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调幅发射机的设计

归档日期:07-09       文本归类:发射机      文章编辑:爱尚语录

  调幅发射机的设计_电子/电路_工程科技_专业资料。高频小功率调幅发射机设计

  小功率调幅发射机的设计、安装和调测 一. 设计目的 训练学生对高频电子元器件及电路的应用能力、 高频电路的设计与调测能力, 高频电子 小系统的设计与调测能力,提高综合应用高频知识的能力、分析解决问题的能力。 二. 设计任务 设计一个小功率调幅发射机,指标为:中心频率 6MHz;频率稳定度≤ 10 ;输出 AM 波峰 包功率≥200mW;调制系数 ma≥50%;包络基本不失真,用短波调幅收音机收听到的声 音清晰且不失真。限定条件:天线Ω ,话筒为驻极体线 三. 方案的确定与电路图 (—)系统方案的确定 根据设计任务要求,可选用图 k1.1 所示的典型小功率调幅发射机的方案。图中,晶体 -5 振荡器的作用是产生频率稳定度≤10 的基本不失线MHz 的正弦波。由于晶体振荡 -6 -5 器频率稳定度通常可达 10 以上,因此一般满足频率稳定度≤10 的要求。缓冲放大器 用于减小高电平调幅电路对振荡器工作的影响, 并对振荡器输出信号进行放大, 其增益 应该合适而且可调,以便满足高电平调幅电路,不难达到发射机的功率和失真要求。调 制系数可以通过 uB(t)和 uΩ (t)的大小来满足,uB(t)的大小通过缓冲放大器的增益来调 节,uΩ (t)的大小通过音频放大器的增益来调节。音频放大器的作用是不失真地放大音 频信号, 其增益应该合适而且可调。 综上可见, 高电平调幅电路是满足系统要求的关键, 应首先设计该电路,然后根据该电路对信号 uB(t)和 uΩ (t)的要求确定其它电路。 晶体振荡器 缓冲放大器 高电平调幅 话筒 音频放大器 图 k1.1 小功率调幅发射机系统框图 (二)单元电路的设计 1.高电平调幅电路的设计 (1)电路及工作状态的选择。高电平调幅电路主要有基极调幅、集电极调幅和集电极基极双重调幅电路。由于输出功率较小,故可选用效率虽较低但调制线性好、电路较简单的 o 基极调幅电路。导通角通常选择 70 左右,采用自给偏置,电路如图 k1.2 所示。为了提高 调制线性度,应使电路工作在欠压区。 1 O+Vcc C2 C3 Lc + CC TA C4 RE +CB2 U LB2 图 k1.2 高电平调幅电路方案 LB1 C1 L TB C5 RA CB1 uB(t) (2)基本原件的选择。图中,CB1、CB2、CC 为隔直耦合电容,C1、C2 为高频滤波电容。π 由于载波频率 fc=6MHZ,音频信号频率 F≈20Hz~20KHZ,故取 CB1=CB2=CC=0.033μ f,C1=C2=1μ f。 C3 为电源去耦电容, 3=10μ f。 C 扼流圈 LC 在该电路中主要起隔离高频信号、 耦合电源的作用, 通常取 10mH。LB2=51Mh。LB1 为高频扼流圈,其作用是隔离高频载波信号,耦合低频的音频信 号,因此取 LB1=470μ H。RE 为负反馈电阻,用以改善波形及测试工作状态,通常取 10Ω 。 (3)滤波匹配网络的设计。L、C4 和 C5 构成π 型滤波匹配网络,为确定它们的值,需要先 确定集电极谐振电阻 Re。 电路的最大输出功率在临界状态时达到, 考虑到匹配网络的实际传 输效率,应选择临界状态时的最大输出功率 POmax1.5 倍输出峰包功率=1.5×220mW=330mW 故选择 POmax=0.6W。设集电极饱和压降 UCES=1V,电源电压 VCC=12V,则临界状态时的高频信 号幅度为 Ucmmax=11V,可得集电极谐振电阻为 2 Re=U cmmax/(2Pomax)≈100Ω 考虑到功放匹配电路中 Qe1、Qe2 不宜太大,否则谐振曲线太尖锐,不易调整,而且传输效 率降低,故取 Qe1=2。由于 Qe1=wcReC4,因此得 6 C4=2/(6×10 ×2π ×100)=530PF 实际可取 560PF,然后根据实验调整。 2 2 由于 Re/(1+Q e1)=RA/(1+Q e2) 故可得 Qe2≈1.22 C5=Qe2/(wcRA)=650PF C5 可取 680PF,然后根据实验调整。 2 2 L=L1+L2=(Qe1/wc)×(Re/(1+Q e1))+ (Qe2/wc)×(Re/(1+Q e1)) =1.72μ H 故 L 取为 1.8μ H. o (4)三极管的选择。