调幅发射机设计毕业设计论文.doc

湖南工程学院

课 程 设 计

课程名称 高频电子线路
课题名称 调幅发射机设计

专 业 电子信息工程
班 级 电信
学 号
姓 名
指导教师 刘 望 军

2015年 月 日
湖南工程学院
课 程 设 计 任 务 书

课程名称 高频电子线路
题 目 调幅发射机设计
专业班级 电子信息工程
学生姓名
指导老师 刘 望 军
审 批 陈 爱 萍

任务书下达日期 20年月日
设 计 完成日期 20年06月 20 日

设计内容与设计要求
一．设计内容
1、 设计一个点频调幅发射机。
2、 已知条件：电源+Vcc=+10V、VEE=—10V；主要器件有MC1496、3DG100、3DG130、NXO-10磁环；话音放大器输入电压为5mV，调制频率300Hz～3kHz，负载电阻RL=75Ω。
3、主要技术指标要求：工作频率f=3.6MHz，发射功率P0≥100mW，调幅度ma=50%，整机效率大于40%。
4、实验仪器：函数信号发生器、高频信号源、高频实验箱等。
注意：晶体管、集成音频功放等器件可自由选择，或根据实验箱器件来选用。

二．设计要求
1、设计思路清晰，画出整体设计框图；
2、给出具体设计思路，画出单元电路；
3、单元电路进行分析计算，确定器件参数；
4、（*调试步骤）编写设计说明书；
5、画出整机原理图、PCB图。
6、由于涉及单元电路多，每个同学可以各自重点负责其中一模块，然后合作完成整个发射机设计。
主要设计条件
1、提供函数信号发生器、示波器；
2、提供直流电源一台；
3、必要的元器件和导线等；
4、高频电路实验箱。

说明书格式
1） 课程设计封面；
2） 设计任务书；
3） 说明书目录；
4） 设计总体思路，基本原理和框图；
5） 单元电路设计分析；
6） 实验调试；
7） 总结与体会；
8） 附录；
9） 参考文献；
10）整机原理图。
进度安排
第1天：下达设计任务书，介绍课题内容与要求；
第2、3天：查找资料，确定总体设计方案，设计方案论证；
第4～8天：硬件电路设计，单元电路原理和计算分析；
第9天：书写论文，画整机原理图
第10天：整理资料，准备答辩。（共两周）
参考文献
1、高吉祥主编，高频电子线路，（第2版），高等教育出版社。
2、谢自美主编，电子线路设计.实验.测试，华中理工大学出版社。
3、谢嘉奎主编，电子线路（非线性部分），高等教育出版社。
4、彭介华主编，电子技术课程设计指导，高等教育出版社。

说明书目录
一、总体设计思路 6
一、设计总纲 6
1. 调幅发射机系统设计 6
（1）点频调幅发射机框图 7
（2）各部分的作用 8
二、模块电路设计 8
1.本机振荡 8
2.倍频电路 10

3.缓冲电路 10
4.调制电路 11
5．高频功率放大 13
（1）集电极电源提供的直流功率 14
（2）集电极输出基波功率 15
（3）集电极效率ηc 15
（4）偏置电路 17
6.匹配网络 19
三、附录 21
四、电路安装与测试 22
1.振荡器调试 22
2.调制器的测试 22
3.常见故障分析 22
五、课程设计心得 23
六、参考文献 24
七、整机原理图及PCB 25
1.PCB板 25
2.3D-PCB 25
3.原理图………………………………………………………………..........…26
八、课程设计评分表 ………………………………………………….27

