高频设计.docx
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高频设计
《高频电子线路》课程设计
----------无线接收、发射系统的设计
专业_XX______
指导教师___XX_
学生姓名___XX________
班级__XX________
学号__33___________
目录
前言…………………………………………………………3
一、绪论…………………………………………………….4
二、发射系统设计…………………………………………...8
2.1发射原理图……………………………………………..8
2.2发射原理……………………………………………….8
2.3发射原理框图…………………………………………...9
三、接收方案设计…………………………………………..10
3.1接受电路原理框图……………………………………..10
3.2工作原理分析…………………………………………10.
3.3无线接收部分………………………………………..11
四、硬件调试与检测………………………………………...14
4.1调试前硬件的检查……………………………………….14
4.2调试过程……………………………………………….14
五、结论与展望……………………………………………..16
六、参考文献………………………………………………..16
七、致谢…………………………………………………….18
前言
人类自从发现能利用电波传递信息以来,就不断研究出不同的方法来增加通信的可靠性、通信的距离、设备的微形化、省电化、轻巧化等。
人们对发射信息和接收信息所用的电路,也慢慢地趋于这种要求。
目前的无线电接收机不单只能收音,且还有可以接收影像的电视机、数字信息的电报机等。
随着广播技术的发展,以接收电路为核心的接收机也在不断更新换代。
自1920年开发了无线电广播的半个多世纪中,以接收电路为核心制造的收音机经历了电子管收音机、晶体管收音机、集成电路收音机的三代变化,功能日趋增多,质量日益提高。
20世纪80年代开始,收音机又朝着电路集成化、显示数字化、声音立体化、功能电脑化、结构小型化等方向发展。
这就对接收电路提出了新的挑战。
发射电路的发展是任何无线系统的根基,要完成无线通信,首先必须产生高频率的载波电流,然后设法将信号传输出去。
在无线电技术中采用振荡器来产生高频电流。
振荡器可以看作是将直流电能转变为交流电能的换能器,高频电流送至发射天线,转变为电磁波发射出去,电磁波中就包含了所要发射的信息信号。
通过课程设计,使学生加强对高频电子技术电路的理解,学会查询资料,方案比较,以及设计计算等环节。
进一步提高分析解决实际问题的能力,创造一个动手动脑、独立开展电路实验的机会,锻炼分析、解决高频电子电路问题的实际本领,真正实现由课本知识向实际能力的转化,通过典型电路的设计与制作,加深对基本原理的了解,增强学生的实践能力。
具体要求如下:
1、掌握调幅发射机、收接收机的基本工作原理。
2、掌握调幅发射机、接收机的调试过程及故障排除。
3、培养学生掌握电路设计的基本思想和方法。
4、培养学生分析问题、发现问题和解决问题的能力。
绪论
无线通信(Wirelesscommunication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式,近些年信息通信领域中,发展最快、应用最广的就是无线通信技术。
在移动中实现的无线通信又通称为移动通信,人们把二者合称无线通信。
从最初的电报开始经过150多年的现代电信的发展是来自各界的成千上万科学家、工程师和研究人员的辛勤劳动的结果。
他们当中只有少数独立负责发明的人成了名,而大多数达到顶点的发明是许多个人的成果。
这里汇集了部分对于无线电通信发展中起到重要作用的历史人物。
无线通信先驱
克拉克:
1917年出生英格兰。
在苏联(USSR)发射第一个人造地球卫星Sputnik-1前12年,克拉克于1945年在“无线世界”中发表文章建议利用静止卫星实现世界范围的无线电覆盖。
从此,卫星通信成为世界通系统的非常重要的组成部分。
克拉克的其它发明有地球观测的卫星平台的利用和操作灵活的低加速的星际间飞行的太阳帆。
巴登、比拉特恩、和邵克莱:
晶体管是由在美国贝尔实验室工作的这三位物理学家于1947年发明的。
晶体管可以检波,放大,整流并能将其打开和关闭。
他们非常小,便宜,能耗非常小。
莫尔斯:
1791年4月27日生于美国麻萨诸塞州查尔斯顿市。
1872年4月日在纽约城去世。
莫尔斯是电磁纪录电报的发明者,是点划电报码的开发者,即称为莫尔斯码。
莫尔斯在其早年酷爱艺术,一直到1832年,在41岁的时候,莫尔斯完成了他的电报的设计,在1837年8月进行公开演示。
莫尔斯提出专利申请,获得美国专利。
但他向国会申请贷款建设实验性公众电报线路直到1843年才获得批准。
最后在1844年5月24日莫尔斯从华盛顿向巴尔地摩(60公里)发送了他的第一次电报。
虽然电报现在已在很大程度上被较多的现代通信业务代替,但莫尔斯的最初的概念仍在使用并且莫尔斯码仍然保持为发送信息的通用标准。
贝尔:
于1847年4月3日生于苏格兰的爱丁堡。
1922年8月2日在去世。
1876年3月10日贝尔在美国波斯顿宣布“瓦特森先生来了,我需要您”,组成第一个智能句子在电话线里传送。
虽然有一些其它发明者在所建议的系统上将声音在一定的距离传送,但贝尔是第一个获得发明专利的。
仅在两年后,1878年3月25日他做出了如下预测:
“电话电缆可以铺在地下或架空,利用支线将私人住宅,乡村,商店,工厂等连接起来,通过主电缆和中心交换实现任何两个地方的直接通信是可能的。
我相信,电话面向公众是必然的结果,不仅如此,我确信,在将来,电线将不同城市的电话公司的电话局连接起来,一个人能够与不同地方的人打电话”。
贝尔不但在29岁时发明了电话,他在电信和航空方面有许多发明。
他整个一生还努力帮助聋哑人。
马克尼:
于1874年4月25日生于意大利的宝龙那。
1937年7月20日在罗马去世。
作为一个学生的马克尼对电磁和赫兹波的应用特别感兴趣。
1896年6月2日他申请了他的第一个关于无线电的专利。
马克尼是高度实践和企业化的人,他很快将他的发明商业化,并于1897年7月在伦敦建立他的第一个无线电报公司。
在1899年,他操纵发送跨英吉利海峡的无线电信号。
1901年发送了跨大西洋(从英格兰的康沃尔到荷兰的信号山)的信号。
1907年,开通了大西洋彼岸的无线电业务,1909年他获得了诺贝尔物理奖。
1920年在改进的马克尼公司演播室开始声音广播。
在1924年,他发明了能提供世界范围通信业务的天波传输。
马克尼的一生都贡献给无线电通信的发展并由他自己或其领导的公司共获得近800项专利。
波波夫:
1859年3月16日生于乌克兰。
1906年1月13日在圣彼得堡去世。
波波夫是圣彼得堡附近的的诺罗斯皇家海军学校的物理讲师。
在赫兹演示他的电磁波的存在之后,波波夫进行了利用接收机监测电磁波存在的实验。
在1895年5月7日向诺罗斯物理和化学学会演示了他的实验,几天后,在喀琅施塔德斯基提出报告。
该报告的结论是试验的目的,“是为了显示在一定距离不用导线传送信号在理论上是可行的,换句话说,发送无线电报,必须借助电磁发射”。
斯戳格:
1838年生于Rochester附近。
1902年去世。
在1889年他发明了自动电话交换机,他觉察到由于设计或差错,本地电话操作者将其业务电话接到他的竞争对手的电话局。
因此,他有了自动电话交换机的设想,根据这个思想终于在美国的LaPort(Indiana)安装了世界第一个商用自动交换机。
考劳罗夫:
1906年12月30日生于苏联的。
1966年1月14日在莫斯科去世。
