mW无线调频话筒设计方案指导书(版)

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1、500mW无线电调频发射机课程设计任务书一、设计课题：无线调频话筒二、 设计目的：设计一个采用直接调频方式实现的工作电压为12V、输出功 率在500mW以上、工作频率为5MHz的无线调频话筒，可用于语音信号的无线 传输、对讲机中的发射电路等。三、技术指标与要求：1. 设计达到的主要技术指标有：(1) 工 作电压：Vcc=+12V ；(2) (天线)负载电阻：FL=51欧；(3) 发射功率：Po 500mW;(4) 工作中心频率：f0=5MHz ;(5) 最大频偏：.fmOkHz ；(6) 总效率：A_5% ；(7) 频率稳定度：九/环叮0/小时；(8) 调制灵敏度Kf30KHZ/V ；(9)

2、电路结构采用分立元件构建的 LC调频振荡器、缓冲隔离、高频宽放和高频功放电路实现500mW无线电调频发射机设计指导书第一章概述1、课程设计的工作流程：课程设计的操作流程如图 1-1所示图1-1课程设计的一般操作流程2、评分办法学生课程设计的成绩，应根据完成设计工作的质量综合评分， 参考评分办法 评定。3、纪律要求(1) 课程设计期间，按平时上课作息时间到指定地点 (一般为教室)；保持良好的课堂秩序，可以互相讨论问题，但不得大声喧哗；(3) 需要去图书馆查阅有关资料时，可向指导老师提出，并做好记录。第二章设计任务与要求1、课程设计任务：见课程设计任务书中的各项2、 设计报告的内容及版式要求：设计

3、报告要撰写的内容和版式要求见表 1-1 所示。表1-1设计报告内容项目和版式要求序号设计报告项目内容及版式要求1设计封面、目录2第一章 绪论3一、目的与意义4二、设计内容与课程内容的关系5三、完成任务的时间进程6第二章电路结构的选择与工作过程7一、方框结构与工作原理8二、选择电路原理图及阐明选择的主要依据9三、叙述各部分电路的基本工作原理10四、电路中各元器件的名称及作用11第三章 电路参数的计算与元件的选择12第四章设计总结13一、计算机仿真分析与参数验算14二、小结（心得体会）15参考文献第三章电路结构的选择与工作过程、总设计方框图图3-1变容二极管直接调频电路组成方框图与调幅电路相比，调

4、频系统由于高频振荡输出振幅不变，因而具有较强的抗 干扰能力与效率.所以在无线通信、广播电视、遥控测量等方面有广泛的应用。、实用发射电路方框图（实际功率激励输入功率为1.56mW）调制LC调频缓冲1.25 ”功率25信号.振荡器mW隔离mW激励mW1倍20倍OdB13dB图3-2实用调频发射机组成方框图20倍13dBmW拟定整机方框图的一般原则是，在满足技术指标要求的前提下，应力求电路简单、性能稳定可靠。单元电路级数尽可能少，以减少级间的相互感应、干扰和 自激。由于本题要求的发射功率 Po不大，工作中心频率fo也不高，因此晶体管的 参量影响及电路的分布参数的影响不会很大， 整机电路可以设计得简单

5、些，设组 成框图如图3-2所示，各组成部分的作用是：LC调频振荡器：产生频率fo=5MHz的高频振荡信号，变容二极管线性 调频，最大频偏AfmOkHz，整个发射机的频率稳定度由该级决定。(2) 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，当其工作状态发生变化时(如谐振阻抗变化)，会影响振荡器的频率稳定度，使波形产生失真或减小振荡器的输出电压。整机设计时， 为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级电路常采用射极 跟随器电路。(3) 功率激励级：为末级功放提供激励功率。如果发射功率不大，且振荡级 的输出能够满足末级功放的输入要求，功率激励级

6、可以省去。(4) 末级功放：将前级送来的信号进行功率放大，使负载(天线)上获得满 足要求的发射功率。如果要求整机效率较高，应采用丙类功率放大器，若整机效 率要求不高如a 500mW项指标来看，可以采用宽带功放或乙类、丙类功放。由于还要求总效率大于50%,故采用一级宽带放大器加一级丙类功放实现, 其电路形式如图4-1所示。+12vN3CTC11_N4inU”* V3WDG130R11 N1R? ?R1213C10ZL2 R14 _c12图4-1功率激励与末级功放电路(一)丙类功率放大器(末级功放)设计1、基本关系式如图4-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压-Vbe是利用发射机电流的分 量Ie0