一 设计总纲
1. 调幅发射机系统设计
通信系统中的发送设备是将信息发送者送来的非电量原始信息（信源）如语音、文字和图像等转变成电信号，再把信号处理成适合于信道传输的信号形式送至信道。信源信号在通信系统中称为基带信号。基带信号是频谱在零频附近的宽带信号，这种信号一般具有从零频开始的较宽的频谱，而且在频谱的低端分布较大的能量，所以称为基带信号，这种信号不宜直接在信道中传输。如果将消息信号对频率较高的载波进行调制，就能使信号的频谱搬移到适合信道的频率范围内进行传输。例如声音基带信号的频率范围是20Hz～20kHz，这样的基带信号是不能在无线信道上传输的。即使在某些可以传输直流的有限信道上，为了提高信道的通信容量，基带信号的传输方式也很少采用。
一般是用基带信号去改变某个高频正弦电压（载波）的参数，使载波的振幅、频率或相位随基带信号而变化，这一过程称为调制。
在通信系统中，调制有三个主要作用：1调制的过程就是一个频谱搬移的过程，将原来不适宜传输的基带信号频谱搬移到适宜传输的某一个频段上，然后传输至信道；2调制的另一个重要作用是实现信道复用，即把多个信号分别安排在不同的频段上同时进行传输，以提高信道容量；3调制可以提高通信系统抗干扰的能力，例如将信号频率搬移，从而离开某一特定干扰频率。
对不同的信道，根据经济技术等因素，可以采用不同的调制方式。以模拟信号为调制信号，对连续的正（余）弦载波进行调制，亦即载波的参数随着调制信号的作用而变化，这种调制方式称为模拟调制。
而所谓振幅调制就是由调制信号去控制载波的振幅，使之按调制信号的规律变化，严格地讲，是使高频振荡的振幅与调制信号呈线性关系，其他参数（频率和相位）不变。这是使高频振荡的振幅载有消息的调制方式。
通信系统中的发送设备若采用调幅方式则称为调幅发射机，一般调幅发射机的组成框图如图所示，工作原理是：本机振荡产生一个固定频率的载波信号，载波信号经缓冲倍频送至振幅调制电路；话音放大电路将低频信号（例如语音信号）放大至足够的电压送到振幅调制电路；振幅调制电路的输出信号经高频功率放大器，高放级将载频信号的功率放大到所需的发射功率，然后经天线输出。由调幅发射机的工作原理和给定的参数，得
（1）点频调幅发射机框图

图一.调幅发射机原理框图
（2）各部分的作用
本机振荡：产生频率为1.8MHZ的载波频率
缓冲级：将振荡级与调制级隔离，减小调制级对振荡级的影响；将功率放大级与调制级隔离，减少功率放大级对调制级的影响。
低频放大级：将低频信号放大到调制器所需的电压。
调制级：将低频信号调制到载波上产生调幅信号。

二 模块电路设计
1. 本机振荡
本机振荡器就是高频振荡器根据载波频率的高低、频率稳定度来确定电路型式。高频电子线路所讨论的工作频率是几百赫兹至几百兆赫兹，而本次课程设计所涉及的最高频率受到实验条件的限制，一般选用30兆赫兹以下。因此采用的振荡器的电路型式一般为电容三点式。在贫困稳定度要求不高的情况下，可以采用克拉波、西勒电路。频率稳定度要求高的情况下，可以采用晶体振荡器，也可以采用单片振荡器。
本次课程设计采用了西勒振荡器。当要求电容三点式振荡电路的振荡频率更高时，则应使电容C4、C5的值较小。由于C4并接在三极管的c、e极之间，C5并接在三极管的b、e极之间，当管子的极间电容随温度等因素的变化而变化时，将对振荡频率产生显著影响，造成振荡频率的不稳定。为了减小极间电容的影响，提高电路频率的稳定性，对电容三点式振荡电路进行适当改进就形成了改进型电容三点式振荡电路.该电路称为串联型电容三点式振荡电路，又称克拉泼振荡电路。

由图2可知，这种电路是在电容三点式振荡电路的电感支路上串进了一个小电容C而构成的（C6对交流短路，属共基组态）。C4、C5、C及L1组成谐振回路，当C<< C4、C<<C5时，求得振荡频率为：
(1)

式1可见，振荡频率基本上与C4、C5无关，因此，可选C4、C5的值远大于极间电容，这就减小了极间电容变化对振荡频率的影响，提高了振荡频率的稳定性。
-

图2 本机振荡电路

谐振回路的总电容等于

由此，可求得该振荡器的振荡频率为

2倍频电路
1.8MHz3.6MHz
倍频电路采用 模拟乘法器电路，只需将两个1.8MHz信号输入端接入同一载波信号即可。由于调制电路也采用 模拟乘法器电路，所以 的具体应用将在调制级介绍。

