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1、西北工业大学电子信息学院高频课程设计报告课设题目 无线话筒发射单元 授课班号 08030902、08030901 学生姓名 王勋（2009302026） 同组人员 史芫源（2009302023）同组人员 王涛（2009302003） 指导教师 林华杰 设计时间 2012年6月 高频课程设计-无线话筒发射单元摘要高频电子线路系统地介绍了通信系统，特别是无线通信系统中的最基本电路及他们的功能，给出了定性及定量分析这些电路性能的方法。这些电路包括了发射机及接收机中的选频放大电路、混频电路、功放电路、振荡电路、调制及解调电路、锁相环电路、自动增益控制电路及频率合成电路。本课程设计的基本目标是：通过理论
2、和实践教学，使我们了解晶体管工作于高频时的工作原理，特性参数及微变等效电路，掌握高频单元电路的线路组成、基本工作原理、分析方法、技术要求及一些典型集成电路的实际应用，并且具备一定的理论水平和足够的实践技能，为进一步学习通讯技术的专业知识和职业技能打下基础。关键词无线调频话筒发射单元、PCB绘图、电路分析Wireless FM MicrophoneAbstract High Frequency Circuit systematic introduction to communication systems, particularly wireless communication systems
3、and their basic function of the circuit, given the qualitative and quantitative analysis of these methods of circuit performance. The circuit includes a transmitter and receiver in frequency selective amplifier, mixer circuits, power amplifier, oscillation circuit, modulation and demodulation circui
4、ts, phase locked loop circuit, automatic gain control circuits and frequency synthesis circuit.The basic design of this course are: the theory and practice through teaching, so we know when the transistors operate at high working principle, characteristics and micro-dependent equivalent circuit para
5、meters, frequency control circuit of the line unit composition, the basic working principle methods, technical requirements, and some typical IC, and have a certain theoretical level and enough of the practical skills, communication technologies for the further study of expertise and professional sk
6、ills basis.Key words Wireless FM microphone, PCB drawings, circuit analysis目录Contents摘要i关键词ii一、 绪论iii二、 电路介绍122.1 电路技术指标5三、 电路设计33.1 单元电路选择63.2 具体电路分析73.3 元器件说明83.4 电路仿真（Multisim 10）93.5 调试及故障排除9四、 小结10五、 附录234455.1 元器件清单115.2 参考文献125.3 附图12一、 绪论高频电子线路是一门理论性、工程性和实践性都很强的课程。学生通过本课程的学习，不但应该掌握必要的基础理论知识，
