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高频电子竞赛辅导


高频电子竞赛辅导资料
学习主要内容:选频电路、调频发射与接收电路、集成模拟乘法器和锁相环电路。包括:高频小信 号放大器原理与设计、 幅度调制与频率调制的原理与实现、 锁相环与频率合成器设计、 常用器件应用等。 重点是:振荡器,PLL 频率合成,DDS 频率合成。实验内容:1.压控振荡器的设计;2.调幅发射机的设 计;3.调频收发射机的设计;4.PLL 频率合成器实验。 1、选频电路 集中选频放大器构成如下图所示,它由两种部件组成,一部分是宽频带放大器,另一部分是集中选 择性滤波器。宽频带放大器一般由线性集成电路构成,当工作频率较高时,也可用其它分立元件宽频带 放大器构成。
宽频带 放大器 集中选择性 滤 波 器

集中选频放大器组成 示意图 集中选频滤波器 1)陶瓷滤波器 在通信、广播等接收设备中,陶瓷滤波器有着广泛的应用。 陶瓷滤波器是利用某些陶瓷材料的压电效应构成的滤波器, 常用的陶瓷滤波器是由锆钛酸铅 〔Pb (ZrTi)

Lq C0 Cq rq

(a)

(b)

O3〕压电陶瓷材料(简称 PZT)制成的。图 1 压电陶瓷片等效电路和电路符号从图 1 电路可见,陶瓷 片具有两个谐振频率,一个是串联谐振频率 fs,另一个是并联谐振频率 fP. 2) 声表面波滤波器 声表面波滤波器结构示意图如图 2 所示。它以铌酸锂、锆钛酸铅或石英等压电材料为基片,利用真 空蒸镀法,在抛光过的基片表面形成厚度约10μ m的铝膜或金膜电极,称其为叉指电极。左端叉指电 极为发端换能器,右端叉指电极为收端换能器。

fs ? fp ?

1 2? LqCq 1 CC 2? Lq o q Co ? Cq
Rs + Us - 吸收材料 L

d

发端换能器

收端换能器

声表面波 传播方向

RL

a

b

图2

声表面波滤波器结构示意图

2、调频发射与接收电路

1

它运用于语音或音乐的高质量传送。可在任何有交流电源地方工作,覆盖面积约为 4000m2。频率响应 为 20~20000Hz,失真度低于 0.5%。沿着电源线的传输距离足以包括有电源插座的整个市郊及附近区 域。 ◆发射机部分提供两个输入端。因此,如果需要的话,可将立体声系统的左、右两个信号组合成一个供 远距离扬声器的单声道传输系统。系统电源经变压器降低,由两个 4002 整流管进行全波整流,并由 LM7812 稳压器变换为 12V 的稳压直流。 调频部分由单片集成压控振荡器 LM566 完成, 并经功率放大, 耦合到电源线上。 ◆接收机部分经变压器耦合,将接收到的调频信号放大、限幅,并由锁相环 LM565 担任解调,再经功 率放大,给扬声器提供一个无载波的音频信号,输出功率为 2.5W。电容 C4、C7、C2、C13 要根据载波 频率 fc 来选择。

2

发射部分:心电图信号经过一定的放大及滤波后,送到单片集成波形发生器 5G8038 的控制端,控制定 时电容的充放电电流,从而改变 5G8038 的振荡频率。5G8038 片内有三角波-正弦波变换网络,从(2)脚 输出为已调频正弦波信号,并经 F007 缓冲输出。该电路中心频率为 3kHz,最低频率 0.7kHz。最高频 率为 3.4kHz。 接收部分:用 BG314 构成的 FM 信号解调(鉴频)电路,图中 F007 构成放大限幅电路,乘法器 BG314 构成鉴相器电路。 F007 输出信号, 一路通过耦合电容直接加到乘法器(4)脚, 另一路则经过移相网络 (由 10mH 电感器和 0.3μF 电容器组成)将调频信号变换为调相信号,然后加入到乘法器的(9)脚,乘法器完 成鉴相功能。A2 接成差动输入方式,其输出仅有信号分量,而直流分量被抵消,从而完成双端变单端 的功能。A3 接成低通滤波器,滤掉载波分量及其他交流分量,以保证最后恢复心电信号,由图可见, 低通滤波器的载频率为: 3、集成模拟相乘器 根据双差分对模拟相乘器基本原理制成的单片集成模拟相乘器 MCl496/1596 的内部电路如图 5.2.14 所示, 其引脚排列如图 5.2.15 所示, 其电路结构与图 5.2.12 基本类似。 所不同的是, MCl496/1596 相乘器用 V7、R1,V8、R2、V9、R3。和 R5 等组成多路电流源电路,R5、V7、R1 为电流源的基准电路, V8、V9 分别供给 V5、V6 管恒流 Io/2,R5 为外接电阻,可用以调节 Io/2 的大小。另外,由 V5、V6 两管的发射极引出接线端 2 和 3, 外接电阻 R。 利用 RY 的负反馈作用可以扩大输入电压 u2 的动态范围。 , Rc 为外接负载电阻。 MC1595 集成模拟相乘器,作为通用的模拟相乘器,还需将 u1 的动态范围进行扩展。MCl595 就是 在 MCl496 的基础上增加了 u1(ux)动态范围扩展电路(它与 uy 动态范围扩展电路相同),使之成为具有四
3

