高频课程设计：高频调谐小信号放大器电子线路设计 27页

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摘要1第一章绪论31.1通信系统的介绍31.2通信系统的一般模型32.1无线发射接收系统的组成52.2无线发射系统的各部分介绍52.2.1话筒或音乐IC52.2.2音频放大电路62.2.3AM调制电路62.2.4高频功率放大电路72.3无线接收系统的各部分介绍72.3.1天线回路82.3.2变频器82.3.3中频放大电路102.3.4检波电波112.4无线接收系统和发射系统的联调12第三章高频小信号的设计143.1高频小信号调谐放大器的原理分析143.2高频小信号调谐放大器参数设置143.3高频小信号调谐放大器仿真图形16第四章焊接及调试184.1焊接知识概述184.1.1操作前检查184.1.2焊接步骤184.2调试故障分析194.2.1高频小信号放大器故障分析19故障1：19故障2：19故障4：19故障5：194.3实物图20参考文献22附录一23附录二2527 第一章绪论随着现代通信技术的不断发展，通信技术在人们的生活中占据着十分重要的地位，你很难想像如果没有手机，电脑，互联网，人们的生活将会变成什么样子。通信的一般含义是从发信者到收信者之间消息的传递，包括旗语、邮政等。利用电磁系统传递消息的这种方式是从19世纪末叶迅速发展起来的，并且在经济、军事和社会发展中起越来越重要的作用。1.1通信系统的介绍通信系统是指用以完成信息传输过程的技术系统的总称。现代通信系统主要借助电磁波在自由空间的传播或在导引媒体中的传输机理来实现，前者称为无线通信系统，后者称为有线通信系统。当电磁波的波长达到光波范围时，这样的电信系统特称为光通信系统，其他电磁波范围的通信系统则称为电磁通信系统，简称为电信系统。由于光的导引媒体采用特制的玻璃纤维，因此有线光通信系统又称光纤通信系统。一般电磁波的导引媒体是导线，按其具体结构可分为电缆通信系统和明线通信系统；无线电信系统按其电磁波的波长则有微波通信系统与短波通信系统之分。另一方面，按照通信业务的不同，通信系统又可分为电话通信系统、数据通信系统、传真通信系统和图像通信系统等。由于人们对通信的容量要求越来越高，对通信的业务要求越来越多样化，所以通信系统正迅速向着宽带化方向发展，而光纤通信系统将在通信网中发挥越来越重要的作用。1.2通信系统的一般模型实现信息传递所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统。以基本的点对点通信为例，通信系统的组成（通常也称为一般模型）。图1.1图中，信源的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如电话系统中电话机可看成是信源。信源输出的信号称为基带信号。所谓基带信号是指没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。根据原始电信号的特征，基带信号可分为数字基带信号和模拟基带信号，相应地，信源也分为数字信源和模拟信源。27    发送设备的基本功能是将信源和信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号（基带信号）变换成适合在信道中传输的信号。变换方式是多种多样的，在需要频谱搬移的场合，调制是最常见的变换方式；对传输数字信号来说，发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。图中的噪声源，是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。 在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码、解码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号来。