7、而且还应在分析问题、解决问题和实际动手能力等方面得到锻炼和提高。对于这些能力的培养，理论教学与实践教学环节必须密切联系、互相配合，才会取得比较好的效果。高频课程设计是作为高频电子线路课程的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握高频电子线路设计和调试的方法，增加模拟电路应用知识，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。按照本学科教学培养计划要求，在学完专业基础课电路与电子技术后，应安排课程设计教学实践项目，其目的是使学生更好地巩固和加深对专业基础知识的理解，学会设计中、小型电子线路的方法，独立完成调试过程，增强学生理论联系实际的能力，提高学生电路分析和设计能力。通过实践教学
8、引导学生在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。本次课程设计本小组选择设计制作无线话筒发射单元（调频），要求是分析高频发射系统各功能模块的工作原理，提出系统的设计方案，实现对微型话筒信号进行线性放大。在此基础上可进行创新设计，如改善电路性能；故障分析；对系统进行仿真分析等。这是一款微型调频无线话筒，发射频率要求在30MHz左右，利用FM调频收音机可以实现短距离接收。在电路设计的过程中，本小组采用了NI公司的Multisim 10.0进行电路仿真，并用Altium Designer 6.9进行原理图及PCB图的绘制。二、 电路介绍2.1 电路技术指标1) 基本要求：(1)对微
9、型话筒信号进行线性放大。(2)发射载波频率：30MHz。(3)调制方式：调频。(4)发射功率：小于0.1W。(5)PCB板尺寸：30X80mm。(6)直流12V供电。2) 设计步骤：(1)给出设计指标。(2)给出原理框图、电路原理图，并对原理进行详细论述。(3)对关键电路单元进行仿真，给出仿真测试原理图。(4)给出PCB板图。(5)给出详细调试步骤。三、 电路设计33.1 单元电路选择（框图）该电路涉及到的技术有：高频电容三点式振荡电路，功率放大器（采用共射极接法，增益高，效率高)等，调频发射电路的方框图如下：a) 调频振荡器低频小信号部分只是将调制信号不失真的略作放大，直接调频发射系统中，调
10、频振荡器的电路形式主要有晶体振荡器直接调频，电抗管调频、变容二极管调频。晶体振荡器直接调频电路的优点是提高了振荡器中心频率的稳定性；电抗管调频电路与变容二极管调频电路相比，要复杂一些。考虑到本设计任务要求中心频率的稳定性不高（10-3/分钟），用LC振荡器就可达到； 另外，我们选择了电抗管调频电路。所谓电抗管，就是由一只晶体管或场效应管加上由电抗和电阻元件构成的移相网络组成。它与普通的电抗元件不同，其参量可以随调制信号而变化。电抗管的放大器件可以是电子管、晶体管或场效应晶体管；移相电路也有多种型式（如RC或RL移相网络）,其作用是使放大管T1的输出阻抗Ze=U0/IC具有一个电抗分量Xe，当X
11、e随 而变化时,即可获得调频信号。采用不同的移相电路，等效电抗Xe可以是电容性的,也可是电感性的。电抗管调频器的缺点是:振荡频率稳定度不高；频移也不能太大,阻抗 Ze通常还具有电阻分量，这个分量也随 而变化,使振荡器产生寄生调幅。电抗管调频部分是一个电容三点式振荡器，其中晶体管Q2、电阻R5、电容C4组成的移相网络即为电抗管，它等效为一个电感，这个等效电感会随着调制信号的变化而发生变化，从而总的电感值发生相应变化，根据公式f = 1/ 2*(LC)-1/2可知，频率也随之变化，最终实现低频调制信号对高频载波的频率调制。这种调频器的优点是电路比较简单，能获得较大的频偏；便于做成集成电路。缺点是载
12、频不能很高，频率稳定度较低。b) 缓冲隔离级缓冲级通常采用射极跟随器电路。在电路的最初设计阶段，我们小组并没有添加缓冲器，是经过讨论之后，觉得有必要在调频电路和高频放大电路中间加一个缓冲器以减少两级信号之间的相互干扰 ，增强电路的抗干扰能力。 C) 高频功率放大器高频放大器属于线性放大器。根据电路所需要的电压增益和选择性，来确定电路形式。一般电路形式有单调谐放大器和双调谐放大器。在对放大器选择性要求不高的场合，可以选用单调谐放大器。为提高放大器的电压增益，可以选择多级放大器级联的电路形式。要使负载（天线）上获得令人满意的发射功率，而且整机效率较高，应选择丙类功率放大器。末级功放的功率增益不能太
