电子线路课程设计--小功率调幅AM发射机设计.docx

电子线路课程设计电3铁路锦程被什小功率调幅AM发射机设计学院：电子信息工程学院班级：通信121班小功率调幅AM发射机设计（理论部分）摘要：电路由克拉泼振荡电路、音频放大电路、集电极调幅电路、高频功放四部分组成。通过克拉泼振荡产生频稳度较高的IOM/高频载波信号与输入低频调制信号经运算放大器进行放大后的调制信号经过集电极调幅电路输出可调调幅度的调幅波，最后通过高频功率放大电路后获得功率较高的提供发射机输出的调幅波。该电路在电路简单的前提下，使用较少的集成电路，可大大降低制作成本，是简单调幅发射机的一个可取的方案。关键词：调幅；高频载波；低频调制；谐振功放1.ow-PowerAMTransmitterAbstract：ConsistingofClapposcillation,low-frequencyamplifier,high-frequencypoweramplifierandAMcollectorcircuit,thecircuitoutputsAMsignalwithhighamplitudemodulationdegree.Thehigh-frequencycarriersignalon10MHzgeneratedwithahighfrequencystabilitybyTheClapposcillator,andthelow-frequencymodulatedsignalamplifiedbytheoperationalamplifierasinputthroughAMcollectorcircuit,outputsAMsignalwithchangeableamplitudemodulationdegree.Finally,high-frequencypoweramplifierenlargetheAMsignalonpower.Withsimplestructure,hardlyusingICandsavingproductioncosts,thecircuitispreferredprogramforsimpleAMtransmitter.Keywords：AM;Carrierwave;Modulation;Resonance1 .课程设计的任务及要求1.1 任务内容（1）、完成“小功率调幅AM发射机”的理论设计。（2）、电路形式不限，原则上少用或不用集成电路，以体现单元电路设计水平。1.2 技术指标项目要求载波频率/o=IOMHZ输出功率PO200mlV负载阻抗Ra=50。输出信号带宽WB=9KHz残波辐射40dB单音调幅系数na=0.8平均调幅系数ma0.3发射效率50%2 .系统方案选择本电路可通过电路自身振荡产生/o=IOMHZ的载波信号，可根据后续电路电压幅值的要求增设高频谐振放大电路。为了实现调制信号的产生，可通过电路自身产生音频信号，也可外接信号源，为了更方便调节电路调幅度，可增设一节音频放大电路。为了产生已调信号，需使用调制电路，最后产生调幅波，再经高频放大电路可提高信号输出功率及电压幅度，以便更好地进行信号发射。总结后可得如下系统设计框图如图2-1所示：图2-1低电平调幅电路系统框图对于高电平调幅（如集电极调幅）电路而言，最后输出电压及功率在能达到发射条件的情况下，可省去末级高频功率放大电路，系统框图如图2-2所示。图2-2高电平调幅电路系统框图3 .单元电路设计分析及参数计算由上述方案所述，该电路的单元电路可大致分为四个部分：载波振荡电路、音频放大电路、振幅调制电路。下面对每个单元电路进行分析与选择：载波振荡电路1.C振荡电路的选择1.C三点式振荡器又可分为电容三点式振荡器和电感三点式振荡器。电容三点式振荡器的输出波形比电感三点式振荡器的输出波形好，这是因为电容三点式振荡器中，反馈是由电容产生的，高次谐波在电容上产生的反馈压降较小，输出中高频谐波小；而在电感三点式振荡器中，反馈是由电感产生的，高次谐波在电感上产生的反馈压降较大，输出中高频谐波较大，干扰有用信号。另外，电容三点式振荡器最高工作频率一般比电感三点式振荡器的高，这是因为在电感三点式振荡器中，晶体管的极间电容与回路电感相并联，在频率高时可能改变电抗的性质；在电容三点式振荡器中，极间电容与电容并联，频率变化不改变电抗的性质，因此振荡器的电路型式一般采用电容三点式。