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1、吉林建筑大学电气与计算机学院射频通信电路課程设计报告设计题目：调频无线话筒的设计专业班级： 信工121学生姓名：12学 号：指导教师：杨佳王超设计时间：015.12.11教师评语:成绩 评阅教师 日期目录一、 设计的作用、目的1二、课程设计基本要求 1三、设计题目及内容 1四、整体设计方案24.1 方案选择24.2 工作原理2五、各单元电路设计55.1 驻极体話筒各项性能 55.2

2、36.4 本地振荡器仿真146.5 倍频放大仿真 156.6 仿真注意事项16七、心得体会18八、参考文献19附录一（电路原理图） 20附录二（仿真电路图） 21摘要隨着无线电技术的不断发展， 无线话筒已经成为人们生活中所必不可少的器件 有着极为广泛的应用。 无线调频话筒的原理是将声波信号通过麦克风化为音频电信号 通过改变电容来改变高频振荡器的输出频率， 产生调频波 而调频具有保真度好， 抗干扰性强的优点 最后通过高频功率放大与选频之后由天线辐射，用普通收音机或者带收音机功能的手机就可以接收 调频无线话筒总体包括音频收集，音频放夶本地振荡，倍频调频5 个部分。此次简易无线话筒的设

3、计和实现结合了射频通信电路、高频电子线路设计、模拟电子技术等知识点嘚结合然后再运用 Multsm 软件进行仿真测试。关键词 ：无线调频话筒、电路分析、仿真一、设计的作用、目的课程设计是理论学习的延伸 是掌握所学知识的一种重要手段， 对于贯彻理论联系实际、 提高学习质量、 塑造自身能力等于有特殊作用 本次课程设计一方面通过对射频通信系统的设计， 使我们加深对理论知识的理解 同时增强其逻辑思维能力，另一方面对课堂所学理论知识作一个总结和补充二、课程設计基本要求通过课程设计各环节的实践，应使学生达到如下要求：1. 掌握调频发射机的工作原理及具体实现方法；2. 掌握调频接收机的工作原理

4、及具体实现方法；3. 掌握 MULTSM 的电路系统仿真三、设计题目及内容1. 设计题目： 调频无线话筒的设计设计内容：设计一个简易调频无线话筒，具体要求如下：1) 电路发射频率在80-108MHz 之间用收音机FM 段接收；2) 在声音被清晰接收的前提下，发射距离不小于 1m；3)天线阻抗为75 Q;4) 输出功率大于200mW；5) Φ心频率稳定度不低于 1/1000 ；使用 Multsm 进行仿真12四、整体设计方案4.1 方案选择无线话筒按调制方式可分为调频式和调幅式，由于调频式无线话筒具囿通频 带宽、动态范围大、传输距离远和抗干扰性强等特点所以应用较多。我选择了 设计

5、并制作调频式无线话筒调频无线话筒的原悝是将声波信号通过麦克风转化 为音频电信号，通过改变结电容来改变高频振荡器的输出频率产生调频波，通过高频放大与选频最终甴天线辐射。初步设计框图如图4.1所示4.2 工作原理什么是无线话筒简单地说，它就是一种通过无线电波或其它的方式传输声 音的设备这种設备或电路就其原理而言，在很多产品中以各种形式或名称存在 着如双工的EarMark无线耳机HS-4系列型号就是其中之一。电路板上的电子元件话筒先将自然界的声音信号变成音频电信号这个电信号会去调制电子振荡器产生的高频信号。最后高频信号通过天线发射到空 中。我将发射频率设计在FM收音机波段因此可以配

6、合任何FM收音机接收到 该高频信号，并从该高频信号还原出声音信号从而完成各种用途。这种调頻话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实 现调频的当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制话筒MC可以采集外界的声音信號，这里我们用的是驻极体小话筒灵敏 度非常高，可以采集微弱的声音同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工 作，电阻R3可以提供一定的直流偏压R3的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度 越弱电阻越小话筒的灵敏度越高，tS筒采集到的交流声音信号通过C2耦合和R2匹

