数字式调频收音机设计

数字式调频收音机设计内容摘要：本文利用数字锁相频率合成技术构成收音机的电调谐部分，完成收音机的调台、选台、搜索与存储等功能。本文着重介绍了SONY公司生产的收音机集成芯片CXA1019S构成的FM调频电路、频率合成器芯片BU2614构成的锁相环电路和MCS-51系列单片机及其外围电路组成的键盘、显示和存储电路。 关键词：调频 本振频率 锁相环 频率合成器 单片机The Design of Digital Frequency Modulation Tuner Abstract: According to the demand of my design, I utilized the digital frequency synthesizing technology to form the electric parts of the frequency modulation tuner. This tuner owns the functions of tuning and selecting channels, searching, storing and so on. In my paper, I emphasized on the FM frequency tuning circuit that consists of the ICs CXA1019S from Sony corp., the phase locking loop circuit formed by BU2614 PLL frequency synthesizer, MCS51 monolithic processor and the other circuits of keyboards, screen and storage. Keyword: Frequency tuning, oscillating frequency by itself, phase locking loop, frequency synthesizer, monolithic processor.第一章 引 言收音机的发展经历了从分立元件到集成化的过程，但作为收音机的重要组成部分调谐电路和本振电路一直采用了传统的电容、电感手动调台方式。近些年来，随着无线电通信技术的迅速发展，锁相环和频率合成技术在各个领域得到了广泛的应用。由于锁相环具有跟踪特性、窄带滤波特性和琐定状态无剩余频差存在。因此在频率合成技术中采用锁相环路可以产生频率度和准确度很高的振荡信号源。现在利用这种振荡信号源产生的频率作为收音机电路的调谐频率和本振频率，则可以实现数字化收音。利用单片机控制锁相环路中的分频数就可以改变振荡信号源的输出频率，以达到调台的目的。本设计的要求主要包括以下几个方面： 1 接收FM信号频率范围88MHZ108MHZ。 2 调制信号频率范围100HZ15000HZ，最大频偏75KHZ。 3 最大不失真输出功率100mW（负载阻抗8）。 4 接收机灵敏度1mW。 5 镜像抑制性能优于20Db。 6 能实现数字化的自动搜台、手动调台、存台和频率显示等功能。第二章 方案设计与论证调频收音机一般包括：天线、前端输入回路、混频、本振、中放、解调、放大和输入等部分，本设计中高放、混频、中放、解调等电路采用SONY公司生产的FM/AM收音机集成芯片CXA1019S；自动调谐、程控搜索、电台载频显示等功能由自动调谐、程控搜索、电台载频显示等功能由锁相频率合成器芯片BU2614、MCS-51系列单片机及相应的外围电路配合完成。采用专用的芯片可以使整个系统体积小、重量轻、可靠性好、灵敏度高、功耗低。2.1 整机电路方案的设计本设计是利用频率合成技术来完成收音机的电调谐，通过BU2614的串行口与单片机通信来改变分频比，用BU2614内部的分频器和鉴频鉴相器，与CXA1019S的本振VCO构成数控锁相环，通过改变分频比来改变接收的频点。