在频率稳定度要求不高，波段范围要求不宽的前提下，可以采用克拉泼或西勒电路，频率稳定度要求较高的情况下，可以采用晶体振荡电路。在满足设计要求的前提下，本次电路设计采用克拉泼振荡电路。(1)、晶体三级管的选择从稳频的角度出发，应选择>(310)1m”,同时希望电流放大系数大些，这既容易振荡，也便于减小晶体管和外来之耦合。虽然不要求振荡器中的晶体管输出多大功率，但考虑到稳频等因素，晶体管的额定功率也应该有足够的余量。由于Zimax=IOMHz,因此应取Zr>100MHz，由于晶体三极管2N2222A的斤>300M,且其=75,具有较大电流增益。(2)、直流馈电电路的选择为保证振荡器起振的振幅条件，起始工作点应设置在线性放大区；从稳频出发，稳定状态应在截至区，而不应在饱和区，否则回路的有载品质因数将降低。所以，通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区，电路应采用自偏置。对于小功率晶体管，集电极静态电流/c、l4mA0(3)、振荡回路元件的选择从稳频出发，振荡回路电容C应尽可能大，但C过大，不利于波段工作；电感L也应尽可能大，但L大后，体积大，分布电容大，L过小，回路的品质因数过小，因此应合理地选择回路地C、Lo在短波范围，C一般取几十至几百皮法，L一般取0.1至几十微亨。(4)、反馈回路元件的选择由前述可知，为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振，在静态工作点通常应选择YfRLF=35(3.1.1)当静态工作点确定后，的值就一定，对于小功率管可近似为(3.1.2)ICQ26mV反馈系数F的大小应在0.10.5范围选择。(5)、电路测试及参数计算使用Multisim仿真软件搭建克拉泼振荡电路如图3-1所示，仿真后可产生如图图3-1克拉泼振荡电路图3-2克拉泼振荡器振荡频率490 7 490 9y 491 川 491 却 491 491 小Time (S)图3-3克拉泼振荡器输出波形ChSnne-IB Vo-Iage-4(>elo>4 Wuue83.1.1, 缓冲级电路故在振荡电路后接入一级电压为了避免振荡电路受到后级调制电路的影响,跟随器，其电压增益即可以在基本不改变其输出电压的前提下，进而减少电路间的干扰。具体电路如图3-4所示，输出仿真波形如图3-5所示。XSCl3354m77m320 Om«77m975 4m426 5u力。'n42554257)1425 9 4261426*ln(s)图3-5缓冲级输出波形ChanneLB VQtag<) i4mOm-9754m3.2 音频放大电路本电路使用的原始音频信号为外加信号，若加入固定幅值的的音频信号（如力.P=2V,=lc）,可采用集成放大器（本电路使用LM358放大器）构成正反馈电路，可完成音频信号幅值可调放大，而对频率没有任何影响。图3-6音频放大电路按如图3-6所示搭建电路，原始音频信号波形如图3-7所示，放大后波形如图3-8所示。100 0020m40m60m80m IOOmTime(S)ChanneLBVO - tagelv) 1005.00.0-50-10.07 3 0 3 7 $ 3 Q-3e>)&8|0><不£96150图3-7原始音频信号波形及频率Time (s)图3-8放大音频信号波形及频率ChanneLB VotagA<)999 999 HzSensrtMty (RMS) OTnggerlevd3.3 振幅调制电路振幅调制电路是无线电发射机的重要组成部分。按其功率的高低，振幅调制电路可分为高电平调制电路和低电平调制电路两大类。前者至于发射机末端，要求产生功率足够大的己调信号，后者置于发射机的前端，产生小功率的己调信号，而后通过多级线性功率放大器放大到所需的发射功率。低电平调幅电路一般主要用于DSB和SSB调制，其主要优点是调制线性好，载波抑制能力强，然而对于功率和效率的要求则是次要的，对于此次设计，对功率有Po200nlV,50%,因此为了功率与效率能满足要求，且低电平调幅主要采用集成芯片(如MC1496)等，为了电路简单则尽量避免使用集成芯片，故选择高电平调g高电平调幅电路不用采用效率较低的线性功率放大器，这对提高发射机整体效率是有利的。