3.缓冲电路
缓冲隔离级将振荡级与功放级隔离,以减小功放级对振荡级的影响,因为功放级输出信号较大,工作状态的变化会影响振荡器的频率稳定度或波形失真或输出电压减小。为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级经常采用射极跟随器电路，如图3所示。

图3 调幅发射机缓冲滤波器
调节射极电阻RE2，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的影响，则射极输出器的输入电阻 ：
输出电阻 ：
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，电压放大倍数

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、电压放大倍数近似于1的特点。晶体管的静态工作点应位于交流负载的中点，一般取，

4.调制电路
振幅调制器的任务是将所需传送的信息加载到“高频”振荡中，以调幅波的调制形式传送出去。通常采用低电平调制和高电平调制。采用模拟乘法器实现调制的方式是属于低电平调制，输出功率小，必须使用高频功率放大器才能达到发射功率的要求。采用集电极调幅电路实现调制的方式是属于高电平调制。如果集电极调制电路的输出功率能够满足发射功率的要求，就可以在调制级将信号直接发射出去。
根据题意及给定的主要器件，选定模拟乘法器MC1496构成的调幅电路如图所示。
根据课题给定的工作电压及模拟乘法器的工作特性设置静态工作点。乘法器的静态调制电流主要由内部恒流源I0的值来确定，I0是第⑤脚上的电流I5的镜像电流，改变电阻R25可调节I0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。对应于上图所示电路，应使内部电路中的三极管的VCE=4V~6V，即V6-V8=V12-V10=4V~6V,V8-V4=V10-V!=4V~6V,V2-(-VEE)=V3-(-VEE)=4V~6V。为了使输出上、下调制对称，在设计尾部电路时，还应使V12=V6、V8=V10，而且第脚及第⑥脚所接的负载电阻应相等，即R28=R29。
按上图所示电路装调后，测各引脚的静态偏置电压为：
V1=-6V, V4=-6V, V2=-6.5V, V3=-6.5V, V6=+6.9V, V12=+6.9V, V5=-10.4V, V10=+0.5V, V8=+0.5V。
设调制信号为，其平均值=0。f(t)叠加直流后对载波的幅度进行调制，就形成了常规调幅信号，也称为标准调幅信号或完全调幅信号，其时间波形表达式为
（2）
式2中为载波信号的角频率，为载波信号的起始相位（通常取=0）。
设调制信号，则调幅信号为
（3）
当满足条件时，已调信号的包络与调制信号成正比，用包络检波的方法很容易恢复出原始的调制信号；当就会出现过调幅现象。时则为满调幅。在实际系统中，通常取在30%~60%之间。
由上述分析可知，振幅调制信号就是载波与调制信号相乘所产生的。由于两个信号都是模拟信号，所以需要使用模拟乘法器完成这一过程。
模拟乘法器是一种能完成两个模拟量的相乘的电子元件。高频电子线路中的振幅调制就是载波和调制信号相乘的过程
构成的振幅调制电路如图4所示。

图4 调幅发射机调制电路

5．高频功率放大
高频功率放大电路由宽带功放和丙类功放两级组成。
丙类谐振功率放大器是利用选频网络作为负载回路的功率放大器。如图所。

下面所介绍的是丙类功率放大器的工作原理及基本特性。
功率放大器是依靠激励信号对放大管电流的控制，起到把集电极电源的直流功率变换成负载回路的交流功率的作用。在同样的直流功率的条件下，转换效率越高，输出的交流功率越大。
（1）.集电极电源提供的直流功率

式中Ic0为余弦脉冲的直流分量。

式中为余弦脉冲的最大值；为余弦脉冲的直流分解系数。

式中为晶体管的导通电压；为晶体管的基极偏置；为功率放大器的激励电压振幅。
（2）.集电极输出基波功率

式中：为集电极输出电压振幅；为余弦电流脉冲的基波分量；为谐振电阻。

（3）.集电极效率ηc
===ξ
式中：ξ=为集电极电压利用系数；为余弦脉冲的基波分解系数。
功率放大器的设计原则是在高效率下取得较大的输出功率。在实际运用中，为兼顾高的输出功率和高效率，通常取=。
丙类谐振功率放大器的负载特性
若、和三个参数固定, RΣ发生变化, 动态线、以及Po、η等性能指标的变化就是谐振功放的负载特性。
由下图可知, 和固定意味着Q点固定, 固定进一步意味着θ也固定。根据公式, 放大区动态线斜率将仅随RΣ而变化。图中给出了三种不同斜率情况下的动态线。

