課程設計---調頻收音機的設計

1、<p>　　題 目：調頻收音機 </p><p><b>　　初始條件：</b></p><p>　　具較扎實的電子電路的理論知識及較強的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備高頻電子電路的基本設計能力及基本調試能力；能夠正確使用實驗儀器進行電路的調試與檢測。</p><p>　　要求完成的主要任務：<

2、;/p><p>　　1. 采用分離元件或集成電路設計一個調頻收音機</p><p>　　2. 接收頻率范圍 88～168 MHz</p><p>　　3. 采用3V 電池供電；采用耳機或喇叭放音；</p><p>　　4. 接收 FM 波段的無線廣播清晰、可靠，無明顯雜波；</p><p>　　5. 立體聲解碼電路作為本設

3、計的發(fā)揮部分；</p><p>　　6. 完成課程設計報告（應包含電路圖，清單、調試及設計總結等）。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　1．2010年6月4日分班集中，布置課程設計任務、選題；講解課設具體實施計劃與課程設計報告格式的要求；課設答疑事項。</p><p>　　2．2010年

4、6月5日 至2010年6月10日完成資料查閱、設計、制作與調試；完成課程設計報告撰寫。</p><p>　　3. 2010年6月11日提交課程設計報告，進行課程設計驗收和答辯。</p><p>　　指導教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月

5、 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>　　1 調頻接收機的主要技術指標1</p><p>　　2 調頻接收機設計2</p><p&g

6、t;　　2.1 工作原理2</p><p>　　2.2 單元電路設計2</p><p>　　2.2.1 高頻小信號放大電路2</p><p>　　2.2.2 混頻電路3</p><p>　　2.2.3 中頻放大電路7</p><p>　　2.2.4 鑒頻電路9</p><p>　　2

7、.3 總體設計10</p><p>　　3 仿真與分析12</p><p>　　4 總結與體會14</p><p><b>　　5 參考文獻15</b></p><p><b>　　附錄16</b></p><p><b>　　調頻收音機設計</b&

8、gt;</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　此設計思路為將超外差式調頻接收機分成攝入調諧回路、高頻放大、混頻、本機振蕩、中頻放大、鑒頻、低頻功放等幾個部分，分別講述如何實現(xiàn)將天線接收到的高頻信號進行選頻、放大、混頻，最后解調出低頻調制信號等功能。將設計參數(shù)要求分解到各模塊的設計中以分別實現(xiàn)。</p><p>　　關鍵詞

9、：超外差 鑒頻</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design concept for the superheterodyne FM receiver will be divided into intake tuning, bribery, high-frequency amplification, mixing, t

10、he local oscillation, IF amplification, frequency, low-frequency amplifier, and several other parts, respectively, said the antenna to receive high-frequency signals selected frequency, amplification, mixing, the final d

11、emodulator to low-frequency modulation signals, and other functions. Decomposition will require the design parameters of various modules in </p><p>　　Key words: super-heterodyne discriminator frequency</

12、p><p>　　1 調頻收音機的主要技術指標</p><p>　　調頻接收機的主要技術指標有：</p><p><b>　　①工作頻率范圍</b></p><p>　　接收機可以接受到的無線電波的頻率范圍稱為接收機的工作頻率范圍或波段覆蓋。接收機的工作頻率必須與發(fā)射機的工作頻率相對應。如調頻廣播收音機的頻率范圍為88～108

13、 MHz，是因為調頻廣播發(fā)射機的工作范圍也為88～108MHz</p><p><b>　?、陟`敏度</b></p><p>　　接收機接收微弱信號的能力稱為靈敏度，通常用輸入信號電壓的大小來表示，接收的輸入信號越小，靈敏度越高。調頻廣播收音機的靈敏度一般為2μV～30μV。</p><p><b>　?、圻x擇性</b>&

14、lt;/p><p>　　接收機從各種信號和干擾中選出所需信號（或衰減不需要的信號）的能力稱為選擇性，單位用dB（分貝）表示，dB數(shù)越高，選擇性越好。調頻收音機的中頻干擾應大于50dB。</p><p><b>　?、茴l率特性</b></p><p>　　接收機的頻率響應范圍稱為頻率特性或通頻帶。調頻機的通頻帶一般為200KHz。</p>