高电平调幅电路广泛采用高效率的丙类谐振功率放大器，根据谐振功放的集电极调制特性，将调制信号加在集电极上，控制输出功率而构成集电极调幅电路；根据谐振功放的基极调制特性，将调制信号加到基极上，控制输出功率而构成基极调幅电路。C2V29.6 Vpk 10kHz 02N2222AC1 ：0.1pFV4ll-12 V图3-9集电极调幅电路图3-10集电极调制特性此次课程设计的振幅调制电路部分采用了高电平调幅电路中的集电极调幅电路，如图3-9所示。高频载波信号UC仍从基极馈入，而调制信号如加在集电极回路。与串接，可将其看作一个缓慢变化的集电极偏置电源UC+%。由图3T0所示的集电极调制特性曲线可以看出，负载RL一定时，若心较大时，放大器工作在欠压状态，基波电流分量如随L变化很小；而当片较小时，放大器工作在过压状态，随着/变化，后随即线性增大，使得集电极电压对集电极电流起着较强的控制作用。因此当UQ与共同作用时.，集电极电流脉冲的高度和凹陷程度均随UC的变化而变化，其基波分量如也跟着变化，从而实现调幅的功能，经过输出谐振回路的滤波作用，在放大器输出端，输出载波信号的包络则反映了调制信号的波形变化，通过改变调制信号UC的幅值则可改变调幅波的调幅度ma，如：设%m=9.6，则调幅波如图3-11所示。1.09.3(>elo> <l-cro500.0m -0.0-5CX).0m-1.0972230.3363.4496.5Time (s)629.72.9266.1m-6 79.97628Channe-IB vtage<)图3-11输出调幅波波形由于电路输出功率极低，因此需在之后增设一级高频功率放大电路。3.4 高频功率放大电路功率放大器主要有甲类、甲乙类或乙类（推挽电路）、丙类功放，根据功放的输出功率和效率来确定选择哪一种。采用低电平调幅电路的系统，由于调制器输出信号为调幅波，其后的功率放大器必须是线性的（如甲类、甲乙类或乙类功放）；而采用高电平调幅的系统，则在末级直接产生达到输出功率要求的调幅波，多以丙类放大器作为此时的末级电路。高频功率放大器是调幅发射机的末级，它的任务是要给出发射机所需要的输出功率。本设计研究的是小功率调幅发射系统，通常采用丙类功率放大器，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。由于本次设计的调制电路为集电极调幅电路，因此可直接在其输出端接入一级丙类谐振功放如图3-12所示，仿真结果如图3-13o图3-12高频谐振功放15.015.0Channe-IB VO-Tage(V) 10.05.00.0-5.0-10.0Ooooo 0.S0.5 。1 1 >0r6eioXlauueuo-15.06500-15.00.0130.0260,03900520.0Time(s)图3-14负载输出放大波形4 .组合完整电路绘制使用Protel电路绘制软件绘制完整电路图如图4-1所示。图4-1调幅发射机电路图工作原理：本电路共分为四个部分：振荡信号部分、调制信号部分、调幅电路部分、高频功放部分。其中振荡部分采用的克拉泼振荡电路自身振荡产生/o=IOMHZ的载波信号，经过缓冲级电路后接入集电极调幅电路的基极；调制信号电路部分由插线接入一定频率的低频信号，可通过RP2改变其电压幅值，进而接入集电极调幅电路的集电极与12V直流电压串接作为集电极电压，进而实现调幅功能。第三部分为集电极调幅电路，接入载波信号和调制信号后，最后产生可调调幅度的调幅信号。功率较低的调幅信号最后通过一级丙类谐振功放放大功率，使之输出达到课程设计要求(220OmW)O5 .总结5.1 电路设计的特点：本电路为调幅发射机电路，是以典型的高电平调幅即集电极调幅电路为核心，其具有传输效率高、输入功率大等特点，电路向外扩展为输入部分及输出部分。其中输入部分是有载波输入与调制输入构成。载波产生电路使用的克拉泼振荡电路是特殊的电容三点式振荡电路，其具有较高的频率稳定度、频率受晶体管影响甚微，可以产生较为稳定的载波信号。而调制信号的产生是由外界信号控制，电路部分仅为一节放大电路，使用的芯片LM358具有较宽的电压变化范围，可以通过其反馈电阻进而调整电路调幅度。输出部分使用一级丙类谐振功放，可以实现阻抗匹配，而且对功率放大比较明显，而且电路较简单，便于制作。