调频发射机高频实验课程设计

调频发射机的设计
【摘要】
调频发射机作为一种简单的通信工具，它第一将音频信号和高频载波调
制为调频波,使高频载波的频率随音频信号发生转变,再对所产生的高频信
号进行放大,鼓励,功放和一系列的阻抗匹配,使信号输出到天线,发送出去
的装置。

本文要紧讨论了调频发射机的原理实现方式并设计了电路图，将调频
发射机的电路分为了它由调制器、前置功放、末级功放和直流稳压电源等部份组
成，别离讨论它们的原理及其特性。

【关键词】 调频发射机 调制器 直流稳压电源
【引言】
频率调制又称调频（FM ），它是使高频振荡信号的频率按调制信号的规律转
变（瞬时频率转变的大小与调制信号成线性关系），而振幅维持恒定的一种调制
方式。

本文着重讨论了调频发射的实现电路的各个组成部份及实现电路，利用直
接调频法对信号进行调制，末级利用高频功率放大器对信号进行放大，确保信号
达到能够发射的足够的功率。

1.电路原理及方案选择
FM 调制原理
载波()t w U t u c cm c cos )(=，调制信号()t u Ω；通过FM 调制，使得)(t u c 频率转
变量与调制信号()t u Ω的大小成正比。

即已调信号的瞬时角频率
()()t u k w t w f c Ω⋅+=
已调信号的瞬时相位为 ()()t d t u k t w t d t w t t f c t ''+=''=⎰⎰Ω)(00ϕ
实现调频的方式分为直接调频和间接调频两大类。

（1） 直接调频
直接调频的大体原理是利用调制信号直接操纵振荡器的振荡频率，使其反映
调制信号转变规律。

要用调制信号去操纵载波振荡器的振荡频率，确实是用调制
信号去操纵决定载波振荡器振荡频率的元件或电路的参数，从而使载波振荡器的
瞬时频率按调制信号转变规律线性地改变，就能够够实现直接调频。

直接调频可
用如下方式实现：
a.改变振荡回路的元件参数实现调频
在LC 振荡器中，决定振荡频率的要紧元件是LC 振荡回路的电感L 和电容C 。

在RC 振荡器中，决定振荡频率的要紧元件是电阻和电容。

因此，依照调频的特
点，用调制信号去操纵电感、电容或电阻的数值就能够实现调频。

调频电路中经常使用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。

经常使用
的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有
二极管和场效应管。

b.操纵振荡器的工作状态实现调频
在微波发射机中，经常使用速调管振荡器作为载波振荡器，其振荡频率受控
于加在管子反射极上的反射极电压。

因此，只需将调制信号加至反射极即可实现
调频。

假设载波是由多谐振荡器产生的方波，那么可用调制信号操纵积分电容的充
放电电流，从而操纵其振荡频率。

(2)间接调频
不直接针对载波，而是通事后一级的可控的移相网络。

将Ωu 先进行积分
()⎪⎭
⎫ ⎝⎛⎰Ωt dt t u k 01，而后以此积分值进行调相，即得间接调频。

()()⎪⎭⎫ ⎝⎛''+=⎰Ωt f c cm FM t d t u k t w V t u 0cos 系统框图
采纳FM 调制的调频发射机其原理框图如以下图所示，它由调制器、前置功
图1系统框图
调频方案选择
图7 FM 发射机原理方框图
利用通信原理和高频电子线路的相关知识，为确保电路能高效率输出足够大的高频功率，并馈送到天线进行发射，可进行如下设计方案的选择：方案一：通过音频信号改变载波的幅值实现载波调幅发射，调幅发射机实现调制简便，调制所占的频带窄，而且与之对应的调幅接收设备简单，因此调幅发射机普遍地应用于广播发射，可是调幅发射机的信号容易失真且发射距离不远。

方案二：本方案的调频发射机要紧由四个大体模块组成，第一级是由驻极体话筒组成的声-电转换电路；第二级是超高频振荡调制器；第三级音频放大电路；第四级高频功率放大器；整体电路如以下图（1），该电路由声--电转换、音频放大器、高频振荡调制器和高频功率放大器等部份组成。

声--电转换器由驻极体话筒M1担任，它拾取周围环境声波信号后即输出相应电信号，经C2送至Q1的基极进行频率调制,Q1组成共基极超高频振荡器，基极与集电极的电压随基级输入的音频信号转变而转变，从而改变高频振荡的频率，最终实现频率的调制。

