调幅发射机(单电源改进)

高频课程设计报告

题目：调幅发射机的设计与实现

班级：

姓名：张俊卿

学号：26

指导教师：侯长波

日期：

摘要

高频调幅发射机常用于通信系统和其它无线电系统中，特别是在中短波广播通信的领域里更是得到了广泛应用。原因是调幅发射机实现调幅简便，调制所占的频带窄，并且与之对应的调幅接收设备简单，所以调幅发射机广泛地应用于广播发射。

文中的系统设计了振荡器、振幅调制器和谐振功率放大器，匹配网络等系统单元电路组成。振荡器的作用是产生频率稳定的载波。为了提高频率稳定性，主振级往往采用石英晶体振荡器，并在它后面加上缓冲级，以削弱后级对主振器的影响。在经过乘法器MC1496进行振幅调制输出调幅波，输入到甲类功放级进行

推动，最后进过匹配网络是发射功率达到最理想。再结合Multisim软件来对小功率调幅发射机电路的设计与调试方法进行研究。

关键词：调幅，震荡，调制，功率放大

调幅发射系统的设计报告

一、实验目的

1、了解一个典型调幅发射机的构成和工作原理；

2、掌握幅度调制、功率放大器的原理及设计与调试；

3、掌握调幅发射机技术指标的定义及测试方法；

4、掌握系统设计和调试技能，培养综合工程能力。

二、实验原理与电路

1、调幅发射系统总体设计

图1-1为调幅发射系统的基本组成框图，表示的是直接调幅发射机。本实验项目主要研究直接调幅发射系统，电路总体原理图如附录1所示，总体PCB图如附录2所示。

主振器缓冲器振幅调制高频功放

音频信号

图1-1 直接调幅发射系统组成框图

调幅发射机是利用振幅调制器将音频信号加入到主振器产生的高频载波信号中，去控制高频载波的幅度，再经过高频功放将已调信号进行功率放大，最后由天线辐射到空间进行传播。 2、单元电路设计

主振器及缓冲器电路设计

主振器有多种电路实现形式，如LC 三点式正弦波振荡器、石英晶体振荡器等，由于系统要求有较高的频率稳定度，因此选用石英晶体振荡器来实现，缓冲器采用射极跟随器，振幅调制部分的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。。主振器及缓冲器电路如图1-2所示。

图1-2 主振器及缓冲器电路

图1-2中，Q1为振荡级，电路形式为共集极组态考毕兹型石英振荡电路，Q2为缓冲级，缓冲器的负载为50欧电阻。

振荡级中，Q1的静态工作点由电阻R3、R7、R10决定。振荡器的静态工作电流CQ I 通常选在～4mA 。CQ I 越大，可使输出电压幅度增加，但波形失真会增大；

CQ I 偏小，会使振荡器停振。C6、C10、C13、C14为晶体的负载电容，为使晶体

能够起振，负载电容范围一般在10～30pF 。

缓冲级中，

Q2的静态工作点由电阻R7、R8、R11决定。缓冲器静态的设计需要考虑输出电压的大小。

为利于起振反馈系数106

c F c ≈应该尽可能的大，于是取C6=20p ，C10=820p ，实

际中C13与C14对电路影响可以忽略，故可以不焊接，为控制输出幅度在1到2个Vpp ，静态选取值为CQ I =，R3=，R7=，R10=。

射随的设计，作为隔离缓冲级，其作用为尽量减少前后级的影响，，此时为使输入信号无失真，静态工作点设置应该合理，此时不妨设

'

min{U ,I }0.5V OM CEQ CES CQ L U U R =-?=，此时的1'

0.5CQ C M L

I I R ≈==10mA 。不妨取11800R =Ω，8.7BQ U V =，于是可得176R k =Ω，810R k =Ω。

振幅调制电路设计

振幅调制有多种电路实现形式，如二极管平衡调幅、二极管环形调幅、模拟乘法器调幅、集电极调幅、基极调幅等，本系统选用模拟乘法器来实现振幅调制，模拟乘法器芯片选用MC1496，采取优化了的单电源方案。振幅调制电路如图1-3所示。

图2-1 振幅调制电路

图2-1中V4为载波输入接口，V3为音频信号输入接口。模拟乘法器的输

出采用变压器T1将双端信号转变为单端输出，可提高调幅信号的平衡性。C8、C9、T1初级调谐于载波中心频率。

其中，载波信号C V 经高频耦合电容2C 从⑩脚x V 端输入，3C 为高频旁路电容，使⑧脚交流接地；调制信号ΩV 经低频耦合电容1C 从①脚y V 端输入，4C 为低频旁路电容，使④脚接地。调制信号0V 从

