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音频发射器电路的设计与调试

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1554 发表于 2019-11-4 17:55 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
通过对音频发射器的设计、调试和仿真,加深对《高频电子线路》理论知识的进一步理解,建立起发射机的整机概念,学会分析电路、设计电路的步骤和方法,了解发射机各单元之间的关系以及相互影响,从而能正确设计、计算调幅发射机的各单元电路。培养自己分析、应用其他电路单元的能力。同时经过设计,要学会查资料、充分利用互联网等一切可利用的学习资源,增强同学们分工协作、分析问题、解决问题的能力,为将来的设计做铺垫,也为将来走向就业岗位打下一定的基础。

1.2 设计方案的选择与论证
方案一
主振荡电路部分采用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,可以将RC振荡电路用于发生调制信号(语音信号)。
振幅调制电路部分采用MC1496模拟相乘器的核心电路是差分对模拟相乘器,实现调幅和同步检波。MC1496线性区和饱和区的临界点在15~20mV左右,仅当输入信号电压均小于26mV时,器件才有理想的相乘作用,否则电压中会出现较大的非线性误差。在2、3引脚之间接入1kΩ反馈电阻,可扩大调制信号的输入线性动态范围,满足设计需要。但由于MC1496是已设计好的集成电路,并不能体现单元设计能力。
音频放大电路部分采用甲类功率放大器。甲类功放中,晶体管在周期全部导通,可以将输入信号不失真的放大,虽然甲类功放的工作效率较低,放大功率较小,但足以满足语音信号的放大。原本想采用这个方案,但其受前级后级影响太严重,其静态工作点不稳定,导致调试时候即使前级输出稳定了加入后级调制电路后又放大波形失真了。经多次调试、重复计算,未果。
方案二:
主振荡电路部分采用采用改良的电容三端式振荡器——西勒振荡电路,其主要优点是:稳定度高,频率可调范围较大。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10-11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,故选用石英晶体振荡器作为主振级。
振幅调制电路部分集电极调幅电路。集电极调幅的基本原理是将调制信号和载波信号加在晶体管的集电极上,本电路工作方式是:放大器有效集电极电压等于调制信号与直流电源V2电压之和,当放大器处于过压工作状态时,集电极电流基波分量随集电极电源电压成正比变化。因此,集电极回路输出高频电压振幅将随调制信号波形而变化,就得到调幅波输出。故而本设计选用集电极调幅电路。
音频放大电路部分采用丙类功率放大器进行语音功率放大。采用丙类运算放大器进行语音放大效率高,失真小,使用方便,输出信号的功率也较大,运算放大器的成本也不高,各方面综合考虑,在工程中使用丙类功率放大器进行语音放大是一个好的选择。
经多方面比较,我组选用方案二作为本次设计的实验方案。

1.3课题研究任务和内容
    (1)小功率调幅发射机设计包括载波振荡电路、音频放大电路、振幅调制电路、缓冲电路、高频放大电路和丙类功率放大电路的设计;
    (3)设计指标:
               载波频率:fc=3—30MHZ
               音频输入:1—10kHZ
               调制系数:>=0.3
2 系统整体及分电路设计仿真与整机调试
2.1小信号调幅发射机的系统设计
调幅发射机主要包括三个组成部分:高频部分、音频部分和电源部分。
发射机的主要作用是完成有用的低频信号对高频信号的调制,将其变为在某一个中心频率上具有一定带宽、适合通过天线发射出去的电磁波。
调幅发射机通常由主振级、缓冲级、倍频级、中间放大级、振幅调制、音频放大和输出网络组成。根据设计要求,载波频率f=3~30MHz ,主振级采用西勒振荡电路,输出的载波的频率可以直接满足要求,不需要倍频器。系统原理图如图2.1所示,此图省去了电源这一部分。
图 1   调幅发射机系统流程图
图中各模块具体功能为:
本振电路:产生频率为16MHZ的正弦载波信号。
缓冲电路:以射极跟随器电路设计,消除后端电路对前端振荡电路影响。
放大电路:对载波信号电压放大,满足振幅调制要求。
振幅调制电路:将低频信号加到载波上,产生调幅波。
音频放大电路:将输出低频信号放大,以满足调幅要求。
高频功放电路:将调幅波功率增大到适合天线发射的功率,以便信号传输。
2.2各分电路设计及仿真
2.2.1本振电路
本振电路是调幅发射机的核心部件,主要用来产生一个频率稳定、幅度较大、波形失真小的高频正弦波信号作为载波信号。该电路通常采用石英晶体振荡器。本次设计采用改良的电容三端式振荡器——西勒振荡电路,其主要优点是:稳定度高,频率可调范围较大。

本振电路设计图如下:
图 2.2.1-1   西勒振荡电路
           图中C1、C3、C4、C6与L1构成振荡回路;C2为旁路电容;C5为隔直电容;R4为发射机偏置电阻;R3为集电极负载电阻;R1、R2为基极偏置电阻。
         
           其理论频率为:

图 2.2.1-2   本振电路输出频率


2.2.2 缓冲电路
为了减小调制级对本振级的影响,需要采用加入缓冲电路的方法。在缓冲隔离级的选择上无论是低频电路还是高频电路的整机设计中,都常采用射极跟随器电路,如图2.2.2-1所示即为其原理图。则射极输出器的输出电阻为。式中,很小,所以可以将射极输出器的输出电路等效为一个恒压源。
具体设计电路为:
图 2.2.2-2   缓冲级电路图
其波形仿真为:
图 2.2.2-3  缓冲电路仿真波形图
由波形图可以看出,电压增益:

2.2.3放大电路
此处放大电路主要是为了满足后级调制电路对载波的电平要求,这次设计我们选用高频小信号放大器进行设计。
高频小信号谐振放大器的主要性能指标有:
(1)中心频率  指放大器的工作频率。它是设计放大电路时,选择有源器件、计算谐振回路元器件参数的依据。
(2)增益  指放大器对有用信号的放大能力。通常表示为在中心频率上的电压增益和功率增益。
电压增益                                                                                  (2.2.3-1)
功率增益                                                                                   (2.2.3-2)
式中,分别为放大器中心频率上的输出、输入电压;分别为放大器中心频率上的输出、输入功率。
(3) 通频带  指放大电路增益由最大值下降3dB时所对应的频带宽度,用表示。它相当于输入不变时,输出电压由最大值下降到0.707倍或功率下降到一半时对应的频带宽度
(4)选择性  指放大器对通频带之外干扰信号的衰减能力。用矩形系数说明邻近波道选择性的好坏。矩形系数定义为
                                                                                                (2.2.3-3)
理想矩形系数应为1,实际矩形系数均大于1。
本次设计所用具体放大电路如下图2.2.3-1所示:
图 2.2.3-1   放大电路仿真电路图
        图中R3、R1、R2为偏置电阻;C4为旁路电容;C2、C3为耦合电容,分别与后级和前级耦合;C1、L1、L2构成谐振回路;R4为负载电阻。
其仿真波形图为:
图 2.2.3-2   放大电路仿真波形图

2.2.4音频放大电路
本次设计以5kHZ的低频小信号源代替音频,因此对其放大可采用简单的低频放大电路进行放大即可。具体电路如下图2.2.4-1所示,图中三极管Q1为射极跟随器,主要起隔离级的作用;三极管Q2采用的是高稳定性的分压式偏置电路。电容C1、C3为隔直流耦合电容,避免直流电源和交流信号相互影响,C1将音频信号耦合到放大电路中,C3将放大后的信号耦合出去;从C4可以看出这个两级放大电路采用的隔直耦合方式,使前后放大电路的静态工作点互不影响。利用这一电路即可把原始音频信号放大成需要的调制信号。

图 2.2.4-1   音频放大电路仿真电路图
图 2.2.4-2   音频放大电路仿真波形图
2.2.5振幅调制电路
本次设计采用集电极调幅电路,其具体电路如图2.2.5-1所示。本电路工作方式是:放大器有效集电极电压等于调制信号与直流电源V2电压之和,当放大器处于过压工作状态时,集电极电流基波分量随集电极电源电压成正比变化。因此,集电极回路输出高频电压振幅将随调制信号波形而变化,就得到调幅波输出。其中C3,L1组成的谐振回路,将调幅波分离并输出出来。其优点是集电极效率高。
其仿真波形如图2.2.5-2所示,由波形图可看出此电路得到了良好的调幅波,实现了振幅调制的功能。
图 2.2.5-1   集电极调幅仿真电路图
图 2.2.5-2   调幅电路输出波形图
2.2.6高频功放电路
采用丙类高频功率放大器,其具体电路如图2.2.6-1所示。
图 2.2.6-1   高频功放仿真电路图
以下为其仿真结果:
图 2.2.6-2   功放电路输出波形


2.3整机调试
2.3.1总体电路图
        将以上各模块电路相互连接即得小功率调幅发射机整机电路为:
图 231-1   小功率调幅发射机整机电路
3结论
经过为时3天的努力,终于完成了这次设计,结果还算是差强人意,基本上符合本次比赛的设计要求。
本次设计通过对《高频电子线路》的学习使用Multisim软件设计了一个小功率调幅发射机。根据先局部后整体的设计方案,先将小信号调幅发射机的各部分电路设计出来,并且单独进行仿真和调试,各部分电路调试成功之后再进行整体联接,然后再进行调试并且仿真。在设计各个环节中都遇到了很多问题:首先,参数的选定很难,我们平时课堂上基本上是分析电路的原理功能和计算电路的性能指标,很少亲自选定器件的参数,从资料或网上得到的数据很多都有问题;必须经过修正和调试才能确定出器件的参数,只有正确的参数,才能够设计出我们所想要的输出结果,参数的正确性可以说决定着设计成功的50%;其次,有些时候理论上符合要求的电路,仿真后却得不到相应的结果,尤其是整机联接的时候出现了更多问题,也花费了很多时间(其实差不多一半的时间都在进行整机调试和修正),比如主振级与缓冲级联调时缓冲级输出电压明显减小并且波形失真严重,开始的时候,主振级甚至起振不起来,还有就是调幅失真,问题更加复杂。
另外,在实际的操作过程中,我们经常发现,许多问题并不是由于电路本身的故障引起的,而恰恰是由于我们未能正确使用测试仪器,导致的测试结果错误。

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tieq1952 发表于 2019-11-13 07:49 | 只看该作者
谢谢分享!!!
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