调频收音机论文.doc

调频收音机的设计 (浙江大学继续教育学院 电气工程及其自动化专业 07秋 )摘要:调频收音机本次所设计的题目是调频收音机的设计。调频收音机（FM Radio）一直在人们的生活娱乐中占有非常重要的地位。从老式的晶体管收音机到今天的网络收音机,说明通过广播享受生活一直是人们喜欢的生活方式。如今,随着消费类电子的兴起和繁荣以及数字电子的发展,广大从事消费类电子设计的厂商都不忘在诸如MP3、智能手机、便携式Video播放器等产品中嵌入FM部分。传统的调频解决方案存在电路体积大、调谐不方便、稳定性欠佳等弊端。为了解决上述问题,众多半导体公司纷纷寻求调频接收机的ASIC解决途径。本文介绍了调频收音机的设计与实现。其解决了传统的调频方案中体积大、调谐不方便、稳定性不好等这些缺点。在本文中主要介绍了该设计的硬件电路、软件设计流程、系统测试。数字调频立体声收音机的MCU采用AT89C52单片机1,单片机是本系统的核心器件。本设计利用BU2614实现的锁相环频率合成器与单片机AT89C52接口,实现88MHz 108MHz调频广播的接收。本设计通过按键调节频率,用DS12C887时钟芯片实时显示时间,并可通过按键修改时间。关键词:单片机技术；CXA1019S芯片；DS12C887时钟芯片引言作为收音机重要组成部分的调谐电路和本振电路一直采用传统的电容,电感手动调台方式。近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性、窄带滤波特性和锁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准确度很高的振荡信号源。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可以实现数字化收音。利用单片机控制锁相环路中的分频就可以改变振荡信号员的输出频率,以达到调台的目的。一方案论证和比较1.调谐方案的选择由于已经指定使用CXA1019S和BU2614,并已经给出了典型连接的方法。本机直接选用该方案，方案原理如图：采用PLL频率合成器产生本振.输入回路把接收到的信号送入混频器2,和PLL产生的本振信号混频,经中放调谐放大后送到鉴频器鉴频,然后把解调后的信号经音频功放推动扬声器.2.控制系统的选择：(1)使用数字电路，逻辑门配合键盘和拨码开关来手动调节本振频率。此方案可能实现，但是使用的逻辑门数量巨大，且不具有自动搜索台等较复杂的功能。(2)使用单片机作为控制器来控制锁相环产生本振信号，而且键盘电路，LCD等可以方便的和单片机接口3。该方案利用单片机的强大功能可以完成控制部分的要求。我们选用此方案。系统总原理框图如下：二原理分析和理论计算：1.调频信号的分析：（1）调频信号的一般表达式为： Ufm (t) = U cos (t) 式中U 是FM波的振幅，(t) 是FM信号的瞬时相位； 且(t) c t + Kf U(t)dt 其中 c FM波的中心角频率，即载波频率 Kf FM波的调频灵敏度 U(t) 调制信号（2）调频信号的带宽： B 2 ( m + 1 ) F 其中 m 是调频指数 ， F 是调制信号的频率（3）调频信号的解调：调频信号的解调就是利用鉴频器从调频波Ufm (t)中恢复出原调制信号U(t)的过程。鉴频器的类型和种类很多，有振幅鉴频器，相位鉴频器，比例鉴频器，正交鉴频器。SONY的CXA1019S则采用正交鉴频的方法，所谓正交鉴频即将输入FM信号经移相网络后生成与原FM信号正交的参考信号电压，它与输入FM信号电压同时加入乘法器，乘法器输出再经过低通滤波器滤波后，便可还原原调制信号。（4）调频制中的噪声门限效应：实际上，信道内存在噪声和干扰是不可避免的，它们在经过前级带通滤波器后，与有用信号一起加至解调器，这使解调器输出端除了有用的FM信号外，必然伴随有干扰和噪声。这将影响信号传输的质量，在严重的情况下，有用信号甚至完全淹没在噪声中，而无法进行调频信号的接收4。这个一定的数值的输入信噪比，就是所谓门限值。当输入Si /Ni低于这个门限值时所发生的现象叫做调频信号解调时的门限效应。2.超外差收音机基本工作原理及其优点：超外差收音机的基本工作原理是：天线接收到的电台信号，经过输入回路调谐后送变频器的输入端，与本机振荡器产生的信号进行混频，产生一个新的频率，即中频信号，此信号经过中频信号放大器和鉴频器解调输出。优点：1：由于电台信号经混频后变成频率较低的中频信号，该信号容易得到比较大的放大量，而且任何电台的信号都能得到相等得放大量，因此灵敏度可以做得很高。2：由于采用差频作用，外来信号必须和本机振荡信号相差为预定得差频才能进入电路，再加上选频回路和中频放大谐振回路，因此混入收音机得干扰信号会被抑制，从而提高了选择性4。3超外差收音机的干扰：本题采用超外差式FM收音机,这种方式能使收音机的性能得到改善,但同时混频器又会给收音机带来干扰问题。