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无线调频话筒设计指导.docx

500mW无线电调频发射机课程设计任务书

一、设计课题：无线调频话筒

二、设计目的：设计一个采用直接调频方式实现的工作电压为12V 、输出功率在 500mW以上、工作频率为5MHz 的无线调频话筒，可用于语音信号的无

线传输、对讲机中的发射电路等。

三、技术指标与要求：

1.设计达到的主要技术指标有：

（1）工作电压： V cc=+12V ；

（2）(天线 )负载电阻： R L=51 欧；

（3）发射功率： P o≥500mW ；

（4）工作中心频率： f 0=5MHz ；

（5）最大频偏：fm10kHz

；

（6）总效率：A 50%

；

（7）频率稳定度： f 0 / f 0104 / 小时；

（8）调制灵敏度 K F≥30KH Z/V ；

（9）电路结构采用分立元件构建的LC 调频振荡器、缓冲隔离、高频宽放和高频功放电路实现。

500mW无线电调频发射机设计指导书

第一章概述

1、课程设计的工作流程：课程设计的操作流程如图1-1 所示。

课程设计任务书解读主要

技术指标

资料准备

草拟方案

参数计算与

元件选择

制图、验算与

撰写设计报告

答辩与

评分图 1-1 课程设计的一般操作流程

2、评分办法

学生课程设计的成绩，应根据完成设计工作的质量综合评分，参考评分办法评定。

3、纪律要求

(1)课程设计期间，按平时上课作息时间到指定地点 (一般为教室 )；

(2)保持良好的课堂秩序，可以互相讨论问题，但不得大声喧哗；

(3)需要去图书馆查阅有关资料时，可向指导老师提出，并做好记录。

第二章设计任务与要求

1、课程设计任务：见课程设计任务书中的各项

2、设计报告的内容及版式要求：设计报告要撰写的内容和版式要求见表1-1

所示。

表 1-1 设计报告内容项目和版式要求

序号设计报告项目内容及版式要求

1设计封面、目录

2第一章绪论

3一、目的与意义

4二、设计内容与课程内容的关系

5三、完成任务的时间进程

6第二章电路结构的选择与工作过程

7一、方框结构与工作原理

8二、选择电路原理图及阐明选择的主要依据

9三、叙述各部分电路的基本工作原理

10四、电路中各元器件的名称及作用

11第三章电路参数的计算与元件的选择

12第四章设计总结

13一、计算机仿真分析与参数验算

14二、小结 (心得体会 )

15参考文献

第三章电路结构的选择与工作过程

一、总设计方框图

调制信号变容二极管直接调频电路调频信号

载波信号

图 3-1 变容二极管直接调频电路组成方框图

与调幅电路相比 ,调频系统由于高频振荡输出振幅不变, 因而具有较强的抗干扰能力与效率 .所以在无线通信、广播电视、遥控测量等方面有广泛的应用。

二、实用发射电路方框图( 实际功率激励输入功率为 1.56mW)

1 倍20 倍20 倍

调制LC 调频1.25缓冲 1.25功率25末级500

信号振荡器

隔离mW激励mW

功放

mW mW

0dB13dB13dB

图 3-2实用调频发射机组成方框图

拟定整机方框图的一般原则是，在满足技术指标要求的前提下，应力求电路简单、性能稳定可靠。单元电路级数尽可能少，以减少级间的相互感应、干扰和

自激。

由于本题要求的发射功率P o不大，工作中心频率 f 0也不高，因此晶体管的参量影响及电路的分布参数的影响不会很大，整机电路可以设计得简单些，设组成框图如图 3-2 所示，各组成部分的作用是：

(1)LC 调频振荡器：产生频率 f 0=5MHz的高频振荡信号，变容二极管线性

调频，最大频偏f

10kHz

，整个发射机的频率稳定度由该级决定。

(2)缓冲隔离级：将振荡级与功放级隔离，以减小功放级对振荡级的影响。

因为功放级输出信号较大，当其工作状态发生变化时（如谐振阻抗变化），会影

响振荡器的频率稳定度，使波形产生失真或减小振荡器的输出电压。整机设计时，为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级电路常采用射极

