小功率調幅發(fā)射機設計

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1、 吉林建筑大學 電氣與計算機學院 高頻電子線路課程設計報告 設計題目： 小功率調幅發(fā)射機的設計 專業(yè)班級： 電子信息工程 121班 學生姓名： 學 號： 指導教師： 設計時間： 2015.12.14－2015.12.25 教師評語： 成績 評閱教師 日期

2、 目錄 摘要 本文以一個小功率調幅發(fā)射機為設計對象，并對其主振級、緩沖級、高頻電壓放大級、低頻電壓放大級、調制級、高頻功率放大級進行了詳細的設計、論證、調試及仿真，并進行了整機的調試與仿真。 早期的VHF頻段的移動通信電臺大都采用調幅方式，由于信道快衰落會使模擬調幅產生附加調幅而造成失真，目前已很少采用。調頻制在抗干擾和抗衰落性能方面優(yōu)于調幅制，對移動信道有較好的適應性，現(xiàn)在世界上幾乎所有模擬蜂窩系統(tǒng)都使用頻率調制。由于高頻信號的幅度很容易被周

3、圍環(huán)境所影響。所以調幅信號的傳輸并不十分可靠。在傳輸?shù)倪^程中也很容易被竊聽，不安全。所以現(xiàn)在這種技術已經比較很少被采用，但在簡單設備的通信中還有采用。 振幅調制根據(jù)頻譜結構的不同可分為普通調幅（AM)波，抑制載波的雙邊帶調幅（DSB-SC AM）波和抑制載波的單邊帶調幅（SSB-SC AM)波。本設計的調幅發(fā)射機指的是AM調幅。 關鍵詞：電容三點式；調幅發(fā)射機；Altium Designer；Multisim 一、 設計題目 小功率調幅發(fā)射機的設計 二、 設計目的、內容及要求 本次課程設計的目的是： 1、加深對高頻

4、電子線路理論知識的掌握，使所學的知識系統(tǒng)、深入地貫穿到實踐中。 2、提高同學們自學和獨立工作的實際能力，為今后課程的學習和從事相應工作打下堅實基礎。 設計內容：小功率調幅發(fā)射機的設計 （1）掌握小功率調幅發(fā)射機原理； （2）設計出實現(xiàn)調幅功能的電路圖； （3）應用Multisim軟件對所設計電路進行仿真驗證。 技術指標：載波頻率f0=1MHz~ 10MHz；低頻調制信號1KHz正弦信號；調制系數(shù)Ma=50％5％；負載電阻RA=50Ω。 三、 工作原理 用調制信號去控制載波的某個參數(shù)的過程，叫調制。用調制信號去控制高頻振蕩器的幅度，使其幅度的變化量隨調制信號成正比的變化，

5、這一過程叫做振幅調制。經過幅度調制后的高頻振蕩稱為幅度調制波（簡稱調幅波）。 小功率調幅發(fā)射機的工作原理是：由振蕩產生一個固定頻率的載波信號，載波信 號經緩沖級送至振幅調制電路，緩沖級將振蕩級與調制級隔離，減小調制級對晶體振蕩級的影響，放大級將低頻信號放大至足夠的電壓后送到振幅調制電路，振幅調制電路的輸出信號經高頻功率放大器，高放級將載頻信號的功率放大到所需的發(fā)射功率。 調幅發(fā)射機常用于通信系統(tǒng)與其他無線電系統(tǒng)中，在中短波領域應用極為廣泛，由于調幅簡便，占用頻帶窄，設備簡單等優(yōu)點，因此在發(fā)射機系統(tǒng)中應用非常廣泛。 在實際的廣播發(fā)射系統(tǒng)中，中波調幅的頻率范圍為535 ～ 1605KHz

