100MHz調頻發(fā)射機的設計和制作

1、 <<高頻課程設計 >>課程設計報告題 目：100MHz調頻發(fā)射機的設計與制作 專 業(yè)：12通信工程 年 級：2012級 學 號：xxxxxx 學生姓名：xxx 聯(lián)系電話： 指導老師：xxx 完成日期： 2015年 3 月 30 日摘 要 調頻發(fā)射機作為一種簡單的通信工具，由于它不需要中轉站和地面交換機站支持，就可以進行有效的移動通信，因此深受人們的歡迎。目前它廣泛的生產(chǎn)、保安、野外工程等領域的小范圍移動通信工程中。本課題重點在于設計能給發(fā)射機電路提供穩(wěn)定頻率的振蕩調制電路。利用高頻放大9018NPN三極管、線圈、二極管1N4148、瓷片電容、電解電容、開關、電阻元件，

2、制作發(fā)射機，實現(xiàn)一定距離內發(fā)射信號的功能。發(fā)射機的主要任務是完成有用的低頻信號對高頻載波的調制，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。關鍵詞：調頻發(fā)射機；調頻；高頻放大；9018NPN三極管；線圈；二極管1N4148。ABSTRACTFM transmitter as a simple communication tools, because it does not require station and ground switch station, can effectively support the mobile communications, so deepl

3、y the welcome of people. It currently extensive production, security, field engineering and other areas of small range of mobile communication engineering. This subject focuses transmitter circuit design can provide stability to the oscillation frequency modulation circuit. By using high frequency a

4、mplifier, coil, diode 1 n4148, 9018 NPN ceramics capacitors, electrolytic capacitors, switches, resistance element, transmitter, can realize the function of transmitting within a certain distance. Transmitter is the main task of the complete useful modulation of low frequency signal of high frequenc

5、y carrier, it becomes in a center frequency has a certain bandwidth, is suitable for the transmission of electromagnetic waves by the antenna.Key Words: FM transmitter; FM; High frequency amplifier;9018 NPN transistor; Coil; 1 N4148 diode. 目錄摘 要IABSTRACTI目錄II1 設計要求及方案選擇11.1設計要求11.2方案選擇12 理論分析與設計52.1

6、設計方框圖電路的分析及設計52.2總電路的分析及設計53電路設計63.1 硬件電路的設計63.2 單元電路設計83.3語音信號調頻到發(fā)射機103.4高頻發(fā)射信號發(fā)射104 系統(tǒng)測試114.1調試所用的基本儀器清單114.2 調試過程124.3調試結果124.3測試結果分析135 總結14參考文獻15附件161 設計要求及方案選擇1.1設計要求設計一個發(fā)射頻率在100MHZ的調頻發(fā)射機，這樣能剛好覆蓋調頻收音機的接收頻率，通過調整電感和電容的數(shù)值，可以方便地改變發(fā)射頻率，避開調頻電臺。調頻發(fā)射機主要由基本放大電路，載波產(chǎn)生電路，調頻波產(chǎn)生電路，電容三點式的振蕩器，諧振器，采集外界的聲音信號的話筒

7、MIC等構成。通過話筒或者外部信號輸入插座將聲音信號采集引入到調頻發(fā)射機，再送到三極管的基極進行頻率調制，并利用電容將發(fā)射信號耦合到天線上發(fā)射出去。調試一個頻率為100MHz的高性能調頻發(fā)射機，要求信號失真小，發(fā)射距離大于10米，能用普通收音機接收發(fā)射的信號。1.2方案選擇 方案一：采用MAX2606調頻發(fā)射芯片做調率發(fā)射電路方案，MAX2606采用SOT230-6微型封裝，應用電路如圖1-1所示，它的平均頻率由L1設置，390H的電感可將中心頻率設定在100MHz。調節(jié)電位器RP1則可以在88至108MHz的FM波段選擇一個頻道作為發(fā)射輸出功率。輸出功率對50的天線約為-21dB。圖中的兩個

8、INPUT端接在功放機左右線路（LINE）輸出端，左右聲道音頻信號均通過22k相加，并被電位器RP1衰減后，由腳送入MAX2606的內部振蕩電路，經(jīng)過調制后的射頻信號從腳輸出到發(fā)射天線，由于輸入信號幅度高于60時將產(chǎn)生失真，因此使用電位器RP2將信號衰減到該電平以下。發(fā)射天線可以用一段75cm的電線充當。此時發(fā)射距離約為50米。為保證最佳接收效果，它最好與接收天線平行安裝。MAX2606可工作于3至5的單電源，但最好采用穩(wěn)定的電壓，尤其是0.01F的退耦電容不能省略，以減少頻率漂移和噪聲，所以MAX2606的缺點就是有頻率漂移和噪聲。圖1-1 基于MAX2606調頻發(fā)射芯片發(fā)射電路方案二：通過

