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高频论文
高频论文
一、高频信号介绍
通信系统在我国已全面普及,随着信息时代的不断发展,各种各样的通信技术不断出现,大部分都是无线通信技术,而有线的时代已被冷落,无线技术的迅猛发展,标志着我国的科技事业的巨大成就,科技的发展离不开通信,而通信主要靠的是信号的传输,我的的手机、电脑、电视、收信机都是通过信号的传输,信号(也称为讯号)是运载消息的工具,是消息的载体。
从广义上讲,它包含光信号、声信号和电信号等。
例如,古代人利用点燃烽火台而产生的滚滚狼烟,向远方军队传递敌人入侵的消息,这属于光信号;当我们说话时,声波传递到他人的耳朵,使他人了解我们的意图,这属于声信号;信号遨游太空的各种无线电波、四通八达的电话网中的电流等,都可以用来向远方表达各种消息,这属电信号。
人们通过对光、声、电信号进行接收,才知道对方要表达的消息。
分类对信号的分类方法很多,信号按数学关系、取值特征、能量功率、处理分析、所具有的时间函数特性、取值是否为实数等,可以分为确定性信号和非确定性信号(又称随机信号)、连续信号和离散信号(即模拟信号和数字信号)、能量信号和功率信号、时域信号和频域信号、时限信号和频限信号、实信号和复信号等。
边沿速率图示信号的边沿速率是信号沿变化的响应时间,通常用信号的上升时间和下降时间来度量,如图所示。
器件的输出驱动电流和信号的接口标准等都会影响该参数。
由于器件的速度在不断提高,所以可能导致差模电流增大,发生串扰和阻尼振荡(振铃)。
快速的信号切换时间(边沿速率)将导致回流、串扰、阻尼振荡(振铃)及反射等问题的增加。
信号的边沿速率与信号的工作频率是两个不同的概念,高的边沿速率不一定是高的频率。
例如在实际的应用中,可能系统的工作频率并不高。
但如果信号的上升速率过快的话,将会产生较大振铃现象,同样会带来信号完整性的问题。
当振铃信号达到器件所能容忍的极限值时会使器件内部的半导体特性发生变化(电子迁移)、器件发热及功耗加大等现象,造成系统的可靠性降低,并且较快的边沿速率其功耗也越大。
信号的边沿速率与器件的输出强度(输出驱动电流)有直接的关系,过强的输出驱动电流除了能够提高信号的边沿速率之外,还会对周围的器件及传输线造成干扰(Crosstalk)。
因此对电磁兼容性(EMI)非常敏感的系统,信号边沿速率是重点需要考虑的,而系统的时钟频率反而放在第二位考虑。
编辑本段铁路信号信号是指示列车运行及调车作业的命令,有关行车人员必须严格执行。
铁路信号分为视觉信号和听觉信号。
视觉信号又分昼间、夜间及昼夜通用信号。
铁路信号按信号机是否可移动又可分为固定信号、移动信号和手信号。
按停车信号的显示意义可分为绝对信号和非绝对信号(亦称容许信号)两种。
绝对信号是指当显示停止运行的信号时,列车、调车必须无条件遵守的信号显示。
进站、出站、进路和通过信号机的灯光熄灭、显示不明或显示不正确时,均视为停车信号。
接近信号机的灯光熄灭、显示不明或显示不正确时,均视为进站信号机为关闭状态。
装有容许信号的通过信号机,显示停车信号时,准许铁路局规定停车后起动困难的货物列车,在该信号机前不停车,以最高不超过20km/h,运行到次一通过信号机,按其显示的要求运行。
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。
编辑本段基本通信系统 一般由信源(发端设备)、信宿(收端设备)和信道(传输媒介)等组成,被称为通信的三要素。
一般我们接触的信号都是微弱、缓变的电信号,要想把其远距离发射出去,让第二方接收到,通常要通过调制、放大、解调、滤波等中间变换。
如图2.1所示,
数字通信是指在信道上把数字信号从信源传送到信宿的一种通信方式。
它与模拟通信相比,其优点为:
抗干扰能力强,没有噪声积累;可以进行远距离传输并能保证质量;能适应各种通信业务要求,便于实现综合处理;传输的二进制数字信号能直接被计算机接收和处理;便于采用大规模集成电路实现,通信设备于集成化;容易进行加密处理,安全性更容易得到保证。
二、设计题目
调频(或调幅)发射机设计
三、实践目的
无线电发射与接收设备是高频电子线路的综合应用,是现代化通信系统、广播与电视系统、无线安全防范系统、无线遥控和遥测系统、雷达系统、电子对抗系统、无线电制导系统等,必不可少的设备。
本次设计要达到以下目的:
(1)进一步认识射频发射与接收系统;
(2)掌握调频(或调幅)无线电发射机的设计;
(3)学习无线电通信系统的设计与调试。
四、设计要求
(1)发射机采用FM、AM或者其它的调制方式;
(2)若采用FM调制方式,要求发射频率覆盖范围在88-108MHz,传输距离>20m;
(3)若采用AM调制方式,发射频率为中波波段或30MHz左右,传输距离>20m;
(4)为了加深对调制系统的认识,发射机建议采用分立元件设计;(采用集成电路的设计方法建议作为备选方案;)
(5)已调信号通过AM/FM多波段收音机进行接收测试。
五、高频信号接收机原理
一般的接收电路为了提高灵敏度指标增加了高放级,但高放级级数的增加是有限度的,如果为了提高灵敏度而加多高放级,则不但统调因难,更易发生寄生振荡。
另一个原因在于:
晶体管电路对高中低频带的表现是不同的,这就造成了整个收音频带内的指标不和谐。
而超外差电路可以很好的解决以上问题,首先将接收来的电台信号进行调谐,然后把这个信号和电路本身的振荡信号(通常称为本机振荡),产生一个差额信号,我们把这一过程叫做混频,电台信号经过变频后,产生了一个易于调节的中频信号,一般为465kHz或455KHz,再经过中频放大、检波电路将音频信号解调出来,最后交给低放级放大到我们需要的电平强度,然后推动扬声器发出足够的音量。
若要求超外差式收音机得到更高的灵敏度,在调谐回路与混频之间还可以加入高频放大级然后再去混频。
另外在中放级和检波电路间加一自动增益控制电路,可以有效的。
具体框图如图2.2。
采用FM调制的调频发射机其原理框图如下图所示,它由调制器、前置功放、末级功放和直流稳压电源等部分组成。
如图
(1)所示,这个设计的声音调频电路采用常用分立元件构成的电路。
射频电路有高频振荡器,缓冲放大器,末级功率放大器及天线组成。
高频振荡器用来产生载频信号,频点落在60MHz内,通过改变电感量即可改变发射频率。
在音频信号的作用下,通过改变晶体管极间电容实现调频,产生相应的调频波,射频信号由Q1的发射极输出,送到Q2,L2,C8,R5等组成的缓冲放大器进行功率提升,并可减轻末级放大电路对振荡器的影响。
末级为高频丙类窄带放大,对射频功率再进一步放大,经C13耦合到发射天线向周围空间辐射。
由于高频电路受干扰严重,如果电源从前级接进去,干扰信号会经过每一级的放大,越来越强,所以Vcc应该从末级接入。
调频电路是通过改变晶体管极间电容实现调频的,由于任何PN结在输入电压时,输入电压的变化将会引起结电容变化,即所谓的变容效应。
因此,利用变容效应也可实现调频。
图
(1)中,Q1,L1,C3,C5,C7,C4,Cb’c构成电容三点式振荡电路,其工作原理如下:
对高频而言,Q1基极是接地的,所以是共基极电路。
基极-基极间的结电容Cb’c并联在L1C3谐振回路两端,能影响振荡频率。
调制电压加于Q1基极,可改变Q1的基极电压,使发射极与基极间的输入电压发生变化,从而使结电容Cb’c跟随调制电压而变化,这就实现了调频。
在经过Q2,Q3放大后由天线发射出去。
经查三极管9018的静态结电容Cb’c为2pF,取C3,C5,C7,C4的值分别为:
15pF,10Pf,39Pf,102pf根据以下频率公式的计算电感值。
电路的中心频率计算公式如下:
f0=1/(2∏(L1C∑)½)
