小功率调幅发射机的设计_毕业论文(编辑修改稿)

小功率调幅发射机的设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

丙类谐振功率放大器，如果一级放大器不能满足要求，可以选用两级或者三级 [2]。 传输线与天线 天线的主要作用是把已调制的高频信号变成电磁波，辐射到空间去，从而实现无线电的发射功能 [6]。 由于无线设备本身的传播距离的限制，因此，若想达到比 较理想的传播距离，必须外接天线 [6]。 这里面就必须涉及到两个概念： 频率范围 频率范围指的是天线的工作频段，这个参数决定了它适用于哪个无线标准的无线设 [6]。 增益值 增益值表示天线的功率放大倍数，增益值越大代表对输入信号的放大倍数越大，传输质量也就越好 [6]。 9 第三章 单元电路的设计与仿真 主振级与小信号电压放大级的设计 主振级是调幅发射机的核心部件，其性能的好坏直接影响到发射信号的质量，因此，主振级产生的载波信号必须有较高的频率稳定度和较小的波形失真度，本机主振级备选方案可以有三种， RC 正弦波振荡器，石英晶体振荡器，三点式 LC 正弦波振荡器等。 方案一：采用石英晶体振荡器，石英晶体振荡器具有较高的频率稳定度，在选择合适的偏置电路的情况下，频稳度可达到 1110 数量级，而且，其工作状态稳定，波形失真度也比较小，因此，在频稳度要求较高的电路中，可以选用石英晶体振荡器作为主振级。 方案二：采用 RC 正弦波振荡器，由于 RC 振荡器主要是由电阻和电容组成的，在电路中并没有谐振回路，因此， RC 振荡器不适合于作为高频振荡器。 方案三：采用 LC 三点 式正弦波振荡电路，三点式振荡电路有电容三点式和电感三点式之分，相对来说，电容三点式的输出波形相对电感三点式要稳定，且频率变化不会改变电抗的性质，因此振荡器一般都采用电容三点式形式。 在频率稳定度要求不是很高的情况下，可以采用普通的电容三点式振荡电路，如克拉泼电路和西勒电路。 LC 回路由于受到标准性和品质因数的限制，其频稳度一般只能达到 410 数量级。 为使整机电路简单并且频稳度度较高，本机采用石英晶体振荡器。 石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分是二氧化硅。 石英晶 片所以能做成谐振器，是基于他具有压电效应的原理。 晶片的固有机械振动频率又称为谐振频率，其值与晶片的几何尺寸有关，具有很高的稳定性 [19]。 石英晶体振荡器是利用石英晶体谐振器作为滤波元件构成的振荡器，其振荡频率由石英晶体谐振器决定。 与 LC 谐振回路相比，石英晶体谐振器具有很高的标准性和极高的品质因数，因此石英晶体振荡器具有较高的频率稳定度，采用高精度和频稳措施后，石英晶体振荡器可以达到 4910 10的频率稳定度。 根据设计指标的要求晶体振荡电路如下所示，晶振， C1， C2， C3 与 T1 构成改进型电容三点式振荡电路，振荡频率由晶振的等效电容和等效电感决定。 电路中的 T1 静态工作点由 R1R2 和 R3 决定，在设计静态工作点时，应首先决定集电极电流 Icq，一般都取~4mA， Icq 过大会引起波形失真，有时还伴随产生高次谐波 [6]。 设晶体管β =60，Icq=2mA， ，由三极cceq VV )3/1~2/1(管的回路计算方法可推算出 R1=150kΩ， R2=100Ω， R3=3kΩ。 晶体振荡级与小信号放大级联合电路图如图（图 311）所示 [7]： 10 此电路中主振级工作在较低的 6MHz 的频率上，一般晶体振荡器都能达到要求，且具有一定的输出电压，而且频率稳定度较高，无需进行倍频 [3]。 频率输出需要通过 C1 微调，使振荡频率稳定在 6MHz。 R1 、 R2 和 0pR 构成分压式偏置电路， C2 和 C3 的串接电容直接并接在晶体两端，为晶体的负载电容。 