再经C6输入到晶体管Q2，Q2担任音频放大器，对已调音频信号进行放大，再通过C10输入到晶体管Q3，Q3担任功率放大器，对信号再次放大，使信号功率足够大，达到发射远的目的。

且元件利用少，且本钱低廉，接线简单。

具体方案和有关原理如下所述：
2.电路设计
整体电路设计介绍
如图（2）所示，那个设计的声音调频电路采纳经常使用分立元件组成的电路。

射频电路有高频振荡器，缓冲放大器，末级功率放大器及天线组成。

高频振荡器用来产生载频信号，频点落在60MHz内，通过改变电感量即可改变发射频率。

在音频信号的作用下，通过改变晶体管极间电容实现调频，产生相应的调频波，射频信号由Q1的发射极输出，送到Q2,L2,C8,R5等组成的缓冲放大器进行功率提升，并可减轻末级放大电路对振荡器的阻碍。

末级为高频丙类窄带放大，对射频功率再进一步放大，经C13耦合到发射天线向周围空间辐射。

由于高频电路受干扰严峻，若是电源之前级接进去，干扰信号会通过每一级的放大，愈来愈强，因此Vcc应该从末级接入。

调频电路是通过改变晶体管极间电容实现调频的，由于任何PN结在输入电压时，输入电压的转变将会引发结电容转变，即所谓的变容效应。

因此，利用变容
效应也可实现调频。

图（1）中，Q1,L1,C3,C5, C7, C4,Cb’c组成电容三点式振荡电路，其工作原理如下：对高频而言，Q1基极是接地的，因此是共基极电路。

基极-基极间的结电容Cb’c并联在L1C3谐振回路两头，能阻碍振荡频率。

调制电压加于Q1基极，可改变Q1的基极电压，使发射极与基极间的输入电压发生转变，从而使结电容Cb’c跟从调制电压而转变，这就实现了调频。

在通过Q2,Q3放大后由天线发射出去。

经查三极管9018的静态结电容Cb’c为2pF，取C3,C5,C7,C4的值别离为：15pF，10Pf,39Pf,102pf依照以下频率公式的计算电感值。

电路的中心频率计算公式如下：f0=1/(2∏(L1C∑)½)
C∑=(C4C7/(C4+C7) +Cb’c )C5/((C4C7/(C4+C7) +Cb’c )+C5)+C3
得 L1= 1/(2∏f0) ²/C∑
在实际电路中，电感L1需要微调一知足中心频率的要求。

图2整体电路设计
单元电路设计
（1）LC调频振荡器——主振级：是正弦波自激振荡器，用来产生频率为57MHz~80MHZ的高频振荡信号，由于整个发射机的频率稳固度由它决定，因此要求主振级有较高的频率稳固度，同时也有必然的振荡功率(或电压)，其输出波形失真要小。

在调频振荡级可选用电感三点式，电容三点式和晶体振荡器产生正弦波电压。

（2）FM调频电路设计
FM 调频电路原理是三极管组共基极高频振荡器，基极与发射极结电容
随着输入电压的转变而转变，从而改高频振荡的频率。

本模块由三极管等
元件组成电容点式振荡器，不仅能够产生稳固的载波，而且还能够实现调制功能。

具体电路如以下图3所示：
R1R3
C2
C1
C4
C3
图5L1
R2
图3 FM 调频电路 等效电路图
（3）音频放大电路设计 音频放大电路由共射放大电路组成。

由调制级转换过来的音频信号超级弱，
因此必需再加上一级共射放大的电路。

但是要使共射放大电路工作在放大区，必
需有适合的静态工作点Q 。

a 、静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点，应在输入信号Ui=0的情形下进行，即将放大器
输入端与地端短接，然后选用量程适合的直流毫安表和直流电压表，别离测量晶
体管的集电极电流Ic 和各电极对地的电位UB 、Uc 、UE 。

一样实验中，为了幸免
断开集电极，因此采纳测量电压UE 或Uc ，然后算出Ic 的方式，例如，只要测
出UE ，即可用：E E C E R U I I =
≈算出Ic(也可依照C C CC
C R U U I -==，由Uc 确信Ic)
同时也能算出UBE= UB-UE ，UcE= Uc-UE 。

图4 音频放大电路 图5 直流等效电路
b 、静态工作点的调试
放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流Ic （或UcE ）的调整与测试。

静态工作点是不是适合，对放大器的性能和输出波形都有专门大阻碍。

如工作点偏高，
图6静态工作点调试 放大器在加入交流信号以后易产生饱合失真，现在Uo 的负半周将被削底，如上图2所示；如工作点偏低那么易产生截止失真，即Uo 的正半周被削顶（一样截止失真不如饱合失真明显），如图2所示。