选台和频率显示、存台等由单片机AT89C52和MAX7219、93C46芯片配合完成。系统框图如图-1：2.2 各部分电路方案的设计1）、收音单元 目前市场上收音机的集成芯片很多，但为了满足本设计的各项性能要求，我们采用了索尼公司生产的集成芯片CXA1019S，这种芯片运用于便携式收音机及头盔式收音机，具有接收灵敏度高、镜像抑制性能好、外围元件少、输出功率大等优点。FM时VCC=5V，工作电流为5.3mA；在VCC=6伏、RL=8欧姆时，输出功率为500mW。 2）、锁相频率合成单元 FM调频收音机的接收频率范围是88M108MHZ,因此所选用的频率合成器芯片最高频率也必须能达到110MHZ才能满足要求。现在常见的频率合成器芯片有MC145151、MC145157、MC145158等，但它们工作的最高频率只能达到30MHZ，如果要用这些芯片来构成100MHZ左右的锁相频率合成器，则必须配合MC12009、MC12013分频器来完成，由于高频经过的线路越多越容易受到干扰。因此应尽量选用一个芯片来完成锁相频率合成功能，ROHM公司生产的锁相频率合成调谐集成芯片BU2614最高频率可达到130MHZ完全满足要求，另外该芯片内带有高灵敏度RF放大器，支持IF计数功能。3）、显示单元 常用的显示接口电路多数由8155、8279等芯片构成，由于这些芯片与单片机连接时需要占用P0、P2口，另外采用动态扫描方式占用单片机内部系统资源比较大。为了简化单片机的外围电路，我们采用了MAXIM公司的串行8位数字静态显示芯片MAX7219构成一个6位静态显示模块，它只需占用AT89C52的三个口线，即可完成显示功能。4）、键盘电路 由于本设计中使用的按键较多，我们采用了功能键与数字键分开识别的方式，即功能键采用查询方式，数字键采用编码动态扫描方式，这样既可以减少扫描占用的时间，又可以简化程序。5）关机数据存储单元 根据本设计的要求，该机具有掉电后能够保存所存储电台的功能。目前市场上EEPROM类型很多如2764A、2864A等，都是并行EEPROM，体积大且不具有关电保存数据的功能。与并行EEPROM相比，串行EEPROM体积小、价廉、电路连接简单，如串行EEPROM 93C46是电擦除可编程只读存储器，具有在线擦除和改写数据功能，能满足关电保存数据的要求。另外采用串行的形式，能够节省单片机的口资源。6）、程序运行监视单元 为了加强程序运行的可靠行，需要对程序的运行状况进行监视，以防止程序弹飞到一个临时构成的死循环中，导致整个系统完全瘫痪。因此有必要在电路中设置看门狗电路（WATCHDOG电路）监视系统的运行。现在常用的看门狗电路既有硬件构成的WATCHDOG，也有纯软件构成的WATCHDOG，但纯软件的WATCHDOG系统需要设置高级中断子程序占用较多的单片机内部资源，必将影响整机的运行速度。如果采用带有硬件构成的WATCHDOG系统，它的硬件部分完全独立于CPU之外，将大大地提高它的可靠性。7）、电源单元 由于BU2614、CXA1019S以及单片机系统需要5V电源电压，而变容二极管需要9V以上的电压，若采用单电源+5V供电，则必须采用DCDC模块升压得到+12V电压。第三章 硬件系统3.1 接收机电路 采用了本课题提供的CXA1019S芯片及其外围典型应用电路。从天线输入的信号经88MHZ108MHZ带通滤波器滤波送入CXA1019S进行高频放大、混频、中频放大、鉴频处理，解调出音频信号。此电路是在CXA1019S典型应用电路的基础上去掉AM部分，如图-2所示： 图-2由天线将高频信号经BPF滤波器送到CXA1019S芯片的13脚（FM高频输入），在芯片内部进行高频放大，放大后的信号由接在10脚的L1、C6、C5和VD1选频，通过改变变容二极管VD1的反向偏置电压，来改变变容二极管的电容量，以达到频率调谐的目的；接在8脚的L2、C7、C8和VD2组成FM本振选频网络，同样是通过调节变容二极管VD2的反向偏置电压来改变本振频率的；选频后的调频电台信号在芯片内部混频，混频后的10.7MHZ调谐信号在15脚输出，通过R1（330）电阻送到CF（10.7MHZ陶瓷滤波器），经其选频后送到芯片的18脚进行FM中频放大。