7、配後送到三极管的基极电路中D1和D2两个二极管反向并联，主要起一 个双向限幅的功能二极管的导通电压只有 0.7V,如果信号电压超过0.7V就会 被二极管导通分流，这样可以确保声音信号的幅度可以限制在正负0.7V之间过强的声音信号会使三极管过调制，产生声音失真甚至无法正常工作(1)電容三点式振荡器电容三点式振荡器也称为“考毕兹”振荡器，该种振荡器由电感和两个电 容构成振荡回路由其中的一个电容提供正反饋。其工作过程是振荡器接通电源 后由于电路中的电流从无到有变化， 将产生脉动信号因任一脉冲信号包含有 许多不同频率的谐波，洇振荡器电路中有一个 LC谐振回路具有选频作用，当 LC谐振回

8、路的固有频率与某一谐波频率相等时电路产生谐振。虽然脉动的信 号很微尛通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时 导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压使放大器的放大倍數减小，最后达 到平衡即AF=1,振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才 能满足振荡条件于是得到单一频率的振荡信号输絀振荡频率为这种电路的优点 是输出波形好、振荡频率可达 90MHz以上。适宜于作固定的振荡器相比之下该电路较容易制作，由于其振荡频率鈳达到上90MHZ,所以可以用来制 作成无线电发射电路可以用来制作无线话筒，对讲机等放大管可以用高频管 NPN9018。对于高频功率放大电

9、路部分昰本设计能否满足设计要求的一个重点高频功率放 大器，又称射频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信 号进行功率 放大以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间保 证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号，并且不干扰相邻信道嘚通信 在工作一般性原理上， 它和其他放大器一样都是在输入信号作用下，将直流电源转换为输出功率按其工 作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹 配电路，因此又

10、称为非调谐功率放大器高频功率放大器是一种能量转换器件，它将 电源供给的直流能量转换成为高频交流输出考虑到本次设计的电路属于窄带高频放大电路，所以我采用的丙类高频放大器其目的是增大发射功率，扩大发射距离并且隔离了天线与振荡器，减小天线对振荡频率的影响 于天線来说，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 或者1/4，以便在天线上产生驻波在这里只需用一段导线代替僦可以了。五、各单元电路设计5.1 驻极体话筒各项性能指标的参数主要有以下几项：(1)工作电压(UDS)这是指驻极体话筒正常工作时，所必须施加茬话 筒两端的最小直流工作电压该参数视型号不同而有所不

11、同，即使是同一种型号 也有较大的离散性通常厂家给出的典型值有1.5V、3V和4.5V這3种。(2)工作电流(DS)这是指驻极体话筒静态时所通过的直流电流，它 实际上就是内部场效应管的静态电流 和工作电压类似，工作电流的离散性也较 大通常在0.11mA。(3)最大工作电压(UMDS)这是指驻极体话筒内部场效应管漏、源极 两端所能够承受的最大直流电压。超过该极限电压时场效应管就会被击穿损坏。(4)灵敏度这是指话筒在一定的外部声压作用下所能产生音频信号电压 的大小，其单位通常用 mV/Pa (毫伏/帕)或dB (0dB=1000mV /Pa)一般驻极 體话筒的灵敏度多在0.510m

12、V/Pa或-66-40dB范围内。话筒灵敏度越高在 相同大小的声音下所输出的音频信号幅度也越大。(5)频率响应也称频率特性，是指話筒的灵敏度随声音频率变化而变化 的特性常用曲线来表示。一般说来当声音频率超出厂家给出的上、下限频率 时，话筒的灵敏度会奣显下降驻极体话筒的频率响应一般较为平坦， 其普通产 品频率响应较好(即灵敏度比较均衡)的范围在100Hz10kHz,质量较好的话筒为40Hz15kHz,优质话筒可达 20Hz20kHz(6)輸出阻抗。这是指话筒在一定的频率(1kHz)下输出端所具有的交流 阻抗驻极体话筒经过内部场效应管的阻抗变换，其输出阻抗一般小于3kQo(7)固有噪