15、<p><b>　?、葺敵龉β?lt;/b></p><p>　　接收機的負載上獲得的最大不失真（或非線性失真系數(shù)為給定值時）功率稱為輸出功率。</p><p><b>　　2 調頻接收機設計</b></p><p><b>　　2.1 工作原理</b></p><p>

16、;　　一般調頻接收機的組成框圖如圖2-1所示。其工作原理是：天線接受到的高頻信號，經(jīng)輸入調諧回路選頻為，再經(jīng)高頻放大級放大進入混頻級。本機振蕩器輸出的另一高頻亦進入混頻級，則混頻級的輸出為含有、、()、()等頻率分量的信號?；祛l級的輸出接調頻回路選出中頻信號()，再經(jīng)中頻放大器放大，獲得足夠高增益，然后鑒頻器解調出低頻調制信號，由低頻功放級放大。由于天線接收到的高頻信號經(jīng)過混頻成為固定的中頻，再加以放大，因此接收機的靈敏度較高，選擇性較

17、好，性能也比較穩(wěn)定。</p><p>　　圖2-1 超外差式調頻接收機組成框圖</p><p>　　2.2 單元電路設計</p><p>　　2.2.1 高頻小信號放大電路</p><p>　　如下圖2-2所示為共射級接法的晶體管高頻小信號放大器。它不僅要放大高頻信號，而且還要有一定的選頻作用，因此晶體管的負載為LC并聯(lián)諧振回路。在高頻情況下

18、，晶體管本身的極間電容及連接導線的分布參數(shù)等會影響的頻率和相位。晶體管的靜態(tài)工作點由電阻RA2,RA3,RA4及RA6決定，其計算方法與低頻單管放大器相同。</p><p>　　從天線ANTA1接收到的高頻信號經(jīng)過CA1、CCA1、LA1組成的選頻回路，選取信號為fs=10.7MHZ的有用信號，經(jīng)晶體管QA1進行放大，由CA3、TA1初級組成的調諧回路，進一步濾除無用信號，將有用信號經(jīng)變壓器和CB1耦合進入FS2

19、204。</p><p>　　圖2-2 晶體管高頻小信號放大器</p><p>　　2.2.2 混頻電路</p><p>　　因為中頻比外來信號頻率低且固定不變，中頻放大器容易獲得比較大的增益，從而提高收音機的靈敏度。在較低而又固定的中頻上，還可以用較復雜的回路系統(tǒng)或濾波器進行選頻。它們具有接近理想矩形的選擇性曲線，因此有較高的鄰道選擇性。如果器件僅實現(xiàn)變頻，振蕩信

20、號由其它器件產(chǎn)生則稱之為混頻器。</p><p><b>　　(a)原理電路</b></p><p><b>　　(b)等效電路</b></p><p>　　圖2-3 二極管環(huán)形混頻器</p><p>　　A、原理電路及其等效電路</p><p>　　四個二極管組成平衡電路如

21、圖2-3所示。構成的二極管環(huán)形混頻電路中，各二極管均工作在受參考信號控制的開關的狀態(tài)，它是另一類開關工作的乘法器。</p><p>　　對于圖2-3（a）原理電路所示，通常將信號輸入端口稱之為R端口，本振電壓輸入端口稱之為L端口，中頻輸出信號端口稱之為I端口 。 </p><p>　　二極管環(huán)形混頻器產(chǎn)品已形成完整的系列，它用保證二極管開關工作所需本振功率電平的高低進行分類，其中常用的是

22、Level 7，Level 17，Level 23三種系列，它們所需的本振功率分別為7dBm(5mW)，17dBm(50mW)和23dBm(200mW)，顯然，本振功率電平越高，相應的1dB壓縮電平也就越高，混頻器的動態(tài)范圍也就越大。對應于上述三種系列，1dB壓縮電平所對應的最大輸入信號功率分別為1dBm(1.25mW)、10dBm(10mW)、15dBm(32mW) 。 </p><p>　　二極管環(huán)形混頻器具

23、有工作頻帶寬（從幾十千赫到幾千兆赫）、噪聲系數(shù)低（約6dB）、混頻失真小、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。 </p><p>　　二極管環(huán)形混頻器的主要缺點是沒有混頻增益，端口之間的隔離度較低，其中L端口到R端口的隔離度一般小于40dB，且隨著工作頻率的提高而下降。實驗表明，工作頻率提高一倍，隔離度下降5dB。</p><p><b>　　B 、原理分析 </b></p>