动态线A1B1的斜率最大， 即对应的负载最小, 相应的输出电压振幅也最小, 晶体管工作在放大区和截止区。
动态线A2B2的斜率较小，与特性曲线相交于饱和区和放大区的交点处(此点称为临界点), 相应的输出电压振幅增大, 晶体管工作在临界点、放大区和截止区。动态线A3B3的斜率最小, 即对应的负载RΣ最大, 相应的输出电压振幅比略为增大, 晶体管工作在饱和区、 放大区和截止区。
根据输出电压振幅大小的不同, 这三种工作状态分别称为欠压状态、临界状态和过压状态, 而放大区和饱和区又可分别称为欠压区和过压区。
注意, 在过压状态时, 波形的顶部发生凹陷, 这是由于进入过压区后转移特性为负斜率而产生的。

下图给出了负载特性曲线。

由图可以看到, 随着RΣ的逐渐增大, 动态线的斜率逐渐减小, 由欠压状态进入临界状态, 再进入过压状态。在临界状态时, 输出功率Po最大, 集电极效率η接近最大, 所以是最佳工作状态。
负载特性所反映的电压、功率和效率的变化关系，可以帮我们认识功率放大器的不同特点，并且根据不同工作状态的特点，使放大器得到合理的利用，满足高频设备提出的要求。
（4）、偏置电路
如图是三种常用的电路，图一是利用基级电流在基区扩展电阻上的降压作为偏置电压。他的缺点是偏压小，而且随晶体管而变，不能保持稳定的偏压。优点是电路简单，在大功率丙类功放中得到广泛的应用。图2是利用基级电流的直流分量在上的降压得到偏置电压，是高频旁路电容。他的优点是偏置电压随输入信号电压的大小起自动调节的作用。图3是利用发射极电流的支流分量在上建立偏压，是高频旁路电容。避免Re上产生交流反馈，其RC时间常数应满足。它可以自动维持放大器的稳定工作，当激励信号加大时,加大，负偏压加大，使得相对增加量减少。这实质上就是支流负反馈的作用，可以使放大器工作状态变化不大。缺点是由于上建立了一定大小的直流偏压，减小了电源电压的利用率，因
此不宜取得过大，以免影响放大器的输出功率。而且在高频工作时，发射极很难完全接地，故在频率很高的丙类功放中使用较少。

丙放工作状态计算

6.匹配网络
1) 高频功率放大电路由宽带功放和丙类功放两级组成。
丙类谐振功率放大器是利用选频网络作为负载回路的功率放大器。如图6所示。它是发射机中的重要组成部件。根据放大器电流导通角的范围可以
分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。电流导通角愈小，放大器的效率η愈高。如甲类功放的=180o，效率η最高也只能达到50%，而丙类功放的<90 o,效率η可达到80%。甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。

图5 谐振功率放大电路

2) 高频功率放大器
高频功率放大器是调幅发射机系统的末级，它的任务是要给出发射系统所需要的输出功率。这次课程设计采用的丙类功率放大器，如果一级不能满足指标要求，可以选用两级。一般末级功率放大器工作在临界状态，中间级可以工作在弱过压状态。
调幅发射机功放如图6所示：

图6 调幅发射机高频放大器
3) LC选频输出匹配电路
LC选频匹配网络有倒L型、T型、π型等几种不同组成形式，其中倒L型是基本形式。现以倒L型为例，说明其选频匹配原理。
倒L型网络是由两个异性电抗元件、组成，常用的两种电路如图所示，其中是负载电阻，是二端网络在工作频率处的等效输入电阻。如图7所示：

图7 LC选频输出匹配电路
三 附录
原件 个数
电阻 32个
滑动变阻器 3个
电容 25个
电感 3个
高频扼流圈 2个
变压器 2个
NPN三极管 5个
MC1496芯片 1片
放大器 1个
天线 1根
电源 若干