5.2电路设计的优缺点：优点1、电路简单，易于生产制作；2、调幅度较大（可达90%左右）；3、输出功率可调并满足要求（兄200mW）;缺点1、功率放大后波形略有失真；2、调制信号需外接输入；5.3课题的使用价值及前景展望由于电路简单，集成电路少，既可便于电路制作及生产，而且减少了使用集成电路的成本。其调幅度较大，适用范围更广，而且较大可调的输出功率可使调幅信号达到发射的要求，即完成调幅发射机的基本功能。6 .元器件清单元件名称元件符号元件参数元件数目电阻R1015001lk23k17.8k110k322k1电位器RP200110k133k1电容C100pF2600pF12000pF10.1uF40.33uF4IOuF2可变电容GIoO200PF1电感L2.5uH356uH1三极管T90184放大器ULM3581排针、跳帽JP27 .参考文献1冯军，谢嘉奎.电子线路(非线性部分)M.5版.北京，高等教育出版,201082张肃文.高频电子线路M.4版.北京：高等教育出版社,2008.3谢嘉奎，宣月清，冯军.电子线路(线性部分)M.4版.北京，高等教育出版，199964熊俊俏，杜勇，戴丽萍.高频电子线路M.北京，人民邮电出版,2013.8.5唐金元，史风隆，王翠珍.基于Multisim10.0的高电平调幅电路仿真研究J.中国技术核心期刊,2013,32(5):86-88.6张宁，辛修芳.Multisim在高频电路实验中的应用J现代电子技术,2010(13):48-50.7高电平调幅电路的设计与仿真EBOL.http:/wenku.baidu.eom/view/d0d0c87c7375a417876f8f32小功率调幅AM发射机设计（实验部分）实验题目：小功率调幅发射机的安装与调试一、实验目的1、与理论设计相结合，验证设计结果。2、培养学生综合运用所学理论的能力和解决较复杂的实际问题的能力。3、通过一套完整的调幅发射系统设计、安装和调试，提高学生的综合素质和科学试验能力。二、实验原理调幅发射机组成框图如图所示：图1调幅发射机组成框图图2晶体载波振荡器电路图1、载波振荡电路载频振荡器选用并联型晶体振荡器，晶体振荡器是用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器，价格便宜，频稳度也很高。并联型晶体振荡电路是从三点式振荡电路变换而来的，在构成实际电路时，必须符合三点式电路的组成法则，利用晶体极高的Qq和极小的Cq,这两者是LC谐振电路所无法比拟的，便可获得很高的频稳度。实验条件下，一般高频振荡都选在30兆赫以下，本实验选用6兆赫晶体。振荡电路的负载为下一级缓冲隔离级即射极跟随器的输入电阻，射极跟随器具有很大的输入电阻以及很小的输出电阻的特点，因此带负载能力很强，载频信号电压产生在滑动变阻器之上，通过调节滑动变阻器的滑动端的位置可以调节载频电压信号的幅度。载频信号为高频信号，容易受到电源中的高频杂波信号的干扰，所以在电源和振荡回路之间加入高频滤波电容，滤除电源中的高频杂波，减小电源对振荡电路产生的高频振荡信号的干扰，使输出信号干净清晰。2、音频产生与放大电路采用RC电路作为相移网络的振荡器统称为RC正弦波振荡器，主要工作在几十千赫兹以下的低频段。采用的相移网络有RC导前相移电路、RC滞后相移电路和RC串并联选频电路。RC串并联电路和集成运放反馈电阻构成文氏电桥，振荡器的输出电压加到桥路的对角线的一端，并从另一对角线端取出电压加到集成运放输入端，因此，又将这种电路称为文氏电桥振荡器，当桥路平衡时，振荡器进入稳定的平衡状态，产生等幅的持续振荡，本实验选用外稳幅文氏电桥振荡器作为低频振荡器。3、低电平调幅电路图4 MC1496构成的双边带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，以调幅波的形式传送出去。调幅的方法按电平的高低可区分为高电平调制和低电平调制，前者是直接产生满足发射机输出功率要求的已调波，后者是在低功率电平上产生已调波，再经过线性功率放大器放大到所需的发射功率。高电平调制的优点是不必采用效率低的线性功率放大器，从而有利于提高整机效率。高电平调制电路必须兼顾输出功率和效率的要求。双边带调制和单边带调制通常都是低电平调制。调制电路的输出功率和效率不是主要指标，调制电路的形式、非线性器件类型及工作状态选择不受输出功率和效率的限制，因而具有更大的灵活性，可以更好地提高调制线性和抑制载波输出。