放大后的FM信号在其内部进行鉴频，鉴频网络接在3脚的DICF两端的陶瓷带通滤波器（10.7MHZ）上，鉴频后的音频信号由24脚输出，经电容E4直接耦合到25脚。通过内部的音频功率放大最后由28脚送出给扬声器。对于音量的控制是通过音量电位器的滑动来控制的，当电位器滑动端改变时，直流电压随之改变，从而达到控制音量的目的。相关的理论计算如下：（1）、波段覆盖系数的计算88MHz108MHz频率,高端频率fmax=108MHz,低端频率为fmin=88MHz,设电容的最大值为Cmax，最小值为Cmin，回路外接电容Cpx于是存在从 有由上式有设Kd为波段覆盖系数则有Kd=Kd= Kd2=1.5得到， 只要1.5就可以达到要求，在结构上该可变电容器是可以实现的。 （2）、 输入调谐回路与本振回路参数选择与计算由所给资料M-235变容二极管在2.68V9.8V偏置电压下电容为6p15p。 本振回路参数计算:变容二极管先与C8串联再与C7并联构成振荡加路的总C(设变容二极管最大值为CVDmax、最小值为Cvdmin)即为：Cmax=C7+ =29.78p、Cmin=C7+ =20.96pKd=1.1 =1.19KdCD永远成立。变容二极管采取部分接入法，这种接法线性度很好。实际应用中，压控振荡特性的线性范围是有限的，超出这个范围之后，控制灵敏度将会下降。在实际应用中我们常取线性，在本电路中考滤实际使用故Uc取2.6v-9.8v段。D、程分频器( N )本设计利用集成芯片BU2614内部的移位寄存器构成分频器，其分频系数N由单片机程序来决定，最后通过单片机与BU2614通讯来实现。BU2614有三个串行通信端口(CE、CK、DATA)，这三个端口与单片机的通讯时序和数据传送格式如图-9： 图-9其中R0、R1、R2位为标准频率位，本设计选择为000即25KHZ；S位为FMIN和AMIN选择开关，0表示FM输入，1表示AM输入，本设计为FM，故S位为0；其余位在BU2614作为频率合成时无关，皆选为0；对于前十六个数据位(D0D15)其传送格式为：分频数N：从D0到D15 （当S=1时，用D4到D15位）本设计选择为S=0，PS=0的格式。 本设计中对锁相环电路而言，其核心元件是BU2614锁相频率合成芯片。它与外围调谐回路和本振回路构成完整的锁相频率合成电路。它是通过单片机为它预置的分频比来调节本振频率的。如果压控振荡器的角频率发生变化，这时输入到鉴相器的电压和输出电压必定会产生相应的相位变化，鉴相器将输出一个与相位误差成比例的误差电压经过环路滤波器取出其中缓慢变化的直流电压，控制压控振荡器输出信号的频率，使锁相环输入与输出信号之间的相位差减小，直到压控振荡器输出信号的频率等于输入信号频率、相位差等于常数，锁相环路进入锁定状态为止。从而完成了收音机接收调谐稳频功能。3.3 显示电路 该部分设计采用了MAX7219串行显示控制芯片，代替常规的非门驱动芯片，如74LS00，大大的简化了显示电路，实现了以最少器件、最小功耗、在最短时间内提高电路的稳定性的要求。MAX7219是串行接口8位数字静态显示芯片，功能齐全，占用系统资源少，只使 图-10用了AT89C52的P3.3、P3.4、P3.5三个口。电路如图-10所示。3.4 键盘电路 对于功能键的设计，我们采用了查询的方式，即将单片机89C52的P1.2P1.7口用作功能键接口，将单片机的P0、P2口都作为I/O口使用，采用P0.6，P0.7与P2.0P2.4构成10个编码动态扫描矩阵键，这10个键既作为数字键09，又作为10个存储电台的台号。另外，还利用P0.0P0.5六个口接六个发光二极管作为六个功能键的工作状态指示。其具体的电路如图-11 所示。 