基于FM模块的数字调谐收音机设计.doc

基于FM模块的数字调谐收音机设计 一、 设计目的（1） 掌握数字调谐收音机的组成原理与设计方法。（2） 掌握FM模块（KT0913）的性能与使用方法。（3） 设计一个用单片机控制并显示调谐频率的简易数字调谐收音机，自己实际控制电路及软件的设计与调试，写出实验报告。二、 设计任务与要求（1） FM接受频率范围：88108MHz。（2） 设计硬件控制电路和单片机控制程序，完成对FM收音机模块的控制。（3） 具有点头自动搜索功能，能够控制电台搜索方向，搜索到电台信号后即可收听电台播音。（4） 具有电台频率显示和电台存储功能，至少可存储5个电台。（5） 给出详细的电路原理图，程序流程图和主要代码。三、 调频收音机原理与FM模块介绍（1） 调频收音机系统框图及原理说明图2.2.1.1调频接收系统框图（超外差式）如上图所示，调频广播系统中广泛采用超外差式接收和解调电路，下面简述其各个部分原理：接收天线接收自由空间的电磁波，并将其转换为高频信号。调谐回路一般包括电台选择电路，实现电台选择和阻抗匹配的作用。调谐回路后一般还有高频放大电路，将接收天线得到的微弱信号放大，并送入混频电路。本机振荡电路：通常为LC正弦波发生电路，给混频器送出一个等幅的高频振荡信号进行差频，本机振荡的频率一般比从天线回路中选出的高频信号高出或低出一个中频值。混频电路：之所以采用所谓超外差调频接收，就是因为传统高放式收音机虽然比直接检波式收音机灵敏度高、功率大，但是选择性还较差，调谐也比较复杂。把从天线接收到的高频信号放大几百甚至几万倍，一般要有几级的高频放大，每一级电路都有一个谐振回路，当被接收的频率改变时，谐振电路都要重新调整，而且每次调整后的选择性和通带很难保证完全一样，为了克服这些缺点，现在的收音机几乎都采用超外差式电路；超外差接收，即将本机振荡电路送出的高频信号和由高频放大器送来的已调高频信号进行差频，产生一已调中频信号，但信号的调制规律保持不变。混频的目的是将不同电台的已调高频信号的载频差拍至一个固定的中频频率，但仍保持信号的调制特征。由于中频固定，且频率比高频已调信号低，中放的增益可以做得较大，工作也比较稳定，通频带特性也可做得比较理想，这样可以使检波器获得足够大的信号，从而使整机输出音质较好的音频信号。频率检波（鉴频）：如2.1.2所述，即对中放输出信号进行解调。音频放大电路：电压放大和功率放大电路。放大解调信号并驱动扬声器。AGC(自动增益控制)：自动控制中放，高放的增益，使其随接收电台信号的增强而减小，随接收电台信号的减弱而增强。另外，为了消除空中电磁噪声的干扰，在鉴频之前，一般采用限幅器对噪声信号进行抑制，之后再送入检波器节解调需要的音频信号。对于解调出的低频信号一般经过预加重，要接入去加重网络电路，还原才能得到调制信号。（2） 基于KT0913的FM模块简介KT0913为最新的高集成度数字AMFM接收芯片，它不仅具有前面介绍两种芯片的高集成度，内部集成解调，立体声解码，ADDA转换，数字信号处理，系统PLL频率合成等功能，而且具有更好的接受性能和指标，能实现多种控制，下面简单介绍该芯片。1）KT0913芯片介绍和特性KT0913为一款集成数字AMFM收音芯片，提供全频段AMFM接收，工作电流小，需极少的外围器件即可组成数字收音机，芯片自身支持直接频率和音量调节，无需其他电路。支持32.768KHz26MHz参考频率，另外可利用MCU提高参考频率。提供接收高品质收音效果。可应用与固定或便携收音机，校园收音，汽车音响，玩具，礼物等。特性：a.全频带频率接受范围：AM:500k-1710K;FM:32M-110Mb.高灵敏度：AM：16uVEMF FM:1.6uVEMFc.高保真：SNR：（FM/AM）:60dB/55dBd.低工作电流：22mA 待机电流15uAe.自动天线调整，可调AM频道过滤；AFC;AGC；快速调谐，搜台；集成立体声耳机驱动f.支持传统按键和按钮调整频率和音量g.待机模式存储电台和音量h.SSOP16L封装2）KT0913控制功能简述AMFM全频段接收；软件和硬件待机操作；软件和硬件静音操作；立体声和单声道自动调整；低音加强功能；AM接收带宽调整；调台，搜台，自定义用户频段；按键和旋钮模式调整音量和电台；IIC总线控制。内部集成寄存器可读写内容丰富，可控量多：包括AMFM选择，校园频段选择，晶振标志位，搜索或调台完成标志位，立体声标志位，接收信号强度，SNR，软件静音门限及标志位等。3）KT0913数控收音机的设计KT0913内部集成功能强大，在实际组成调频收音机时外围只需设计简单的天线电路，电源转换，滤波电路即可构成完整的收音机，配合单片机控制系统的设计，可组成完全符合设计要求的系统。具体的设计将在第四部分中详细讨论。四、 调频收音机系统与硬件电路1.