这些情形都不符合不失真放大的要求。

因此在选定工作点以后还必需进行动态调试，即在放大器的输入端加入必然的输入电压Ui ，检查输出电压Uo 的大小和波形是不是知足要求。

如不知足，那么应调剂静态工作点的位置。

图4的音频放大电路是电路的一级放大，
由于通过调制电路的信号很小因此
要用甲类放大器，以避免失真或无法达到放大作用，那个地址负载采纳L 二、C4并联谐振回路达到选聘和匹配作用。

R3的作用是给基极提供偏置电压，设置三极管的静态工作点和设置放大倍数。

C13滤波减小干扰。

（4）高频功率放大电路设计
功率放大器的基极偏置电压VBE 是利用发射极电流的直流分量IEO （≈ICO ）在射极电阻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'i v 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vc1,电流ic1。

由下图7为丙类功率放大器实物图。

分析可得以下大体关系式：
011R I V m c m c =
式中，m c V 1为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅；
m c I 1为集电极基波电流振幅；0R 为集电极回路的谐振阻 02102111212121R V R I I V P m c m c m c m c C ===
式中，PC 为集电极输出功率
CO CC D I V P =
式中，PD 为电源VCC 供给的直流功率；ICO 为集电极电流
脉冲iC 的直流分量。

图7
放大器的效率η为
CO m c CC m c I I V V 1121⋅⋅=η 图7 高频功率放大电路
最后一级设为丙类放大，以提多发射功率使已调信号能够发射更远，集电极一样采纳L1、C7并联谐振电路选频匹配。

后面通过旁路电容C14=220uF的极性电容滤除无用的小信号，减小干扰。

再通过C6将调制信号输出即可。

3. 系统调试及测试结果
实物图接好后，对着PCB图和原理图查看电路，确信元件焊接没有错误后，接入+12V的电压，当接上示波器，用示波器测量调制输出端。

尽管功效还没达到理想的完美成效，可是能调到那个程度自己已经很高兴了，相关波形如图以下图所示：
运行开始时期
当按下运行开关k时，电路运行，由LC调频振荡器产生高频载波。

刚开始振荡成效如以下图8
图8 电路运行开始时期图
音频放大电路设计模块
为了考查音频放大电路工作是不是正常，特意进行了验证，以下图所示为第二级音频放大电路设计模块工作图形（图9）。

其中：蓝色实线为输入的小信号，红色实线确实是经音频放大电路输出后的放大信号。

图9 音频放大电路工作波形
第三级输出波形
将示波器的正极接到输出端，负极接地，按下工作开关k，输出波形即为调频波。

工作稳固后波形见截图：
图10 第三级输出调频波
4、心得体会
在平常的学习中，由于没有认真学习高频这门课程，因此在拿到课程设计的题目时，更本无从下手，也不能想起任何一些有关的知识点，那时很是急躁，在查阅资料的进程中，尽管网上有很多相关的设计，可是关于原理讲解部份也看不懂。

当自己明白一切要靠自己时，我静下心来，尽力进入状态，通过请教同窗和参考资料，终于确信了一种方案，并弄清楚了电路的工作原理。

那个进程让我明白咱们应该注重平常的学习，打好基础，在此基础上才谈得上延伸和扩展。

本次设计使我深刻熟悉到一些课程设计之外的东西：凡事不能投机取巧，不管做什么情形都要脚踏实地，一步一个脚印，同时要做到勤学好问，不要不懂装懂。

由于自己能力有限，关于原理部份的设计在借鉴他人的基础上也应该认真消化吸收，使之转化为自己的知识拿来应用。

也应该明确到：尽信书不如无书，书本上的知识也不必然是完全正确的，也要通过实践才能印证。

【参考文献】
[1] 高吉祥，高频电子线路，电子工业出版社，
[2] 张肃文，高频电子线路，高等教育出版社，
[3] 谢自美，电子线路设计·实验·测试，华中理工大学出版社，
[4] 黄智伟，全国大学生电子设计竞赛，北京航空航天大学出版社，
附录
电路实现电路图如下：
元器件清单：
三极管9018，一个
电感3 个
电阻20k一个
10k一个
一个
1k两个
33k一个
电容1uf一个
33pf两个
15pf一个
10pf一个
39pf一个
100uf两个
220uf一个
型号101一个
102两个
103一个。