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FM无线话筒的制作实验指导书
FM无线话筒的制作
实验指导书
浙江大学宁波理工学院信息科学与工程分院
2010年6月
一、实验目的
1、了解变容二极管直接调频的电路组成和电路的工作原理。
2、掌握调频器的调制特性及其测量方法。
3、掌握FM无线话筒的制作和调试方法。
二、实验内容
实现一个中心频率为68MHz的FM无线调频话筒。
图1是FM无线话筒的框图。
话筒输出的音频信号被低频放大电路(AFAMP:
AudioFrequencyAMP)放大,通过频率调制(FM:
FrequencyModulation)电路变换为FM波。
FM波再进一步经过高频放大电路(RFAMP:
RadioFrequencyAMP)进行功率放大,就可以作为电波由天线飞向天空。
这个框图中最重要的部分就是频率调制部分。
图1FM无线话筒的框图
三、材料和仪器设备
1、电路板和所需元器件
2、万用表
3、电烙铁等焊接工具
4、示波器
5、频率计
四、实验原理
1、频率调制的原理(FM)
用调制信号去控制高频载波的频率称为调频(FM)。
调频信号的时域分析:
设高频载波为
(1)
为简单起见,假设调制信号为单音,其表达式为
(2)
调频定义为高频载波的瞬时频率随低频调制信号的变化规律而变化,则有
(3)
kf是由电路决定的常数。
图2表示了瞬时频率的变化曲线。
图中有三个频率量,一是载频c,它是没有受调制时的载波频率。
二是最大频偏m=kfVm,它表示瞬时频率对载频c的最大偏移,它是瞬时频率摆动的幅度。
电路决定后,它仅取决于调制信号的幅度大小,而与调制信号的频率无关。
三是调制频率,它表示了受调制的信号的瞬时频率变化的快慢,一般满足< 由于瞬时角频率(t)与瞬时相位(t)的关系为 (4) 调频波的相位变化规律为 (5) 其中调频波的相位变化与调制信号的积分成反比,最大相移为m=m/,它不仅与调制信号的幅度有关,而且反比于调制信号的频率。 因此,调频波的表达式为 (6) 定义最大相移m为调频指数mf,即 (7) 因而调频波又可写为 (8) 根据调频波的定义,调频波的瞬时频率与调制信号成正比。 它的瞬时相位与调制信号的积分成正比,由此可以得到两种产生调频波的方法。 一是直接调频法,见图2(a)所示,用调制信号直接控制振荡器的频率,使振荡频率跟随调制信号变化。 二是间接调频法,见图2(b)所示,将调制信号的积分值去控制调相电路,使调相电路的输出相位与控制信号成正比,由于频率是相位的微分,因此输出信号vo(t)的频率与调制信号v(t)成正比,从而实现了调频。 图2产生调频波的方法 2、直接调频 直接调频电路就是一个振荡器,其振荡频率取决于电路中的电抗元件L和C的数值,用调制电压控制某个电抗元件的值就可以控制振荡器的频率,这就是直接调频的工作原理。 受控的电抗元件可以是电感或电容,但最常见的是变容二极管。 变容二极管是利用二极管在反向偏置条件下,势垒电容对外加电压而变化的一种器件。 变容二极管的符号见图3所示,它在工作时的基本特点是: 1二极管反向偏置,外加电压变化时二极管应始终保持不导通。 2结电容Cj与外加电压的变化规律见图3和公式(9)所示 (9) 式中Cj0是偏置为零时的电容值,VB是势垒电位差(一般为0.5V),n是电容变化指数(由工艺决定)。 图3变容二极管电容Cj特性 3、FM调频电路 图4是使用LC振荡器的FM调制电路。 它是通过改变并联在变形考毕兹型振荡电路线圈上的电容器Ct的值,振荡频率将降低;如果减小它的值,振荡电路就升高。 因此,设定Ct变化中间值的振荡频率为载波频率,那么就能够产生以载波频率为中心偏移的FM信号。 图4采用LC振荡器的FM调制电路 4、FM调频话筒的电路设计 ①无线话筒的设计指标 为了能够用FM收音机进行接收,设计指标中频波频率设定为68MHz。 电源用2节5号干电池(串联3V)。 图5是设计的FM无线话筒的电路图。 图5FM无线话筒的电原理图 (P1为普通驻极体话筒。 有FM调制用和RF放大器用两个三极管,其fT在400MHz-500MHz以上。 注意,LC振荡电路周围的电容器要采用温度补偿型) ②话筒和AF放大器 话筒采用普通双引脚驻极体话筒。 这种话筒内置FET阻抗变化器。 输出端与电源间接2.2KΩ的电阻(负载电阻),能够得到mV级的输出电压。 ③FM调制电路的构成 如前所述,FM调制电路利用变容二极管来控制变形考毕兹型振荡电路的振荡频率。 振荡电路的晶体管Q1采用fT=700MHz的高频放大晶体管H9018(也可以使用fT在400MHz以上的其他型号的晶体管)。 表1列出了H9018的参数。 Q1的基极电位R3和R4固定在1.5V,发射极电流用R5设定在0.4mA(≈(1.5V-0.6V)/2.2kΩ)。 图6管脚和封装 表1H9018的特性 (a)最大额定值(Ta=25oC) 参数名称 符号 额定值 集电极—基极间电压 VCBO 30V 集电极—发射极间电压 VCEO 15V 发射极—基极间电压 VEBO 5V 集电极电流 IC 50mA 集电极损耗 PC 400mW 结区温度 Tj 150℃ 保存温度 Tstg -55~150℃ (b)电学特性(Ta=25oC) 参数名称 符号 测试条件 最小 标准 最大 单位 集电极截止电流 ICBO VCB=12V,IE=0 — — 0.05 μA 直流电流放大倍数 hFE注 VCE=5V,IC=1mA 54 — 198 — 集电极—发射极饱和电压 VCE(sat) IC=10mA,IB=1mA — — 0.5 V 集电极—基极击穿电压 BVCBO IC=100μA,IE=0 30 — — V 集电极—发射极击穿电压 BVCEO IC=1mA,IB=0 15 — — V 发射极—基极击穿电压 BVEBO IE=100μA,IC=0 5 — — V 输出电容 Cob VCB=10V,IE=0,f=1MHz — 1.3 1.7 pF 特征频率 fT VCE=5V,IC=5mA 700 — — MHz 注: hFE分类F: 54~80,G: 72~108,H: 97—146,I: 132—198。 改变频率用的变容二极管D1采用硅调谐变容二极管2CC910。 表2列出了2CC910的参数。 变容二极管2CC910的外形与三极管H9018等相同,只是中间管脚被截断。 表2变容二极管2CC910的特性 (a)最大额定值(Ta=25oC) 参数名称 符号 额定值 单位 最大直流反向电压 VR 25 V 正向电压(IF=20mA) VF 1 V 结温 Tj 125 ℃ 贮存温度 Tstg -55~125 ℃ (b)电学特性(Ta=25oC) 参数名称 符号 测试条件 规范值 单位 最小 标准 最大 总电容 Ctot1 VR1=0V,f=1MHz 48 — 80 pF Ctot2 VR2=0.5V,f=1MHz 35 — 45 Ctot3 VR3=5V,f=1MHz 10 — 20 总电容比值 Ctot2/Ctot3 VR2=0.5V,VR3=5V,f=1MHz 1.2 — 5 串联电阻 rs f=470MHz,CD=14pF — — 0.8 反向电流 IR1 VR=20V — — 10 nA 正向电压 VF IF=20mA — — 1 V 图6所示,2CC910电容量与反向电压的关系曲线。 图62CC910的电容量与反向电压的关系 (变容二极管2CC910在1~10V的反向电压范围内电容值大约在50~10pF之间变化) 图7是变容二极管部分的等效电路。 通过R2与话筒的输出分离,等效为D1的电容CD1与C1串联,连接到振荡器的共振电路。 图7变容二极管部分的等效电路 (现实的电路(a)中R2是为了减小与话筒的电容耦合而插入的电阻,实际上如图(b)所示,电容器C1与变容二极管CD1串联连接到振荡器的共振电路) ④振荡电路的构成 振荡电路中使用的线圈是把直径0.62mm的漆包线绕成圈径为9.2mm、5.5匝空心线圈,照片1是这里使用的线圈。 这个线圈的电感值是150nH左右。 图9(a)是共振电路部分的电路图。 这个共振电路可以变形为图9(c)那样,所以电路的振荡频率fC(也就是载波频率)为 式中, CD1=30pF(由图7),微调电容Ct=5pF(认为在0~10pF范围变化,取其中间值),所以可以求得fc为: 实际的电路中,由于Q1的输入电容和布线电容的影响,fc约为71.4MHz。 为了求微调电容器所能够改变的fc的范围,设Ct=0pF(实际上不为零)和Ct=10pF,分别计算fc得到 78.3(MHz) 67.7(MHz) 就是说,对于71.4MHz,fc的调整范围大约在(+6,-5MHz)之间。 当温度变化时,线圈使用的线材会发生伸缩引起电感量的变化,所以振荡频率也会发生变化(比较严格)。 