跟随器电路。

(3)功率激励级：为末级功放提供激励功率。如果发射功率不大，且振荡级

的输出能够满足末级功放的输入要求，功率激励级可以省去。

(4)末级功放：将前级送来的信号进行功率放大，使负载（天线）上获得

满足要求的发射功率。如果要求整机效率较高，应采用丙类功率放大器，若整机效率要求不高如 A ≤50%而对波形失真要求较小时，可以采用甲类功率放大器。

但是本题要求A 50%

，故选用丙类功率放大器较好。

三、实际的无线调频话筒电路

实际的无线调频话筒电路如图3-3 所示。

+12 v R6R8T1T2

C8R1 1

N2CT C1 1N3

5 1 R1

3 DG10 0

C4C5R5V3

3 DA1

V1C2

ZL1

R1 0 3 DG13 0

R 交负

R7R1 2

R9Rw2C1 2

R1 3 C1 0ZL2R1 4 R4

C3C7

图 3-3无线调频话筒电路

考虑到频率稳定度的因素，调频电路采用克拉泼振荡器和变容二极管直接调

频电路。电路的工作原理是：利用调制信号控制变容二极管的结电容，改变振荡器振荡回路的总电容，从而使调频振荡器输出信号的频率随调制信号的变化而变化，即实现调频。调频后的信号经过缓冲隔离、宽放和功放后通过天线发射出去。

四、发射机的主要技术指标

(1)发射功率

发射功率指发射机发射到天线上的功率。只有当天线的长度与发射信号的波

长相比拟时，天线才能有效地把信号发射出去。波长与频率f

的关系是

c / f

式中， c 为电磁波传播速度， c=3*10 8m/s 。若接收机的灵敏度V A=2uV ，则通信距离 s 与发射功率 P o间的关系为

s 1.074 { P0 } mW

当发射功率为大于500mW时通信距离为 5.08Km以上。

(2)工作频率或波段

发射机的工作频率应根据调制方式，在国家有关部门规定的范围内选取。对于调频发射机，工作频段一般选择在超短波范围内。

(3)总效率

发射机发射的总功率P O其所消耗的总功率P T比，称为发射机的总效率，用A表示。

(4)调制灵敏度 K f

是单位调制信号电压所引起的最大频偏，其值越大，说明调制信号控制作用越强，产生频偏越大。

第四章电路参数的计算与元件选择整机电路的实际计算顺序一般是从末级单元电路开始，向前逐级进行。而电路的组装和调试顺序一般是从前级单元电路开始向后级逐级进行。

一、增益分配与功率放大器的设计

发射机的输出应具有一定的功率才能将信号发射出去，但是功率增益又不可能集中在末级功放，否则电路性能不稳，容易产生自激。因此要根据发射机的各组成部分的作用，适当地合理地分配功率增益。如果调频振荡器的输出比较稳定，又具有一定的功率，则功率激励级和末级功放的功率增益可适当小些。功率激励级一般采用高频宽带放大器，末级功放可采用丙类谐振功率放大器。缓冲级可以不分配功率。功率增益如图3-2 所示。

仅从输出功率Po ≥500mW一项指标来看，可以采用宽带功放或乙类、丙

类功放。由于还要求总效率大于50% ，故采用一级宽带放大器加一级丙类功放

实现，其电路形式如图4-1 所示。

直流毫安表

+12v

T1T2

超高频R11 N1N2CTC11N3N5

毫伏表

N451

C9V3

in3DG130

R?? ?o

3DA1

R12

R13C10ZL2 R14C12

图 4-1功率激励与末级功放电路

(一 )丙类功率放大器 (末级功放 )设计

1、基本关系式

如图 4-1所示，丙类功率放大器的基极偏置电压-V BE是利用发射机电流的分量 I e0在射极电阻 R14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V i为正弦波时，集电极的输出电流i C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u c、电流 i C1。