6、，音頻信號中的高音頻率應該被限制在 4.5 KHz以下，發(fā)射功率需要達到300W以上才能使空間覆蓋面達到比較好的狀態(tài)，此次設計需要在實驗室環(huán)境中研究發(fā)射機的工作原理與原件選擇，因此，根據(jù)實驗室條件適當降低技術指標，載波頻率采用實驗室較為常用的6MHz，單音頻調制信號選擇1KHz，發(fā)射機功率初步定為1W。 四、 總體方案 發(fā)射設備是無線電通信系統(tǒng)的重要組成部分，它是將電信號變換為適應與空間傳播特性的信號的一種傳輸裝置。它首先要產生頻率較高的并且具有一定功率的振蕩。因為只有頻率較高的振蕩才能被天線有效的輻射，還需要有一定的功率才可能在空間建立一定強度的電磁場，并傳播到較遠的地方。高頻功率的

7、產生通常是利用電子管或晶體管，把直流能量轉化為高頻能量，這是由高頻振蕩器和高頻功率放大器完成的。 由于在無線通信系統(tǒng)中，只有饋送到天線上的信號波長與天線的尺寸相比擬時，天線才能有效的輻射和接受電磁波因此需要對信號進行調制，使其以高頻的信號輻射出去。 發(fā)射機的主要任務是是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。 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。主振器的作用是產生頻率穩(wěn)定的載波。 低頻部分包括音頻收集、低頻電壓放大級、低頻功率放大級與末級低頻功率放大級。低頻信號通過逐漸放大，在末級功放處獲得

8、所需的功率電平，以便對高頻末級功率放大器進行調制。因此，末級低頻功率放大級也叫調制器。 調幅發(fā)射機主要包括三個組成部分:高頻部分、音頻部分和電源部分。在此此可以省去省電源這一部分。 調幅發(fā)射機通常由主振級、緩沖級、倍頻級、中間放大級、振幅調制、音頻放大和輸出網(wǎng)絡組成。根據(jù)設計要求，載波頻率f=10MHz ，主振級采用克拉潑振蕩電路，輸出的載波的頻率可以直接滿足要求，不需要倍頻器。系統(tǒng)原理圖如圖所示： 圖4.1總體方案框圖 其工作原理：本機振蕩產生一個固定頻率的載波信號，載波信號經緩沖倍頻送至振幅調制電路；話音放大電路將低頻信號（例如語音信號）放大至足夠的電壓送到

9、振幅調制電路；振幅調制電路的輸出信號經高頻功率放大器，高放級將載頻信號的功率放大到所需的發(fā)射功率，然后經天線輸出。 五、 單元電路設計 5.1 主振蕩器模塊 調頻振蕩器的電路形式主要有晶體振蕩器直接調頻，電抗管調頻和變容二極管調頻。晶體振蕩器直接調頻電路的優(yōu)點是提高了振蕩器中心頻率的穩(wěn)定性，但是價格比較的昂貴；電抗管調頻電路與變容二極管調頻電路相比，要復雜一些?？紤]到本設計任務要求中心頻率的穩(wěn)定性不高，所以我選擇了電抗管調頻電路，所謂電抗管，就是由一只晶體管或場效應管加上由電抗和電阻元件構成的移相網(wǎng)絡組成。它與普通的電抗元件不同，其參量可以隨調制信號而變化。電抗管的放大器件可

10、以是電子管、晶體管或場效應晶體管移相電路也有多種型式（如RC或RL移相網(wǎng)絡）,其作用是使放大管Q4的輸出阻抗具有一個電抗分量Xe，當Xe隨輸入信號變化時,即可獲得調頻信號。電抗管調頻器的缺點是振蕩頻率穩(wěn)定度不高；頻移也不能太大,阻抗 Ze通常還具有電阻分量，這個分量也隨輸入信號而變化,使振蕩器產生寄生調幅。常見的電抗管調頻電路主要有電容三點式振蕩器和電感三點式振蕩器。振蕩器電路圖如圖5.1所示： 圖5.1 振蕩器電路原理圖 振蕩器電路仿真圖形如圖5.2所示： 圖5.2主振器仿真波形圖 5.2緩沖器模塊 緩沖隔離級將振蕩級與功放級隔離,以減小功放級對振蕩級的影響,因為功放級