信宿（也称受信者或收终端）是将复原的原始电信号转换成相应的消息，如电话机将对方传来的电信号还原成了声音。27 第二章无线发射接收系统的工作原理2.1无线发射接收系统的组成无线通信系统图2-1无线通信系统的组成无线通信系统主要由发射，接收这两大系统组成。常用的接收系统用的就是超外差中波调幅接收机。如图2-1所示。2.2无线发射系统的各部分介绍　　　　　　　　　图2-２无线通信发射系统的组成　本实验的无线通信发射系统主要模块是话筒或音乐IC、音频放大、AM调制、高频功放以及天线模块。2.2.1话筒或音乐IC该模块的主要功能是通过话筒产生一个语音信号，其频率为３００～３４００HZ，或通过试验箱产生一个音乐信号，其波形为矩形方波，幅度约为２００ｍｖ。这就是AM调制中的调制信号。27 2.2.2音频放大电路　　　　　　　　　图2-３音频放大电路　该模块主要是一个由集成芯片构成的放大器电路，其作用实际上就是对比较小的音频信号进行放大，使其功率增加，然后输出。其原理如图3-1所示，前置放大主要完成对小信号的放大，使用一个同向放大电路对输入的音频小信号的电压进行放大，得到后一级所需要的输入。后一级的主要对音频进行功率放大，使其能够驱动电阻而得到需要的音频。2.2.3AM调制电路该模块主要是一个调制电路，其中调制信号就是实验箱产生的音乐信号，载波信号就是从信号源产生的一个频率为１MHZ，幅值为５００ｍｖ的正弦波信号。调制就是使消息载体的某些特性岁消息的变化而变化。调制的作用是把消息置入消息载体，以便于传输和处理。调制的作用主要有四点：第一、可以充分利用频谱资源。如将不同的信号通过频分复用的技术能在同一信道中传输。第二、可以远距离传输信号。调制过程将信号频谱搬移到任何所需的较高频率范围，这样就很容易将信号以电磁波的形式发射出去。第三、将所要发的消息信号加载在一个高频信号上，这是发射和接收所用的天线的长度就可以变得非常短，如将声音信息调制在900MHZ的正弦载波上，则天线仅需8cm即可。第四、调制可以降低干扰对传输信号的影响，例如通过扩频调制。在该模块用到的调制方式是AM调制，也叫标准幅度调制。用到的芯片是MC１４９６，该集成模拟乘法器是完成两个模拟量（电压或电流）相乘的电子器件。在高频电子线路中，振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分离器件如二极管和三极管要简单得多，而且性能优越。所以目前无线通信、广播电视等方面应用较多。集成模拟乘法器常见产品有BG314、F1595、F1596、MC1495、MC1496、LM1595、LM1596等。经过MC１４９６芯片振幅调制后就产生了一个调幅波，如图２－４所示。该波形是音频（矩形波形号）和正弦波AM调制后的矩形包络波形。27 　　　　　　　　　　　图2-４AM调制后的波形2.2.4高频功率放大电路高频功率放大器用于发射机的末级，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。　　高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。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在“低频电子线路”课程中已知，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）。2.3无线接收系统的各部分介绍图2-5超外差接收机常用的接收机为超外差接收机，其组成模块如图2-5所示。27 超外差式接收机能够大大提高接收机的增益、灵敏度和选择性。因为不管电台信号频率如何都变成为中频信号，然后都能进入中频放大级，所以对不同频率电台都能够进行均匀地放大。中放的级数可以根据要求增加或减少，更容易在稳定条件下获得高增益和窄带频响特性。此外，由于中频是恒定的，所以不必每级都加入可变电容器选择电台，避免使用多联同轴可变电容器，而只需在调谐回路和本振回路用一只双连可变电容器就可完成选台。超外差电路的典型应用是超外差接收机，其优点是：①容易得到足够大而且比较稳定的放大量。