理想情况下,混频器的输出只有输入信号Fc与本地振荡的频率Fl混出的中频分量Fc-Fl或Fl-Fc,而实际中还有其它的许多频率分量也会经混频器输出,这就有可能产生下面的干扰:(1).信号与本振的自身组合干扰.当采用本振频率f l 高于信号频率f c时，即f l f cf i时有公式: (p,q是非负整数)当Fc/Fl(或者说变频比)一定时,并能找到合适的p,q就会形成干扰,而阶数越小,干扰越严重(p+q1).在接收频带一定的情况下,提高中频可以减小这种干扰的数目和阶数.(2).外来干扰与本振的组合干扰.这种干扰是由混频器的非线性而形成的假中频. 如果干扰频率Fj 满足上式,就能形成干扰.式中, Fl由接收的信号频率决定,用代入上式,可得 这一类干扰主要有中频干扰,镜像干扰及其它副波道干扰.中频干扰是一阶干扰，但因10.7MHZ难通过本电路的前端电路，因此其影响可忽略不计。影响本设计的主要是镜像干扰.镜像干扰是二阶干扰。对于FlFc 的电路,当外来干扰频率Fj= Fl+Fi时,Uj与Ul 共同作用在混频器的输入端,也会产生差频Fj-Fl=Fi,从而会在接收机输出端听到干扰电台的声音.同理，对于Fl88MHz其它工作频率上的镜像干扰。5PLL频率合成方式 锁相环（PLL）是一个相位跟踪系统，它包括三个基本部件： 鉴相器（PD），环路滤波器（LF），压控振荡器（VCO）；有时还包括前置分频器。其原理方框图如图：当环路锁定时，输入信号的频率等于反馈信号的频率，即Fr=Fn,而反馈信号是VCO输出信号经过N分频后的信号，即Fo=N*Fn, 所以得到: Fo=N*Fr.为达到要求的显示载波频率误差小于等于5KHz,本机选取频率步进为5KHz.使用PLL频率合成器产生本振的方案使本振频率容易在单片机控制下实现频率步进扫描.预置电台,存储电台等多种功能.基于PLL频率合成器的方案有诸多优点7.三硬件系统的实现：1.FM解调电路CXA1019S是一片专门为AM/FM收音机设计的集成电路芯片。它提供了从射频放大，混频，中频放大，正交鉴频到音频功放输出的全部功能，所需的外围元件较少。我们选用其FM收音的典型电路，如图：FM信号经过BPF后从13管脚进入。第10管脚接出的是一个中心频率可变的谐振网络，它对由用户设定所要接收的信号频率进行谐振。中心频率由加在变容二极管两端的电压控制，而控制电压又取自于PLL电路中环路滤波器滤出的直流电压。而第8管脚接本振回路，它接出的谐振网络是对本振频率，即接收的信号频率加上中频频率起谐振，控制电压依旧是PLL电路中环路滤波器滤出的直流电压。调节电路时将这部分电路调整好至关重要。接收信号和本振信号在内部混频后差出了10.7MHz的中频信号由15管脚送出，送到10.7MHz的陶瓷滤波器的输入端，经过陶瓷滤波器后，滤去了除10.7MHz中频信号以外的其他频率分量的信号，这时10.7MHz的中频信号再从18管脚送入CXA1019S。第3管脚接出的是一个10.7MHz的陶瓷谐振器，它对10.7MHz中频信号起90相移的作用。正交鉴频后经过音频信号放大，功率放大后输出。 在具体制作过程中，我们发现如果直接使用给出的电路图，输出功率不能达到100mW,我们将第28管脚到音箱之间接的10uF的电解电容换成了220uF的电解电容，使输出最大功率超过了100mW,达到了要求。2锁相环电路锁相频率合成技术是本机的关键技术之一.BU2614是FM频段的锁相频率合成器，它内含高速前置分频器，可以对频率高达130MHz的VCO进行分频，且具低功耗，多种参考频率的选择，锁定检测等功能。本机中频为10.7MHz,选取高本振，利用BU2614提供98.7118.7MHz的本振信号8。其电路连接图如下：CE, CLK,DATA端前端接上的1K电阻和1000pF电容起了低通滤波的作用，AT89C52给锁相环送控制字时脉冲宽度是微秒级的，所以要被滤除，在实际电路中我们将3个1000pF的电容断路。PDout输出经过一个低通滤波器后再经过一个放大电路输出控制电压。由2SC2412构成的放大电路实际上起了拓宽电压范围的作用。BU2614的PDout端在输入频率大于内部参考频率时，它输出脉冲电压，脉冲电压经过低通滤波，放大后得到了控制电压再控制VCO减小振荡频率，最后形成锁定。而再输入频率小于其内部参考频率时，它输出的是低电平，经过分析，PDout在输出低电平后，使2SC2412工作到了截止区，使工作电压成为控制电压加入到VCO上，使VCO输出了最高频率，最高频率反馈到BU2614后又成为了输入频率大于参考频率的情况，最终达到锁定9。3电源部分 本机可采用稳压电源供电，也可直接在电源板上接两节5号电池供电。我们采用MAXIM公司的DC-DC变换芯片MAX731来得到+5V电压。它是PWM工作模式,工作的开关频率为170KHz，效率达87%，最大功率可达1W。