diào)幅信號的過程變得極為簡單，而且成本很低。高電平調(diào)幅電路輸出功率大，一般在系統(tǒng)末級直接產(chǎn)生滿足發(fā)射要求的調(diào)幅波。它的電路形式主要有集電極調(diào)幅和基極調(diào)幅兩種。集電極調(diào)幅電路的優(yōu)點是效率高，晶體管獲得充分的應(yīng)用；缺點是需要大功率的調(diào)制信號源。基極調(diào)幅電路的優(yōu)缺點正好與之相反，它的平均集電極效率不高，但所需的調(diào)制功率很小，有利于調(diào)幅發(fā)射系統(tǒng)整機的小型化。本設(shè)計中，采用模擬乘法器MC1496構(gòu)成調(diào)幅電路，其引腳圖如下圖圖3所示。用它可以容易的實現(xiàn)兩信號的相乘，將低頻調(diào)制信號同高頻載波相乘，從而得到調(diào)制信號。圖3 MC1496引腳圖2.2.3高頻功率

12、放大器功率放大器主要有甲類、甲乙類或乙類（限于推挽電路）、丙類功放，根據(jù)功放的輸出功率和效率來確定選擇哪一種。采用低電平調(diào)幅電路的系統(tǒng)，由于調(diào)制器輸出信號為調(diào)幅波，其后的功率放大器必須是線性的（如甲類、甲乙類或乙類功放）；而采用高電平調(diào)幅電路的系統(tǒng)，則在末級直接產(chǎn)生達到輸出功率要求的調(diào)幅波，多以丙類放大器作為此時的末級電路。高頻功率放大器是調(diào)幅發(fā)射機的末級，它的任務(wù)是要給出發(fā)射機所需要的輸出功率。本設(shè)計研究的是小功率調(diào)幅發(fā)射系統(tǒng)，通常采用丙類功率放大器，如果一級不能滿足指標要求，可以選用兩級。一般末級功率放大器工作在臨界狀態(tài)，中間級可以工作在弱過壓狀態(tài)。 調(diào)幅發(fā)射機的各單元電路可以用分立元件組

13、成的電路完成，也可以用集成電路來完成。本次設(shè)計采用分離的原件組成的電路完成。3單元電路設(shè)計3.1高頻振蕩器電路高頻振蕩器是調(diào)幅發(fā)射機的核心部件，主要用來產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定、幅度較大、波形失真小的高頻正弦波信號作為載波信號。本級用來產(chǎn)生8MHz左右的高頻振蕩載波信號，由于整個發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度由主振級決定，因此要求主振級有較高的頻率穩(wěn)定度，同時也要有一定的振蕩功率（或電壓），其輸出波形失真較小。為此，這里采用克拉潑振蕩電路，可以滿足要求。由前述可知，為了保證振蕩器有一定的穩(wěn)定振幅及容易起振，當(dāng)靜態(tài)工作點確定后，晶體管內(nèi)部參數(shù)的值就一定，對于小功率晶體管可以近似認為 反饋系數(shù)大小應(yīng)在0.150.5范

14、圍內(nèi)選擇。克拉潑振蕩器的電路圖如圖4所示。其中C1、C2、C3、C4、C5、C6與Q1構(gòu)成改進型電容三點式振蕩電路（克拉潑電路），振蕩頻率由電容和電感決定，電路中Q1構(gòu)成靜態(tài)工作點由R1、R2、R3決定。在設(shè)置靜態(tài)工作點時，應(yīng)首先設(shè)定晶體管的集電極電流ICQ，一般取0.5mA4mA，ICQ太大會引起輸出波形失真，產(chǎn)生高次諧波。設(shè)晶體管=60，Icq=2mA，VEQ=（1213）Vcc，則可算出R1，R2、R3。如下圖所示。圖4 克拉潑高頻振蕩器調(diào)制電路3.2 調(diào)制電路3.2.1 調(diào)制電原理圖根據(jù)上面的方案設(shè)計，選定模擬乘法器MC1496構(gòu)成的調(diào)幅電路如下圖圖5所示。X通道兩輸入端8和10腳直流

15、電位均為6V，可作為載波輸入通道；Y通道兩輸入端1和4腳之間有外接調(diào)零電路；輸出端6和12腳外可接調(diào)諧于載頻的帶通濾波器；2和3腳之間外接Y通道負反饋電阻R6。若實現(xiàn)普通調(diào)幅，可通過調(diào)節(jié)10k電位器RP1使1腳電位比4腳高 ，調(diào)制信號與直流電壓疊加后輸入Y通道，調(diào)節(jié)電位器可改變的大小，即改變調(diào)制指數(shù)Ma；若實現(xiàn)DSB調(diào)制，通過調(diào)節(jié)10k電位器RP1使1、4腳之間直流等電位，即Y通道輸入信號僅為交流調(diào)制信號。為了減小流經(jīng)電位器的電流，便于調(diào)零準確，可加大兩個750電阻的阻值，比如各增大10。MC1496線性區(qū)好飽和區(qū)的臨界點在15-20mV左右，僅當(dāng)輸入信號電壓均小于26mV時，器件才有良好的相