主振级的模拟仿真结果如下（图 312 和图 313）所示， 由晶振产生的信号由于振幅较小，因此需要加入小信号放大器，从而提高振荡级的输出振幅， T1 构成小信号电压放大器，由 0pR 控制输出电压的振幅。 高频电压放大器的任务是将振荡电压放大以后送到振幅调制器，可以选用高频调谐放大器。 需要使用几级放大器要看振幅调制器选择什么样的电路型式。 如果选用集成模拟乘法器作振幅调制器，输入信号是小信号。 当振荡器输出电压能够满足要求时，可以不加高频电压放大器。 如果采用集电极调幅电路，就要使用一至二级高频电压放大器，以满足集电极 调幅的大信号输入。 谐振放大器的调试方法与阻容耦合放大器相同，首先应调整每一级所需的直流工作点，但要图 311 主振级单元 电路 图 312 晶振产生的载波频率 图 313 晶体振荡器输出波形 11 注意一点：在多级谐振放大器中，由于增益高，容易引起自激振荡。 因此，在测试其直流工作点时，应先用示波器观察一下放大器的输出端是否有自激振荡波形。 如果已经有自激振荡，应先设法排除它，然后再测试其直流工作点。 否则，所测数据是不准确的。 对于调谐放大器的频率特性、增益及动态范围的调整及测试，一般有两种方法，一种是逐点法；一种是扫频法。 后者比较简单、直观。 但由于其频标较粗，对于窄带调谐放大器难以精确测试 [6]。 经过小信号 放大后输出波形 (图 314）如下 [5]： 与未加入放大器时相比，波形和频率都没有变化，指示振幅（电压）有所增加。 缓冲隔离级的设计 为了减小调制级对主振级的影响，需要采用加入缓冲级的方法。 在缓冲隔离级的选择上不论是在低频电路还是高频电路的整机设计中，缓冲隔离级常采用射极跟随器电路 [1]。 调节射极电阻 Rp1，可以改变射极跟随器输入阻抗。 如果忽略晶体管基极体电阻 rb39。 b 的影响，则射极输出器的输入电阻 39。 //i B LR R R ，式中， 39。 6 1 2( ) //L p pR R R R, 45//BR R R  ，输出电阻 Ro 为 Ro=(R6+Rp1)//r0。 式中， r0 很小，所以可将射极输出器的输出电路等效为一个恒压源 [3]。 缓冲隔离级单元电路图（图 321）如右： 电压放大倍数 VA 为： 图 314 经小信号放大器后输出载波 LmLmV RgRgA   1 12 式中， mg —— 晶体管的跨导，一般情况下。 所以图示 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。 晶体管静态工作点应位于交流负载线的中点，一般取 ， 3 10CQI mA。 对于图示电路，取 6CEQVV，4CQI mA ，若晶体管电流放大倍数β =60，则 61 / 1 .5p E Q C QR R V I k   ，取 R6=1kΩ的电阻， Rp1=1kΩ的电位器。 10RB BQII， βCQBQ II  ， KI c qV c e qI e qV e qRkRbV e qV b qV c cR1010 ) c c105β （ 估算功率激励级的输入阻抗为 335Ω，即射随器的负载电阻 Rp2=335Ω，并可计算出射随器的输入电阻 Ri，即 3 .6Bi LRRKR    输入电压 Vi 为 为减 小射随器对前级振荡器的影响，耦合电容 C1 不能太大，一般为数十皮法。 C2 为 F 左右。 语音放大级电路设计 语音放大器主要是对语音信号进行放大和限频，经过放大后的语音信号送入调制级对高频载波信号进行调制，本机采用 LM386 进行语音功率放大。 电源由 6 脚引入， 4 脚接地， 8 脚与地之间接有源滤波退耦电容 C7。 信号由 3 脚引入，经放大后由 1 脚经输出电容1LmRg CCCEQVV 21 iii RPV图 321 缓冲隔离级单元电路 13 C8 送到受调放大级。 