通信基本电路实验设计报告 .doc
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1、 摘 要:本报告介绍了调频无线通信系统的原理计算、性能指标、设计方案、调试过程等内容,是通信基本电路实验的系统性总结。该系统分为发射机和接收机两部分,发射机采用变容二极管直接调频、三级电路级联为发射电路的设计方案,接收机则采用SONY CXA1619BM/BS高集成芯片为核心元件外加辅助电路的设计方案。本系统可实现510米内调频数据、语音通信功能。关键词:无线通信 调频 变容二极管 CXA1619BM/BSABSTRACT :The present report describes the FM wireless communication systems theory, performanc
2、e, design, and debug processes, which a systemic sammary of the course Experiment of Basic Circuit of Communication. The system is divided into two parts transmitter and receiver.The transmitter uses a varactor diode for directly FM, with three circuits cascaded .The receiver uses SONY CXA1619BM/BS
3、which is a highly integrated chip as the core components with the auxiliary circuits. The system can perform a 5 to 10 meters FM data and voice communication.KEYWORDS : Wireless Communication, FM ,varactor diode, CXA1619BM/BS 目录1. 概述11.1 编写说明11.2 名词定义11.3 缩略语12. 调频无线通信系统总述22.1 系统概述22.2 系统的主要功能及性能指标3
4、221 调频发射机3222 调频接收机33. 调频发射机的设计43.1 调频发射机总体结构及说明43.2 调频发射机各级电路详细说明54. 调频接收机的设计124.1 调频接收机总体结构及说明124.2 调频接收机各部分电路详细说明145. 系统调试185.1 天线的安装185.2 发射机调试185.3 接收机调试195.4 发射机和接收机联合调试206. 致谢217. 参考文献228. 附录A 系统操作说明书238.1 电源连接238.2 用户操作238.3 注意事项:239. 附录B 实验测试表格249.1 通信基本电路实验中期检查表249.2 通信基本电路实验评分表(2007版)2510
5、. 附录C 作品照片2811. 附录D 课程学习心得291. 概述1.1 编写说明本报告为上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系三年级通信基本电路实验23组实验报告。本报告包括调频无线通信系统总述、调频发射机的设计、调频接收机的设计、系统调试以及实验心得等内容,是通信基本电路实验课程的系统总结。本报告可供电子类专业技术人员参考,也适合普通读者学习借鉴。1.2 名词定义高频小信号放大器:指有别于低频放大器的放大器,工作中心频率很高,一般在几百kHz到几几百MHz之间,频带宽度相对远小于中心频率,因此一般采用选频网络组成谐振放大器或非谐振放大器。变容二极管: 又称可变电抗二极管。是一种利用p
6、n结电容(势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶,并采用外延工艺技术。反偏电压愈大,则结电容愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。主要参量是:零偏结电容。零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围(以皮法为单位)以及截止频率等,对于不同用途,应选用不同C和Vr特性的变容m极管,如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。调频: 使载波频率按照调制信号改变的调制方式叫调频。已调波频率变化的大小由调制信号的大小决定,变化的周期由调制信号的频率
7、决定。已调波的振幅保持不变。调频波用英文字母FM表示。用调频波传送信号可避免幅度干扰的影响而提高通信质量。广泛应用在通信、调频立体声广播和电视中。1.3 缩略语FM:Frequency Modulation 调频RF:Radio Frequency 射频AGC:Automatic Gain Control 自动增益补偿SSB:Single Side Band 残边带调制2. 调频无线通信系统总述2.1 系统概述利用无线电通信系统可以将信息从一个地方传送到另一个地方。一个通信系统的基本组成结构如图2-1所示,它主要有调制器、发射机、传输媒介、接收机及解调器组成。信息信息调制器解调器接收机传输媒介