24、;<p>　　電路工作條件：二極管伏安特性為過原點斜率等于的直線；輸入電壓中， ，，且，此時，二極管將在的控制下輪流工作在導通區(qū)和截止區(qū)。 </p><p>　　由圖2-3(a)知，流過負載 的總電流為： 。</p><p>　　當 時，二極管D3、D2導通，D1、D4截止，相應的等效電路為圖2-3(c)：</p><p><b>　　(公式

25、2-1)</b></p><p>　　流過負載的總電流為： </p><p><b>　　(公式2-2)</b></p><p>　　當 ＜ 0 時，二極管D1、D4導通，D3、D2截止，相的等效電路如圖2-3 (d) </p><p>　　圖2-3(d) 等效電路</p><p>　

26、　列出的 KVL 方程為： </p><p>　　流過各二極管的電流為： </p><p><b>　　(公式2-3)</b></p><p>　　流過負載的總電流為： </p><p><b>　　(公式2-4)</b></p><p>　　在 的整個周期內(nèi)，流過負載的總電

27、流可以表示為： </p><p><b>　　(公式2-5)</b></p><p>　　利用開關函數(shù)，可以將上式表示為： </p><p><b>　　即</b></p><p><b>　　(公式2-6)</b></p><p>　　由此可見，電流中

28、包含的頻率分量為： </p><p>　　中的有用中頻分量為 </p><p><b>　　(公式2-7)</b></p><p>　　電路特點：若二極管特性一致，變壓器中心抽頭上、下又完全對稱，則環(huán)形電路的最重要特點就是各端口之間有良好的隔離。 </p><p><b>　　C 、插入損耗 </b>

29、;</p><p>　　根據(jù)定義，由圖 2-3(a)知，流過輸入信號源端的電流為 </p><p>　　將式(公式2-2)和(公式2-4)代入上式中得： </p><p><b>　　(公式2-8)</b></p><p>　　所以接在信號源端的等效負載電阻為： </p><p><b>

30、;　　(公式2-9)</b></p><p>　　若令 ，實現(xiàn)功率匹配，信號源提供的信號功率最大，為 </p><p><b>　　(公式2-10)</b></p><p>　　輸出端輸出的中頻電壓幅值為 </p><p><b>　　(公式2-11)</b></p>&l

31、t;p>　　相應的輸出中頻功率為： </p><p><b>　　(公式2-12)</b></p><p>　　因此，電路的插入損耗為： </p><p><b>　　(公式2-13)</b></p><p>　　實際二極管環(huán)形混頻器各端口的匹配阻抗均為 50 Ω。應用時，各端口都必須接入濾波

32、匹配網(wǎng)絡，分別實現(xiàn)混頻器與輸入信號源、本振信號源、輸出負載之間的阻抗匹配。</p><p>　　2.2.3 中頻放大電路</p><p>　　中頻放大電路的任務是把變頻得到的中頻信號加以放大，然后送到檢波器檢波。中頻放大電路對超外差收音機的靈敏度、選擇性和通頻帶等性能指標起著極其重要的作用。</p><p>　　圖2-4是LC單調諧中頻放大電路，圖2-5為它的交流等

33、效電路。圖中Tr1、Tr2為中頻變壓器，它們分別與C1、C4組成輸入和輸出選頻網(wǎng)絡，同時還起阻抗變換的作用，因此，中頻變壓器是中放電路的關鍵元件。</p><p>　　圖2-4 中頻放大電路</p><p>　　圖2-5 中頻放大器交流等效電路</p><p>　　中頻變壓器的初級線圈與電容組成LC并聯(lián)諧振回路，它諧振于中頻465kHz。由于并聯(lián)諧振回路對諧振頻率的

34、信號阻抗很大，對非諧振頻率的信號阻抗較小。所以中頻信號在中頻變壓器的初級線圈上產(chǎn)生很大的壓降，并且耦合到下一級放大，對非諧振頻率信號壓降很小，幾乎被短路（通常說它只能通過中頻信號），從而完成選頻作用，提高了收音機的選擇性。</p><p>　　中頻變壓器的另一作用是阻抗變換。因為晶體管共射極電路輸入阻抗低，輸出阻抗高，所以一般用變壓器耦合，使前后級之間實現(xiàn)阻抗匹配。</p><p>　　一