7、在射极电阻R14上产生的压降来提供的，故称为自给偏压电路。当放大器 的输入信号Vi为正弦波时，集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。利用谐振回路 LC的选频作用可输出基波谐振电压 uc、电流ic1。集电极基波电压的振幅Ucm= lcm1Rp式中，Icm1为集电极基波电流的振幅；RP为集电极负载阻抗。(2) 输出功率Po2Po= Ucm.lcm1= Ucm /(2 Rp)(3) 直流功率PvPv= Vcc.Ic0(4) 集电极耗散功率PtPt= Pv- Po(5) 集电极的效率nn= Po/ Pv集电极电流分解系数 a ( 0)(7)导通角9a( 9 )=cmn/i cmmaxUon VBB(9一般

8、取 60 -80o)cos VU bm2、确定丙类放大器的工作状态为了获得较高的效率n和最大的输出功率Po,选丙类放大器的工作状态为 临界状态，9 =70功放管为3DA1。3DA1的参数如表4-1所示。表4-1 3DA1参数表PCMICMVCEShfefTAp1W750mA 1.5V 10 70MHz13dB(1)最佳匹配负载Rp=110.252(Vcc -VcEs)Rp2Po(12-1.5)22*0.5= 110.25Ucm=10.5V由Po=0.5 Ucm.lcm1= Ucm2/(2 Rp)可得：集电极最大输出电压(3) 集电极基波电流振幅：Icm1=95.24mA(4) 集电极电流最大值

9、 Icm= Icm1/ 1(70)=95.24/0.44=216.45mA(5) 集电极电流直流分量 Ic0= Icm* oc(700)=216.45*0.25=54.11mA(6) 电源供给的直流功率 Pv= Vcc* I c0=649.35mW(7) 集电极的耗散功率 Pr=Pv-Po=649.35-500=149.35mW小于 Pcm =1W)(8) 总效率 n=o/Pv=500/649.35=77.00%(9) 输入功率若设本级功率增益Ap=13dB(20倍)，则输入功率Pi=Po/Ap=25mW(10) 基极余弦脉冲电流的最大值Ibm(设晶体管3DA1的B =10)I bm= I c

10、m/ B =21.45mA(11) 基极基波电流的振幅 Ibm1= Ibm d(700)=21.45*0.44=9.44mA(12) 基极电流直流分量 Ib0= Ibm c0(70)=21.45*0.25=5.36mA(13) 基极输入电压的振幅Ubm=2Pi/ Ibm1=5.30V(14) 丙类功放的输入阻抗rbb(1cos)： 1(1 -cos700)* 0.44=86 13、计算谐振回路及耦合回路的参数 输出变压器线圈匝数比N5/N3(解决最佳匹配负载问题)N5 、2PoRlN3 一 Ucm5一 0.68,110取 N5=2, N3=3。谐振回路电容(3)谐振回路电感C1仁100pFL1

11、2(2 二fo) C111(2*3.14*5*106)2* 100*10210uH(4)输出变压器初级线圈总匝数比 N=N3+N4高频变压器及高频电感的磁芯应采用镍锌(NXO)铁氧体，而不能采用硅钢铁芯，因其在咼频工作时铁损耗过大。NXO-100环形铁氧体作咼频变压器磁芯时,工作频率可达十几兆赫兹若采用外径*内径*高度二10mm6mm5mm 的NXO-100环来绕制输出耦合变压器，由公式L =4二2H/mA工*10亠卜lcm式中，亠=100H/m为磁导率；N为变压器初级线圈匝数；A=25mm2为磁芯截面积；l=25mm为平均磁路长度。计算得 N=8，贝U N4=5W0LeN5Rl6.28 5