8、发射机图2-1 通信系统组成结构框3如图2-2 所示为本次实验系统的结构框架图,由两部分组成:调频发射机和调频接收机。调频振荡器缓冲放大器谐振功率放大器a调频发射机原理框图带通滤波器选频放大器混频中频放大器中频滤波限幅放大鉴频低频放大器喇叭天线本振信号b调频接收机原理框图图2-2 调频无线通信系统结构框架图3天线2.2 系统的主要功能及性能指标221 调频发射机利用分立元件,由直接调频法产生调频信号并经过功率放大器由天线进行发射。发射机技术指标:1)发射功率: 30mW2)发射频率:27.0MHz3)最大频偏:f10KHz4)电源电压:10V5)测试负载:50W 与20pF串联222 调频接收
9、机利用CXA1619单片集成电路芯片,接收调频信号并进行解调,输出基带信号。2、接收机技术指标1)灵敏度(12dB信纳比): 45dBuV2)失真度: 103)接收机带宽: 300KHz4)本振频率:27.0MHz5)电源工作电压:10V此外,对整个系统通信距离要求3m5m以上。3. 调频发射机的设计3.1 调频发射机总体结构及说明图3-1 调频发射机电路图3如图3-1所示,为调频发射机总电路原理图。由电路图可以清楚看出,调频发射机共分三级:调频振荡器,缓冲放大器以及谐振功率放大器。调频放大为西勒振荡器,由变容二极管进行直接调频;缓冲放大器为单管高频放大器,工作在甲乙类状态,进行电压放大;谐振
10、功率放大器(高频功率放大器)工作在丙类状态,进行电流放大(即功率放大)。信号从调频振荡器产生并通过电容C8耦合到缓冲放大器,然后通过变压器耦合到谐振功率放大器,最后经级间型阻抗匹配网络送入天线并最终发射出去。发射机设计的难点在于各个谐振回路参数的设计,必须在考虑谐振频率的前提下在一定范围内尽量加大增益,若参数选择不正确,回路谐振电压幅度将过小甚至根本不能起振,达不到信号发射和功率发大的要求。3.2 调频发射机各级电路详细说明321 调频振荡器 调频振荡器采用西勒振荡器,由变容二极管进行直接调频,如图3-2所示。图3-2 调频振荡器3设计思路:1、 根据频点27.0MHz以及接入系数选择电容C6
11、、C7、C12 ,其中,为变容二极管电容,由变容二极管特性(图3-3),取。根据实践经验,若工作频率在3060MHZ时,其回路总电容选取范围为:2560pF,其电感为67uH(以获得较大的频偏,实验经验所得)。而C6+C7、C14越大,起振越困难。总和上述考虑,选取接入系数在1/21/8之间,经过多次反复试验,得出、时,振荡器能够起振并且失真较小,振幅较大,为相对较优方案。图3-3 变容二极管特性曲线32、确定静态工作点及偏置电路 晶体管:若静态工作点或负载阻抗过大,晶体管都易进入饱和区。实践证明:若进入饱和区,晶体管输出阻抗R0将急剧下降,由原来的几十千欧或几百千欧变为几百欧姆,导致有载品质
12、因素下降,使波形严重失真甚至振荡器不起振。因此将工作点设计远离饱和电压而靠近截止区,一般小功率振荡器,集电极电流取ICQ=14mA。Rc和Re不宜过大否则会导致VCEQ下降。工程上一般取:VEQ=0.2Vcc或VEQ =13v。其次必须减小RB1和RB2的电阻值,满足I2 IbQ的条件,使VB I2,RB2保持恒定, RB1和RB2不宜过小增加直流电源的功耗,一般取I2=(510) IbQ。(如图3-4所示)图3-4高稳定偏置电路图3 在满足和的条件下,工作点获得很高的稳定度。各偏置元件选择如下:,因此取取工作点电流:ICQ=14mA。由此标准可取R1=2k,R4=2k,R9=5.1k,R11
13、=1k,并在调试时根据实际情况通过调整可变电阻R6来调整三极管静态工作点,确保波形在不失真的情况下达到振幅最大。 变容二极管 由图3-3可知变容二极管在=110V时处于相对线性的变化范围。取R2=1k,R8= 10k,即可对Vcc通过R7进行10/1110/111的分压,是的变化范围在0.90V与9.00V之间,以充分利用变容二极管的线性变化区间。3、扩展石英晶体振荡器直接调频电路频偏的方法在变容二极管电路中再串一个电感,如图3-4所示。L2的串入能抵消变容二极管静态电容的影响。晶体等效电路如图3-5所示:图3-5 石英晶体振荡电路及等效原理图3LqCqrqCoL2变容二极管石英晶体并联谐振频
14、率为:串联谐振频率为:由以上两式可知:减小Co能提高fp此时串联谐振频率fq并不受到影响,因此能扩展fp与fq之间的范围.另外若用一适当的电感L与晶体并联,以减小Co.当L与Co达到并联谐振, Co被全部抵消,因此, fp与fq之间的范围大大加宽.但频率稳定性大大降低,失去石英晶体的优越性。L2为低Q线圈,若Q值过高,电感量较大虽然能产生较大的频偏,但同时却会引起频率不稳;晶体与L2的联结点与地之间的分布电容应尽量小, 否则该分布电容将使石英晶体和变容二极管对地旁路,并使电路产生频率漂移。变容二极管对地分布电容也应尽量小,否则将使频偏受到限制。根据多次实验经验总结,L2取67uF较合适,可获得