9、音頻信號改變載波的頻率實現(xiàn)調頻發(fā)射，調頻發(fā)射機發(fā)射的頻率帶寬較寬，但其在高頻段因所占的相對頻帶較調幅波發(fā)射更窄，發(fā)射距離遠，信號失真小。并且在要求傳輸距離不是很遠的情況下，我們用直接載波調頻很容易實現(xiàn)載波調頻發(fā)射機的設計，在能滿足我的課程設計的技術指標要求的情況下，我門選擇直接載波調頻的方案來設接調頻發(fā)射機。 方案三：利用通信原理和高頻電子線路的相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。使用S9018構成基本放大電路，載波產(chǎn)生電路，調頻波產(chǎn)生電路，電容三點式的振蕩器，諧振器，采集外界的聲音信號的話筒等構成。通過外部信號輸入插座將聲音信號采集引入到調頻發(fā)射機，再送到三極管的

10、基極進行頻率調制并利用電容將發(fā)射信號耦合到天線上發(fā)射出去。圖1-2 s9018結構圖使用S9018等元件組成的電路，通過音頻信號改變載波的幅值實現(xiàn)載波調幅發(fā)射，調幅發(fā)射機實現(xiàn)調制簡便，調制所占的頻帶窄，幅度調制的系統(tǒng)結構簡單，價格低廉，并且與之對應的調幅接收設備簡單，對阻礙物的穿透能力強，調幅發(fā)射機廣泛地應用于廣播發(fā)射，但是傳輸距離短，容易失真。 綜合對比，基于所學的相關知識與高頻有關，方案三比其它制作簡單方便而且價格低廉容易調試，適合鍛煉我們的動手能力，所以選擇方案一進行發(fā)射機的制作。話筒（MIC），電容C1，電阻R2、R4、 R5三極管V1組成基本放大電路。話筒可以將話音轉換成音頻信號，音

11、頻信號經(jīng)過耦合電容C1傳到三極管V1的基極，實現(xiàn)音頻信號的放大，從而獲得所需要的功率，以便對高頻載波進行調制。設計中是所用到的信號放大電子器件，9018NPN三極管有三個極，分別叫做集電極C，基極B，發(fā)射極E。此電子器件有兩大優(yōu)點。圖1-3 9018NPN三極管結構圖1、電流放大下面的分析僅對于NPN型硅三極管。如圖1-3所示，我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設電源 能夠提供給集電極足夠大的電流

12、的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關系：集電極電流的變化量是基極電流變 化量的倍，即電流變化被放大了倍，所以我們把叫做三極管的放大倍數(shù)（一般遠大于1，例如幾十，幾百）。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射 極之間，這就會引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的，那么根據(jù)電壓計算公式 U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號了。2、偏置電路 三極管在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由

13、于三極管BE結的非線性，基極電流必須在輸入電壓 大到一定程度后才能產(chǎn)生（對于硅管，常取0.7V）。當基極與發(fā)射極之間的電壓小于0.7V時，基極電流就可以認為是0。但實際中要放大的信號往往遠比 0.7V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因為小于0.7V時，基極電流都是0）。如果我們事先在三極管的基極上加上一 個合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時，小 信號就會導致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒有

14、加偏置，那么只有對那些增加的 信號放大，而對減小的信號無效（因為沒有偏置時集電極電流為0，不能再減小了）。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當輸入的基極電流變小時，集電極 電流就可以減小；當輸入的基極電流增大時，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。所以選擇9018NPN三極管作為本次設計的最佳器件。圖1-4 LC并聯(lián)諧振電路原理結構圖2 理論分析與設計2.1設計方框圖電路的分析及設計高頻時，三極管的結電容Cbe的作用不可忽略。高頻三極管V1和結電容Cbe，電容C3、C5、C6組成一個電容三點式的振蕩器 ，產(chǎn)生高頻振蕩信號，即載波。載波的頻率主要由電容C4、電感L組成