象限相乘功能的通用集成器件,其外接电路及引脚排列如图 5.2.17(a)、(b)所示。 集成模拟乘法器 1496 来构成调幅器,它是一个四象限模拟乘法器的基本电路,电路采用了两组差 动对由 V1—V4 组成,以反极性方式相连接,而且两组差分对的恒流源又组成一对差分电路,即 V5 与 V6,因此恒流源的控制电压可正可负,以此实现了四象限工作。D、V7、V8 为差动放大器 V5、V6 的恒 流源。进行调幅时,载波信号加在 V1—V4 的输入端,即引脚的 8,10 之间;调制信号加在差动放大器 V5、V6 的输入端,即引脚 1、4 之间,2、3 脚外接 1K 电阻,以扩大调制信号动态范围,已调制信号取 自双差动放大器的两集电极(即引出脚(6)(12)之间)输出。 、 用 1496 集成电路构成的调幅器电路图如下图所示,图中 RP1 用来调节引出脚 1,4 之间的平衡, Rp2 用来调节 8,10 之间的平衡,三极管 V 为射极跟随器,以提高调幅器带负载能力。

图 MC1496 构成的调幅器 下图为采用 MC1496 构成的双边带调幅电路,载波信号 uc ? U cm cos(? c t ) 通过电容 C1、C3 及 R7 加到 相乘器的输入端 8、10 脚,低频信号 u ? (t ) 通过 C2、R3、R4 加到相乘器的输入端 1、4 脚,输出信号可由 C4 和 C5 单端输出或双端输出.

当载波采用大信号输入,即 Ucm>260mA 时,双差分对管在 uc 作用下工作在开关状态,这时调幅电路输 出电压为: u 0 ?

2RC u ? (t ) K 2 (? c t ) RY

式中,K2 为受 uc 控制的双向开关函数。 调节 RP 使载波输出不为 0,则双差分对电路不对称,载波不能相互抵消而产生输出,从而实现调幅。 模拟乘法器 MC1596 组成的同步检波器。被解调信号可以是任一种调幅信号,从集成电路的 1 脚 输入,本地载频信号从 8 脚输入。解调出的原调制信号从 9 脚输出,经外接低通滤波器,即可解调出所 需的信号。

4

图 集成同步检波器 4、集成锁相环路的简介与应用 锁相环路(PLL)由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成的闭合环路。它是利用两个信号之间的相 位误差来控制压控振荡器输出信号的频率, 最终使两个信号之间的相位保持恒定, 从而达到两个信号频 率相等的目的。 利用线性电路集成技术,可以很方便得把锁相环路制成单片形式。他不仅体积小、重量轻,调整使 用方便,而且还能提高锁相环路的标准性、可靠性和多用途性。集成锁相环路的类型较多,其基本原理 是相同的。下面以国产的 KD8041 为例来说明应用。 1.方框图简介 鉴相器为双平衡模拟乘法器,端角 7、12 位信号输入端。对单端信号 C5 为耦合电容,C6 为旁路 电容;C5、C6 均为耦合电容。输入信号的范围为 0.2mV~500mV。10 和 11 为开关信号输入端,通过 外接电容 C3 与压控振荡器输出端 16 相连。8、9 为低通滤波器外接端。一般多采用比例积分滤波器。 内部电阻为 8kΩ ,外接电阻 R3 通常取 100~1 kΩ 。C1 根据需要而定。A1、A2 为放大器,用来放大鉴 相后的信号。6 为鉴相输出。鉴相器也可单独使用。