C∑=(C4C7/(C4+C7)+Cb’c)C5/((C4C7/(C4+C7)+Cb’c)+C5)+C3得L1=1/(2∏f0)²/C∑
在实际电路中,电感L1需要微调一满足中心频率的要求。
(1)由于要接入麦克风,所以要给麦克风提供驱动电压,驱动电压要适当,防止直流电通过防止过大的电流将晶体三极管烧坏,但又不能太大,通过22k的电阻R1实现,C1的作用是滤波减小干扰,C2为耦合电容有隔直通交的作用,准许音频信号加载到后一级。
图(3)
(2)LC调频振荡器——主振级:
是正弦波自激振荡器,用来产生频率为57MHz~80MHZ的高频振荡信号,由于整个发射机的频率稳定度由它决定,因此要求主振级有较高的频率稳定度,同时也有一定的振荡功率(或电压),其输出波形失真要小。
在调频振荡级可选用电感三点式,电容三点式和晶体振荡器产生正弦波电压。
具体电路如图(4)FM调制电路设计:
FM调频电路原理是三极管组共基
极高频振荡器,基极与发射极结电容
随着输入电压的变化而变化,从而改
高频振荡的频率。
本模块由三极管等
元件构成电容点式振荡
产生稳定的载波,而且还能够实现调制功能。
本设计采用较为稳定的克拉泼电路如图5所示三极管T2应为甲类工作状态,其静态工作点不应设的太高,工作点太高振荡管工作范围易进入饱和区,输出阻抗的降低将使振荡波形严重失真,但工作点太低将不易起振。
这是射频发射器的频率发生器,通过C3、C4、C5、C7、L1组成改进型电容三点式(西勒振荡器),以为C3与L1并联,所以又称为并联型电容三点式振荡器。
由于C5、C7远大于C3,所以回路电容C计算公式如下:
C=C3+C5C7C4/(C5C7+C5C4+C4C7)≈C3+C4
中心频率:
f0=1/(L(C3+C4))½
实际电路中通过调节电感值就可以得到所需要的频率。
这里C6是与下一级放大电路的耦合电容,作用是隔直流,保护电路。
等效图
实物图
(3)音频放大电路设计
音频放大电路由共射放大电路构成。
由调制级转换过来的音频信号非常弱,因此必须再加上一级共射放大的电路。
然而要使共射放大电路工作在放大区,必须有合适的静态工作点Q。
a、静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点,应在输入信号Ui=0的情况下进行,即将放大器输入端与地端短接,然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表,分别测量晶体管的集电极电流Ic以及各电极对地的电位UB、Uc、UE。
一般实验中,为了避免断开集电极,所以采用测量电压UE或Uc,然后算出Ic的方法,例如,只要测出UE,即可用:
算出Ic(也可根据
,由Uc确定Ic)同时也能算出UBE=UB-UE,UcE=Uc-UE。
图一直流等效电路实物图
b、静态工作点的调试
放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流Ic(或UcE)的调整与测试。
静态工作点是否合适,对放大器的性能和输出波形都有很大影响。
如工作点偏高,
放大器在加入交流信号
以后易产生饱合失真,此时Uo的负半周将被削底,如上图2所示;如工作点偏低则易产生截止失真,即Uo的正半周被削顶(一般截止失真不如饱合失真明显),如图2所示。
这些情况都不符合不失真放大的要求。
所以在选定工作点以后还必须进行动态调试,即在放大器的输入端加入一定的输入电压Ui,检查输出电压Uo的大小和波形是否满足要求。
如不满足,则应调节静态工作点的位置。
这是电路的一级放大,由于通过调制电路的信号很小所以要用甲类放大器,以防止失真或无法达到放大作用,这里负载采用L2、C8并联谐振回路达到选聘和匹配作用。
R5的作用是给基极提供偏置电压,设置三极管的静态工作点和设置放大倍数。
C12滤波减小干扰。
(4)高频功率放大电路设计