15、一個諧振器和結電容決定。 用放大了的音頻信號去控制結電容 Cbe，便可控制載波的頻率，使得載波的頻率隨著音頻信號的改變而改變，從而實現(xiàn)調頻。調頻信號通過電容C4傳送到發(fā)射天線，向外發(fā)射88108MHZ之間的調頻電波。本設計圖采用FM調制。通常小功率發(fā)射機采用直接調頻方式，并組成框圖如下圖2-1所示： 圖2-1 系統(tǒng)框圖其中高頻振蕩級只要是產(chǎn)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，以避免級功放的工作狀態(tài)變化而直接影響振蕩極的頻率穩(wěn)定度。功放級的任務是確保高效率輸

16、出足夠大的高頻功率，并饋送到天線進行發(fā)射。2.2總電路的分析及設計 利用調制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率，使其反映調制信號變化規(guī)律。要用調制信號去控制載波振蕩器的振蕩頻率，就是用調制信號去控制決定載波振蕩器振蕩頻率的元件或電路的參數(shù)，從而使載波振蕩器的瞬時頻率按調制信號變化規(guī)律線性地改變，就能夠實現(xiàn)直接調頻。直接調頻可用改變振蕩回路的參數(shù)來實現(xiàn)，在LC振蕩器中，決定振蕩頻率的主要元件是LC振蕩回路的電感L和電容C，所以根據(jù)調頻的特點，用調制信號去控制電感、電容、電阻的數(shù)值就能實現(xiàn)調頻，也可用控制振蕩器的工作狀態(tài)來實現(xiàn)。其中高頻振蕩級主要是產(chǎn)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

17、受到外加調制信號電壓調變；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。基本原理是：載波振蕩為，調制信號為，數(shù)學表達式為 （2-1）瞬時頻率為，瞬時相位為3電路設計3.1 硬件電路的設計總原理圖如圖3-1所示：圖3-1總原理圖基本原理：設載波信號，調制信號；通過FM調制，使得頻率變化量與調制信號的大小成正比。即已調信號的瞬時角頻率 （3-1）已調信號的瞬時相位為 （3-2）實現(xiàn)調頻的方法有直接調頻和間接調頻兩大類。本次設計

18、主要采用直接調頻，其原理為：利用調制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率，使其反映調制信號變化規(guī)律。要用調制信號去控制載波振蕩器的振蕩頻率，就是用調制信號去控制決定載波振蕩器振蕩頻率的元件或電路的參數(shù)，從而使載波振蕩器的瞬時頻率按調制信號變化規(guī)律線性地改變，就能夠實現(xiàn)直接調頻。 三極管是一種控制元件，主要用來控制電流的大小，以共發(fā)射極接法為例（信號從基極輸入，從集電極輸出，發(fā)射極接地），當基極電壓UB有一個微小的變化時，基極電流IB也會隨之有一小的變化，受基極電流IB的控制，集電極電流IC會有一個很大的變化，基極電流IB越大，集電極電流IC也越大，反之，基極電流越小，集電極電流也越小，即基極電流控制集

19、電極電流的變化。但是集電極電流的變化比基極電流的變化大得多，這就是三極管的放大作用。IC 的變化量與IB變化量之比叫做三極管的放大倍數(shù)（=IC/IB, 表示變化量。），三極管的放大倍數(shù)一般在幾十到幾百倍。 LC并聯(lián)諧振回路阻抗的相頻特性是一條具有負斜率的單調變化曲線，利用曲線中，線性部分可以進行頻率與相位的線性轉換，這主要應用在相位鑒頻電路中；同樣，LC并聯(lián)諧振回路阻抗的幅頻特性曲線中的線性部分也可以進行頻率與幅度的線性轉換，因而在斜率鑒頻電路中也得到了應用。 調頻信號的電流是等幅、頻率隨調制信號變化的電流。當此電流通過斜率鑒頻器的頻率一振幅變換網(wǎng)絡時，由于LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡的中心頻率為f0，輸

20、入的高頻信號使LC網(wǎng)絡一直處于失諧狀態(tài)，即工作于諧振曲線上以A為中心的BC之間的區(qū)域。當輸入信號頻率增大時，工作點由A向C移動，對應的輸出電壓由Uma減小為Umc；反之，當輸入信號頻率減小時，工作點由A向B移動，對應的輸出電壓由Uma增大為Umb。當輸入信號最大頻偏f變化不大時，線段BC很短，可近似看作直線，因此它所產(chǎn)生的頻率-振幅變換作用是線性，輸出電壓振幅的變化與輸入信號頻率的變化呈線性關系。因此網(wǎng)絡可以將等幅的調頻信號變成調幅-調頻信號，該信號再經(jīng)過二極管包絡檢波器就能夠解調出輸出信號。3.2 單元電路設計 (1)限幅二極管的工作原理  當二極管與負載或后級輸入端并聯(lián)時，輸入信