脚单端输出。13R 、14R 与电位器RP 组成

的平衡调节电路，改变RP 的值可以改变调幅系数。

为使模拟乘法器的非线性失真较小，要求载波信号≤600mV P-P ，音频信号≤1V P-P 。

减小下级负载对调幅电路的影响，通过电感耦合来实现。12:10:1N N =，

由于2

2i O L

U U R R =，则22

122

2

()100i L O U N R R U N ===，虽然输出电压降了10倍，但输出负载却变

为原来的100倍，大大减小了负载对前级的影响。在电感耦合前端LC 回路来实现选频。在此取C5= 50pF ，L1= 14 uH 。

图2-2 乘法器仿真原理图

高频功放电路设计

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件，用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲类（导通角=360度）、乙类（导通角=180度）、甲乙类（导通角=180度～360度）、丙类（导通角小于180度）。本系统选用甲类功率放大器作为末级高频功放，其电路如图1-4所示。

图2-3 高频功放电路设计

图1-4中，Q3为高频功放的功率管，其静态由R19、R20、R24决定，静态设置需综合考虑负载要求输出的功率大小。L2、L3、C25、C26为匹配网络，其作用是实现滤波和阻抗匹配。L6为扼流电感，C21、C22在实际使用可不焊接。

对甲类功放而言，由于导通角为360度，可是输出不失真，而三极管处于放大极限状态，可忽略CES

U

的影响，那么2CC

CM CEQ C

V U U E ===，那么负载功率

222C CM C CM

OM E I P ?=?=，

又电源的总功率为V C CM

P E I =?， 故效率100%50%OM V

P P η=?=，即理

想情况下效率可达到50%。

取最大输出电压幅度为5V ，

2(

)302

OM L P R mW

=?≥，解得

410L R ≤Ω

，此

时

512410410C CM

E V I mA ≈=≈Ω，而'

(1)R L u be b R A r ββ?=++?，其中26300be CQ mA r I β=+，

而且由于反馈电阻的存在，所以调节

b

R 可以调节放大倍数。

为了是功放输出没有失真，在设计时应注意静态电流要大于动态电流，

2

12

12

CQ b R I R R R =

??+，故可以通过调节R1可以调节电路的静态工作点。

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1X 、2X 组成，常用的两种电路如图所示，其中2R 是负载电阻，1R 是二端网络在工作频率处的等效输入电阻。

图2-4 阻抗匹配原理

对于图(a)所示电路，将其中2X 与2R 的串联形式等效变换为P X 与P R 的并联形式，如图(c)所示。在1X 与P X 并联谐振时，有

1X +P X =0，1R =P X

根据 1R =(1+2

e Q )2R

所以 e Q =

12

1

-R R 由下式可以求得选频匹配网络电抗值

2X =e Q 2R =)(212R R R -

1X =P X =

2

12

11R R R R Q R e -= 由上述计算可知，采用这种电路可以在谐振频率处增大负载电阻的等效值。 对于图(b)所示电路，将其中1X 与2R 的并联形式等效变换为S X 与S R 的串联形式，如图(d)所示。在1X 与S X 串联谐振时，可求得以下关系式：

1R =S R =

22

)

1(1

R Q e + 11

2

-=

R R Q 1

21

222R R R R Q R X e -==

三、实验内容及要求

1、设计技术指标要求：

（1）载波频率：6MHz ，频率稳定度：4

-10≥。

（2）功率放大器：发射功率P O ≥30mW （在50欧负载上测量）。 （3）系统整机效率%10≥η。

（4）在50欧假负载电阻上测量，输出无失真调幅信号。

2、根据实验技术指标要求，设计主振器及缓冲器电路、幅度调制电路和高频功

放电路参数，并采用电路仿真软件（推荐Multisim ）仿真、优化电路参数，验证设计，验证结果如下。

图3-1 乘法器输出级在10K负载上测量所得的振幅调制电路输出仿真结果

图3-2功放级输出仿真

图3-3匹配网络输出仿真

调幅发射系统的实验报告

一、实验步骤与实验数据处理

1、焊接及调试晶体振荡电路，用示波器测量输出波形，记录输出电压大小，用分钟测量一次。

表1-1 晶体振荡器频率稳定度测量表格（单位：MHz ）

0f

01f

02f

03f

04f

05f

06f

07f

08f

09f

10f

测量值 平均值

f ?

max

f f ?