从1947年开始,考劳罗夫指导苏联火箭设计,在1957年10月4日发射了第一颗人造地球卫星。
他负责指导更多的现代火箭的开发工作。
火箭技术对人造地球卫星的发射是非常重要的。
他还指导包括Molniya-1通信卫星系列在内的很多卫星的开发工作。
赫兹:
1857年2月22日生于德国的汉堡,1894年1月1日在波恩去世。
赫兹在于1887~1888年在柏林大学发现电磁波。
1887年赫兹验证了电磁波的存在。
证明了麦克斯威尔的电磁场的理论。
赫兹的发现是无线电技术的基础,也是后来广播和电视的发展的基础。
伏特:
1745年2月18日生于意大利的科摩,1827年3月5日在科摩去世。
伏特研究利用化学反应产生电。
他发现第一个电荷,他是开发通信用电池的先驱。
特斯拉:
1856年7月10日生于塞尔维亚的斯密廉。
1943年1月7日在纽约城去世。
特斯拉研究交流电和高频无线电波。
在1899年他演示了不用导线传送电能的实验,并在美国克罗里达州建设一座发射台,它可以清楚的接收到一千里外的信号。
他发明了两个电路间感应耦合系统。
他得到了一百多项专利,例如电容器的制造,电导体的绝缘,频率表等。
波特:
1845年9月11日生于法国。
1943年3月28日在法国的Sceaux去世。
他用终生来开发一种快速印字电报。
当他成功的改进了各种装置后,在国际电器展览会上演示了能同时发送六种信息的设备。
波特系统在全世界的地面和水上通信链路使用70多年。
李·德·福利特(LeedeForest):
1906年他在夫莱名的二极管上又加上一个电极,他的三级管改善了接收并可以进行放大。
无线通信技术
无线技术给人们带来的影响是无可争议的。
如今每一天大约有15万人成为新的无线用户,全球范围内的无线用户数量目前已经超过2亿。
这些人包括大学教授、仓库管理员、护士、商店负责人、办公室经理和卡车司机。
他们使用无线技术的方式和他们自身的工作一样都在不断地更新。
从七十年代,人们就开始了无线网的研究。
在整个八十年代,伴随着以太局域网的迅猛发展,以具有不用架线、灵活性强等优点的无线网以己之长补"有线"所短,也赢得了特定市场的认可,但也正是因为当时的无线网是作为有线以太网的一种补充,遵循了IEEE802.3标准,使直接架构于802.3上的无线网产品存在着易受其他微波噪声干扰,性能不稳定,传输速率低且不易升级等弱点,不同厂商的产品相互也不兼容,这一切都限制了无线网的进一步应用。
这样,制定一个有利于无线网自身发展的标准就提上了议事日程。
到1997年6月,IEEE终于通过了802.11标准。
802.11标准是IEEE制定的无线局域网标准,主要是对网络的物理层(PH)和媒质访问控制层(MAC)进行了规定,其中对MAC层的规定是重点。
各厂商的产品在同一物理层上可以互操作,逻辑链路控制层(LLC)是一致的,即MAC层以下对网络应用是透明的(如图一所示)。
这样就使得无线网的两种主要用途----"(同网段内)多点接入"和"多网段互连",易于质优价廉地实现。
对应用来说,更重要的是,某种程度上的"兼容"就意味着竞争开始出现;而在IT这个行业,"兼容",就意味着"十倍速时代"降临了。
在MAC层以下,802.11规定了三种发送及接收技术:
扩频技术;红外技术;窄带技术。
而扩频又分为直接序列扩频技术(简称直扩),和跳频,扩频技术。
直序扩频技术,通常又会结合码分多址CDMA技术。
根据预测,今后几年,无线网在全世界将有较大的发展,单只美国无线局域网销售额就将从1997年的2.1亿美元增加到2001年的8亿美元。
无线通信的应用
这一应用已深入到人们生活和工作的各个方面。
其中3G、WLAN、UWB、蓝牙、宽带卫星系统都是21世纪最热门的无线通信技术的应用。
二、发射系统设计
2.1发射原理图:
图2-1发射原理图
2.2发射系统原理