②具有较高的选择性和较好的频率特性。③容易调整。缺点是电路比较复杂，同时也存在着一些特殊的干扰，如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等。随着集成电路技术的发展，超外差接收机已经可以单片集成。图2-6无线通信接收系统的组成本实验的无线通信接收系统主要模块是天线回路、变频器、中频放大电路、检波电路，音频功率放大电路。2.3.1天线回路收音机、电视机使用的天线一般是接收天线，广播电视台的天线则为发射天线。而手机天线则收发共用，但须经过移动通信基站天线转收和转发。实际上，一切无线电设备(包括无线电通讯、广播、电视、雷达、导航等系统)都是利用无线电波来进行工作的，而从几MHz的超长波到四十多GHz的毫米波段电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。天线是这样一个部件，作发射时，它将电路中的高频电流或馈电传输线上的导行波有效地转换成某种极化的空间电磁波，向规定的方向发射出去；作接收时，则将来自空间特定方向的某种极化的电磁波有效地转换为电路中的高频电流或传输线上的导行波。天线的作用主要有两点：(1)能量转换对于发射天线，天线应将电路中的高频电流能量或传输线上的导行波能量尽可能多地转换为空间的电磁波能量辐射出去。对于接收天线，天线应将接收的电磁波能量最大限度地转换为电路中的高频电流能量输送到接收机。这就要求天线与发射机源或与接收机负载尽可能好的匹配。(2)定向辐射或接收对于发射天线，辐射的电磁波能量应尽可能集中在指定的方向上，而在其它方向不辐射或辐射很弱。对于接收天线，只接收来自指定方向上的的电磁波，在其它方向接收能力很弱或不接收。2.3.2变频器变频电路是时变参量线性电路的一种典型应用。如一个振幅较大的振荡电压υ0（使器件跨导随此频率的电压作周期变化）与幅度较小的外来信号υS27 同时加到作为时变参量线性电路的器件上，则输出端可取得此二信号的差频或和频，完成变频作用。如果此器件本身既产生振荡电压又实现频率变换（变频），则称为自激式变频器或简称变频器。如果此非线性器件本身仅实现频率变换，本振信号由另外器件产生，则称为混频器。包括产生本振信号的器件在内的整个电路，称为他激式变频器。图2-7变频原理方框图变频器的原理方框图如图2-6所示。变频器常用在超外差接收机中，功能是将载波为（高频）的已调波信号不失真地变换为另一载频（固定中频）的已调波信号，而保持原调制规律不变。例如在调幅广播接收机中，混频器将中心频率为535~1605KHz的已调波信号变换为中心频率为465KHz的中频已调波信号。变频的用途十分广泛。除在各类超外差接收机中应用外，在频率合成器中为了产生各波道的载波振荡，也需要采用变频器来进行频率变化及组合；在多路微波通信中，微波中继站的接收机把微波频率变换为中频，在中频上进行放大，取得足够的增益后，再利用变频器把中频变换为微波频率，转发至下一站。此外，在测量仪器中如外差频率计、微伏计等也都采用变频器。图2-8三极管变频电路图27 本实验系统中的变频电路为三级管变频电路，其原理图如图2-8所示。Q1为变频管，作用是把通过输入调谐电路收到的不同频率的电台信号(高频信号)变换成固定的465KHz的中频信号。Q1、T2、CC1等元件组成本机振荡电路，它的作用是产生一个比输入信号频率高465KHz的等幅高频振荡信号。由于C9对高频信号相当短路，T1的次级L的电感量又很小，为高频信号提供了通路，所以本机振荡电路是共基极电路，振荡频率由T2、CC1控制，CC1是双连电容器的另一连，调节它可以改变本机振荡频率。T2是振荡线圈，其初次级绕在同一磁芯上，它们把Q1的集电极输出的放大了的振荡信号以正反馈的形式耦合到振荡回路，本机振荡的电压由T2的抽头引出，通过C10耦合到Q1的发射极上。混频电路由Q1、T3的初级线圈等组成，是共发射极电路。