图-113.5 掉电数据存储电路 由于串行EEPROM 93C46具有在线擦写功能，因此本设计用它来存储电台数据，使重新开机时所有存储的电台能被调出。93C46是64*16（1024）位串行存取的电擦除可编程只读存储器，具有在线改写数据和自动擦除功能；无论电源开或关，数据不丢失；其与单片机的连接如图10，主要通过端口CS、SK、DI和DE来进行通信完成。其中CS为片选线，输入高电平有 图-12效。当CS=1时，可对芯片读写。加于CS端信号的下降沿启动片内定时电路开始擦写操作。SK为串行数据输入或输出的外加触发时钟信号输入，输入时钟频率为0250KHZ。DI为串行数据输入端。DE为串行数据输出端，读写操作时，OUT可用作擦写状态指示相当于READY/BUSY信号，其它状态时OUT处于高阻态。BPE接高电平时片擦片写指令有效。3.6 程序运行监视电路 程序运行监视系统又称为看门狗电路（WATCHDOG），其主要作用就是用来防止程序弹飞到一个临时构成的死循环中。WATCHDOG的特性有：（1） 本身能独立工作，基本上不依赖CPU。（2） CPU在一个固定的时间间隔中和该系统打一次交道，以表明系统“目前尚正常”。（3） 当CPU掉入死循环后，能及时发觉并使系统复位。 本设计采用记数型WATCHDOG电路，其电路图如图-13。WATCHDOG的硬件部分为一独立于CPU之外的单稳部件，使用自带脉冲源的计数器构成。将555接成一个多谐振荡器，周期为t0,将CD4017接成十进制计数器，当第十个脉冲是QA 端变为高电平。单片机用一条输出端口（P3.6）输出清零脉冲，只要每次清零脉 图-13冲的时间间隔短于十个脉冲周期，计数器就总也得不到十，QA端保持低电平。当CPU受干扰而掉入死循环时，就不能送出复位脉冲了，计数器很快记数到十， QA立即变为高电平，输出一个正脉冲使CPU复位。在这里系统的复位信号有三个：上电复位（C1、R1），人工复位（K、R2、R1）和WATCHDOG复位（P3.6），通过综合门后加到RESET端。3.7 电源部分选用了Linear公司的DC DC专用芯片LT1930，并对典型电加以改进，使之能够输出+12V。电路见图-14。 图-143.8 单片机部分单片机系统是收音机的核心控制部分，其任务是从键盘读取控制指令，输出相应的串行数据控制频率合成器的分频比，进而通过锁相环对调谐回路和本振回路的频率进行调整和控制，实现程控搜索、电台存储、调出电台序号、显示载频以及显示收音机的状态信息。其框图如图-15所示：对于电台的存储，一般采用静态存储器RAM来存储信息，但是RAM在断电后会丢失数据，为此我们采用具有在线读写、断电保存功能的93C46芯片来完成存储功能。由于该收音机的接收频率为88MHz 108MHz 图-15之间，以25KHz为步长，共需测量800个频点，考虑到本地区实际情况，本系统的存储台数设置为10个。第四章 软件系统4.1 主程序本设计功能键采用查询方式，数字键采用动态扫描方式。在收音机开机后，首先把上次关机时的电台调出来，并把上次关机前的各个台号存储的电台频率数据还原。然后开始动态扫描各个数字键，判断是否直接调用已存好的电台。如果有数字键按下，则调用已存在该键下的电台，并显示该电台频率。如果没有数字键按下则转入判断功能键。当有功能键按下时，则执行相应的功能。若没有功能键按下，则存储当前电台数据后再返回继续进行循环扫描。主程序流程图如图-16所示4.2 功能键查询程序 根据设计要求，安排了六个功能键：全频搜索键、继续搜索键、指定频率范围搜索键、向上步进键、向下步进和存储键。当程序执行到功能键查询时，如果有键按下则转入各个功能键。全频搜索执行后，收音机将从88MHZ开始以25KHZ为步进向上搜索，如果没有锁台信号，则收音机将一直搜索到108MHZ才跳出。当有锁台信号时，将停留在该台上。继续搜索程序是从当前频率开始以，向上开始搜索，如果没有锁台信号，则收音机将一直搜索到108MHZ才跳出。