3 脚到地之间接入 C6 和 RP4 组成负反馈电路，决定放大倍数的大小。 RP4 越小，电路增益越高；反之，增益越小 [9]。 语音放大级单元电路图（ 图 331）如下 : 音频放大器输出波形模拟图（图 332）如下 [5]： 幅度调制电路的设计 所谓振幅调制就是用被传输的低频信号去控制高频振荡器，使其输出信号的幅度随着低频信号的变化而变化，从而实现低频信号搬移到高频段，被高频信号携带并有效进行远距离传输的目的。 完成这种调制过程的装置称为振幅调制器。 振幅调制（ AM）就是用低频信号（调制信号） )(tU 去控制高频载波 )(tUc 的振幅，使载波的振幅随调制信号成正比变化。 调制过程如图所示： 图 331 语音放大级电路 图 332 音频放大器输出波形模拟图 14 (1)普通调幅信号的数学表达式 为了突出基本概念，简化分析，假设调制信号为单频等幅余弦波，即 tUtU m   c os)( （ 341） 设载波电压为 tUtU ccmc c os)(  （ 342） 通常载波频率远远大于调制频率，即满足 c  ，根据调幅 的定义可直接写出调幅波的表示式 ttmUttUtU cacmcAM  c o s)c o s1(c o s)()(  （ 343） （ 2）调幅度的定义 调幅度（又称调制度或调制指数）反映了调制信号对高频载波幅度的控制能力，它是mac UkU  与载波振幅之比，即 cmmacmca UUkUUm  （ 344） 式中， ak 为比例常数。 但在实际测量中并不利用此公示计算，一般采用波形测量的方（ a）调制信号波形 （ b） 载波信号波形 （ c） Ma＜ 1时的已调波形 （ d） Ma=1时的已调波波 形 （ e） Ma＞ 1时的已调波波形 图 341 调幅波调制过程 t t t t t 15 法，如右图（图 342）所示， )cos1( tmU acm  是包络函数，它反映了调幅信号包络线的变化。 因此，在调制信号的一个周期内调幅信号的最大振幅为 )1(m a x acmcm mUU  ，最小振幅为 )1(m in acmcm mUU  ，由此可得调幅度， m inm a xm inm a xcmcmcmcma UU UUm  （ 345） 由上式可得调幅度还可以表示为 %100 BA BAma （ 346） 式中， max2 cmUA ； min2 cmUB。 为了使调幅波不失真，即高频振幅能真实的反映调制信号， am 应小于或者等于 1am ，则产生过调制，如上边（ e）图所示，实际中应该避免产生过调幅。 根据设计指标的要求以及为了最大程度的减小各极间的干扰，本机采用模拟乘法器作为调幅电路，模拟乘法器的出现，使高质量的调幅信号的产生变得很简单，而且成本也很低。 幅度调制单元电路图（图 343）如下图： Umax Umin B A 图 342 普通调幅波波形 图 343 调幅电路 16 根据设计要求的工作电压以及模拟乘法器的工作特性设置静态工作点。 乘法器的静态偏置电流主要由内部恒流源 Io 的值来确定 ,Io 是第 5 引脚上的电流 I5 的镜像电流，改变电阻 R25 可调节 Io 的大小。 在设置乘法器各点的静态偏置电压时，应使乘法器内部的三极管均工作在放大状态，并尽量使静态工作点处于直流负载线的中点，对应于图所示电路，应使内部电路中三极管的 Vce=4V~6V，即 V6V8=V12V10=4V~6V， V8V4=V10V1=4V~6V， V2（ Vee） =V3（ Vee） =4V~6V。 为了使输出上，下调制对称，在设计外部电路时，还应使 V12=V6， V8=V10，而且 12 脚及 6 脚所接的负载电阻应相等，即 R28=R29，调制输出信息波形（图 344）如下。