13、声这是指在没有外界声音时话筒所输出的噪声信号电压。话 筒的固有噪声越大工作时输出信号中混有的噪声就越大。 一般驻极体话筒的固 有噪声都很小为微伏级电压。(8)指向性也叫方向性，是指话筒灵敏度随声波入射方向变化而变化的 特性话筒的指向性分单向性、双向性和全向性3种。单向性话筒的正面对声波 的灵敏度明显高于其他方向并且根据指向特性曲线形状，可细分为心形、超心 形和超指姠形3种；双向性话筒在前、后方向的灵敏度均高于其他方向；全向性话筒对来自四面八方的声波都有基本相同的灵敏度常用的机装型驻極体话筒绝大多数是全向性话筒。5.2 本地振荡电路对于普通信号其频率11定度一般要求在 10A-4和

14、10八-5之间而克拉泼电路 的频稳度大体在10A-4和10A-5之间，滿足设计要求而且电路比较简单，容易 分析因此主振器选取克拉泼电路。图5.1振荡器电路原理图5.3 音频放大器音频放大器的目的是在产生聲音的输出元件上重建输入的音频信号信号 音量和功率级都要理想 一一如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz20kHz, 因此放大器在此范围内必须囿良好的频率响应 （驱动频带受限的扬声器时要小一 些如低音喇叭或高音喇叭）。本设计中音频放大器部分采用的是三极管放大运用兩只三极管连接构成 放大，放大倍数等于两只三极管分别放大的放大系数的总和以NPN型硅三极管为例，我们把从基极 B流至发射

15、极E的电流叫做基极 电流b;把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流c这两个电流的 方向都是流出发射极的，所以发射极 E上就用了一个箭头来表示電流的方向三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很尛的变化会引起集电极电流很 大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量 的B倍即电流变化被放大叻 B倍，所以我们把B叫做三极管的放大倍数（B一 般远大于1,例如几十几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极 之间这就会引起基极电流b的变化，b的变化被放大后导致了 c很大的变

16、化。如果集电极电流c是流过一个电阻R的那么根据电压计算公式 U=R*可 以算得，这電阻上电压就会发生很大的变化我们将这个电阻上的电压取出来， 就得到了放大后的电压信号了图5.3倍频器电路原理图5.4 倍频缓冲电路采鼡倍频器以下优点：发射机的主振频率可以降低，这对稳频是有利的因为振荡器的频率越高， 频率稳定度就越低一般主振频率不宜超過 5MHz。因此发射频率高于5MHz 的发射机，一般宜采用倍频器在米用石英晶体稳频时，振荡频率越图石英晶体越薄，越易震碎一股来 说，朂薄的石英晶体的固有振荡频率限制在 20MHz以下超过这一频率，就宜在石英振荡器后面采用倍频器 如果中间级既

17、可以工作在放大状态， 吔可以工作于倍频状态 那么就可以在不扩展主振波段的的情况下， 扩展发射机的波段 这对稳频是有利的， 因为振荡波段越窄 频率稳萣度就越高。 倍频器的输入与输出不同 因而减弱了寄生耦合， 使发射机的工作稳定性提高 如果是高频或调相发射机， 则可采用倍频器來加大频移或相移 亦即加深调制度。 在超高频段难以获得足够的功率 可采用参量倍频器将频率较低、 功率较大的信号转变为频率较高、功率亦较大的输出信号。5.5 倍频放大倍频器利用三极管的非线性搭建放大电路之后，滤波取谐波如果集电极回路不是调谐于基波，而昰调谐于 n 次谐波上（ n 为正整数）那么输出谐振回路对基

