调频发射器

目录
1. 设计题目 (1)
2. 实践目的 (1)
3. 设计要求 (1)
4. 基本原理 (1)
4.1FM调制原理 (1)
4.2调频方式选择 (3)
4.3直接调频方案选择 (3)
4.4综合设计 (4)
4.5单元电路设计 (6)
5. 系统调试 (10)
6. 心得体会 (11)
7. 参考文献 (12)
附录 (12)
高频课程设计
1. 设计题目
调频（或调幅）发射机设计
2. 实践目的
无线电发射与接收设备是高频电子线路的综合应用，是现代化通信系统、广播与电视系统、无线安全防范系统、无线遥控和遥测系统、雷达系统、电子对抗系统、无线电制导系统等，必不可少的设备。

本次设计要达到以下目的：
1. 进一步认识射频发射与接收系统；
2. 掌握调频（或调幅）无线电发射机的设计；
3. 学习无线电通信系统的设计与调试。

3. 设计要求
1. 发射机采用FM 、AM 或者其它的调制方式；
2. 若采用FM 调制方式，要求发射频率覆盖范围在８８－１０８ＭＨｚ，传输距离>20m;
3. 若采用AM 调制方式，发射频率为中波波段或30MHz 左右，传输距离>20m ；
4. 为了加深对调制系统的认识，发射机建议采用分立元件设计；（采用集成电路的设计方法建议作为备选方案；）
5. 已调信号通过AM/FM 多波段收音机进行接收测试。

4. 基本原理
4.1FM 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 频率变化量与调制信号()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
实现调频的方法分为直接调频和间接调频两大类。

1.1 直接调频
直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其反映调制信号
变化规律。

要用调制信号去控制载波振荡器的振荡频率，就是用调制信号去控制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变化规律线性地改变，就能够实现直接调频。

直接调频可用如下方法实现：
1.1.1改变振荡回路的元件参数实现调频
在LC 振荡器中，决定振荡频率的主要元件是LC 振荡回路的电感L 和电容C 。

在RC 振荡器中，决定振荡频率的主要元件是电阻和电容。

因而，根据调频的特点，用调制信号去控制电感、电容或电阻的数值就能实现调频。

调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。

常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。

1.1.2控制振荡器的工作状态实现调频
在微波发射机中，常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。

若载波是由多谐振荡器产生的方波，则可用调制信号控制积分电容的充放电电流，从而控制其振荡频率。

1.2间接调频
如图5所示，不直接针对载波，而是通过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
图5 间接调频实现
可控移相网络的实现方法如下图6所示。

将变容二极管接在高频放大器的谐振回路里，就可构成变容二极管调相电路。

电路中，由于调制信号的作用使回路谐振频率改变，当载波通过这个回路时由于失谐而产生相移，从而获得调相。

图6 单级回路变容管调相电路
2.系统框图
采用FM调制的调频发射机其原理框图如下图所示，它由调制器、前置功放、末级功放和直流稳压电源等部分组成。

发射天线
FM调制器前置功放末级功放
直流稳压源
图7 FM发射机原理方框图
4.2调频方式选择
实现调频的方法很多，大致可分为两类，一类是直接调频，另一类是间接调频。

直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率（实质上是改变振荡器的定频元件），变容二极管调频便属于此类。

间接调频则是利用频率和相位之间的关系，将调制信号进行适当处理（如积分）后，再对高频振荡进行调相，以达到调频的目的。

两种调频法各有优缺点。

直接调频的稳定性较差，但得到的频偏大，线路简单，故应用较广；间接调频稳定性较高，但不易获得较大的频偏。

考虑到电路的复杂度故采用直接调频的方案。

4.3直接调频方案选择
直接调频最常见有变容二极管调频，使用VCO实现变容二极管直接调频。

许多中小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。

较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。

另外一种更为简单的直接调频方法是用三极管直接调频。

原理是三极管组成共基极超高频振荡器，基极与集电极的电压随基极输入的音频信号变化而变化，从而改变高频振荡
的频率，最终实现频率的调制。

由于采用变容二级管调频，对高频轭流圈的参数要求比较苛刻。

这样会使设计电路变得困难。

因此采用三极管直接调制的方法，这样不仅能够实现FM调频，而且使电路变得非常简洁。

方案一：以调幅方式形式做成的三级发射机
其性能是比较好的，在实际中做成原品后其频率的稳定对不够高，在一般的情况下只能在68M—96M见跳动，而且还是调幅的不能变成调频，故而不能选用。

方案二：以晶体振荡器做成的高精度高稳定度的调频电路
虽然是以晶体振荡器做成的高精度高稳定度的调频电路，很能达到我们的要求，但是还有没有比这更优更简单的电路呢？通过查找相关网络资料和书本资料，最后我在一本《全国大学生电子设计竞赛》书中找到了一个更理想的方案。