功率放大器的基极偏置电压VBE是利用发射极电流的直流分量IEO(≈ICO)
在射极电阻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
为正弦波时,集电极的输出电流iC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vc1,电流ic1。
图1-3画出了丙类功率放大器的基极与集电极间的电流、电压波形关系。
分析可得下列基本关系式:
式中,
为集电极输出的谐振电压及基波电压的振幅;
为集电极基波电流振幅;
为集电极回路的谐振阻抗。
式中,PC为集电极输出功率
式中,PD为电源VCC供给的直流功率;ICO为集电极电流
脉冲iC的直流分量。
图1-3
放大器的效率
为
最后一级设为丙类放大,以提高发射功率使已调信号可以发射更远,集电极同样采用L3、C11并联谐振电路选频匹配。
后面通过旁路电容C14=220uF的极性电容滤除无用的小信号,减小干扰。
再通过C13将调制信号耦合到天线上去。
六、系统调试及测试结果
实物图接好后,对着PCB图和原理图查看电路,确定元件焊接没有错误后,接入+12V的电压,发现当一接上12V的电源时,电源的二极管熄灭,判断为电路出现短路问题,用万用表测量各点之间电阻,由于电路比较简单,因此很快就查处短路点了,由于麦克风的正负极焊点相离很近,因此焊接的时候短路了。
于是用刀子刮去短路的部分后,问题就解决了。
当接上示波器,用示波器测量调制输出端,检测到的是未知信号,一开始以为是元件接触不良,摆弄后出现了失真的波形。
后听一同学提醒,发现有个2.2K的电阻接成了22K了,于是换掉了电阻,继续测量有检测到正弦信号但是输出的频率只有几HZ到几KHZ,根本达不到M的频率要求,此时只有改变L1的电感值,当拨弄电感,使其变疏时,发现确实出现了59M的正弦信号。
但是很不稳定,而且跳动范围很大。
此时从第一级
输出开始测量,检查前两级都有信号后,示波器在第三级也测出59M多的频率信号后用音频音乐作为输入信号,用听力耳机跳到59M的频率听是否能收到音频信号,一开始能听到声音,但有干扰信号,而且接受的距离很有限,只到门口就没有了,声音也非常不稳定,于是继续进行调试,由于电感没接好,所以我又重新接过电感,此效果会比上次好多了,可以多走10米左右,但是后面信号很弱,用示波器测量天线输出电压才60毫伏左右,而甲类放大输出还是80多毫伏,后后级不仅没有放大,还变得更小了。
猜想可能是后级放大不够,所以我找了各种阻值的电阻与R6并联看示波器的输出,但是输出基本上不变。
调电感也没有变化,拉长天线也没办法发射更远。
想了很久都没有思路。
突然想到会不会是天线通过耦合电容将阻抗折合到功放级呢?
带着这个想法,我把天线剪短了一些,结果发现天线输出电压达到了1.04伏以上了,频率在69.3MHz处。
带上耳麦调到自己的频率后接收到了所播放的音乐。
这走到楼梯那里还能听得到,于是赶紧进行测量,相关波形如图下图所示:
本次设计使我深刻认识到:
凡事不能投机取巧,无论做什么事情都要脚踏实地,一步一个脚印,同时要做到勤学好问。
由于自己能力有限,对于原理部分的设计在借鉴别人的基础上也应该认真消化吸收,使之转化为自己的知识拿来应用。
也应该明确到:
尽信书不如无书,书本上的知识也不一定是完全正确的,也要通过实践才能印证。
不能死读书,应该要做到理论联系实际,更加注重动手能力,这样才能在专业水平有一定的造诣。
七、参考文献
[1]高吉祥,高频电子线路,电子工业出版社,2005.1
[3]谢自美,电子线路设计·实验·测试,华中理工大学出版社,2000.5
[4]黄智伟,全国大学生电子设计竞赛,北京航空航天大学出版社,2006.12
八、附录
附录1:
调频发射机电路原理图
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