12、10I 5122 9，Oe取值210，上述公式取2。需要指出的是，变压器的匝数 N3、N4、N5的计算值只能作为参考值，由于 分布参数的影响，与设计值可能相差较大。为调整方便，通常采用磁芯位置可调 节的高频变压器。4、基极偏置电路(1) 发射极电阻R14由公式Uon _VBBCOSTU bm可彳得Vbb = U on U bm * cosB = 0.7 5.3* cos70 = 1.1VVBB = _|e0，Rl4 叱 _|c0 .Rl4 = _1.1VRi4 =20.33取标称值R14 f(2) 高频旁路电容C12=0.01uF。(3) 高频扼流圈ZL2=47uH。可变电容CT=(520)p

13、F。5、元件清单CT=(520)pFZL2=47uHR14 = 20C12=0.01uFC11=100pFL 10uHN3=5, N4=3, N5=2、3DA1 管子(二 )宽带功率放大器(功率激励级)设计功率激励级功放管为3DG130。3DG130的参数如表4-2所示。表4-23DG130参数表PcmICMVceshfefTAp700nW300mA 30 150MHz13dB1、计算电路参数(1) 有效输出功率Ph与输出电阻Rh宽带功率放大器的输出功率Ph应等于下级丙类功放的输入功率 Pi=25mW,其输出负载Rh等于丙类功放的输入的输入阻抗|Zi|=86 Q即PH=25mWRh=86Q(2

14、) 实际输出功率Po设高频变压器的效率n=80%，则Po= PH/n=31.25mW(3) 集电极电压振幅Ucm与等效负载电阻Rh若取功放的静态电流lcQ=lcm=7mA，贝UUcm= 2Po /Icq=2P。/lcm=8.93VUcm 2Rh1275.5门2Po1.3K-J约为1.3KQN1N2高频变压器匝数比N1/N2岛=3取变压器次极线圈匝数 N2=2，则初级线圈匝数N仁6。(5) 发射极直流负反馈电阻Ri3志乂沏-曲2-8.93-0.6/ =352.86Icq7mA取标称值360 Q(6) 功放输入功率Pi本级功放采用3DG130晶体管，若取功率增益Ap=13dB(20倍)，则输入功率

15、Pi =Po/Ap=1.56mW(7) 功放输入阻抗RiRi ：- rbb i-.-R交负二 25 30* R交负(取臥=25；- - 30 )若取交流负反馈电阻为10Q，则R =3250(8) 本级输入电压振幅UimUm 二 2RPi 二 2*325*1.56*101.0V2、计算电路静态工作点(1)Vbq、IbqVeq = Icq R13 =7*10*352.86 =2.47VVBQ 二 VEQ 0.7 =3.17V|bq = Icq/ ： = 7/30 二 0.23mA(2)Rn、R12(11=510 倍 Ibq )若取基极偏置电路的电流11=5 |BQ =5*0.23mA=1.15mA

16、，则R12 =5IbqVBQ 空2.7521.15mAg：7.65C1.15mA取标称值R12=3kQ。-Vcc -VbqR11 =|1为了调节电路的静态工作点，R11可由标称值为5.1 kQ的电阻与10 kQ的电位器组成高频旁路电容C10=0.02uF。输入耦合电容C9=0.02uF。此外，还可以在直流电源 Vcc支路上加高频电源去耦滤波网络，通常采用LC 的n型低通滤波器。电容可取 0.01uF电感可取47uH的色码电感或环形磁芯绕 制。还可在输出变压器次级与负载之间插入LC滤波器，以改善负载输出波形。3、元件清单C9=0.02uFC10=0.02uFR15-1 10kl 电位器R12R交

17、负=10“N1=6, N2=2R13 =360Q 3DG130 管子二、缓冲隔离级电路（射极输出器）设计从振荡器的什么地方取输出电压也是十分重要的。一般尽可能从低阻抗点取 出信号，并加入隔离、缓冲级如射极输出器，以减弱外接负载对振荡器幅度、波 形以及频率稳定度的影响。射极输出器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，放大倍数接近于1。1、电路形式由于待传输信号是高频调频波，主要考虑的是输入抗高，传输系数大且工作 稳定。选择电路的固定分压偏置与自给偏压相结合， 具有稳定工作点特点的偏置 电路。如图4-2所示。射极加Rw2可改变输入阻抗。I+12VRw2325图4-2射极输出器电路2、估算偏置电路元件（1