上图为发射系统电路图,在日常生活中广播电台播出节目是首先把声音通过话筒转换成音频电信号,经放大后被高频信号(载波)调制,这时高频载波信号的某一参量随着音频信号作相应的变化,使我们要传送的音频信号包含在高频载波信号之内,高频信号再经放大,然后高频电流流过天线时,形成无线电波向外发射,无线电波传播速度为3×108m/s,这种无线电波被收音机天线接收,然后经过放大、解调,还原为音频电信号,送入喇叭音圈中,引起纸盆相应的振动,就可以还原声音,即是声电转换传送——电声转换的过程。
中波的频率(高频载波频率)规定为525—1605kHz(千周)。
短波的频率范围为3500—18000kHz。
原理图通过倍频器、中放、功放和调制电路将信号发射出去。
要完成无线电通信,首先必须产生高频率的载波电流,然后设法将电报或电话信号“加到”载波上去。
在无线电技术中采用振荡器来产生高频电流。
振荡器可以看作是将直流电能转变为交流电能的换能器。
振荡器是无线电发送设备的基本单元。
为了发送电报信号,可以加一个电键来控制供给振荡器的直流电源。
电源接通时,振荡器产生高频电流i;电源断开时,振荡器没有高频电流送出。
实际上,为了提高振荡器的频率稳定度和增加输出功率,在振荡器之后往往还要加缓冲极与放大极,将发射功率提高到所需数值,再发射出去。
在发射电话信号时,必须将声音电流加在高频电流上。
这个过程称为调制。
。
高频电流也叫载波。
调制的方法大致可以分为两大类:
连续波调制与脉冲波调制。
连续波调制可以有三种方式:
调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)。
另一大类调制是脉冲调制。
这种调制要首先使脉冲本身的参数按照信号的规律变化,亦即使脉冲本身先包含信号,按后再用这个已调脉冲数字信号对载波进行调制。
发射机的主要组成部分为:
高频部分、音频部分和电源部分。
高频部分一般包括主振荡器、缓冲放大、倍频器、中间放大、功放推动极与末及攻防。
主振起的作用是产生频率稳定的载波。
低频部分包括话筒、低频电压放大极、低频功率放大极欲末极低频功率放大极。
2.3发射机原理框图:
图2-2调幅发射机方框图
三、接收方案设计
3.1设计思路
3.1.1接受电路原理框图
——高频小信号放大器-混频器-中放-解调-推动电路-低频功率放大
本地振荡器
3.2、工作原理分析
1、高频小信号放大器,利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。
因为声音本机的工作原理:
整体分为发射部分和接收部分
广播电台播出节目是首先把声音通过话筒转换成音频电信号,经放大后被高频信号(载波)调制,这时高频载波信号的某一参量随着音频信号作相应的变化,使我们要传送的音频信号包含在高频载波信号之内,高频信号再经放大,然后高频电流流过天线时,形成无线电波向外发射,无线电波传播速度为3×108m/s,这种无线电波被收音机天线接收,然后经过放大、解调,还原为音频电信号,送入喇叭音圈中,引起纸盆相应的振动,就可以还原声音,即是声电转换传送——电声转换的过程。
中波的频率(高频载波频率)规定为525—1605kHz。
短波的频率范围为3500—18000kHz。
为调幅收音机的,天线接收到的高频信号通过输入电路与收音机的本机振荡频率(其频率较外来高频信号高一个固定中频,我国中频标准规定为465KHZ)一起送入变频管内混合——变频,在变频级的负载回路(选频)产生一个新频率即通过差频产生的中频,中频只改变了载波的频率,原来的音频包络线并没有改变,中频信号可以更好地得到放大,中频信号经检波并滤除高频信号。
再经低放,功率放大后,推动扬声器发出声音。
是不同振幅和不同频率的波,即交流信号电流,三极管的集电极电流永远是基极电流的β倍,β是三极管的交流放大倍数,应用这一点,若将小信号注入基极,则集电极流过的电流会等于基极电流的β倍,然后将这个信号用隔直电容隔离出来,就得到了电流(或电压)是原先的β倍的大信号,这现象成为三极管的放大作用。