11、輸出信號較大,工作狀態(tài)的變化會影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度或波形失真或輸出電壓減小。為減小級間相互影響，通常在中間插入緩沖隔離級。緩沖隔離級經常采用射極跟隨器電路，緩沖放大器需將振蕩器輸出電壓，以提高電平調幅電路所需的載波輸入信號，所以要有合適且可調的增益。如圖5.3所示： 圖5.3緩沖器電路圖 緩沖器仿真電路圖如圖5.4所示： 圖5.4緩沖器電路仿真圖 仿真圖中R1、R2、R3、R4為偏置電阻，通過調節(jié)R6可以連續(xù)改變輸出正弦波的幅值的大小。 輸入為圖5.5所示時 圖5.5函數(shù)發(fā)生器參數(shù)圖 R6接入50%時的仿真圖形為圖5.6所示： 圖5.6緩沖器輸

12、出波形圖 所以，可以看出調節(jié)R6可以得到所需幅值的正弦波。 5.3高頻放大器模塊 高頻電壓放大器的任務是將振蕩電壓放大以后送到振幅調制器，可以選用高頻調諧放大器。采用集電極調幅電路，就要使用一級高頻電壓放大器，以滿足集電極調幅的大信號輸入。 高頻放大器仿真電路圖如圖5.7所示： 圖5.7高頻放大器仿真電路圖 高頻放大器輸出波形如圖5.8所示： 圖5.8高頻放大器輸出波形圖 5.4音頻放大模塊 音頻放大器仿真電路圖如圖5.9所示： 圖5.9音頻放大器仿真電路圖 輸入如下頻率為1kHZ幅值為1V的正弦波時如圖5.10所示： 圖5.10函

13、數(shù)發(fā)生器參數(shù)圖 音頻放大器仿真波形圖形為圖5.11所示： 圖5.11音頻放大器輸出波形圖 可以通過改變R3值的大小來改變放大倍數(shù)。 5.5振幅調制模塊 集電極調幅電路具有調制線性好，集電極效率高的優(yōu)點。廣泛用于輸出功率較大的發(fā)射機中。振幅調制仿真電路圖如圖5.12所示： 圖5.12振幅調制仿真電路圖 振幅調制輸出波形圖如圖5.13所示： 圖5.13振幅調輸出波形圖 輸出波形原理分析 載波 直接加到放大器的基極。調制信號 加到集電極電路且與直流電源相串聯(lián)。集電極諧振回路LC調諧在載頻 上。 由于與 相串聯(lián)，因此，丙類被

14、調放大器集電極等效電源 將隨變化，從而導致被調放大器工作狀態(tài)發(fā)生變化，在過壓狀態(tài)下，集電極電流 的基波分量振幅 隨成正比變化，從而實現(xiàn)調幅。 5.6高頻功放模塊： 功率激勵級—為末級功放提供激勵功率。 末級功放—將前級送來的信號進行功率放大，使負載（天線）上獲得滿足要求的發(fā)射功率。如果要求整機效率較高，應采用丙類功率放大器，本題要求，故選用丙類功率放大器較好。隔離的作用是為了防止發(fā)射的部分高頻信號對載波信號產生干擾；放大的作用是為下一級提供足夠的功率，采用自給負偏壓丙類諧振功率放大器，通過改變電位器改變負偏壓大小?；芈分C振在工作頻率，可以改變變壓器耦合輸出。 功率放大器電路如圖5.

15、14所示： 圖5.14功率放大器電路圖 公路放大器輸出波形如圖5.15所示： 圖5.15功率放大器輸出波形 5.7整體電路原理 整機電路是由LC電容三點式主振級、緩沖級、高頻電壓放大級、低頻電壓放大級、調制級、高頻功率放大級。其中，LC電容三點式振蕩電路產生高頻率且相對穩(wěn)定的輸入載波信號，倍頻器電路是將振蕩電路產生的載波信號進行進一步的放大，使其變化為更高頻率的信號。調幅電路是將載波信號與低頻信號源產生的調制信號相乘來產生調幅信號?；祛l電路是實現(xiàn)將已調信號與本振信號相乘進行變頻（其中fi=fo+fs）.功率放大電路是將調制信號的能量放大同時濾除不需要的頻率（高次諧