35、般收音機采用兩級中放，有3個中頻變壓器（常稱中周）。第一個中頻變壓器要求有較好的選擇性，第二個中頻變壓器要求有適當?shù)耐l帶和選擇性，第三個中頻變壓器要求有足夠的通頻帶和電壓傳輸系數(shù)，由于各中頻變壓器的要求不同，匝數(shù)比不一樣，通常磁帽用不同顏色標志，以示區(qū)別，所以不能互換使用。 </p><p>　　實際電路中常采用具有中間抽頭的并聯(lián)諧振回路,如圖2-6(a)所示,(b)是它的等效電路?？梢钥闯?，它是由兩個阻抗性質

36、不同的支路組成。由于L1、L2都繞在同一磁芯上，實際上是一個自耦變壓器。</p><p>　　(a)電路 (b)等效電路</p><p>　　圖2-6 LC回路部分接入法</p><p>　　利用變壓器的阻抗變換關系，可求得等效諧振電路的諧振阻抗：</p><p><b>　　(公式2-14)<

37、;/b></p><p>　?。ㄊ街袨殡姼芯€圈的總匝數(shù)）。即具有抽頭并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗等于沒有抽頭的諧振阻抗的 倍。由于 ＜1，所以<，適當選擇變比可取得所需求的，從而實現(xiàn)阻抗匹配。上述中放電路結構簡單，回路損耗小，調試方便，所以應用廣泛。</p><p>　　2.2.4 鑒頻電路</p><p>　　實現(xiàn)調頻信號解調的鑒頻電

38、路可分為三類,第一類是調頻-調幅調頻變換型。這種類型是先通過線性網(wǎng)絡把等幅調頻波變換成振幅與調頻波瞬時頻率成正比的調幅調頻波,然后用振幅檢波器進行振幅檢波。第二類是相移乘法鑒頻型。這種類型是將調頻波經(jīng)過移相電路變成調相調頻波,其相位的變化正好與調頻波瞬時頻率的變化成線性關系,然后將調相調頻波與原調頻波進行相位比較,通過低通濾波器取出解調信號。因為相位比較器通常用乘法器組成,所以稱為相移乘法鑒頻。第三類是脈沖均值型。這種類型是把調頻信號通

39、過過零比較器變換成重復頻率與調頻信號瞬時頻率相等的單極性等幅脈沖序列,然后通過低通濾波器取出脈沖序列的平均值,這就恢復出與瞬時頻率變化成正比的信號。</p><p>　　圖2-7是雙失諧回路鑒頻器的原理圖。它是由三個調諧回路組成的調頻-調幅調頻變換電路和上下對稱的兩個振幅檢波器組成。初級回路諧振于調頻信號的中心頻率 ,其通帶較寬。次級兩個回路的諧振頻率分別Ｗ01 、Ｗ02 ,并使Ｗ01 、Ｗ02 與Ｗc成對稱失

40、諧。即：</p><p>　　圖2-7 雙失諧回路鑒頻器原理圖</p><p>　　圖2-7左邊是雙失諧回路鑒頻器的幅頻特性,其中實線表示第一個回路的幅頻特性,虛線表示第二個回路的幅頻特性,這兩個幅頻特性對于Ｗc 是對稱的。當輸入調頻信號的頻率為Ｗc 時,兩個次級回路輸出電壓幅度相等,經(jīng)檢波后輸出電壓。</p><p>　　當輸入調頻信號的頻率由Ｗc向升高的方向偏離

41、時, L2C2回路輸出電壓大,而L1C1回路輸出電壓小,則經(jīng)檢波后,則< 0。當輸入調頻波信號的頻率由Ｗc向降低方向偏離時, L1C1回路輸出電壓大, L2C2回路輸出電壓小,經(jīng)檢波后 ,則>0。</p><p><b>　　2.3 總體設計</b></p><p>　　根據(jù)設計要求及給定的主要元器件，確定元件參數(shù)。其中，輸入耦合回路直接采用6.5MHz電

42、視伴音中頻變壓器，本機振蕩器為17.8MHz的晶振與三極管組成的考畢茲電路，微調電容可以使本振輸出頻率為17.2MHz；三極管與中頻變壓器組成混頻器，輸出10.7MHz中頻信號；FS2204為單電源工作方式，輸出端接電容，組成OTL電路。</p><p>　　為使混頻管易進入非線性區(qū)，的靜態(tài)工作點應較低，取，，，設，則</p><p>　　為使本機振蕩器易于起振且輸出電壓較大，晶體管的靜態(tài)