(1)集电极基波电压的振幅

Ucm= I cm1 R P

式中， I cm1为集电极基波电流的振幅；R P为集电极负载阻抗。

(2)输出功率 Po

Po= Ucm.I cm1 = Ucm 2/(2 R P)

(3)直流功率 Pv

Pv= Vcc.I c0

(4)集电极耗散功率 P T

P T= Pv- Po

(5)集电极的效率η

η= Po/ Pv

(6)集电极电流分解系数α (θ)

αn(θ)= I cmn /i cmmax

(7)导通角θ

U on V BB

cos

（θ一般取 60 o80o）

U bm

2、确定丙类放大器的工作状态

为了获得较高的效率η和最大的输出功率Po ，选丙类放大器的工作状态为临界状态，θ=70 0，功放管为 3DA1 。3DA1 的参数如表 4-1 所示。

表4-1 3DA1 参数表

P I

CM V

CES

1W750mA≥1.5V≥10≥70MHz13dB

(1) 最佳匹配负载R

p110.25

R p

(V cc V CES)2(12 1.5)2

110.25 2Po 2 * 0.5

(2) 由 Po=0.5Ucm.I cm1 = Ucm 2 /(2R P) 可得：集电极最大输出电压Ucm=10.5V

(3)集电极基波电流振幅： I cm1 =95.24mA

(4)集电极电流最大值 I cm = I cm1 / α1(70 0 )=95.24/0.44=216.45mA

(5)集电极电流直流分量 I c0 = I cm * α0(70 0 )=216.45*0.25=54.11mA

(6)电源供给的直流功率 Pv= V cc* I c0 =649.35mW

(7) 集电极的耗散功率P T=Pv-Po=649.35-500=149.35mW(小于P CM

=1W)

(8)总效率η= Po/Pv=500/649.35=77.00%

(9)输入功率

若设本级功率增益Ap=13dB(20倍)，则输入功率P i=Po/Ap=25mW

(10)基极余弦脉冲电流的最大值 I bm (设晶体管 3DA1 的β=10)

I bm = I cm / β=21.45mA

(11)基极基波电流的振幅 I bm1 = I bmα1(70 0 )=21.45*0.44=9.44mA

(12)基极电流直流分量 I b0 = I bmα0(70 0 )=21.45*0.25=5.36mA

(13)基极输入电压的振幅 U bm =2P i / I bm1 =5.30V

(14)丙类功放的输入阻抗

r bb'25

Z i86

(1 cos ) 1( )(1 cos70 0 ) * 0.44

3、计算谐振回路及耦合回路的参数

(1)输出变压器线圈匝数比 N5/N3( 解决最佳匹配负载问题 )

N 52P o R L R L51 N 3Ucm R p 0.68

110

取N5=2 ， N3=3 。

(2)谐振回路电容 C11=100pF

(3)谐振回路电感 L

10uH

2C 11(2 * 3.14 * 5* 10 6 ) 2* 100 * 10 12

(2 f 0)

(4)输出变压器初级线圈总匝数比 N=N3+N4

高频变压器及高频电感的磁芯应采用镍锌(NXO) 铁氧体，而不能采用硅钢铁芯，因其在高频工作时铁损耗过大。 NXO-100环形铁氧体作高频变压器磁芯时，

,.工作频率可达十几兆赫兹。

若采用外径 *内径 *高度 = Φ10mm* Φ6mm* Φ5mm的NXO-100环来绕制输出耦合变压器，由公式

L 42{ } H / m{ A} cm2* 103H

{ l} cm

式中，=100H/m为磁导率； N 为变压器初级线圈匝数； A=25mm 2 为磁芯截面积； l=25mm 为平均磁路长度。计算得 N=8 ，则 N 4 =5

N W0 L

N5R L

或

N W0 L e N5 6.28 5 10 2 2 9则R L51，e

取值 2~10 ，上述公式取 2 。

需要指出的是，变压器的匝数N3 、N4 、N5 的计算值只能作为参考值，由于分布参数的影响，与设计值可能相差较大。为调整方便，通常采用磁芯位置可调节的高频变压器。