但是这里的共振电路使用的电容器具有与线圈相反的温度特性,所以相互抵消。 如果温度升高,线圈的线材收缩,导致电感量增加。 如果采用具有负温度特性的电容器(温度升高时电容量减小),就能够进行温度补偿。 这里使用的均为由福建翔威电子有限公司生产的瓷片电容。 特点是,容值稳定精确,随温度、电压等变化小。 (a)(b) (c) 图9共振电路部分的等效电路 (在图b中 ,在图c中 ) (共振频率为 ,所以振荡(载波)频率 约为68MHz。 用微调电容 调整频率) 照片1自制的线圈 (自制的线圈,直径0.62mm的漆包线,5.5圈,圈径9.2mm) ⑤RF放大器的构成 RF放大器中使用的晶体管Q2与FM调制电路中的相同,是fT=700MHz的高频放大晶体管H9018。 放大器是发射极接地形式,把发射极直接接地以提高放大倍数。 如图10所示,集电极负载多采用LC调谐电路,具有频率特性。 不过在这个电路中为了减少元件数目和调整点采用了电阻负载。 而且,为了不降低集电极电阻R7与Q2的输出电容、布线电容所构成的低通滤波器的截止频率,对R7取较小的值。 这里取R7=100。 为了尽量减少部件的数目,Q2采用了称为固定偏置电路的非常简单的偏置方法。 图11就是固定偏置电路。 这个电路中偏置电流IB只是通过电阻RB从电源流向基区。 集电极电流IC是IB的hFE倍。 当环境温度变化时,如果固定偏置电路中的VBE发生变化,那么IB也将变化,IC会跟着变化。 而且晶体管hFE的分散性也会直接影响到集电极电流的设定值。 不过,这个电路中即使工作点和增益有少许变化也不妨碍它的应用,所以是简单而且方便的电路。 图6的电路中,设定R6=100k,所以基极电流IB为24uA(=(3V-0.6V)/100k)。 这时的集电极电流IC为2mA(Q2的hFE约为83)。 图10以调谐电路作为负载的RF放大器 (一般的RF放大器中,为了使输出电路的放大倍数的峰值处于载波频率附近,多采用以调谐电路作为集电极的负载,当然这样会使电路以及调整变动复杂) 图11发射极接地固定偏置电路 (在允许工作点和增益有少许变化的场合,可以采用1个电阻 固定偏置的方法, 是 的 倍,不过需要注意 容易受环境温度和电源电压变化的影响) 为了延长电池使用时间,当希望减小电路的消耗电流时,可以取R6=220k,能够把集电极电流限制在1mA的程度。 但是发射的电波也减弱了。 RF放大器的输入阻抗在68MHz附近并不高,所以如果与FM调制电路耦合的电容器C6的值过大,就会对振荡状态产生影响。 所以用C6=3pF较小的电容耦合。 C6的温度系数与振荡电路没有关系,所以使用CH型(0 60ppm/℃)电容器。 RF放大器的输出被耦合电容器CT隔断直流成分后输送到天线。 为了降低高频阻抗,C7的值取1000pF。 在68MHz下1000pF的阻抗是2左右,阻抗值非常低。 ⑥天线 对于天线来说,只须设置一根电线(线状天线)。 一般天线的长度设定为电波波长的1/2(为了在天线上产生驻波)。 如果载波频率为68MHz,那么波长为: 式中,c是电波的速度(=光速)。 所以天线的长度为2.2m。 但是,这个电路中如果接2.2m的天线的话,会发射很强的电波,有可能超出电波法所规定的范围。 所以把天线的长度限制在35cm的程度。 五、实验内容与步骤 (一)电路板的安装和焊接; (二)直流工作点的测试。 保证各模块工作在合适的静态工作点上; (三)用示波器逐个测试各模块的输入输出波形; (四)通过增减微调电容CT的容量和改变电感L的匝间距离使发射频率落在68MHz处; (五)将FM无线话筒与FM收音机进行联动调试。 通过调节半可变电容,使FM收音机的杂音消失,则FM无线话筒与FM收音机的频率调整为一致。 此时发射的是未经调制的等幅载波信号; (六)上述完成后电路就进入实用状态了,可试着对着话筒说话或唱歌。 六、实验注意事项 1、安装时要注意晶体三极管和电解电容的极性要放置正确; 2、选用焊点低的焊锡丝,用25W电烙铁焊接,焊接时时间不超过5秒; 3、调节半可变电容时要用无感起子; 4、与收音机联动调试前先将收音机调在有杂音的空频道68MHz处。 七、思考题 1、观察并理解调频信号波形; 2、观察并理解调制电压幅度对调频信号中心频率的影响。 八、实验报告
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- 关 键 词:
- FM 无线 话筒 制作 实验 指导书