采用模拟相乘器实现调幅属于低电平调制，所以要限制载频信号和调制信号的幅度，MC1496集成芯片通过外围2脚与3脚之间的电阻扩展调制信号的动态范围，以及5脚和地之间的电阻阻值设定恒流源的电流大小，使得载频信号的电压幅度最大不超过26mV,调制信号的电压幅度最大不超过526mV,就可以实现两信号相乘。为了实现普通调幅波AM的输出，在1脚和4脚之间通过滑动变阻器与电阻组成的外围电路实现直流电压的输入，这就使得1脚在输入调制信号的同时又附加一个直流的电压信号，两信号相加再与载频信号相乘从而实现了普通调幅波AM的输出，输出电压产生在12脚的电阻上。输出端后面接入射极跟随器，提高了调幅信号的带负载能力。4、高频功率放大电路由于采用低电平调制，输出的调幅信号不足以驱动末端功放，需要在这之间加入激励级，所要放大的信号为普通调幅波，普通调幅波含有不同的频谱，要使普通调幅图5高频功放电路波得到不失真的放大，激励级电路必须为线性放大器，甲类变压器功率放大器具有线性放大特性，而且电路简单，在效率要求不高的条件下可以选择此电路作为激励级，变压器耦合使得交流有用信号传输到末端功放。在末端使用丙类谐振功率放大器可以使得效率很高，整体电路的效率主要由这一级决定。将谐振回路的中心频率设定在载频上，设置适当的谐振回路Q值可以实现普通调幅波的功率输出，谐振回路同样可以调整集电极负载值等于功率管的输出阻抗，实现阻抗匹配，使得输出功率最大。三、实验仪器、设备1、双踪示波器，数字频率计，数字信号源，数字万用表，双路稳压电源等仪器各一台。2、电烙铁，镣子，钳子，螺丝刀等工具一套。3、调幅发射机实验板，套件，天线，焊锡，漆包线等。四、实验内容与步骤1、载波振荡电路测试焊接并调试如图2所示高频载波振荡电路，按要求焊接好后，用示波器观察输出波形，使输出电压幅度连续可调，尽量减小波形失真。用示波器观察振荡频率、测量振荡器的输出电压幅度范围。电路能够产生载波信号后，经过下一级的缓冲级调节电位器PR2使输出的信号幅值在20mV左右（不超过26mV）并记录波形。2、音频放大电路测试按图3所示焊接并调试音频放大电路，首先通过调节Rll使得IkHz的音频振荡器起振，然后微调Rll是频率达到或者接近IkHz.然后调节RP4改变信号电压幅值，使音频信号经过放大之后幅值达到200InV左右（不超过276InV）并记录波形。3、调幅波测试按图4所示焊接并调试模拟相乘器电路，MC1496芯片可以实现载频电压信号与低频调制电压信号相乘，输出抑制载波双边带信号，为了实现普通调幅波AM的输出，在1脚和4脚之间通过滑动变阻器与电阻组成的外围电路实现直流电压的输入，这就使得1脚在输入调制信号的同时又附加一个直流的电压信号，两信号相加再与载频信号相乘从而实现了普通调幅波AM的输出，输出电压产生在12脚的电阻上。调节1脚和4脚之间的滑动变阻器，可以改变1脚和4脚之间的直流输入电压，从而改变调幅度。再按图5所示焊接并调试高频功放电路，通过理论计算和实际电路调整，甲类高频功放变压器的原边匝数为24,副边匝数为8,丙类高频功放变压器的原边匝数为7,副边匝数为4,使用示波器观察放大后的调幅波。五、实验结果及分析1、载波振荡电路测试调节RP2改变载波信号幅值，最后输出载波信号波形如图5-1所示:图5-1实测载波信号3、音频放大电路测试调节Rll使电路产生=IkHZ的音频信号，再调节RP4改变音频信号幅值至合适值后的音频调制信号如图5-2所示。图5-2实测音频调制信号3、调幅波测试输入调制信号与载波信号后，测试输出调幅波，经过第一级即甲类高频功放后的调幅波如图5-3所示，经过第二级即丙类高频功放后的调幅波如图5-4所示:图5-3实测第一级放大后调幅波图5-4实测发射调幅波信号波形结果分析总结:六、实验注意事项1、焊接前认真测试元件参数，防止焊错或将坏件焊上。2、焊接时注意引线不宜过长，防止无用电磁耦合产生干扰。3、焊完的单元电路要充分检查，经单独供电调试无误后，再将各单元电路连起来综合调试。4、整机统调时注意各级电路对系统总体技术指标的影响，需要反复认真调整，方可调到最佳状态。5、天线用电阻代用，为保证功放管安全，防止负载短路，调整时输出端接75Q负载电阻。七、思考题1、末级高频丙类谐振功率放大电路能否工作在过压状态，为什么？2、振幅调制电路中的电位器RP3的作用是什么？课程设计收获与体会