采用MAX743得到+12电压，MAX743也是PWM工作方式，开关频率200KHz,最大输出电流可达125mA。为了屏蔽其辐射采用金属盒封装,并在输出端加上一个低通滤波器. 用穿芯电容与外围连接.有效的防止了它们工作时产生的大量谐波的干扰10。4. 前端带通网络器件清单中所提供的BPF经过BT3GII扫频仪测试时，发现它的频率特性如下图：根据混频原理，设X1=A1cos1t X 2= A 2cos2 t其中X 1为本振信号，X 2为输入信号，则混频输入为Y = A 1cos1 tA2 cos2t=0.5 A 1 A 2 cos(1+2)t+cos(1-2)t从上式可看出每一个带内频点都对应有一个镜像频率，该镜像频率进入混频器与本振混频产生的中频与接收频率产生的中频相等，造成很强的镜像干扰，影响整机的镜像抑制比。为了满足要求的镜像抑制比20dB 的要求，我们加入一个带通网络，它由具有稳定增益,并有较低的噪声的双栅场效应管BF982和带通滤波器组成的9。如图,天线接收到的信号经过电容耦合至BF982的栅极。调节R1,R2的阻值可以调节电路的增益。BF982后接双调谐带通滤波器。在实际制作中我们将滤波器的通频带调节在88MHz 108MHz。5. 电台检测电路：CXA1019S有一个DETOUT管脚，它是可以作为收到电台检测的管脚。实际制作过程中经过测试，如果收到FM信号，DETOUT端的直流电压在1.35V左右。依据这个电压值，我们在DETOUT端引出另一路先接一射随器后进行AD采用，在程序中进行均值滤波后和1.35V进行比较来完成电台检测的功能。6单片机：我们采用了ATMEL公司的AT89C52。它具有8K EEPROM数据存储区，256字节的RAM单元，与MCS51兼容的内核，使用比较方便。7显示模块：显示部分是采用了字符型液晶显示模块：DCM162A，和数码管相比有以下优点：功耗低，可显示复杂字符等。8键盘电路：键盘电路采用了FairChild公司的专用键盘扫描芯片MM74C923组成4*4键盘。MM74C923具有功耗低，自动扫描键盘，直接输出键值等优点。大大简化了程序的设计。9看门狗和电源检测电路： 为提高系统工作的可靠性，防止程序跑飞，特设此电路。本电路的核心器件是MAX813。在程序中定期向WDI输入脉冲，当WDI有1.6s没有收到脉冲，WDO跳变低电平，产生中断信号，将执行跳转到程序头的指令。有效的防止了单片机因为干扰而跑飞的现象。我们又用MAX813中的一个电压比较器做了一个电源检测电路。但1.5V的电池电压下降到1.25V以下时，MAX813的电源检测端输出低电平，被AT89C52检测到后在液晶上提示电压不足的信息。10时钟电路：本机采用实时时钟芯片DS12C887显示时间，并用其内部NV SRAM做掉电保存电台之用，根据实际情况，我们设置储存电台的数目是30个。其电路连接如下：四软件系统采用汇编语言并以结构化的方式编写，整个程序流程图如下： 系统的工作界面如下图所示： 按下“”和“”可调节频率，“8”和“9”上下选择频道。 系统的菜单界面如下图：按“”和“”键可选择菜单项，菜单项共九项： 1.Enter Freq 直接键入接收频率 2.Global Search 全波段搜索,存储收到的电台3.Special Search 特定频段搜索,存储收到的电台4.Enter Channel 选择频道5.Save Channel 将当前电台储存6.Display Calendar 显示完整的日历（日期，星期，时间）7.Edit Calendar 修改日历8.Choose Step 步进选择 （5，10，15, ,200KHz）9.System Reset 系统重置（清除储存内容，时钟复位）五测试方法和结果1.测试所用仪器：HH1713双路直流稳压电源，DT9202A 数字万用表，BT- 3GII频率特性测试仪HP54645D 100MHz Mixed Signal Oscilloscope，HP8648A 100KHz1GHz Signal Generator,8欧姆负载电阻2测试方法和数据： 由于88MHz108MHz是调频广播波段，试验不是在屏蔽室进行的，所以在测试中，收音机随时都有可能接收到其中信号，只有选择当时频率较弱的信号的频率用信号源模拟输入进行测试，我们选择95MHz为测试点，试验现场空间中的95MHz的信号经过验证极其微弱，可以忽略。（1）接收频率范围和接收正常FM信号测试： 打开收音机，直接设定本地FM电台频率接收FM广播，能够正常接收。用HP6848A产生88MHz,95MHz,108MHz的FM信号，能够正常接收。（2）最大不失真功率： 在测试时，避免受外来信号的影响而产生误差。用信号源产生载波是95MHz，调制信号1KHz 最大频偏75KHz的FM信号送入收音机的接收端，用示波器观察音箱两端的输出波形，加大音量达到波形有失真时，由8欧姆负载计算功率。