43、工作點比要高。取，，，設，則</p><p>　　電阻的作用是降低混頻級中晶體管的靜態(tài)工作點并濾除電源紋波?？捎上率接嬎悖?lt;/p><p>　　此設計利用芯片F(xiàn)S2204作為核心，其內(nèi)部包含中頻放大器、調幅檢波器、調幅混頻器、調頻減貧其、AGC自動增益控制、AFC自動頻率控制及音頻功放等功能。故只需調整好芯片外部電路和相關參數(shù)既可實現(xiàn)要求的調頻接收機除混頻外全部功能。</p>

44、<p>　　混頻級出了完成高頻調頻信號與本機振蕩信號的差拍混頻外，還要有一定的電壓增益，以滿足FS2204內(nèi)部中方與鑒頻器的要求。本機振蕩器由于采用了晶振，輸出固定頻率，所以電路不需要反復調諧。但要注意的是，在電路不起振時，可以改變晶體管的靜態(tài)工作點及有關參數(shù)。本振的束縛電壓不能太低，一般要大于200mV。</p><p><b>　　3 仿真與分析</b></p>

45、<p>　　由于系統(tǒng)設計所需主體芯片F(xiàn)S2204在Multisim仿真庫中并不存在，其內(nèi)部包含中頻放大器、調幅檢波器、調幅混頻器、調頻減貧其、AGC自動增益控制、AFC自動頻率控制及音頻功放等功能。所以只對混頻電路(圖3-1)進行部分仿真，仿真結果如圖3-2所示。</p><p><b>　　圖3-1 混頻電路</b></p><p>　　考慮實際應用，三

46、極管3DG100型號較舊，且性能交叉；故模擬采用ZTX337A。</p><p>　　圖3-2 混頻電路仿真結果</p><p>　　輸出頻率為10MHz，理論設計混頻電路輸出為10.7MHz，由此可以看出混頻電路部分達到了設計指標。</p><p><b>　　4 總結與體會</b></p><p>　　無線電信號的接

47、受過程正好和發(fā)送過程相反。在接收處，先用接收天線將收到的電磁波轉變?yōu)橐颜{波電流，然后從已調波電流中檢出原始的信號。最后再用聽筒或揚聲器將檢波取出的音頻電流轉為聲能，人就聽到了發(fā)射機處發(fā)送的語言、音樂等信號。但是，接收天線所收到的電磁波很微弱。為了提高接收機的靈敏度，可在檢波器之前加一級至幾級高頻小信號放大器，然后再檢波。檢波之后，再經(jīng)過適當?shù)牡皖l放大，最后送到揚聲器或耳機中轉為聲音，這樣的接收機叫做直接放大式接收機。它的缺點是，對于不同

48、的頻率，接收機的靈敏度和選擇性變化叫劇烈，而且靈敏度因為受到高放不穩(wěn)定的影響，不能過高，所以現(xiàn)在的接收機幾乎全是超外差式接收機。</p><p>　　如何進行仿真是本次課程設計的一個關鍵所在，因為主體芯片F(xiàn)S2204并不能進行仿真，所以只對整個系統(tǒng)的混頻電路進行了部分仿真，在這一部分，實現(xiàn)了預期的功能。</p><p>　　在本次課程設計過程當中，由于調頻接收機的的理論知識已經(jīng)在相關課程當

49、中學習掌握，所以可以很快根據(jù)設計要求對整個系統(tǒng)進行模塊化分析，再進行整合。經(jīng)過這種從局部到整體的實踐過程，深刻地體會到將理論知識應用到實踐當中是一個不斷磨合的過程，要想達到融會貫通的效果，就必須在平時的學習過程中不斷強化自己的實踐意識，提高實際操作能力。</p><p><b>　　5 參考文獻</b></p><p>　　謝自美 《電子線路設計·實驗

50、83;測試》(第三版) 華中科技大學出版社 2006</p><p>　　劉泉 《通信電子線路》 武漢理工大學出版社 2005</p><p>　　李銀華 《電子線路設計指導》 北京航空航天大學出版社 2005</p><p>　　何中庸 《高頻電路設計與制作》 科學出版社</p><p>　　張肅文 《高頻電子線路》 高教出版社</p