经过不断的电流及电压放大,就完成了功率放大。
2、中放的任务,是把变频器输出的中频信号放大后,输入到检波器。
在超外差接收机中,信号放大的任务大部分是由中频放大器来完成的。
中放级的好坏对接收机的灵敏度、选择性、失真和自动增益控制等主要指标有着决定性的影响。
因此对中放的要求是:
增益高,稳定性好,具有良好的通频带特性。
也就是说,对于干扰信号抑制能力强,选择性要好,而对信号本身的影响或衰减要小,自动增益控制对整机频带影响要小。
3、在调幅接收机的情况下,载波的振幅大小并不包含有用的信号,这就使我们有条件利用限幅的办法把调频波中由噪声产生的调幅分量完全消除后,再送到鉴频器去。
起着消除这种调幅分量作用的电路,叫做限幅器。
限幅电路除了能有效地抑制干扰外,还有一个作用就是保持输出信号的幅度稳定不变。
如果输入信号的振幅高于某一规定值时,由于限幅作用,它的输出信号幅度也不会发生改变。
4、鉴频器又称频率检波器,它的任务就是从调频波中检出原调制信号。
要完成这个任务,一般要分为两步进行。
第一步先将等幅的调频波改变成振幅随频率变化的调幅波,使其幅度变化的规律和频率变化的规律相同。
第二步再用振幅检波器除去载波,最后得到音频信号。
3.3无线接收部分:
图3-1接收电路
上图是无线接收系统的接收电路图,共分为8个部分,分别是接收、高频小信号放大、混频电路和本地振荡电路、中频放大电路、解调电路、推挽电路、低频功率放大器和喇叭。
无线电信号的接收,是先用接收天线将收到的电磁波转变为已调波电流,然后从已调波电流中检出原始的信号。
这一个过程正好和发送过程相反,称为解调。
最后用扬声器将检波取出的音频电流转变为声能。
结婚搜天线所收到的电磁波很微弱。
为了提高接收机天线所收到的电磁波灵敏度,就在检波器前安装了高频小信号放大、中频放大等放大电路。
图3-2天线部分
上图为接收机天线电路图,无线电发射机输出的射频信号功率,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式辐射出去。
电磁波到达接收地点后,由天线接下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线。
电接收机。
可见,天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备,没有天线也就没有无线电通信
图3-3解调电路
解调电路(如图3-3),采用的是包络检波电路。
由中频或高频放大器来的标准调幅信号ua(t)加在L1C1回路两端。
经检波后在负载RLC上产生随ua(t)的包络而变化的电压u(t),其波形如图2所示。
这种检波器的输出u(t)与输入信号ua(t)的峰值成正比,所以又称峰值检波器。
包络检波器的工作原理可用图3-的波形来说明。
在t1 只要RLC选择恰当,就可在负载RLC上得到与输入信号包络成对应关系的输出电压u(t)。 如果时间常数RLC太大,放电速度就会放慢,当输入信号包络下降时,u(t)可能始终大于ua(t),造成所谓对角切割失。 此外,检波器的输出通常通过电容、电阻耦合电路加到下一级放大器,如图1中虚线所示。 如果Rg太小,则检波后的输出电压u(t)的底部即被切掉,产生所谓的底部切割失真。 图3-3-1 图3-4推挽电路和低放电路 推挽和低放电路的共同作用是将提取出来的语音信号进行放大,增加声音的功率并通过扬声器播放出来。 四、硬件调试与检测 4.1调试前硬件的检查: (1)检查电路是否有错,检查模块是否装错和是否有漏装的元件。 (2)检查各单元电路接入位置是否正确。 (3)检查电路中电解电容正负极性是否有误。 (4)检查电路板是否有断裂、搭线,各焊点是否确实焊牢,正 面元件是否相互碰触。 