见方案三。

方案三：本调频发射机主要由四个基本模块组成，第一级是由驻极体话筒构成的声-电转换电路；第二级超高频振荡调制器；第三级音频放大电路；第四级高频功率放大器；总体电路如下图（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分组成。

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变化而变化，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，再经过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。

书上具体方案和有关原理如下文：
4.4综合设计
如图（1）所示，这个设计的声音调频电路采用常用分立元件构成的电路。

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32MHz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影响。

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。

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结在加反向电压时，反向电压的变化将会引起结电容变化，即所谓的变容效应。

在晶体三极管电路中，集电结就是一个加有反向电压的PN结。

因此，利用集电结的变容效应也可实现调频。

图（1）中，Q1,L1,C3,C5, C7, Cb’c构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，所以是共基极电路。

集电极-基极间的结电容Cb’c并联在L1C3谐振回路两端，能影响振荡频率。

调制电压加于Q1基极，可改变Q1的基极电压，使集电极与基极间的反向偏压发生变化，从而使极间电容Cb’c跟随调制电压而变化，这就实现了调频。

在经过Q2,Q3放大后由天线发射出去。

此电路的中心频率可通过回路可变电容C3来进行调整，工作在32Hz。

取中心频率为32Hz,经查三极管9018的静态结电容Cb’c为2pF，取C3,C5,C7的值分别为：3.3pF，10Pf,39Pf,根据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∑=C5C7/(C5+C7)+C3+Cb’c
得 L1= 1/(2∏f0) ²/C∑
在实际电路中，电感L1和电容C3需要微调一满足中心频率的要求。

图（1）
在根据实际的设计要求：若采用FM调制方式，要求发射频率覆盖范围在８８－１０８ＭＨｚ，传输距离>20m;还有要接入麦克风，对电路进行了调整，并进行参数的设置，后经过林老师的指导，设计的完整电路图如图（2）所示。

（1）将电阻R1,电容C4做了如图调整并接入了麦克风。

（2）由于发射频率要求高，为了满足频率要求，要提高频率，就要减小电容或电感，但有不能无限减小，否则会影响电路增益。

所以这里对电容C3也进
行了调整由原来的33pF减小为15pF。

（3）由于高频电路受干扰严重，如果电源从前级接进去，干扰信号会经过每一级的放大，越来越强，所以Vcc应该从末级接入。

图（2）
4.5单元电路设计
1.由于要接入麦克风，所以要给麦克风提供驱动电压但
又不能太大，通过22k的电阻R1实现，C1的作用是滤波减
小干扰，C2为耦合电容防止过大的电流将晶体三极管烧坏。

图
（3）
2、LC调频振荡器：产生频率f0=85MHz左右的高频
振荡信号，最大频偏Δfm=20kHz，整个发射机的频率稳
定度由该级决定。

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。

具体电路如图（4）
FM调制电路设计
FM调频电路原理是三极管组成共基极高频振荡器，
基极与集电极的电压随基极输入的音频信号变化而变化，
从而改变高频振荡的频率。

本模块由三极管等元件构成电
容三点式振荡器，不仅能够产生稳定的载波，而且还能够
实现调制功能。

图（4）
本方案采用较为稳定的克拉泼电路如图5所示三极管T2应为甲类工作状态，其静态工作点不应设的太高，工作点太高振荡管工作范围易进入饱和区，输出阻抗的降低将使振荡波
形严重失真，但工作点太低将不易起振。

这是射频发射器的频率发生器，通过C3 、C4、 C5、 C7、L1组成改进型电容三点式（西勒振荡器），以为C3与L1并联，所以又称为并联型电容三点式振荡器。

由于C5、C7远大于C3，所以回路电容C 计算公式如下：
C=C3+C5C7C4/(C5C7+C5C4+C4C7) ≈C3+C4
中心频率：f0=1/(L （C3+C4）) ½
实际电路中通过调节电感值就可以得到所需要的频率。

这里C6是与下一级放大电路的耦
合电容，作用是隔直流，保护电路。

R1R3
C2
C1
C4
C3
图5
Vcc
L1
R2
实
物图
等效图
3音频放大电路设计 音频放大电路由共射放大电路构成。

由调制级转换过来的音频信号非常弱，因此必须再加上一级共射放大的电路。

然而要使共射放大电路工作在放大区，必须有合适的静态工作点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的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流Ic 以及各电极对地的电位UB 、Uc 、UE 。

一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电
压UE
或Uc ，然后算出Ic 的方法，例如，只要测出UE ，即可用：
E E C E R U I I =
≈算出Ic(也
可根据C C CC C R U U I -==，由Uc 确定Ic)同时也能算出UBE= UB-UE ，UcE= Uc-UE 。

图1 直流等效电路 实物图
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。

静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。

如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱合失真，此时Uo 的负半周将被削底，如上图2所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即Uo 的正半周被削顶（一般截止失真不如饱合失真明显），如图
2所示。