4、基极偏置电路

(1)发射极电阻 R14

由公式

U on V BB

cos

U bm

可得，V BB U on U bm cos0.7 5.3 cos70o 1.1V

V BB I e 0 R14I c 0 R14 1.1V

R1420.33

取标称值 R1420

(2) 高频旁路电容 C12=0.01uF 。

(3)高频扼流圈 ZL2=47uH 。

(4)可变电容 CT=(5~20)pF 。

5、元件清单

CT=(5~20)pF ZL2=47uH R

C12=0.01uF

C11=100pF L10uH

N3=5 ，N4=3, N5=2、3DA1

管子

(二 )宽带功率放大器 (功率激励级 )设计

功率激励级功放管为3DG130 。3DG130 的参数如表 4-2 所示。

表4-23DG130 参数表

P I

CM V

CES

700mW300mA≤0.6V≥30≥150MHz13dB

1、计算电路参数

(1)有效输出功率 P H与输出电阻 R H

宽带功率放大器的输出功率P H应等于下级丙类功放的输入功率Pi=25mW ，其输出负载 R H等于丙类功放的输入的输入阻抗|Zi|=86 Ω。即

P H =25mW

R H =86 Ω

(2)实际输出功率 P O

设高频变压器的效率η=80% ，则

Po= P H / η=31.25mW

(3) 集电极电压振幅Ucm 与等效负载电阻R'

若取功放的静态电流I CQ =I Cm =7mA ，则

Ucm= 2P o /I CQ=2P o /I Cm =8.93V

Ucm 2

1275.51.3K

R' H

2Po约为 1.3K Ω(4)高频变压器匝数比 N1/N2

N1R' H N 23

R H

取变压器次极线圈匝数N2=2 ，则初级线圈匝数 N1=6 。

(5)发射极直流负反馈电阻 R13

Vcc Ucm V CES12 8.930.6V

R13352.86

I CQ7mA取标称值 360 Ω

(6) 功放输入功率 P i

本级功放采用 3DG130晶体管，若取功率增益 A P=13dB(20倍)，则输入功率

P i Po / A P 1.56mW

(7)功放输入阻抗 R i

R i r bb 'R交负25 30 * R交负(取r bb' 2530 )若取交流负反馈电阻为10 Ω，则

R i325

(8)本级输入电压振幅 U im

U im2R i P i2* 325* 1.56 * 10 3 1.0V

2、计算电路静态工作点

(1)V BQ、 I BQ

V EQ I CQ R137 * 10 3 * 352.86 2.47V

V BQ V EQ0.7 3.17V

I BQ I CQ /7 / 30 0.23mA

(2)R11、 R12(I1=5~10 倍 I BQ )

若取基极偏置电路的电流 I1 =5 I

BQ =5*0.23mA=1.15mA，则

V BQ 3.17V

R12 2.75k

5I BQ 1.15mA

取标称值 R12 =3k Ω。

Vcc V BQ12 3.17V

R117.65k

I 1 1.15mA

为了调节电路的静态工作点， R11可由标称值为 5.1 k Ω的电阻与 10 k Ω的电位器组成。

(3)高频旁路电容 C10=0.02uF 。

(4)输入耦合电容 C9=0.02uF 。

此外 ,还可以在直流电源V CC支路上加高频电源去耦滤波网络,通常采用LC 的Π型低通滤波器。电容可取0.01uF, 电感可取 47uH 的色码电感或环形磁芯绕制。还可在输出变压器次级与负载之间插入LC 滤波器，以改善负载输出波形。