21、號的極性與幅度能夠足以令二極管正向導通，則輸入信號經(jīng)過二極管后的幅度就被限制在二極管的正向導通壓降上了，從而實現(xiàn)了限幅的作用，也可以說輸出信號被鉗位了。 所謂限幅電路是限制信號輸出幅度的電路，它能按限定的范圍削平信號電壓的波形幅度，是用來限制信號電壓范圍的電路，又稱限幅器、削波器等。限幅電路應用非常廣泛，常用于整形、波形變換、過壓保護等電路。 限幅電路按功能分為上限幅電路、下限幅電路和雙向限幅電路三種。上限幅電路在輸入電壓高于某一上限電平時產(chǎn)生限幅作用；下限幅電路在輸入電壓低于某一下限電平時產(chǎn)生限幅作用；雙向限幅電路則在輸入電壓過高或過低的兩個方向上均產(chǎn)生限幅作用。（2）高頻三極管9018和電

22、容C3、C5、C6組成一個電容三點式的振蕩器 。C4、L組成一個諧振器：諧振頻率就是調頻話筒的發(fā)射頻率，根據(jù)圖中元件的參數(shù)發(fā)射頻率可以在88108MHZ之間，正好覆蓋調頻收音機的接收頻率，通過調整L的數(shù)值（拉伸或者壓縮線圈L）可以方便地改變發(fā)射頻率，避開調頻電臺。發(fā)射信號通過C4耦合到天線上再發(fā)射出去。 （3)R4是V1的基極偏置電阻，給三極管提供一定的基極電流，使V1工作在放大區(qū)。R5是直流反饋電阻，起到穩(wěn)定三極管工作點的作用。話筒MIC采集外界的聲音信號。電阻R3為MIC提供一定的直流偏壓，R3的阻值越大，話筒采集聲音的靈敏度越弱，電阻越小話筒的靈敏度越高。話筒采集到的交流聲音信號通過C2

23、耦合和R2匹配后送到三極管的基極。 電路中D1和D2兩個二極管反向并聯(lián)，主要起一個雙向限幅的功能，二極管的導通電壓只有0.7V，如果信號電壓超過0.7V就會被二極管導通分流，這樣可以確保聲音信號的幅度可以限制在正負0.7V之間，過強的聲音信號會使三極管過調制，產(chǎn)生聲音失真甚至無法正常工作。CON4（音源輸入端）輸入插座，可以將電視機耳機插座或者隨身聽耳機插座等外部聲音信號源通過專用的連接線引入調頻發(fā)射機，外部聲音信號通過R1衰減和D1、D2限幅后送到三極管基極進行頻率調制。 （4）電路中發(fā)光二極管D3用來指示工作狀態(tài)，當調頻話筒得電工作時就會點亮，R6是發(fā)光二極管的限流電阻。C8、C9是電源濾

24、波電容，因為大電容一般采用卷繞工藝制作的，所以等效電感比較大，并聯(lián)一個小電容C8可以使電源的高頻內阻。 （5）電路中開關S1和S2。S1是電源開關，當撥向右邊時，發(fā)射機工作。S2有兩個不同的位置，撥到最左邊時音頻輸入調頻，最右邊是接通做調頻話筒使用，音頻輸入時，右邊做為無線轉發(fā)器使用，因為做無線轉發(fā)器使用時話筒不起作用，但是話筒會消耗一定的靜態(tài)電流，所以斷開K2可以降低耗電、延長電池的壽命。 總之，通過改變三極管的基極和發(fā)射極之間電容來實現(xiàn)調頻的，當聲音電壓信號加到三極管的基極上時，三極管的基極和發(fā)射極之間電容會隨著聲音電壓信號大小發(fā)生同步的變化，同時使三極管的發(fā)射頻率發(fā)生變化，實現(xiàn)頻率調制。

25、3.3語音信號調頻到發(fā)射機音頻輸入接口采集到的交流聲音信號通過C2耦合和R2匹配后送到三極管的基極，把微弱的電壓信號放大到足夠的幅度(通過改變三極管的基極和發(fā)射極之間電容來實現(xiàn)調頻的，當聲音電壓信號加到三極管的基極上時，三極管的基極和發(fā)射極之間電容會隨著聲音電壓信號大小發(fā)生同步的變化，同時使三極管的發(fā)射頻率發(fā)生變化，實現(xiàn)頻率調制)。通過發(fā)射天線向外發(fā)射，由于發(fā)射頻率可以在88108MHZ之間，正好覆蓋調頻收音機的接收頻率，通過調整L的數(shù)值（拉伸或者壓縮線圈L）可以方便地改變發(fā)射頻率，避開調頻電臺。發(fā)射信號通過C4耦合到天線上再發(fā)射出去，用普通調頻收音機就可收聽廣播了。3.4高頻發(fā)射信號發(fā)射CK