这些情况都不符合不失真放大的要求。

所以在选定工作点以后还必须进行动图2 静态工作点对U0波形失真的影响
态调试，即在放大器的输入端加入一定的输入电压Ui ，检查输出电压Uo 的大小和波形是否满足要求。

如不满足，则应调节静态工作点的位置。

这是电路的一级放大，由于通过调制电路的信号
很小所以要用甲类放大器，以防止失真或无法达
到放大作用，这里负载采用L2、C8并联谐振回
路达到选聘和匹配作用。

R5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。

C12滤波减小干扰。

图（5）
4高频功率放大电路设计
（1）基本关系式
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。

图1-3画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。

分析可得下列基本关系式：
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抗。

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。

放大器的效率η为CO m c CC m c I I V V 1121⋅⋅=η
最后一级设为丙类放大，以提高发射功率使已调
信号可以发射更远，集电极同样采用L3、C11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
图（6） 小信号，减小干扰。

再通过C13将调制信号耦合到天线上去。

5. 系统调试
实物图接好后，对着PCB 图和原理图查看电路，确定没有错误后，接入+12V 的电压。

用示波器测量调制输出端，有信号输出但比较小。

在测量甲类放大器输出端有60mV,但是测量天线输出端视发现信号才30几毫伏，频率为65MHz 左右，有收音机收听，可以收听到声音，但是有干扰信号，出去外面走走，才走了20多米就声音微弱在走几步就没有了，声音非常不稳定。

怕后面弄的更差没办法调，所以我先叫老师帮我测先，结果才测了27米。

刚开始觉得能调出来就不错了，急着复习，但是觉得不调好一点，这一周的辛苦就白费了，所以我有回到实验室进行调试，由于电感没接好，所以我又接过电感，次效果会比上次好多了，可以多走10左右，但是后面信号很弱，用示波器测量天线输出电压才40毫伏左右，而甲类放大输出还是60多毫伏，后后级不仅没有放大 ，还变得更小了。

猜想可能是后级放大不够，所以我找了各种阻值的电阻与R6并联看示波器的输出，但是输出基本上不变。

调电感也没有变化，拉长天线也没办法发射更远。

想了很久都没有思路。

突然想到会不会是天线通过耦合电容将阻抗折合到功放级呢？带着这个想法，我把天线剪了三分之二，结果发现天线输出电压达到了75毫伏以上了，频率在69.5MHz 处。

带上耳麦调到自己的频率后接收到了所播放的音乐，好开心啊！这会音质不上午调的好很多，出去走走，发现我走到楼的尽头声音很清晰而且声音也很大。

于是我赶紧叫老师来给我测量，测完之后，老师给我写了65米。

相关波形如图下图所示：由于当时没手机拍，所以借用他人的波形图，波形基本相同就是我的幅度要比较大，波形比较好。

6.心得体会
通过几天的课程设计，使我对调频发射机的工作原理有了进一步的了解，同时也使我对高频这门课程产生更为浓厚的兴趣。

在调试的过程中，遇到了一些麻烦。

使我意识到整个设计过程没有什么简易之分，每一个环节都至关重要，不能忽视任何一个环节。

比如在电路图分析设计，pcb制作过程，以及焊接，任何一个环节的忽视或者疏忽大意，都可能给后续过程造成麻烦。

所以，在整个设计过程中，必须时刻保持着认真的态度，不可太随意。

当调试遇到麻烦时，应保持冷静，既然出现问题，一定是有原因的，只有保持冷静，仔细去思考，才能尽快找出问题所在，然后加以克服解决。

急躁是不能解决问题的。

通过此次课程设计，使我发现其实我们所学的知识只要加以利用或者结合一些常识性东西，将会发挥巨大的威力。

比如这次我们所设计的调频发射机正是广播电台的基础。

本次试验使我深刻认识到一些课程设计之外的东西：懂就是懂，不懂就是不懂，做人要实事求是。

投机取巧是不行的，想把一件事情做好，就得花时间去认真做。

通过这次课程设计，我学会了更多东西，知道了单学理论不实践是没有用的，如果没有实践过就连元器件都不认得。

只有理论联系实际才能提升自己的专业水平，才知道基础的东西一定要牢固，有的东西一定要自己去推导，多去应用，这样到要用的时候才能够用的很顺手。

通过本次课程设计，我不仅体会到了设计员的辛苦和对追求成功的执着，也体会到了成功的喜悦，虽然这次我只是取得小小的（对我来说）成功，但我却非常开心，至少这是自己经过思考和努力得来的。

这将给我未来的生活带来更多的信心，也让我找到了自己学习的目标和方向，为了我的美好的生活，我将更努力的去提升自己的专业水平。

7.参考文献
《全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2005）》北京理工大学出版社/view/b08e552e453610661ed9f4a8.html
附录
1.PCB
2总的原理图
3元件列表。