3、元件清单

C9=0.02uF C10=0.02uF R11 5.1k10k电位器R123k

R10N1=6 ， N2=2R13 =360 Ω3DG130 管子交负

二、缓冲隔离级电路 (射极输出器)设计

从振荡器的什么地方取输出电压也是十分重要的。一般尽可能从低阻抗点取出信号，并加入隔离、缓冲级如射极输出器，以减弱外接负载对振荡器幅度、波

形以及频率稳定度的影响。

射极输出器的特点是输入阻抗高，输出阻抗低，放大倍数接近于 1 。

1、电路形式

由于待传输信号是高频调频波，主要考虑的是输入抗高，传输系数大且工作稳定。选择电路的固定分压偏置与自给偏压相结合，具有稳定工作点特点的偏置电路。如图 4-2 所示。射极加 R W2可改变输入阻抗。

+12 V

C8V2

3DG1 0 0

R1 0

Rw2 3 25

图 4-2射极输出器电路

2、估算偏置电路元件

(1)已知条件： Vcc=+12V ，负载电阻 R L=325 Ω(宽带放大器输入电阻 )，输出电压振幅等于高频宽带放大器输入电压振幅，即U om =1.0V ，晶体管为3DG100 （ 3DG6 ）。3DG100 的参数如表 4-3 所示。

表4-33DG100 参数表

P CM I CM V CES h fe f T A P 100mW30mA30~200≥150MHz

β0=60。晶体管的静态工作点应位于交流负载线的中点，一般取U CEQ=0.5Vcc ，I CQ=(3~10)mA。

根据已知条件选取I CQ=4mA,，V CEQ=0.5Vcc=6V，则

R R V EQ V cc Vc EQ12 6V 1.5k

10w 2

I CQ I CQ4mA

(2)R10、R w2：取 R10 =1k Ω，R w2为 1kΩ的电位器。

(3) R 8、R9

V EQ=6.0V

V BQ = V EQ +0.7=6.7V

I BQ=I CQ/ β0 =66.67uA

V BQ

R910k

10I BQ

取标称值 R9=10k Ω。

V cc V BQ

R87.95k

10I BQ

取标称值 R8=8.0k Ω。

(4)输入电阻 R i

若忽略晶体管基区体电阻的影响，有

R i (R8 || R9 ) || [( R10 R w 2) || R L ] 3.63k（ R

L=325Ω）

(5)输入电压 U im

U im i i

2 * 3630 * 1.56 * 10

3.37V

2RP

(6)耦合电容 C8、C9

为了减小射极跟随器对前一级电路的影响，C8的值不能过大，一般为数十pF ，这里取 C8 =20pF ，C9 =0.02uF 。

3、元件清单

=20pF 9

R8 8.0k R9 10k

C C =0.02uF

R10 =1k ΩR w2为 1k Ω的电位器晶体管为 3DG100

三、调频振荡器设计

调频振荡电路的作用是产生频率fo5MHz

的高频振荡信号。变容二极管为

线性调频，最大频偏fm10kHz

。发射机的频率稳定度由该级决定。调频振荡器

电路如图 4-3 所示。

Vcc

R1Out数字频率计

C4C5R5

V1C2

ZL1

L1Cj R7

C1R4C3

高频示波器

4.7u F

图 4-3调频振荡器电路

LC 调频振荡器是直接调频电路，是利用调制信号直接线性地改变载波瞬时频率。

如果为 LC 振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号规律变化，实现直接调频。

1、LC 振荡器

主要技术指标：工作中心频率： f 0=5MHz ；

最大频偏：f m10kHz ；

频率稳定度：

f0 / f 0 5 * 10 4/ 小时

(1)确定电路形式，设置静态工作点

本题对频率稳定度f / f

o要求不是很高，故选用图 1-7 所示的改进型电容三

点式振荡器与变容二极管调频电路。

(2)三点式振荡器设计：基极偏置电路元件 R1、R2、 R3、R4、C1的计算图

中，晶体管 V1 与 C2、C3、 C4、C5、C j、L1组成改进型电容三点式振荡

器， V1为共基组态， C1 为基级耦合电容。其静态工作点由 R1、R2、R3、 R4共同决定。晶体管V1 选择 3DG100 ，其参数见表 1-4所示。

小功率振荡器的集电极静态工作电流I CQ一般为 (1~4)mA。I CQ偏大，振荡幅度增加，但波形失真严重，频率稳定性降低。I CQ偏小对应放大倍数减小，起振困难。为了使电路工作稳定，振荡器的静态工作点取I CQ2mA ,V CEQ 6V ,测得三极管的60 。