数字调频接收示教系统框图单片机KT0913收音芯片外接电源（5V）键盘驱动耳机稳压电路（5V3.3V）LCD液晶显示天线接收电路IC总线复位EPROM下载线路 数字调频接收示教系统框图如前所述，天线回路接收FMAM信号并送入KT0913集成收音芯片，芯片内集成调频接收，压控振荡器，系统PLL锁相环，ADDA单元，数字信号处理单元，立体声解码功能，完成接收信号到解调出信号驱动负载的收音全过程，并可直接驱动耳机；控制电路为单片机，键盘电路，LCD显示接受电台频率，音量，信号强度等信息；单片机与收音IC通过IIC总线通信，完成控制和读取；24c02作为外部存储器，用于存储电台，连接方式也是IIC总线；系统由外接5V直流电压供电，电源转换电路将电压转换为3.3V供电芯片。下面详细论述各个部分电路设计。2.数字调频接收示教系统各部分电路设计（1）集成数字收音芯片KT0913详细介绍及电路设计本节将详细介绍KT0913收音芯片引脚定义，内部结构和主要功能，参数和典型电路的设计。1）引脚定义引脚定义引脚定义1频道调整9芯片使能2数字接地10AM天线负输入3右声道输出11AM天线正输入4左声道输出12FM天线输入5模拟接地13射频接地6电源14IIC总线时钟7晶体参考频率输入15IIC总线数据8晶体输出16音量调整 图4.2.1.1.1 KT0913引脚定义2）KT0913内部结构图4.2.1.1.2 KT0913内部结构如上图，KT0913内部集成调频接收，AGC，压控振荡器，系统PLL锁相环，ADDA单元，数字信号处理单元，立体声解码，耳机驱动，控制寄存器。完成AM,FM信号接收，解调，驱动耳机全过程，控制系统功能强大。3）KT0913主要参数、特性A 高灵敏度：AM：16uVEMF FM:1.6uVEMFB 高保真：SNR：（FM/AM）:60dB/55dBC 低工作电流：22mA 待机电流15uAD 自动天线调整，可调AM频道过滤；AFC;AGC；快速调谐，搜台；集成立体声耳机驱动E 支持传统按键和按钮调整频率和音量F 待机模式存储电台和音量G SSOP16L封装H 全频带频率接收范围：AM:500k-1710K;FM:32M-110M4)KT0913主要功能介绍A AM接收频道滤波器调整，步进频率调整，带宽调整B校园频段支持（32M64M）C软件和硬件待机模式D晶振和参考频率选择，可用MCU或锁相环提供参考频率E硬件和软件静音功能，设定软件静音信号强度，音量实现静音F低音加强G高质量集成DAC、高保真度音频滤波器，耳机驱动H多控制方式，总线，按键，旋钮I可编程频段选择关于KT0913的控制寄存器表及其功能定义由于篇幅过大，这里不再给出，软件设计章节将结合程序论述控制寄存器的读写方法。5）基于KT0913的收音机电路设计 KT0913外围添加晶振，接电源，接地，电源滤波电路，可直接构成收音机，如下图：图4.2.1.2.1 KT0913收音机外围电路设计如上图，本图并没给出芯片的天线接收回路，SDA，SCL为IIC总线，与单片机连接。晶振采用32.768KHz。电源部分两电容为滤波电容。输出电容实际用的是220uF,而不是图示的560uF，计算如下：FM音频信号的频率范围为20Hz15KHz，负载电阻记为32欧姆，由高通滤波器公式有： C计算值为240uF左右，最终采用220uF。（2）接收天线电路设计KT0913接收天线电路如图，RFINP接入FM芯片天线接收端，AMINP，AMINN分别接入AM正负天线接收端。L2起到通低频短波信号，阻高频FM信号的作用，其阻抗值可由下式表示： 对于短波信号，频率较FM低，可通过L2，进入AM接收端：接收SW(短波信号)时，单片机将GPIO置1，令二极管D1导通，短波信号进入AM接收端；接收MW（中波信号）时，将GPIO置零，二极管D1截止，磁棒接收MW信号。（3） 电源转换电路由于系统整体由外接5V电源供电，芯片供电电压为3.3V，故需电源转换电路为芯片供电，本设计采用lm1117-3.3芯片进行电压转换，电路设计如下：电压转换电路如上图，Vin端输入5V直流电压，输入端接入10uF旁路电容；输出端电容用于保证电压转换稳定性和瞬态响应。转换电路输出3.3V电压供电收音芯片。输出L3，L5为磁珠，用于隔离数字电路与模拟电路，消除互相之间的干扰。（4）单片机控制系统设计本设计C8051F314单片机与其他模块的连接分配如下：P1.0P1.5用于连接键盘，两列四行键盘扫描电路，实现八个功能；P0.4P0.6分别连接IIC总线的时钟和数据线以及GPIO；P2.0P2.7与LCD12864液晶显示模块的数据线DB0DB7连接，P3.1-P3.4连接液晶模块的相关控制信号。1）显示方案LCD12864简介LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多。显示模块引脚管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7DB0为显示指令数据5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的数据被写到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式（见注释1）16NC-空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效（见注释2