16、乘作用，否則輸出電壓中會出現(xiàn)較大的非線性誤差。顯然，輸入線性動態(tài)范圍的上限值太小，不適應(yīng)實際需要。為此，可在發(fā)射極引出端2腳和3腳之間根據(jù)需要接入反饋電阻R6=1k，從而擴大調(diào)制信號的輸入線性動態(tài)范圍，該反饋電阻同時也影響調(diào)制器增益。增大反饋電阻，會使器件增益下降，但能改善調(diào)制信號輸入的動態(tài)范圍。圖5 調(diào)制電路原理圖MC1496可采用單電源，也可采用雙電源供電，其直流偏置由外接元器件來實現(xiàn)。1腳和4腳所接對地電阻R12、R11決定于溫度性能的設(shè)計要求。若要在較大的溫度變化范圍內(nèi)得到較好的載波抑制效果（如全溫度范圍-55至+125），R12、R11一般不超過51；當(dāng)工作環(huán)境溫度變化范圍較小時，可

17、以使用稍大的電阻。3.2.2 MC1496的搭建模擬乘法器是完成兩個模擬量（電壓或電流）相乘的電子器件。高頻電子線路中的振幅解調(diào)，同步檢波，混頻，倍頻，鑒頻，鑒相等調(diào)制和解調(diào)的過程，均可視為兩個信號相乘或包含相乘的過程。采用集成模擬乘法器實現(xiàn)上述功能比采用分立器件要簡單得多，而且性能優(yōu)越。課設(shè)運用Multisim軟件對電路進行設(shè)計，因此MC1496需要自己搭建，其原理電路圖如圖6所示。MC1496是四象限模擬乘法器，其中Q1、Q2與Q4、Q5組成雙差分放大器，以反極性方式相連接，而且兩組差分對的恒流源Q3與Q6又組成一對差分電路，因此恒流源的控制電壓可正可負，以此實現(xiàn)了四象限工作。Q7、Q8為

18、差分放大器Q3與Q6的恒流源。圖6 MC1496搭建圖3.3功率放大級電路通過前面的電路以后，進入功率放大級的是已調(diào)信號。但由于信號的功率太小，發(fā)射出去存在很大衰減，影響信號的傳送，所以要進行功率放大。功率放大電路如下圖圖7所示：圖7 功率放大器電路3.4 整體電路設(shè)計將以上各級單元電路一次連接就構(gòu)成了小功率調(diào)幅發(fā)射機整體電路原理圖，如圖8所示：圖8 小功率調(diào)幅發(fā)射機整體電路4 調(diào)試與仿真4.1克拉潑振蕩器的調(diào)試調(diào)克拉潑振蕩器時，應(yīng)先斷開電感L3，使振蕩器不振蕩，再用萬用表測三極管的各極電壓。VEQ應(yīng)滿足Icq=2mA，若不滿足則可調(diào)整R3的值。將三極管的靜態(tài)工作點調(diào)試正確以后，再接上電感L3

19、，測量振蕩器的振蕩頻率和輸出電壓幅度，如圖9所示：圖9 克拉潑振蕩器調(diào)試4.2調(diào)制器的測試測調(diào)制器電路靜態(tài)工作點時，應(yīng)使本振信號V0=0先測MC1496五角的電壓Vs，調(diào)整R5的值，是V5R13=I0；然后測量各點靜態(tài)工作電壓，其值應(yīng)與設(shè)計值大致相同。加本振電壓v0=100mV，使調(diào)制電壓v=0，調(diào)節(jié)R15使mc1496輸出信號為最小值，再使v=100mV，這時測得的輸出波形應(yīng)為載波被抑制的雙邊帶信號波形，在調(diào)節(jié)R15使輸出波形為ma=50%的調(diào)幅波，如圖10所示：圖10 調(diào)制器測試4.3整機聯(lián)調(diào)及其常見故障分析本機振蕩級、緩沖級、調(diào)制級聯(lián)調(diào)時，往往會出現(xiàn)過調(diào)幅現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因可能是經(jīng)射級跟隨器輸出的本振電壓v0偏小。可以調(diào)節(jié)R15使v0=100150mV，并測量調(diào)制器輸出的波形。調(diào)整話音放大級增益，以滿足調(diào)幅度ma=50%的技術(shù)指標要求。功率激勵級與功率放大級聯(lián)調(diào)時，往往會出現(xiàn)低頻調(diào)試、高頻自激、輸出功率小、波形失真大等現(xiàn)象。產(chǎn)生的原因可能是級間通過電源產(chǎn)生串?dāng)_或是甲類功放與丙類功放的阻抗不匹配，級間相互影響。這可在每一級單元電路的電源上加低、高頻去耦電路，以消除來自電源的串?dāng)_，也