设导通角θ ≈70 ,根据三极管临界工作状态时的高频信号振幅 Ucmmax=11V,可求得临界状态时集电极电流为 o icmax=Icmmax/α 1(θ )=Ucmmax/Reα 1(70 )=11/(100×0.44)=0.25A 临界状态时的管耗为 PC=PD-Pomax=icmaxα 0(θ )Vcc-Pomax=0.25×0.25×12-0.6=150Mw 由于失谐管子的管耗大大增加,因此 PCM 的选择应有足够余量。 三极管的最大集电极电压为 uCEmax≈2VCC=24V 2 查手册知:NPN 高频中功率管 9013 的参数为 fT≥300MHz,PCM=700Mw,ICM=300Ma, U(BR)CEO=30V,所以满足上述要求。9013 的管角如图 k1.3(b)所示。 (5)载波电压幅值 Ubm 与调制电压幅值 UΩ m 的选择。由于采用自给偏置,因此 Ubm 应 大于 0.5V。为便于调整、提高调幅性能,应使 Ubm 在 0.5 ~3V 内可调,UΩ m 在 0.1~1v 内可 调,然后通过实验确定它们的合理取值。综上所述,确定高电平调幅电路如图 k1.3(a)所示 LC 10mH C310μ f C310μ f CB1 0.033μ f CB2 10μ f LB1 470μ H C1 1μ F LB2 51Mh CC 0.033μ f C4 560PF RE 10Ω L 1.8μ f RA C5 680PF 50Ω (a) 9013 e b c (b) 图 k1.3 高平调幅电路 (a)电路 (b)9013 管脚排列 2. 电源的选择 除高电平调幅以外的电路,信号的大小和功率都比较小,且对电源无特殊要求,故可根 据高电平调幅电路的电源要求将各电路的电源选为 VCC=12V。 3. 音频放大电路的设计 音频放大电路的输入信号由驻极体话筒提供,其值较大,可达 100mV,为使 UΩ m 能在 0.1~1V 内可调且有一定的调节余量, 可确定音频放大电路增益为 0.1~20, 带宽 20Hz ~ 20kHz。 音频放大电路的 Ri 应远大于 Rs,由于驻极体线 的 Rs 较高 (约几 KΩ )因此可取 RI=20K , Ω。 拟采用图 k1.4 所示的单电源放大电路。图中 12V 电源通过 68kΩ 电阻为话筒提供直流偏 置电压,这是线 工作所要求的。隔直耦合电容 C6 和旁路电容 C7 根据下列式子确定 C6≥(3 ~10)/(2π fLR1) C7≥(3~10)/(2π fL(R2//R3) ) 由于 Aumax=20,fmax=20kHz,而集成运放 LM741 的单位增益带宽为 BWG=1MHz>Aumaxfmax=4× 5 10 Hz,故集成运放可选用 LM741,其管脚排列如图 k1.5 所示。 3 Rf 400kΩ o A R1 20KΩ 7 +12V 2 fduu 6 _ + 3 LM741 R2 30 KΩ 4 + R3 30 kΩ C7 10μ f o uo C6 10μ f 68KΩ uΩ in +12V O +12v 图 k1.4 音频放大电路 NC VCC OUT 调零端 1 调零端 1 ININ+ VSS 图 k1.5 LM741 管脚排列 -5 4.晶体振荡器的指标要求:fosc=6MHz,频率稳定度优于 10 波形大小稳定,失真小,故可 按频率指标设计,然后通过实验确定幅度。 (1) 电路形式的选择。采用应用较广的并联型晶体振荡电路。由于频率不高,故用共发射极 组态就可以了。为便于调节 fosc ,采用类似于改进型电容三点式的结构,如图 k1.6 所示。 (2)工作状态的选择。甲类工作状态波形好、稳定度高,但效率低;乙类、丙类则反之。 由于本方案中所需的输出功率不大,可选择甲类。 (3)元器件的选择 1)直流通路原件的确定。通常取 VBQ=(5~10)UBEQ。由于本电路为甲类工作状态且 uo 大些 好(当 uo 足够大时可省去缓冲放大器) ,故信号动态范围要大些,VBQ 应取大,现取 VBQ=8.8v。 偏置电阻 RB1、RB2 一般取几十 kΩ ,现取 RB2=30kΩ ,则根据 VBQ≈RB2/(RB1+RB2)XVCC 即 8.8V≈30kΩ /(RB1+30KΩ ) X12V 可得 RB1=11KΩ RE1 主要用作交流电流负反馈电阻改善波形,其取值一般比较小,现取 RE1=510Ω ,采用 1kΩ 电位器实现之。 