KD8041 集成锁相环方框图 压控振荡器为射极定时多谐振荡器,其自由振荡频率 f0 的大小由定时电容 CT 和定时电阻 R1 、 R2 决定。通常 f0 反比与 CT 以及 R1 、R2,在 R1 =R2= 1kΩ 时, f0=200/CT(MHZ) 。CT 单位为 PF。 R1 、R2’一般取 500Ω ~3kΩ 。R2’/ R1 减小时跟踪范围变宽。16 为压控振荡器输出端。 A3 为独立放大器,2 为输入端。R6’为偏置电一般可取 50kΩ 。1 为输出端。R5 为射极电阻,一般 可取 1kΩ 。A3 可为压控振荡信号或调频解调信号的放大。 2 .实用电路连接举例 (1)倍频 在 KD8041 的反馈支路插入一个数字分频器/N 就构成锁相倍频器。放大器 A3 是否使用,可根据分 频器开启电平决定,实用电路如图所示。

5

锁相倍频方框图

KD8041 锁相倍频接线图 (2)分频 与锁相倍频相似。在 KD8041 的反馈支路插入一个倍频器,则构成锁相分频电路。外部接线图与图 12-24 相似,只将分频器改用倍频器。 ①调频解调信号 用 KD8041 可以实现调频信号的同步解调,它有较高的解调灵敏度和较好的门限特性。 调整固有振荡频率 f0 使其与输入信号频率 fim 相等。输入信号经限幅器输入锁相环。解调信号经 A3 放大后由 1 输出,如下图(a) (b)所示。当输入信号幅度为 2mV~50mV 时,具有较高的寄生调生 调幅抑制比。若用图(c)所示的形式,门限特性可进一步改善。若 A3 已用于放大压控振荡信号,则 解调信号由 6 输出。

调频信号解调方框图与接线 ②频率搬移 用 KD8041 连接如下图所示,可以方便的实现频率搬移。

KD8041 移频电路方框图
6

参考设计题 1

无线数据传输系统

一、设计任务: 设计并制作无线数据发送和接收电路,如图所示。数据信号经高频调制,以无线电形 式发送出去;接收器接收到信号后,解调出原始信号并存储和显示。信号调制形式不限, 各个发送模块使用的载频相同。
数据存储 和显示 数据发 生器 无线发送电 路 无线接 收电路 通 道 识别 接收 数据

二、要求 1、基本要求 (1)载频:1MHz—50MHz 任选; (2)载频稳定度高于 10-6; (3)发送距离:不小于 10 米(发送功率不大于 10mW 时); (4)数据传输率:发送模块不小于 1kbps; (5)误码率:不大于 10-7; (6)从站使用干电池供电,主站不做要求。 2、发挥部分 (1)增加发送距离(不增加发送功率的前提下) (2)降低发送端功耗,以适应电池供电 (3)其他 三、评分标准 项 目 基 设计与总结报告:方案设计与论证,理论分析与计算, 本 电路图,测试方法与数据,结果分析 要 基本要求实际制作完成情况 求 发 完成第一项 挥 完成第二项 部 完成第四项 分 特色与创新 四、说明: 不得使用现成的无线收发模块 参考设计题2 射频功率放大器

得分 50 50 12 12 16 10

一、任务
(1)设计一个射频功率放大器。 (2)可采用分立元件也可采用相应的射频模块。 (3)功率控制部分可采用连续调整也可采用分档,但必须包含在电路设计中,而不能采
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用在功率输入或输出端加现成的可变衰耗器的方式完成。 (4)上交成果时应包括电源部分。

二、要求
1.基本要求 (1)频率范围:100MHz~1000MHz之间任选一频点。 (2)放大器输出功率:Pmax≥ 1W。 (3)输入信号不变时,输出功率可调,可调范围 ≥ 20dB 。调整方式可以为连续,也可 为分档,当采用分档方式时,必须分为4档以上。 (4)放大器的3dB带宽 ≥5MHz。 (5)放大器的输出特性阻抗:50欧姆(或75欧姆)。 2.发挥部分 (1)设计一个与上述放大器相对应的信号源。 信号源应为VCO形式, 以便于调制信号的加入。 (2)用音频信号对信号源进行频率调制并接入功率放大器后,可通过无线接收或相关仪器 将调制信号还原。

三、说明
考虑到各类高频仪表的功能限制,相关的功能测试既可采用开路方式,也可采用闭路 加衰耗器模拟空间传播方式进行。

四、评分标准
项目
设计与总结报告:方案比较、设计与论证,理论分析与计算,电路图及 基本要求 有关设计文件,测试方法与仪器,测试数据及测试结果分析

得分 50 50 25 20 5

实际完成情况(包括频率,功率,带宽等指标) 信号源完成情况 发挥部分 音频信号的FM调制功能 其它
注:参考资料见 05 年 D 题《单工无线呼叫系统》

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