其工作过程是：调制信号从J4输入，经选频回路选频，通过T1的次级线圈送到Q1的基极，本机振荡信号又通过C10送到Q1发射极，调制信号和本振信号在Q1中进行混频，由于晶体三极管转移伏安特性的非线性特性，产生众多的组合频率，其中有一种是本机振荡频率和调制信号频率的差等于465KHz的信号，这就是中频信号。混频电路的负载是中频变压器T3的初级线圈和内部电容组成的并联谐振电路，它的谐振频率是465KHz，可以把465KHz的中频信号从多种频率的信号中选择出来，并通过T3的次级线圈耦合到下一级去，而其它信号几乎被滤掉。2.3.3中频放大电路超外差接收机中的中频放大器是一种频带较宽的谐振放大器。中放采用谐振回路作负载，这是与高放共同之处；但中放的谐振曲线接近理想曲线—矩形，这是与高放不同之处。后者对超外差接收机的中放来说是完全必要的，因中放任务之一是削弱邻近干扰，而邻近干扰频率离信号很近，变频之后，离中频就很近，若中放的谐振曲线不好，便难以削弱。此外，中放还具有工作频率固定与级数多两个特点。中放的作用有两个主要作用：（1）提高增益，因中频低于信号频率，晶体管的y参数及回路谐振电阻等较大，因此易于获得较高的增益。差外差接收机检波前的总增益主要取决于中放。（2）抑制邻近干扰。对中放的主要要求是工作稳定，失真小，增益高，选择性好，有足够宽的通频带。对于高放，因工作频率高，通频带宽，故高放回路的Q值越高越好，这时不必顾虑B太窄的问题；但对于中放，由于工作频率较低，若回路Q值过高，频带可能太窄而不能通过全部信号分量，故希望他在要求的通频带条件下选择性越高越好，也就是要求谐振曲线接近矩形。实际谐振曲线很难做到理想矩形，为了衡量实际谐振曲线接近矩形的程度，引入矩形系数，式中为通频带。27 2.3.4检波电波检波过程是一个解调过程，它与调制过程正好相反。检波器的作用是从振幅受调制的高频信号中还原出原调制的信号。还原所得的信号，与高频调幅信号的包络变化规律一致，故又称为包络检波器。若输入信号是调幅波，则输出就是原调制信号。这种情况应用最广泛，如各种连续波工作的调幅接收机的检波器即属此类。从频谱来看，检波就是将调幅信号频谱由高频搬移到低频，如图12-1所示（此图为单音频Ω调制的情况）。检波过程也是应用非线性器件进行频率变换，首先产生许多新频率，然后通过滤波器，滤除无用频率分量，取出所需要的原调制信号。常用的检波方法有包络检波和同步检波两种。有载波振幅调制信号的包络直接反映了调制信号的变化规律，可以用二极管包络检波的方法进行解调。而抑制载波的双边带或单边带振幅调制信号的包络不能直接反映调制信号的变化规律，无法用包络检波进行解调，所以采用同步检波方法。图2-9检波器检波前后的频谱由于该无线通信系统中频输出是有载波振幅调制信号的包络，所以该通信系统中的检波方式为二极管峰值包络检波。1.二极管包络检波的工作原理　当输入信号较大(大于0.5伏)时，利用二极管单向导电特性对振幅调制信号的解调，称为大信号检波。大信号检波原理电路如图2-10（a）27 所示。检波的物理过程如下：在高频信号电压的正半周时，二极管正向导通并对电容器C充电，由于二极管的正向导通电阻很小，所以充电电流iD很大，使电容器上的电压VC很快就接近高频电压的峰值。充电电流的方向如图2-10（a）图中所示。图2-10检波器检波前后的频谱这个电压建立后通过信号源电路，又反向地加到二极管D的两端。这时二极管导通与否，由电容器C上的电压VC和输入信号电压Vi共同决定.当高频信号的瞬时值小于VC时，二极管处于反向偏置，管子截止，电容器就会通过负载电阻R放电。由于放电时间常数RC远大于调频电压的周期，故放电很慢。当电容器上的电压下降不多时，调频信号第二个正半周的电压又超过二极管上的负压，使二极管又导通。如图2-10（b）中的tl至t2的时间为二极管导通的时间，在此时间内又对电容器充电，电容器的电压又迅速接近第二个高频电压的最大值。在图2-10（b）中的t2至t3时间为二极管截止的时间，在此时间内电容器又通过负载电阻R放电。这样不断地循环反复，就得到图2-10（b）中电压的波形。因此只要充电很快，即充电时间常数Rd·C很小(Rd为二极管导通时的内阻)：而放电时间常数足够慢，即放电时问常数R·C很大，满足Rd·C<