18、）已知条件：Vcc=+12V，负载电阻Rl=325Q宽带放大器输入电阻），输出电压振幅等于高频宽带放大器输入电压振幅，即Uom=1.0V,晶体管为3DG100(3DG6)。3DG100的参数如表4-3所示。表4-33DG100参数表PcmICMVceshfefTAp100nW30mA30200 150MHz由=60。晶体管的静态工作点应位于交流负载线的中点，一般取Uceq=0.5Vcc,lcQ=(310)mA。根据已知条件选取IcQ=4mA, Vceq=0.5Vcc=6V，则Veq VccVCEQ 12 6VR10 Rw21.5k 1IcqIcq4mA(2)R10、Rw2:取 R10=1kQ,

19、 Rw2 为 1kQ 的电位器。 R8、R9Veq=6.0VVbq= Veq+0.7=6.7VIbq=Icq/ 0 =66.67uAVbqR9:10k 110I BQ取标称值R9=10kQ。R8Vcc - Vbq10Ibq-7.95k1 1取标称值R8=8.0kQ。输入电阻Ri若忽略晶体管基区体电阻的影响，有Ri=(R8| R9) I向 R10 + Rw2) | RlW 3.63k。( Rl=325Q )(5) 输入电压UimUim = 2RPi = .2*3630*1.56* 103.37V(6) 耦合电容C8、C9为了减小射极跟随器对前一级电路的影响，C8的值不能过大，一般为数十 pF,这

20、里取 C8=20pF, C9=0.02uF。3、元件清单C8=20pFC9=0.02uFR8 = 8.0kR10k 1Rio=1kQRw2为1kQ的电位器晶体管为3DG100三、调频振荡器设计调频振荡电路的作用是产生频率 fo =5MHz的高频振荡信号。变容二极管为线性调频，最大频偏市TOkHz。发射机的频率稳定度由该级决定。 调频振荡器电路如图4-3所示Vc cR6二卩1Ic42 cR7C8Out 九A. C6Ui O_|4. 7uF图4-3调频振荡器电路LC调频振荡器是直接调频电路，是利用调制信号直接线性地改变载波瞬时 频率。如果为LC振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路电感和电容。将受到

21、调 制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号规律变 化，实现直接调频。1、LC振荡器主要技术指标：工作中心频率：fo=5MHz ；最大频偏：:f10kHz ；频率稳定度：f / f0空5* 10 */小时(1)确定电路形式，设置静态工作点本题对频率稳定度 -f / fo要求不是很高，故选用图1-7所示的改进型电容三 点式振荡器与变容二极管调频电路。(2)三点式振荡器设计：基极偏置电路元件R1、R2、R3、R4、C1的计算图中，晶体管V1与C2、C3、C4、C5、Cj、L1组成改进型电容三点式振荡器,V1为共基组态，C1为基级耦合电容。 其静态工作点由Ri、R2、R3、R4

22、共同决 定。晶体管V1选择3DG100,其参数见表1-4所示。小功率振荡器的集电极静态工作电流Icq 般为(14)mA。Icq偏大，振荡幅 度增加，但波形失真严重，频率稳定性降低。Icq偏小对应放大倍数减小，起振困难。为了使电路工作稳定,振荡器的静态工作点取|cq = 2 mA ,Vceq = 6V，测得三极管的-=60。I cQ =Vcc VceqR3 R412 一6 =2mAR3 R4由(1-3)可得R3+R4=3kQ，为了提高电路的稳定性，R4的值可适当增大，取R4=1kQ，贝U R3=2k Q。Veq 二Vbq Vbe ： |cqR4 =2mA*1k； - 2VVbq =R2R1 R2

23、12 RVcc Veq 0.7=2.7VR1 R2I bq = I cq / ： = 2mA / 60 = 33.3uA为了提高电路的稳定性，取流过电阻 R2上的电流l2 = 10Ibq 二 0.33mAVbq_ 2.7V120.33mA取标称值R2=8.2kQ。VbbR2Vcc 则 R1 二(Vcc -1) R2 二 28.2 K1根据公式R R2Vbq得R1=28.2K Q实际运用时R1取20kQ电阻与47k Q电位器串联，以便调整静态工作点。C1为基极旁路电容，可取C1=0.01uF。Cs=0.01uF输出耦合电容。2、调频电路设计调频电路由变容二极管Cj和耦合电容C5组成，R6和R7为