当有锁台信号时，将停留在该台上。指定频率范围搜索程序是当按下该键后，数码管自动显示“LP ”提示输入频率范围的最小值，输完数值后，按下确定键，此时将显示“HP ”提示输入频率范围的最大值，输完数值后，按下确定键，则自动地从输入最小频率点开始，以25KHz为步进进行搜索，当搜索到电台后自动转入收音状态。若输入的频率值不在本机所覆盖的频段88MHz 108MHz内或输入的最大值小于输入的最小值，则显示“OP ” 提示输入错误。向上步进、向下步进程序是以25KHZ为步进进行的手动搜索。存台程序是按下该键后调用动态扫描键程序，然后按下数字键得到键号，将相应的频率存入相应的存储单元。这部分的程序流程图见附图1。4.3 掉电数据存储程序 这部分主要包括：（1）每次开机时将93C46中存储的数据读到相应的位置。（2）每运行一次主程序中的循环扫描和功能查询后，将当前值和存台数据写入93C46芯片中。这两部分程序分别如下：（1）、从93C46中读取数据的程序LCALL INSB ;读取上一次关机前的数值 MOV A,#80H ORL A,#80H LCALL WRI ;调写指令 NOP NOP LCALL RDI ;读写31H中的数据 MOV 31H,A LCALL RDI MOV 2FH,A ;读写2FH中的数据 SETB P3.2 NOP MOV R0,#0AH MOV R1,#4AH MOV R2,#82H QUSHU: LCALL CUNTAI ;将0-9十个键中存台数据还原 INC R2 INC R2 DJNZ R0,QUSHU （2）、将数据写入93C46中 LCALL INSB ;写允许 MOV A,#30H LCALL WRI LCALL INSB ;写操作 MOV A,#40H ORL A,#40H LCALL WRI ;调擦写指令 MOV A,31H LCALL WRI ;将数据写入到31H中 MOV A,2FH LCALL WRI ;将数据写入到2FH中 SETB P3.2 NOP NOP CLR P3.2 WAIT1:JNB P2.7,WAIT1 MOV R0,#0AH MOV R1,#4AH MOV R2,#42H XIERU:LCALL BAOHU ;将0-9十个电台数据写入相应的存储单元 INC R2 INC R2 DJNZ R0,XIERU LCALL INSB MOV A,#00H ;写禁止 LCALL WRI SETB P3.2 4.4 程序运行监视部分看门狗电路主要是每隔一段时间（小于10个脉冲间隔）需要单片机P3.6输出一个脉冲使计数器CD4017复位，这样CD4017的QA端变不了高电平，表明单片机正常工作。其程序如下：WATCHDOG:CLR P3.6 ;复位WATCHDOG LCALL DELAY10 ;调用延时 SETB P3.6 ;允许WATCHDOG开始工作 LCALL DELAY10 JNB P3.6,WATCHDOG ;等待查询 RET第五章 测试方法及数据5.1 测试所用仪器 Panasonic FM/AM V-P8177A10信号发生器HP54520A，500M数字有储示波器DF93094-Y2数字万用表,DF1647信号发生器。5.2 整机指标测试A 最大不失真功率试，测试框图如图调频信号源输出载频分别为88、96、102、108MHz，调制频率为100Hz，1KHz，1.5KHz，输入电平为2mV的调频信号加至BPF带通滤波器。接收机分别调谐在，88MHz、96MHz、102MHz、108MHz点上改变音量电位器，使负载（8欧）两端电压波形失真为最小，记下R2两端电压U0，按下P=U2 /R，计算最大不失真功率。