通常小功率振荡器的 ICQ=1~5mA,现取 ICQ=3mA,故可得直流电流负反馈电阻 RE2 为 RE2=(VBQ-VBEQ)/ICQ-RE1=(8.8V-0.7V)/3mA-510Ω ≈2.2kΩ LC 为通直流阻交流的扼流圈,可取 10mH。 2)CE、C5 的确定。CE 为旁路电容,其值太小则旁路作用不佳,太大则易产生见习振荡, 通常按下式选取 CE≥(10~20)/(2π foscRE2) 4 故可选 CE=0.01μ F。 C5 为隔直耦合电容,可按下式选取 C5≥(10~20)/(2π foscRL) 设 RL=1KΩ ,则可选 C5=0.01μ F。 3)回路原件选择。因为 fosc=6MHz,故选用 6MHz 晶体。C3 取 20PF 即可。 C1、C2 是回路电容,应取大些以减小回路参数及分布参数的影响。由于反馈系数为 Fu≈-C1/C2 所以 C1、C2 的比例影响振幅条件及输出大小。C2/C1 太小时易饱和,波形变差;太大时 可能不起振。通常取 C2/C1≈1~10。现取 c1=c2=200PF,实验中视需要可作调整。 4)选管。因为管子甲类工作,为保证管子安全工作,应选择 PCM>ICQUCEQ=3mA×(12v-8.1v)=11.7mW ICM>2ICQ=6Ma U(BR)CEQ>2VCC=24V 应选择特征频率 fT≥(3~10)fosc =(3~10)MHz。根据前面所诉的 9013 参数可知可选用 9013。 综上所诉,可得集体振荡器电路及其电路参数如图 k1.6 所示。 +12V RB1 11KΩ LC 10mH C5 0.01μ F uo 30KΩ RB2 1KΩ RE1 CE 0.01μ F C3 20PF 200PF C1 6MHz RE2 2.2KΩ 图 k1.6 晶体振荡电路 C2 200pf 5. 缓冲电路的设计 缓冲放大器需将振荡器输出电压放大为 0.5~3V 的电压,以提高电平调幅电路所需的载 波输入信号,所以要有合适且可调的增益。由于信号频率高,故不采用普通运放实现放大, 应采用集成宽带放大器或采用三极管分立元件电路。 5 实践表明,采用前述高电平调幅电路时,只要 Ubm 达到 1.2V 就够用,该晶体振荡器能满 足 Ubm=1.2v 的要求,因此可省去缓冲放大器 (三)总电路图 6 7 四 、列出元器件清单及所需仪器清单 电阻 10Ω 1 个 50Ω 1 个 2.2kΩ 1 个 11kΩ 1 个 20 kΩ 1 个 30 kΩ 3 个 电容 200PF 2个 560PF 1个 680PF 1个 0.01μ F 2 个 0.033μ F 2 个 1μ F 2个 10μ F 2个 电感 1.8μ H 1 个 470μ H 1 个 10 mH 2 个 51 mH 1 个 电位器 1kΩ 1个 430kΩ 1 个 面包板 1 块 其它器件 三极管 集成运放 9013 2 个 LM741 1 个 直流稳压电源 1 台 示波器 1台 晶振 6MHz 1 个 高频信号发生器 1 台 万用表 1 台 五、安装调测举例 (一) 看样板,确定总电路布局和电源、地、输入端、输出端的位置。 (二) 单元电路的安装与调测 1. 调幅电路(设载波频率为 6MHz) (1) 在合适的位置安装调幅电路,仔细检查,确保安装正确可靠。用万用表的 “x1Ω ”档测量电源和地间的电阻,以保证电源未被短路。 (2)谐振功放的调谐、调整与测量 1)调谐:将直流稳压电源调为+5v,然后接入电路。在 uB(t)端输入 6MHz、幅值 1V 的 正弦波,用双通道示波器同时观察 uB(t)端、输出端 uo 的波形。调节信号发生器的频率, 观察 uo 大小、 失真情况的变化。 uo 最大且基本不失真时, 当 就调好了。 若谐振频率偏离 6MHz 较多,则需调整电路,使谐振频率为 6MHz;若谐振频率为 1MHz,则记录该频率 f0= 2)将直流电源调为+12V,减小输入信号,直到 uE 端的余弦波脉冲刚刚消失,记录此时 的信号幅值 Ubmmin= ,此即功放工作需要的最小值。 3)调整与测量:根据指标 Pomax≥220mV,可求得输出电压必须满足 Uomax≥4.7V,因此应 调节输入信号大小,观察发射极信号 uE 的变化,使功放工作于临界状态(临界时 uE 为最高 尖脉冲) ,测量此时的 uo 的幅值,若 uo 幅值小于 4.7V 或波形失真,则需对电路作调整;若 uo 幅值大于 4.7V 且波形不失真,则记录 Uomax= ,并测量、记录相应的输入幅值 Ubmmax= 。