24、变容二极管提供Vq =只7 Vcc静态时的反向偏置电压 Vq,R6 R7。R5为隔离电阻，为了减小调制信号Ui对Vq的影响，一般要求 R5远远大于R6和R7。C6和高频扼流圈ZL1对Ui 相当于短路，C7为滤波电容。变容二极管Cj通过C5部分接入振荡回路，有利于提高主振频率f0的稳定性，C5P =减小调制失真。变容二极管的接入系数C5 Cj，式中，Cj为变容二极管的结电容，它与外加电压的关系为Cj0Cj 二（1巴）UD（ Cj0为变容管0偏时结电容,Ud为其PN结内建电位差,丫为变容指数）变容二极管参数选择测变容二极管的Cj -V特性曲线，设置合适的静态工作点VQ 0本题给定变容二极管为2CC

25、1C，并取变容管静态反向偏压VQ =4V ,由特性曲线可得变容管的 静态电容CjQ = 75pF 计算主振回路兀件值：C2、C3、C4、C5、L1C2、C3、C4、C5、Cj、Li组成并联谐振回路，其中 C3两端的电压构成振荡 器的反馈电压，满足相位平衡条件。比值C2/ C3=F，决定反馈系数的大小，F 般取0.1250.5之间的值。为了减小晶体管极间电容对振荡器振荡频率的影响，C2、C3的值要大。如果C4取几十皮法，则C2、C3在几百皮法以上。- C5p 因接入系数C5 Cj，一般接入系数p :1，为减小振荡回路输出的高频电压对变容晶体管的影响，p值应取小，但p值过小又会使频偏达不到指标要求

26、，C5 =pCj可以先取p=0.20.2* 751-0.2= 18.75 pF，取标称值C5=20pF（Vq=-4V 时 Cj =75pF）若取C4=20pF，电容C2、C3由反馈系数F及电路条件C2C4、C3C4决定,若取C2=330pF，由F= C2/ C3= 0.1250.5取C3=750pF0则静态时谐振回路的总电容 为C2* C34一C2 C3 CC5*CjQC5 5q20* 75CqC2*c3-: C4- jQ =20(pF)-C2*C3丄“C5+CjQCs+CjQ20 + 75C2 C3代入兀件值可得Cq= = 35.78pF由公式1fo5MHz2 二 L1Cq Z可得1L128

27、uH25* 35.78计算调频电路元件值变容管的静态反偏压 乂由电阻R6与R7分压决定, 即R7VqVccR6 +R7已知 Vq =4V，若取 R7 =10k，贝q R6 =20k.】。实际运用时R6二20k1可用10kQ电阻与47kQ电位器串联，以便调整静态偏 压Vq。隔离电阻R5应远大于R6、Rz,取R5=150kQ。低频调制信号Ui的耦合支路电容C6及电感ZLi应对Ui提供通路，一般的频 率为几十赫至几十千赫兹，故取 C6 =4.7uF , ZLi=47uH （固定电感）。高频旁 路电容C7应对调制信号Ui呈现高阻，取C7=51pF。3、计算调制信号的幅度为达到最大频偏:f10kHz的要

28、求，调制信号的幅度Um，可由下列关系式求出。W1 fo2CqZ因式中，c订静态时谐振回路的总电容，即C2* C3C2 - C3C4C2* C3C2 亠 C3C4C5* CjQ +C5 亠 CjQ= 35.78pF贝U回路总电容的变化量：Cz = 2fmC/ f。= 2 10 35.78/5000 二 0.14pF变容管的结电容的最大变化量_Cj = :CV p? = 0.14pF / 0.2? = 3.5pF由变容二极管2CC1C的C -V特性曲线可得，当 VQ =47时，特性曲线的斜率kc - C/ V =12.5pF/V，故调制信号的幅度Um F；c/kc =3.5/12.5 =0.28V则调制灵敏SF为SF - fm/U.m =10/0.28 =35.7kHz/V2、元件清单C1=0.01uF、R1 为 20K Q +47KQ 电位器、R2=8.2KQ、R3=2、R4=1KQ、3DG100 管子、C2=330PF、C3=750PF、C4=20PF、C5=20PF、L仁28uH、2CCIC 变容二极管、C8=0.01uF、C6=4.7uF、C7=5100pF、ZL1=47uH、