13、高，否则电路性能不稳定，容易产生自激。因此要根据发射机各部分的作用，适当地合理分配功率增益。要使负载（天线）上获得令人满意的发射功率，而且整机效率较高，应选择丙类高频功率放大器。3.2 电路分析如图1-1（见附图）话筒MIC可以采集外界的声音信号，这里我们用的是驻极体小话筒，灵敏度非常高，可以采集微弱的声音，同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作，电阻R4可以提供一定的直流偏压，R4的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度越弱。电阻越小话筒的灵敏度越高，话筒采集到的交流声音信号通过低频放大后耦合到Q2三极管的基极进行频率调制。三极管Q2和电容C3、C8、C6组成一个电容三点式的振荡器，由三极管Q2
14、集电极的负载C3、L1组成一个谐振器，通过C6正反馈电容形成三点式谐振振荡器原理，谐振频率就是调频话筒的发射频率，实际上是一个以谐振频率为基准的高频振荡器。通过调整图中元件L1的参数可以使发射频率可以在30MHZ左右，通过调整L1的数值（拉伸或者压缩线圈L1）可以方便地改变发射频率。发射信号通过C5耦合到高频放大器，由高频放大器进行谐振放大后再通过天线上再发射出去(实际电路设计中我们在功放之前加了射极跟随器)。由于高频振荡器和高频放大器互相独立使得发射频率和发射功率都十分稳定。C5将频率调制好的载波信号传递到Q3进行高频放大，仔细调整L2的值（拉伸或者压缩线圈L2）可使输出功率最大！距离最远，
15、整个工作电流最小。元器件说明1) 话筒MIC：我们用的是驻极体小话筒，灵敏度非常高，可以采集微弱的声音信号。话筒底部有两个接点，用两根粗铜丝焊牢在PCB印制电路板上。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管
16、作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。并且，外围电路中需要有相应的偏置电阻为其提供偏置。2) 高频振荡调制电路：（图1-1为例）该部分由晶体管Q2、电阻R5电感L1电容C3、C8、C6等组成。其功能是产生高频载波信号并进行调制。L1和C3构成LC谐振回路。该回路具有选频作用，其频率由公式计算得出：f = 1/ 2*(LC)-1/2经C1耦合过来的信号加在Q2基极上，通过基极上变化的电压改变be结电容，而实现对载波的调制。由集电极输出经C5耦合到下一级进行功率放大。 3) 功率放大电路：（图1-1为例）电路由R7、Q4、C10、L2、C2、R8组成，该部分电路为自偏压电路
17、，无需给b极加偏置电压，高频信号由C7耦合经自偏压电阻R7加到b上放大，电路工作在C类状态。L2和C2组成选频电路，使其谐振在前一级的工作频率上，C2为输出电容，输出高频信号。 3.3 电路仿真（Multisim 10）Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim中完整的器件库，您可以快速创建原理图，并利用
18、工业标准SPICE仿真器仿真电路。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计 流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较仿真数据及实际建模测量。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim可以进行复杂模拟/数字电路的仿真、简单的PCB板设计、简单的单片机仿真。如图1-4，我用信号源产生一个正弦信号代替话筒输入端，看产生的波形。仿真结果如图1-5、1-6、
19、1-7、1-8，由于部分原因，参数设置问题只能看到大概的有些频率变化，而不能看到很完美的波形，初步测量预估发射功率小于0.1W，符合指标要求。3.4 调试及故障排除1) 调试采用电容三点式，简单可靠，起振容易。但一级放大电路虽然达到我们的设计目标，但是抗干扰等功能仍然有印象，毕竟这是用较少的一些分立元件组成的一个高频电路。我们将偏置电阻的阻值减小使其对接收灵敏度提高，经测试，达到15.20m的声音信号仍能正常接收（温度：28），而且这是在有很多电磁干扰的环境下进行的测试，测试效果良好。天线输出距离选频回路较远，由于板子已经焊好，我们使用面包板进行测试，发现天线距离选频回路越近时，收音机的接收效