I cQ

Vcc V CEQ126

R3R4R32mA

由(1-3) 可得 R3 +R 4=3k Ω，为了提高电路的稳定性， R4的值可适当增大，取R4=1k Ω，则 R3=2k Ω。

V EQ V BQ V BE I cQ R42mA* 1k2V

V BQ

R212R2

0.7 2.7V R1

Vcc V EQ

R2R1R2

I BQ I cQ /2mA / 6033.3uA

为了提高电路的稳定性，取流过电阻R2上的电流

I 210I BQ 0.33mA

V BQ 2.7V

8.18k

0.33mA

I 2

取标称值 R2=8.2k Ω。

BB R2

1)R2 28.2K

V CC则 R1 (

根据公式

R1 R2V

得

R1=28.2K Ω实际运用时 R1取 20k Ω电阻与 47k Ω电位器串联，以便调整静态工作点。

C1为基极旁路电容，可取C1=0.01uF 。C8 =0.01uF, 输出耦合电容。

2、调频电路设计

调频电路由变容二极管C j和耦合电容 C5组成，R6和 R7为变容二极管提供

V R7Vcc

静态时的反向偏置电压V Q，Q R。R5为隔离电阻，为了减小调制信

号 U i对 V Q的影响，一般要求 R5远远大于 R6和 R7。C6和高频扼流圈 ZL1对 U i 相当于短路， C7为滤波电容。

变容二极管 C j通过 C5部分接入振荡回路，有利于提高主振频率f

0的稳定

j，式中， C j为变容二极管

性，减小调制失真。变容二极管的接入系数的结电容，它与外加电压的关系为

C j 0

(1)

D( C j0为变容管 0 偏时结电容 ,U D为其 PN 结内建电位差 ,γ为变

容指数 )①变容二极管参数选择

测变容二极管的

j V 特性曲线，设置合适的静态工作点V Q。本题给定变容

二极管为 2CC1C ，并取变容管静态反向偏压V

，由特性曲线可得变容管的

静态电容 C jQ 75 pF 。

②计算主振回路元件值：

C 2 、 C 3 、 C 4、 C 5 、 L 1

C 2、 C 3、C 4 、C 5、 C j 、L 1 组成并联谐振回路，其中 C 3 两端的电压构成振荡

器的反馈电压，满足相位平衡条件。

比值 C 2/ C 3 =F ，决定反馈系数的大小，

F 一般取 0.125~0.5 之间的值。

为了减小晶体管极间电容对振荡器振荡频率的影响，

C 2 、C 3 的值要大。如

果 C 4 取几十皮法，则 C 2、 C 3 在几百皮法以上。

C 5

，为减小振荡回路输出的高频

因接入系数

C 5

C j

，一般接入系数

电压对变容晶体管的影响， p 值应取小，但 p 值过小又会使频偏达不到指标要求，

pC j

0.2 * 75 18.75 pF

C 5

可以先取

p=0.2 。则

1 p

1 0.2

，取标称值 C 5 20 pF 。

（ V Q =-4V 时 C j =75pF ）

若取 C 4=20pF ，电容 C 2、 C 3 由反馈系数 F 及电路条件 C 2 >>C 4、 C 3 >>C 4 决

定，若取 C 2=330pF ，由 F= C 2/ C 3=

0.125~0.5

取 C 3=750pF 。则静态时谐振回

路的总电容为

C 2 * C 3

* C 4 C 5 * C jQ

C 5 C jQ

20* 75

C Q

C 2 C 3 20

C 2 * C 3

C 5 C jQ C 4

C jQ

( pF )

C 4 C 5

20 75

C 2 C 3

代入元件值可得

C Q 35.78 pF

由公式

f o

5MHz

L 1C Q

可得

无线调频话筒设计指导.docx

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