数据如下表所示F/MHzFaudio /Hz最大不失真输出电压（V） 最大不失真输出功率（mW）88MHz100Hz1000Hz1500Hz0.911.121.38 103.5156.8238.1 96MHz100Hz1000Hz15000Hz1.101.291.42151.3208.0252.1 102MHZ100Hz1000Hz15000Hz1.181.341.50174.1224.5281.0 108MHZ100Hz1000Hz15000Hz1.211.371.52183.0234.6288.8B、灵敏度测试，方法与最大不失真功率测试类似，调节音量电位器使接收机输出功率为100mW，减小信号源输出幅度，使输出波形恰出不失真，此时调频信号源输出电压即为灵敏度，数据下表所所示：频率（MHz）8896102108输出功率（mW）100100100100信号源输出电压（mV）0.410.390.360.21C、镜象抑制比测试框图如示：调频信号源接收机中放输出电 压 先测信号源输出录敏度电平，无调制信号时中频输出电压，改变频率为各频点对应的镜像频率，调节信号发生器的输出电平使中放输出电压增大到原来的标准测前后两次调频信号源输出电压比值用DB表示即为镜像抑制比。数据如下表所示：载波频率（MHZ）8896102108镜像抑制比DB353942435.3 功能测试 可实现全频段范围搜索,选择存储电台.可实现在特点范围搜索选择存储电台.可实现调用已存储的任意电台.有载波显示功能.第六章 电路制作本设计将系统分别制作在三块印刷板上：按键显示板、单片机系统板和收音机板。每个功能板上包含了各个功能块的组成元件及相应的附属器件。其制作要求和规则依据下面几条：6.1 印刷电路板上元器件布局的原则印刷电路板上元器件布局的好坏，直接影响到整机的性能，考虑的基本原则是： （1） 在一般情况下，所有元器件应尽量布置在基本不焊接的一面，以便于安装、焊接、调试和维修。（2） 收音机板上的元器件应尽量按电路顺序排列，并力求电路安排紧凑、密集，以缩短引线，这一点对高频电路尤为重要。（3） 排列元器件的间距，应考虑它们之间可能存在的电位梯度，以防止飞弧和打火。在保证性能的情况下，元器件的布局应当平行或垂直，以求整齐、美观。（4） 应尽量将一块完整的电路安装在一块电路板上。如果电路复杂或有屏蔽等要求，需要将电路分成几块印刷电路板安装时，则应使每个完整的有独立功能的电路安置于同一块板面上。6.2 元器件的安装技术要求 元件在印刷板上的分布应尽量均匀，疏密一致，不允许斜排，立体交叉和重叠排列，元器件外壳和引线要保证1mm左右的安全间隙。元器件的引脚直径与印刷电路板焊孔径应有0.20.4mm的合理间隙，不可太大。6.3 印刷电路板的布线原则（1） 将公共地线布置在印刷电路板的边缘，地线至边缘留有适当的距离，除了引线的一边外，其余几边通常都布有地线。紧靠地线布置电源线及相应的滤波电路，这样可以减少电源线耦合引起的干扰，并有利于接地。各单元的地线一般应自成回路，而又有公共的接地点，这样可以避免地电流引起的级间干扰。另外，地线一般不制成封闭的环行，以免形成一个线圈在磁场作用下产生电磁干扰。 （2） 要电路通常按单元布置在印刷电路板上。各功能部分尽可能独立，引线尽量短而直，输入与输出引线隔开，并尽可能远离。单片机的控制线一般平行分组排列，尽可能做到平直、整齐和美观。（3） 要经常测试的地方，应设置一些单独的测试点，以便调试和维修。 第七章 测试结果分析改进措施 由于条件所限(缺少场强仪等仪器)我们所用的测试方法不是很完善,但测试结果从一定程度上反映了我们所设计的FM调频收音机的功能,各频点的灵敏度不同,我们分析可能是由于输入带通滤波器对不同频率信号衰减的灵敏度不同，接收机镜像抑制比高，我们分析认为天线输端的带通滤波器起了很大的作用。从本调频收音机所采用的器件来实现的功能上看，还有可以改进和完善的地方，如显示采用LCD液晶显示可提供汉字信息、增加时间显示，功能键采用复合键以减少按键的数量，从整机供电，携带方便等角度考虑，整机应采用更低的电源供电。总的来看，本设计的接收性能达到了要求，有的已远超题目的要求，控制功能基本完善。 结 束 语通过该课题的毕业设计，使我基本掌握了锁相频率