20、果越好。经测试还发现，将电源等有源元件与其他元件分开距离较大摆放时，接受的效果较好，频率较稳定，抗干扰能力提高近20%，频率抖动不大。为此我们选择了将天线与电源分在两边摆放。2）部分指标参数：灵敏度的计算公式：S=-174dBm+10*log(BW)+Eb/N0+NF电磁波在自由空间（无阻挡、无障碍）中的传输损耗为：Ls（dB）=32.45+20lgF(MHZ)+20lgD(km)3）故障分析：a) 传播距离不远：主要是信号不是很清晰解决：加长天线，使用拉伸式天线；调整L2的线圈匝数。b) 用收音机接收声音不清晰解决：调整L1的线圈距离四、 小结在此次课程设计中，我充分体会到了熟练运用相关软件
21、的重要性，不像之前的数电课设，并没有多少工作在计算机里实现的，就仅仅画出了电路图之后用元器件在面包板上搭电路就行了。此次课设绝大多数工作都高度依赖计算机，从仿真到绘制原理图，再到编制PCB图，可以说每一步都很艰难，每一步都是我们一步一个脚印结结实实踩下去的。我们付出了，当然，这一切都在用调频耳机听到自己话筒的频率的那一瞬间得到了实现。经过一周左右的时间，我们组终于完成这次无线话筒的课程设计任务。我们首先查阅了大量的书本资料，接着又上网搜集了许多有用信息，有时候为了找到一个合适的电路而苦恼，有时候又为取得一点成功而由衷的高兴。当最终的电路方案设计出来以后，我们请教了信息学院的几位学长，他们的一个
22、小小指点就给我们很大启示和灵感，对我们的实验图提出了很多有价值的建议，在此对热心帮助我们的学长表示衷心感谢。在此次课程设计中，我充分体会到了熟练运用相关软件的重要性，不像之前的数电课设，并没有多少工作在计算机里实现的，就仅仅画出了电路图之后用元器件在面包板上搭电路就行了。此次课设绝大多数工作都高度依赖计算机，从仿真到绘制原理图，再到参数调节，可以说每一步都很艰难，每一步都是我们一步一个脚印结结实实踩下去的。通过课程设计，我们增强了对通信电子技术的理解，学会查寻资料比较方案，学会通信电路的设计计算；进一步提高分析解决实际问题的能力，创造一个动脑动手独立开展电路实验的机会，锻炼分析解决通信电子电路
23、问题的实际本领，真正实现由课本知识向实际能力的转化；通过典型电路的设计与制作，加深对基本原理的了解，增强了实践能力。总的来说，这次课设学到了不少东西。尤其对调频发射系统有了新的认识，在焊接技术上有了长进，在分析和解决问题方面也明显看到自己的进步。其他方面，对发射机的原理有了初步认识，并知道了怎样写总结论文，还体会了成功的喜悦，可以说收益颇深。五、 附录455.1 元器件清单图1-1电阻：10K 三个4.7K 一个1K 一个68K 一个180欧 一个22K 一个3.9K 一个5.1K 一个510欧 一个电容：30pF 六个10uF 一个0.1uF 一个1nF 一个100uF 一个三极管：9018
24、三个 9013一个其他：驻极体话筒一个12V稳压源直径0.5mm漆包线30cm导线若干覆铜板，热转印纸若干图2-1电阻：2.2K 三个33 四个1M 一个22K 二个470K电位器一个电容：104 四个681 二个30 四个10 二个103 三个33U电解电容 一个三极管：9014 一个9018 二个其他：驻极体话筒一个12V稳压源直径0.5mm漆包线30cm导线若干覆铜板，热转印纸若干5.2 参考文献1) 谢嘉奎 电子线路（第四版） 高等教育出版社2) 于洪珍 通信电子电路 清华大学出版社3) 杨翠娥 高频电子线路实验与课程设计哈尔滨工程出版社4) 铃木宪次 无线电收音机及无线电路的设计与制作 科学出版社5) 谢自美 电子线路设计实验测试 华中科技大学出版社6) 李银花 电子线路设计指导 航空航天大学出版社7) 朱力恒 电子技术仿真实验教程 电子工业出版社5.3 附图图1-1设计方案的原理图图1-2 设计方案的PCB正面图图1-3 设计方案的PCB背面图图1-4 模拟话筒输入端信号图1-5 设计方案仿真，基于Multisim 图1-6 设计方案仿真，基于Multisim图1-7 信号经过低频放大器后信号对比图1-8 30M振荡电路单元信号输出