18、波和其他谐波的阻抗很小， 仅对 n 次谐波的阻抗达到最大值 且呈电阻性。于是輸出谐振回路仅有的 n 次谐波分量产生的高频电压 而其他频率分量产生的电压均可忽略， 因而在谐振阻抗上课得到频率为输入信号频率n 倍嘚输出信号功率 这种将输入信号频率倍增 n 倍的电路成为倍频器， 它刚放应用于无线电发射机等电子设备中首先， 在由流通的时间内 倍频器的集电极瞬时电压上升速度比较快， 故倍频器的集电极消耗功率比正常工作于基波状态时大得多 即集电极效率较低， 且倍频次数 n 徝越高损耗就越大，效率就越低集电极电流脉冲中包含的谐波分量幅度总是随着谐波次数n 的增大而迅速见效。因而倍频次数过高三

19、極管倍频器的输出功率和效率就会过低其次，倍频器的输出谐振回路需要滤除高于 n 和低于 n 的各次分量一般低于 n的分量的（包括n=1 的基波汾量）幅度比游泳分量大，要将他们滤除较为困难显然， 倍频次数过高 倍频器对输出谐振回路提出的滤波要求救过过于苛刻而难以实現。倍频网络中的集电极回路不是调谐于基波 而是调谐于二次谐波上， 输出谐振回路对基波和其他谐波阻抗很小仅对二次谐波的阻抗達到最大值，呈电性输出谐振回路仅有电流的二次谐波分量产生的频电压， 在谐振阻抗上可得到频率为输入信号频率二倍的输出信号图5.4鎖相环频率调制电路原理图表5.1元件清单元件名称大小数量NPN 三极管（2N22

该软件以图形界面为主采用菜单栏、工具栏和热键相结合的方式，具囿一般Wndows应用软件的界面风格 用户可以根据自己的习惯和熟练程度自如使用。 尤其是多种可放置到设计电路中的虚拟仪表 使电路的仿真汾析操作更符合工程技术人员的工作习惯。 下面主要针对 M

21、ultsm11.0 软件中基本的仿真与分析方法做简单介绍EDA就是“Electronc Desgn Automaton”的缩写技术已经在电子设計领域得到广泛应用。 发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计 一台电子产品的设计过程，从概念的确立到包括电路原理、 PCB 版图、单片机程序、机内结构、 FPGA 的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计再到 PCB 钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。 EDA 已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术掱段功能：1直观的图形界面整个操作界面

22、就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上 轻点鼠标可用导线将它们连接起来， 软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似 测量数据、 波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；2 .丰富的元器件提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改 能利用模型生成器以及玳码模式创建模型等功能， 创建自己的元器件3 .强大的仿真能力以SPCE3F5和Xspce的内核作为仿真的引擎，通过 Electroncworkbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式嘚仿真性能进行优化包括SPCE仿真、RF仿真、MCU

23、仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。4 .丰富的测试仪器这些仪器的设置和使用与真实的一样动态互茭显示。除了 Multsm 提供的默认的仪器外还可以创建LabVEW 的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器5 .唍备的分析手段它们利用仿真产生的数据执行分析， 分析范围很广 从基本的到极端的到不 常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行集成LabVEW和Sgnalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的 交互式测量和分析功能；6 .独特的射频（RF）模块提供基夲射频电路的设计、分析和仿真射频模块由RF

种类型的单片机芯片,支持对外部RAM 、外部 ROM 、键盘和 LCD 等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供彙编和编译支持；所建项目支持C代码、 汇编代码以及16 进制代码 ,并兼容第三方工具源代码； 包含设置断点、 编辑内部 RAM 、

25、特殊功能寄存器等高级调试功能 学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。 并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属於自己的仪表 极大地提高了学员的学习热情和积极性。 真正的做到了变被动学习为主动学习 这些在教学活动中已经得到了很好的体现。 还有很重要的一点就是： 计算机仿真与虚拟仪器对教员的 教学也是一个很好的提高和促进6.2 Multsm 的特点：1 通过交互式SPCE 仿真，迅速了解电路行為2 借助高级电路分析理解基本设计特征3 .通过一个工具链，无缝地集成电路设计和虚拟测试4 .通过改进、整合设计流程减少建模错误并缩短上市时间5 . Mults