26、是外部信號輸出插座，可以將電視機耳機插座或者隨身聽耳機插座等外部聲音信號源通過專用的連接線引入調頻發(fā)射機，外部聲音信號通過R1衰減和D1、D2限幅后送到三極管基極進行頻率調制。3.6 功率輸出級電路設計這級電路主要是把已經(jīng)放大的聲音信號加大功率，把聲音信號通過天線發(fā)射得更遠，因此R4是為三極管提供偏置電壓，使三極管9018處于丙類的工作狀態(tài)，得到更大的功率。C4和L1是共集電極發(fā)射該聲音信號。C7主要是耦合好信號加載到天線上去，把信號發(fā)射出去。C8、C9是電源濾波電容，原來因為大電容由于容量大，所以體積一般也比較大，且通常使用多層卷繞的方式制作，這就導致了大電容的分布電感比較大（也叫等效串聯(lián)電

27、感，英文簡稱ESL）,由于電感對高頻信號的阻抗很大，所以大電容的高頻性能不好。而一些小容量電容則剛剛相反，由于容量小，因此體積可以做得很?。s短了引線，就減小了ESL，因為一段導線也可以看成是一個電感的），而且常使用平板電容的結構，這樣小容量電容就有很小的ESL，這樣它就具有了很好的高頻性能，但由于容量小的緣故，對低頻信號的阻抗大。所以，如果為了讓低頻、高頻信號都可以很好的通過，就采用一個大電容再并上一個小電容的方式。原理圖如下3-3所示：圖3-2功率輸出級部分原理圖4 系統(tǒng)測試4.1調試所用的基本儀器清單表1 元件清單元件大小數(shù)量電阻10K, 68K, 27K,100,680各一個電解電容1

28、01,102,103,6.8p，47p，4.7uF， 1uF 100uF各一個二極管1N41482個三極管NPN 90181個線圈銅線10T可調電容48p1個開關1個音頻輸入接口1個4.2 調試過程 正確選擇測試點,減小儀器對被測電路的影響。在高頻情況下，測量儀器的輸入阻抗及連接電線的分布參數(shù)都有可能影響被測電路的諧振頻率及諧振回路的Q值，為了減小這種影響，應使儀器的輸入阻抗遠大于測試點的輸出阻抗。  2. 所有測量儀器如高頻電壓表示波器和數(shù)字頻率計等的地線及輸入電線的地線要與被測電路的地線連接好，接線盡量短。  3. 觀測動態(tài)波形并測量電路的性能參數(shù)低頻電路的調試基本相同

29、，所不同的是，按照理論公式計算的電路參數(shù)與實際的參數(shù)可能相差較大，電路的調制可能要復雜一些。  4. 電路的調制順序為：先分級調整單元電路的靜態(tài)工作點，測量其性能參數(shù)；然后再逐級進行聯(lián)調，直到整機調試；最后進行整機計數(shù)指標測試。  5. 由于功率放大器運用的是折線分析方法，其理論計算為近似值。此外，單元電路的設計計算沒有考慮實際電路中分布參數(shù)的影響和級間的互相影響，所以電路的實際工作狀態(tài)與理論工作狀態(tài)相差較大。4.3調試結果 （1）、用收音機能在100MHz左右收到高性能發(fā)射機發(fā)射的音樂與聲音，結果調試在99.5MHz左右，與題目相差不大。 （2）、接收到的信號還算很穩(wěn)定，但也會存在的干擾，距離越遠干擾越大。4.3測試結果分析1、收音機存在一定的嘯叫聲或失真遠距離使用時，特別采集到強度較高的信號時，收音機存在嚴重的嘯叫聲或失真。這是由于音頻放大級增益較高，同時配用的話筒又具有較高的拾音靈敏度所引起。這是可適當調節(jié)電阻R3，R3的阻值越大，話筒采集聲音的靈敏度越弱，電阻越小話筒的靈敏度越高。2、用CK接口輸入音源信號時，收音機輸出聲音小且伴有交流聲。改善方法：、盡量縮短音頻輸入引線；、在發(fā)射機與音源二條連線中各串聯(lián)一個10uH高頻電感；、對音源進行屏蔽隔離。由于設計電路時元件存在誤差，并且電路的參數(shù)設置會產(chǎn)生誤差，加上本身電路