四 电路安装与测试
电路调试应先分别调整各级静态工作点，然后从前级向后级逐级调整输出信号。
1. 振荡器调试
调振荡器时，应先断开晶振，使振荡器不振荡，再用万用表测三极管的各级电压，VEQ应满足VEQ/(R2+R3)≈ICQ=2mA,若不满足则可调整R1的值。将三极管的静态工作点调试正确后，再接上晶振，测量振荡器的振荡频率和输出电压幅度，测量时要正确选择测试点，使仪器的输入阻抗远大于电路测试点的输出阻抗，再输出端还应接负载电路RL,RL应与下一级电路的等效输入阻抗相等。若仪器的输入阻抗较高则可选择A点测量；若仪器的输入阻抗较低，则应选择B点测试，这时耦合电容C0的取值约为20pF。
2. 调制器的测试
测调制器电路静态工作点时，应使本振信号vo=0,调制信号v=0.先测MC1496第5脚上的电压V5，调整R5的值，使∣V5∣/R5=Io;然后测量各点静态工作电压，其值应与设计值大致相同，加本振电压vo=100mV,使调制电压v=0，调节RP3使MC1496输出信号为最小值，再使v=100mV,这时测得的输出波形应为载波被抑制的双边带信号波形，再调节RP3使输出波形为m=50%的调幅波。
3. 常见故障分析
振荡级与缓冲级联调时会出现缓冲级输出电压明显减小或波形失真的情况，产生的主要原因时缓冲级的输入阻抗不够大，使振荡器负载加重，这可通过增大缓冲级的射级电阻RP1来提高缓冲级输入阻抗；也可通过减小C4，即减小晶振级与缓冲级的耦合来实现。
本机振荡级、缓冲级、语音放大级以及调制级联调时，往往会出现过调幅，产生的原因可能是经射极跟随器输出的本振电压vo偏小或语音放大级输出的调制电压v过大，可调节RP2使vo=100mV~150mV，并测量调制器输出波形，调整语音放大增益，以满足调幅度m=50%的技术指标要求。功率激励级与功率放大级联调时，往往会出现低频调制、高频自激、输出功率小、波形失真大等现象，产生的原因可能时级间通过电源查杀串扰或甲类功放与丙类功放的阻抗不匹配，级间相互影响。这可在每一级单元电路的电源上加低、高频去耦电路，以消除来自电源的串扰；也可以重新调整谐振回路，使回路调谐。调整时可通过波动磁环上的线圈间的间距来调整电感量，间距越密电感量越大。由于甲类功放的负载就是丙类功放的输入阻抗，因此，调试时相互之间会有影响，调试时应前，后级反复调，直至两级间为最佳匹配，输出功率最大、失真最小。在与功放级联时，还会出现寄生振荡，本机调试完成后的实验电路参数如图8调幅发射机原理图所示。
五 课程设计心得
通过对MC1496的学习，让我明白电子元器件和集成芯片的内在联系。虽然这个芯片内部器件非常少，但也让我明白再复杂的芯片也是建立在最基础的元器件，最基础的电路和最基础的原理知识上的。我们只有充分理解这些最基本的东西，本着开拓创新，不畏辛劳的精神才能把自己的专业知识学扎实，把更多的课外的知识掌握。
首先这个芯片的主要知识模块是镜像电流源和差分放大电路结合下的知识拓展，这需要我们对上个学期的模电有较好的基础，再就对本学期的AM和DSB调幅的准确把握。这更让我们确定理工科学习的连贯性是非常重要的，所以我们对待每门专业课都不能马虎。
非常感谢学校的这次课程设计，非常感谢孜孜不倦的老师们对我们的辛勤栽培。

六 参考文献
l 高吉祥主编，高频电子线路，（第2版），高等教育出版社。
l 刘正青主编，高频电子线路实验指导

七 整机原理图及PCB
1. PCB板

调幅发射机PCB板

2. 3D-PCB

3. 整机原理图

电气信息学院课程设计评分表
项 目
评 价
优
良
中
及格
差
设计方案的合理性与创造性(10%)

硬件设计或软件编程完成情况(10%)

硬件测试或软件调试结果*(10%)

设计说明书质量(10%)

设计图纸质量(10%)

答辩汇报的条理性和独特见解(10%)

答辩中对所提问题的回答情况(10%)

完成任务情况(10%)

独立工作能力(10%)

出勤情况（10%）

综 合 评 分

指导教师签名：________________
日 期：________________
注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。

25