结果证明频率稳定度满足要求。

2、焊接缓冲器电路，注意一定要焊接R9，R9是缓冲器负载电阻，用示波器测量

。

输出波形，记录输出电压大小，缓冲器输出≤600mV

P-P

，满足要求。

输出电压为 440mV

P-P

3、焊接振幅调制电路，先调试静态，在静态工作点正确的基础上，加入射频和

音频信号进行动态测试。

（1）调节滑动变阻器RP1，使1、4引脚电位差为0V，然后用万用表测量MC1496各管脚直流电位，MC1496各引脚静态电压如表1-2所示。

表1-1 MC1496各引脚静态电压（单位：V）

引脚1234567

参考值（V）\

测量值（V）

引脚891011121314

参考值（V）\\\0

测量值（V）0

（2）用高频信号源加入音频信号，音频信号频率为1kHz ，电压峰峰值为1V ，

调节滑动变阻器RP1，使输出调幅波调幅指数为30%，记录波形。

max min max min 3.1 1.6

0.323.1 1.6

a U U m U U --=

=≈++

4、焊接调试高频功放，并测量高频功放在50欧假负载上的输出功率。（备注：可用高频信号源加入射频信号，改变信号源的输出频率，来检验高频功放的匹配网络设计。）

输出电压峰峰值为，故输出功率为2126850

pp

OUT V P mW ==?。

5、测量系统的整机效率。 功放电流CQ I =，

332

22C CM C CM

OM E I E I P mW ?=

?=

=， 故33

100%19.6%2127

η=

?≈??，满足实验要求。

二、实验仪器

高频信号产生器 QF-1-56 1台

双踪示波器DOS-645B 1台

频率特性测试仪BT-3 1台

直流稳压电源WYK-302B 1台

频率计NFC-1000C-1 1台

万用表（自备）1块

三、思考题

1、调幅发射系统高频功放电路可以选用丙类功率放大器电路吗，为什么

答：调幅发射系统高频功放电路一般不用丙类功率放大器，而用甲类或甲乙类。因为考虑到要满足线性，即波形没有失真，但这是以牺牲效率为代价的，前面一证明甲类功放最大效率为50%，丙类功放虽然理想效率可达%，可是输出波形已经严重失真了。

2、调幅发射系统中，调幅指数如何选取

m ，会出现过调制现象。取左右即可，这样既不答：调幅指数不可取的过大，若1

a

会出现过调制现象，且利于解调。

四、实验中遇到的问题

1、在实验过程中，出现了实际与仿真结果不一致的情况，在初级振荡器中，输出只能控制到1Vpp，达不到要求，这就需要对输出进行电阻分压，但要注意不要忘记加电容隔直。

2、在乘法器经过耦合器输出时，回路的调谐是关键，由于用镍芯磁环绕制的电感从在一定的误差，再者还应该考虑漏电感的影响，使电路谐振频率偏离6MHz。我有尝试着饶了几个电感，并且跟换了几个电容。

3、实验中要注意在功放一级要注意设计的合理性，既要保证波形不失真，又要保证可以将功率推动起来。

五、心得体会

在这次的高频电子线路设计的过程中，自己感到虽然课本上的理论知识掌握的可以，但是一到实际应用上、具体的课程设计的时候，自己不能够很好的应用自己所学的知识去解决一系列的问题。此次课程设计收获很大，对相关知识有了更深刻的理解，掌握了振荡器、调制器、功率放大器等的原理，而且还熟悉了仿真软件的使用方法。

在整个设计过程中充分体现了基础知识的重要性，基础知识的掌握是课程设计的基础，没有理论知识的后盾就不能将电路设计得当，或者说就根本设计不出来。比如说在仿真时，发现结果有问题就回头对照电路以及芯片资料进行更改调试，这时若没有牢固的基础知识我们就不会知道哪出了问题，更不要说去解决它了。当然，仿真成功并不代表着相同的实物会一定能正常工作，在设计时应该考虑到有些影响结果的因素，设计的时候组员应该积极的讨论，参与设计和电路的焊接，这不仅能让大家充分的动手实践，还提高组员的积极性。

此次课程设计还让我明白一个道理，做什么事前都应该有个计划，并且要准备充分，不能漫无目的的，不然做起来就会手忙脚乱的。开始焊电路板的时候，我没有全局考虑，只是每次考虑一小部分，结果导致后来很多线没办法走，只能采用跳线的方式了，这给后来调试带来了难度，并且也影响了电路的美观。而且，此次课程设计在做实物时花了很长时间进行调试，虽然仿真效果都很好，但是完全按照仿真做出来的实物效果却并不是很理想，调试的时候用示波器观察各点波形，然后根据实际需要的波形进行分析，对电路参数进行更改，比如更改有些电阻或者电容的大小，将固定电阻换为可调的进行调测，最终，调出了理想的效果。