这样得到使功放欠压工作的输入信号范围 Ubmmin~Ubmmax。 (3)调幅和测量 1)加载波信号:在 uB(t)端加上 6MHz 的正弦波,为获得较大调幅度,载波幅值宜取 Ubm= (Ubmmin+Ubmmax)/2。 2)加调制信号:在 uΩ (t)端加上 6MHz 的低频正弦波,观察输出电压波形,应为普通 调幅波。调节调制信号的幅值,使调幅电路能输出调制系数 ma≥50%、Uomax≥4.7V、包络基 本不失真的普通调幅波,否则需调整电路。测量并记录 fΩ =1kHz、Uomax=4.7V 且 ma=50%时对 8 应的 Ubm= ,UΩ m= 。 3)保持调制信号的大小不变,调节其频率,观测并记录调幅电路对调制信号的通频带 频率范围:fΩ = ~ 。 2 晶体振荡电路 (1)安装电路,仔细检查,确保安装正确可靠。 (2)断开正反馈环路,接通 12V 直流电源,用万用表测量 UEQ,从而求出 IEQ,与理论值 进行比较,无异常则可进行下面测试,若异常则需排除故障或调整电路。 (3)接通正反馈环路,用示波器观察输出波形。若无波形,应确认是否构成正反馈。 若能确认,则可增大环路增益,使输出稳定波形。用示波器观察输出波形的形状和频率,若 频率明显不对,则为寄生振荡或晶体不对;若频率正常。则用频率计测量之。若波形明显失 真,则应调整三极管工作状态,使管子工作在甲类状态,输出波形不失线)观测振荡频率和输出信号的大小。若振荡频率约为 6MHz,则满足输出要求,否则 要调整电路。若带调幅电路时的输出电压幅值在 1V~12V 之间,则能满足调幅电路对载波大 小的要求,否则要调整电路或设计缓冲放大器。当电路调好后,测量并记录:fosc= , 半小时频率稳定度为 ,空载时输出电压为 ,带调幅电路时输出电压值为 。 3. 音频放大电路 (1)安装电路,仔细检查,确保安装正确可靠。 (2)接通 12V 直流电源,用万用表测量 LM741 的输入、输出脚直流电位:UIN+= , UIN= , UO= ,并与理论值比较,若直流电位正常,则进行下面的测量。 (3) 输入 6kHz、 幅值 100mV 的正弦波, 调节 Rf, 观测输出幅值范围, 若输出幅值能在 0.1V~1V 内可调,则满足了增益指标。记录输出幅值范围: ~ 。 (4)输入 6kHz、幅值 100mV 的正弦波,调节 Rf,使输出电压幅值为 0.5V。然后保持输入信 号的大小不变, 调节其频率, 测量音频放大电路的 30dB 带宽对应的频率范围: ~ 。 若通频带能覆盖 120Hz~120KHz 范围,则音频放大电路就调好了。 (三) 系统电路统调与性能指标测量 (1)按照总电路图连接各单元电路,仔细检查,确保安装正确可靠。 (2)接通 12V 直流电源,同时观察调幅电路的载波输入波形和输出波形,若输出波形不 失真,则可进行下面的调试。 (3)给音频放大电路输入 6kHz、幅值 100mV 的正弦波,观察整机输出电压波形,应为 普通调幅波。调节 Rf,使整机输出为调制系数 ma≥50%、Uomax≥4.7V、包络基本不失真的普 通调幅波。 (若不能,则需调整调幅电路载波信号的大小) 。测量并记录 fΩ =6kHz、Uomax=4.7V 且 ma=50%时对应的载波信号幅值 Ubm= ,音频放大电路的输入信号幅值 Uω inm= 。 (4)保持音频输入信号的幅值不变,改变其频率,测量音频通道的 3dB 带宽频率范围: ~ 。 (5)功能、指标达标后,保持现场,申请验收,否则,应通过分析原因,采取合理的 措施调整电路,知道达到指标为止。 9 六、实测性能指标与整机视听效果 通过对实验结果的收听,得到了理想的放大的不失真的信号。 七、改进意见和收获体会 改进意见:电源线应该接到同一个地方,方便连线。 同一个模块的电路应该尽量连接到同一个地方。 收获体会: 通过一个星期的实验和课程设计,我学会了基本的电路连接,提高了我对高频电子元器 件及电路的应用能力, 提高了对高频电路的设计与调试能力, 提高了对高频电子小系统的设 计与调测能力,提高了综合应用高频知识的能力和分析问题的能力。 通过实验提高了我对高频电子元器件的应用能力,设计和调试能力,提高了综合应用高 频电子器件的能力。 课程设计师直接提高我们应用能力的重要的手段, 我们应该全面应用每一次的实验和课 程设计的机会去提高我们的能力。 10

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