15、适当频偏。4、旁路电容、耦合电容的选取 旁路电容C15、C25、C26以及耦合电容C8要求对直流低频开路高频短路需选取高容值电容,故均选用0.01uF的瓷片电容;C3由于需要耦合低频信号而防止高频耦合,故选取10uF的大电解电容。322 缓冲放大器 缓冲放大器电路结构参见图3-6。图3-6 缓冲放大器电路图3设计思路:假设推动级功率为,工作状态为甲乙类;9018的功率增益(与工作频率有关)约为1030倍;集电极电压利用系数0.60.8。由中间级等效交流电路(图3-7)可得:图3-7 中间级等效交流电路3图Rp2取Rp2=2k取p0.25考虑到稳定性(分布电容的影响)取C=2030pF。实验中取
16、C11=20pF,C12=5pF。于是由初级回路线圈有得,次级回路线圈电感。对于静态工作点,取R10=5.1k,R12=10 k,R13=300。于是有因此射极静态电流通过调节可变电阻R5即可调整到合适得静态工作点,满足甲乙类工作状态。323 谐振放大器谐振放大器电路结构参见图3-8。图3-8 谐振放大器电路图3设计思路:若Vcc=10V,则要求输出功率Po大于30mW,这是设计谐振放大器的最基本要求,下面的叙述都是围绕这个目标展开的。要求放大器工作于丙类状态,选取脉冲电流幅值为取导通角 查表得 因此有选择临界工作状态为:集电极回路输出电压则输出功率 可见这样的设置满足发射功率得要求。再求取匹
17、配网络参数若取 则有输出总功率 因此有 取测试负载RA=51,C24=20pF,则有取Qe5。则有实验时,取如下参数:C17=20,pFC18=5pF,C19=0pFC21=3pF,C22=30pF,C23=5pFC16、C27均为大电容,交流短路RL1=50R14=150其中R14是关键的参数:R14越小,集电极电流越大,放大效果越明显。但R14不能无限制的小,否则电流过大容易使输出波形严重失真。4. 调频接收机的设计4.1 调频接收机总体结构及说明如图4-1所示,为调频接收机总体结构。为了简化接收机电路和提高性能,采用了单片调频调幅收音机芯片CXA1619BM/BS。CXA1619是一块集
18、成度高外围元件少的单片FM/AM收音机集成电路 ,特点如下 :1、静态电流小Vcc=3V时FM:ICCQ=5.3mA;AM: ICCQ =4.7mA 2、带有FM/AM选择开关 ;3、音频放大器输出功率大 Vcc=6V,RL=8时,Po=500mW ;4、内置AFC可变电容 ;5、内含RF AGC和IF AGC ;6、带电子音量控制 ;7、带输入信号强度指示;8、灵敏度高;9、工作电压范围广(2V14V);其内部结构如图4-2所示。图4-1 调频接收机总体结构图3图4-2 CXA1619BM/BS调幅调频接收芯片内部结构3接收机工作原理大致为:信号从天线馈入带通滤波器,经带通滤波器初步选频后送
19、入CXA1619BM/BS的高频小信号放大器,被放大的信号与本振回路进行混频,进入CXA1619BM/BS的中频放大器,然后进行中频滤波并送至鉴频器解调,最后输出基带信号。因此,采用CXA1619BM/BS芯片后,大部分小信号放大、解调、功放等都由芯片内集成的功能模块实现,接收机的电路搭建只需围绕芯片进行即可,包括带通滤波器、与高频小信号放大器相配的并联谐振回路、本振电路、鉴频电路、中频滤波电路。下面将着重对上述电路进行介绍。4.2 调频接收机各部分电路详细说明421带通滤波器图4-3 带通滤波器3 带通滤波器作为天线信号馈入的第一部分,起选频、抑制低频噪声的作用,如图4-3所示。带通滤波器中
20、心频率应为发射机频点27MHz。由于精确计算带通滤波器中心频率比较繁琐,一般采用近似法,在实际调试时再通过电感的感量进行微调。实验中取C26=20pF,用公式算得L1.74uH。同时取C24=20pF,C25=30pF。从实测结果看来,这种近似不会给带通滤波器性能带来太大影响,在一定工程误差范围内可以接受。422本振回路本振回路如图4-4所示,为混频器提供本地振荡信号,中心频率为。其中为发射机频点27MHz,为中频10.7MHz。从频谱的角度看,本振回路的作用就是提供一个本地信号,将输入信号频谱从27MHz“搬移”至中频10.7MHz,再送进中频放大器,这一过程就是混频。中频的固定有利于体现封
21、装芯片的稳定性,减低系统的时移性,提高接收机性能。图4-4 本振回路3在实验中,C17取20pF;变容二极管取其电容值为20pF,由于680pF与远小于它本身的20pF串联,可以忽略不计;C11、C29则为隔直电容,在计算中心频率时不予以考虑。于是可得。其余器件均采用图中表示数值。423 高频小信号放大器 高频小信号放大器有放大输入调频信号以达到混频的电平要求、进一步抑制噪声信号、提高假象镜频抑制能力的作用,由放大器和选频网络组成,通常选频网络是放大电路的负载。放大部分的核心元器件是增益元器件,如三极管、场效应管、集成运放或专用集成放大器等。选频部分的必要元器件是电感、电容等动态元件。小信号选
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