4.2调试过程 1、确定元器件焊接无误后,集成电路处可焊相应插座,便于集成电路的拔插,但功放集成电路必需按其规定接好散热片。 2、检查各级直流工作点,若有不符合者,可调整相应分立元件的有关部分。 集成电路则应先检查外围电路是否有故障,最后才考虑换集成块。 3、鉴频器的调试: 具体电路如下图所示,信号发生器中心频率置465KHz,并用1KHz的信号进行调频,频偏5KHz,幅度约为80Mv,经0.01uF的电容由MC3357的5脚送入,调整中周L7电感大小,使输出信号正常,幅度最大,失真很小。 图4-1 4、混频的调试: 信号发生器中心频率置10.7MHz,并用1KHz的信号进行调频,频偏5KHz,幅度约为3mV,经0.01uF的电容由MC3357的16脚送入,观察输出信 号应正常,幅度最大,失真很小。 图4-2 5、调整静态工作点: (1)检查电源两端是否短路或开路,应不小于是100。 (2)将可变电容的振荡连短接,将音量电位器调至最小。 (3)静态工作点的调整,有集电极电阻或发射极电阻的可通过电压间接测量,否则断开集电极测量。 专门用于学生实验的收音机套件,各级集电极已经在印刷板制做时断开,可直接将万用表串进去测量电流。 6、如果噪声过大,确认元件、焊接都无问题时,应着重考虑变频级及中频级电路,变频管、中放管的β值是否过大? 增益是否过高? 振荡过强? 如过高、过强,可以考虑在中频变压器的初级并联120的电阻,在振荡线圈次级并联一只二极管或几十千欧电阻。 1)试听响度 调准电台,试听喇叭声响,在30m2的房间放声响亮,表明达到功率输出要求。 2)失真度试查 声音应柔和动听,音量小时或大时的发音都很圆润。 失真度大的收音机听上去有闷、嘶哑、不自然感觉。 3)试听灵敏度 对准电台方向,从最低端到最高端试收多少个电台。 电台多,噪声小为佳,收本省以外较远的或电波较弱的电台声音较响,说明灵敏度高,合格。 4)试查选择性 调准一个电台,然后微微偏调频率10%KHz左右,若声音减少许多,表明合乎要求。 诸如检波器的效率、灵敏度、不失真功率、整机谐波失真等多种参数的测量,根据具体要求在指导老师的指导下进行,选择性地进行某项指标的测试,学习测量手段。 五、结论与展望: 为期两个星期的高频课程设计,我们设计的是调频接收机。 在课程设计之前,我们通过各个渠道查找资料后分析验证,经过多次的修改和整理,作了如上的设计思路。 虽然这次设计一开始是按照设计要求去完成的,但由于在实际操作中,出现了比较大的问题,导致以上的准备资料,在实际操作中都未能派上用场。 首先是做电路板的问题。 班里几个基础好的同学负责做这个模块的电路板,但由于时间和其他实际问题,做出来的电路板出现了一点缺陷,以致在时间有限的情况下,不可能再去刻电路板,所以整个课程设计我们是拿实验室的高频实验箱直接调试的。 同时,因为我们基础有限,未能参加刻电路板这一程序,也导致我们对整体的电路图和元器件缺乏认识。 其次对这个课题的理解问题。 一开始,我们组看到课题叫调频调试接收后,一直没弄明白这个课程设计要做的是什么。 在网上和书上都没能找到相应的资料。 因为高频的知识本来就不容易懂,特别对于我们女生来说,这些知识尤其能以理解透,所以查找资料和查阅基础知识,花了我们很长的时间。 这些都应归咎于自己基础知识的匮乏。 最后的是调试问题。 在拿到高频实验箱直接连电路的时候,却发现调频信号怎样也调不出来。 我们换了多个实验箱和多个示波器,甚至连探头和接线都换了好多个,还是未能调出频率为10.7MHz的调频信号。 最后指导老师给我们拿来了据说价格不菲的高级信号发生器,准确无误地设置了频率为10.7MHz的调频信号接入示波器中,才出来了频率约为0.998KHz的解调信号。 在这次的课程设计中,我们通过动手实践操作,进一步学习和掌握了有关高频原理的有关知识,特别是动手操作
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