最大不失真功率为：P=213mW（3）灵敏度： 根据国家标准,测试灵敏度必须在无外界电磁场干扰的屏蔽室内进行,利用环形天线,通过仪器设备测量.由于条件所限,无法采用此方法.由此我们采用在要求的输出功率和输出信号不失真的条件下,测试最小的输入信号.我们用HP8648A作信号源，接至收音机的天线处,由大小逐渐减小输入调频波的幅度,直至接收机输出信号的明显失真。 测得： 95MHz时， 灵敏度为 m = 500uV（4）镜像抑制比： 首先将PLL锁定在88MHz, 108MHz和95MHz ，进行输入回路这三个频点统调。再将收音机和信号源调到和灵敏度相同的情况，然后将镜像频率加入，调节信号源的输出，使收音机的输出功率和原输出功率相同。镜像抑制比是两个信号源输出电压的比值，用dB表示。 测得： 95MHz时，镜像抑制比：20dB（5）自动搜索功能测试： 由HP8648A产生载频为95MHz,调制信号频率为1KHz,频偏为75KHz，幅度为100mV的FM信号,将HP6848A的探头缠绕在收音机的天线上（不接触），进行自动搜索电台功能的测试。测试结果： 全频段搜索 能够搜索到95MHz 设定频段搜索（设定在90MHz 100MHz） 搜索到95MHz六结果分析：整机测试指标达到了要求，但由于竞赛实际场地电磁环境恶劣，以及工作在VHF段的CXA1019和BU2614电路板没有加上屏蔽措施。灵敏度，镜像抑制比等测试数据均会受到外界的干扰而产生一定误差。参考文献1 胡汉才.单片机原理及接口技术M.北京:清华大学出版社,1996:123-1322 康华光.电子技术基础（模拟部分 第四版）M.北京:高等教育出版社,2000:112-1333 康华光.电子技术基础（数字部分 第四版）M.北京:高等教育出版社,2000:58-654 马忠梅. 单片机的C语言应用程序设计M北京:北京航空航天大学出版社2003:72-975 谭浩强.C程序设计M.北京:清华大学出版社,1998:86-986 铭克熙.自制数显PLL琐相环调频立体收音机N.电子报,2006-2第6期:123-2117 杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2001:79-86.8 张厥胜,郑继禹,万心平.锁相原理M.西安:西安电子科技大学出版社,2002:112-231.9 Roland E.Best.锁相环设计、仿真与应用M北京:清华大学出版社,2003:221-341. 10 关德新.单片机外围器件实用手册电源器件分册M北京:北京航空航天大学出版社,1998:36-77.ABSTRACTFarmland Water-efficient Irrigation System Based on the ZigBee TechnologyAbstract:The frequency modulation radio (FM Radio) has been occupying an important position in people life of amusement. From the transistor radio of old style to the network radio today, we can see that enjoying life though broadcast is the life style that people always like. Now, with the rise and prosperity of consumption electronic products and the development of numerical electronic products, the majority of the electronic products designers of the manufacture always imbed FM part in the products such as the MP3, intelligence cellular phone, easy take-away Video etc. But the traditional frequency modulated solution has many problems such as electric circuit physical volume too big and adjust frequency modulation inconvenient, the stability not so well etc. In order to resolve the above-mentioned problems, numerous semi-conductor companies look for the ASIC frequency modulat