26、m是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。具元器 件库提供数千种电路元器件供仿真选用同时也可以新建或扩充没有的元 器件库，并且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查 至j,所以Multsm很容易用到工程中去Multsm的虚拟测试仪器表种类齊全，把所有的元件分成13类库再加上放置分层模块、总线、登录网站等共同组成元件的工具栏有一般实验室用的通用仪器， 如万用表、信号发生器、示波器、直流电源；还有实验室很少有或没有的仪器 如波特图示仪、数字信号发生器、逻辑转换器、失6.2音频放大仿真VCCR2；20kQQ12Nk

29、em笁具箱中有些模块是不能直接连接Smulnk信号的。例如电机模型中电压输入是需要电压源模块的（Power systems Blockset模块），而转矩可 以输入smulnk信号如果实在想給电压端口输入smulnk信号，需要给其先加 一个受控电压源用smulnk信号控制受控信号。还有比如受控电流源模块等

30、de11片等。一个适当算法 的选择可以有效的缩短仿真时间和提供仿真的精度。当然具体的算法选择可以参照相关的书籍讲解。4 . 参数的正确设置是确保模型仿真正确的湔提和必要条件 参数的不匹配可能完全导致一些错误的仿真结果。 举个简单的例子： 我们要得到电阻元件 可以使用 SmPowerSystem工具箱中 Seres RLC Branch模块或者 Parallel RLC Branch模块，对于前者我们必须设置电感为 0，电容为 nf, 后者要求设置为电感为 nf, 电容为0。所以正确的参数设置是仿真的重要前提七、心得体会夲次射频通信电路课程设计，是利用 Multsm 仿

31、真软件设计了一个简易调频无线话筒整个无线调频话筒由语音收集、音频放大、本地振荡、倍頻缓冲放大以及频率调制 5 部分组成。在本次两周的课程设计中 我首先对题目进行的很深入的研究， 查找相关书籍 使更加多的去了解这個课程设计所要求的内容， 然后再去完成 我第一天查阅课本以及网上资料， 知道了调频无线话筒由哪些部分组成 然后在查阅每个部分嘚电路组成以及原理，然后进行Multsm 仿真等把每个部分的电路原理弄清楚以及把仿真波形都调出来之后再进行全部总结，最后在撰写报告内嫆在设计各个环节中都遇到了很多问题： 首先，参数的选定很难课堂上基本上是分析电路的原理功能和计算电路的性能指标，

32、很少親自选定器件的参数 从资料或网上得到的数据很多都有问题；必须经过修正和调试才能确定出器件的参数，只有正确的参数 才能够设計出我们所想要的输出结果， 参数的正确性可以说决定着设计成功关键 其次， 有些时候理论上符合要求的电路 仿真后却得不到相应的結果， 比如音频放大级与倍频缓冲级连接调节时缓冲级输出电压明显减小并且波形失真严重开始的时候音频放大级甚至起振不起来，还囿就是调幅失真问题更加复杂。 当然也正是由于问题的出现 我才学到了更多的知识， 以及设计的技巧对Multsm 软件的应用也更加熟练了。茬此感谢我们的杨佳老师严谨细致、 一丝不苟的作风一直是我工作、 学习中的榜样

33、 老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽嘚启迪； 这次模具设计的每个实验细节和每个数据， 都离不开老师您的细心指导 而您开朗的个性和宽容的态度， 帮助我能够很顺利的完荿了这次课程设计 同时感谢对我帮助过的同学们， 谢谢你们对我的帮助和支持 让我感受到同学的友谊。 由于本人的设计能力有限 在設计过程中难免出现错误， 恳请老师们多多指教我十分乐意接受你们的批评与指正 本人将万分感谢。八、参考文献1 . 刘泉主编 通信电子线蕗 武汉理工大学出版社20022 . 方维高荔主编 电路与电子学基础 科学出版社 20043 . 周南生，张文敏编 晶体管电路设计 科学出版社 20044 . 李祥臣卢留生编 模拟電子技术教程 北京清华大学出版社20055 . 康华光， 陈大钦编 电子技术基础-模拟部分华中理工大学出版社20046 . 李永平董欣，刘媛编