16、波），以免造成對其他電臺的干擾。 六、電路設計總結 整體電路共分為六個模塊，分別為主振級、緩沖級、高頻電壓放大級、低頻電壓放大級、調制級、高頻功率放大級。首先由克拉波振蕩器產生頻率為10MHZ的載波信號，再經過緩沖級，讓振蕩器與振幅調制器隔離開來，不影響載波頻率的穩(wěn)定，然后經過高頻電壓放大器，將輸入電壓進行放大，使輸出電壓滿足高電平的集電極調制器，接著將調制信號經過音頻放大器放大，最后將載波信號與調制信號輸入到集電極調制電路進行普通調幅，然后進行丙類功率放大，經天線輸出普通調幅波。 由于選用的仿真軟件為multisim,有些元件在元件庫里沒有，仿真時就選用了理

17、想的虛擬元件，比如型號為BJT_NPN_VIRTUAL的三極管就是理想的三極管，由于改變了三極管的型號，所以在實際仿真調試時改變了好多偏置電阻的阻值以便是電路輸出所需的波形 七、收獲、體會 這次課程設計對于自己來說是一次很大的挑戰(zhàn)，做起來我感覺比較吃力，雖然剛剛學完了高頻電子線路，但是一直有種云里霧里的感覺，雖然知道應該由哪幾部分構成，每一部分的原理也知道，但是實際做起來就很吃力了，要根據(jù)實際元件的特性去設計元件的參數(shù)，感覺無從下手，，但是有困難不能夠放棄，于是我查閱了一些資料，和同學們一起討論計算，并且去請教學長，慢慢的我有了一點眉目，接著我便開始設計各個單元模塊，對于各個模塊的比較

18、選擇還是比較容易，就是參數(shù)設計比較困難，主要原因是因為對于電路的分析不清楚，我只有接著查找資料，結合老師所將知識，慢慢的一點點的明白計算，最終才算是有些明白。 然而在使用軟件進行仿真時有些三極管找不到，就是用了理想化的模型進行了代替，致使在仿真的過程中修改了一些電阻的阻值，使電路正常工作。 當然這次課程設計也教會了我許多，首先它將我平時的所學結合在一起，有了一個系統(tǒng)的框架，然后再去補充這個框架的內容，使我有了一個課程設計的基本方向和目的，不至于太過盲目；其次也鍛煉了我查閱資料的能力，以及對有用資料的篩選能力；再者通過跟同學們的討論研究，我懂得了合作的重要性。 課程設計是一項很能鍛煉人的實

19、踐，雖然它看起來充滿著困難，但是不管怎么樣我們都得敢于去挑戰(zhàn)，以后還有畢業(yè)設計，這將是一次更大的考驗，不管是從設計原則，設計思路以及報告格式還有心理上來說都是一次很好的鍛煉。 八、參考文獻 [1]曹才開.高頻電子線路原理與實踐.湖南：中南大學出版社.2010 [2]康光華.電子技術基礎.模擬部分(第五版).北京：高等教育出版社.2006 [3]謝自美.電子線路設計.實驗.測試(第三版).武漢：華中科技大學出版社.2000 [4]王堯.電子線路實驗. 南京：東南大學出版社.2000. [5]曾興雯.高頻電路原理與分析.西安：西安電子科技大學出版社.2002. [6]

20、李新平.實用電子仿真技術.北京：機械工業(yè)出版社.2003 附錄一：系統(tǒng)總原理圖  附錄二：系統(tǒng)元件清單 元件 編號 元件 編號 15 KΩ R1 1KΩ R21 5.1KΩ R2 70Ω R25 1.92KΩ R3 50Ω RL 800Ω R4 80pF C1

21、 10 KΩ電位器 R5 0.01uF C4~~C17,C20~~c23 560Ω R6 400PF C2 56KΩ R7 10pF C3 2KΩ R8 51pF C11 400Ω R9 225pF C18 510KΩ R10 1uF C19 1KΩ電位器 R11 100pF C22 100KΩ電位器 R12 25uH L1 30KΩ R13 22uH L2,L4,L6 18KΩ R14,R27 100uH L3 1.5KΩ R15 1uH L5 16KΩ R16,R18 二極管1N4148 D1,D2 50KΩ電位器 R17 三極管 Q1,Q2,Q3,Q4,Q5 10KΩ R19,R24,R26 LM358P U2 600Ω R20 變壓器 T1,U1