单工无线发射接收系统的制作解析

单工无线发射接收系统的制作 1 总体设计方案 设计要求为 设计一个单工无线发射接收系统 实现无线发射机至接收机间的单 工语音传输业务 具体设计要求 设计发射频率在 32MHz 左右 无线发射机传送信号的输入采用线路输入方式 采用分立元件构成音频无线发射电路 设计一个与发射机相对应的频率的无线接收机 接收机采用第三代立体声接 收机要求采用立体声播放 音质好 放收音机电路 CXA1238 组成的单片收音机 用扬声器收听语音信号 传送信号为正弦波 在 300Hz 3400Hz 时 系统发射功率 20mW 左右 要求无线收发室内通信距离不小于 5 米 要求无线天线采用拉杆天线或导线 长度小于等于 1 米 系统可实现无明显失真的语音传输 2 方案论证与比较 2 1 音频无线发射电路设计方案论证与选择 方案 1 采用集成芯片 MC2833 及相关电路构成 它可构成发射高频率信号的功 率放大器 电路主要由音频放大器 可变电抗器 射频振荡器 输出缓冲器以及放 大电路构成 本方案调频发射机的工作原理 先将语音通过话筒变成音频电压信号 送给音频放大器进行音频电压放大 此音频电压信号经耦合电容送给可变电抗改变 电抗值 而由可变电抗以及电感 晶体与高频振荡器组成调频振荡电路 产生调频 波经缓冲送给两级二倍频放大器 电路基本框图如图 1 所示 但由于该方案涉及到 的谐振回路较多 不易统调 因而频率不易控制 导致信号不稳定 容易跑台 实 现较为困难 前置 放大 可变 电抗 振荡 电路 缓冲 放大 二倍频 电路 放大 电路 音频输入 射频输出 图 1 MC2833 电路基本框图 方案 2 采用集成芯片 BA1404 及相关电路构成 它主要由前置音频放大器 立 体声调制器 FM 调制器及射频放大器组成 利用内部参考电压改变变容二极管的电 容值 可实现发射频率的调整 电路框图如图 2 所示 本方案可实现立体声调频发 射 典型调频频段为 75 108MHz 不足是振荡频率不易调整 尤其是低端频率实现 困难 难以实现要求频段的调整 图 2 BA1404 电路基本框图 方案 3 采用分立元件构成音频无线发射电路 图 3 所示为分立元件调频电路 框图 利用三极管构成高频振荡器 调节相应的电感和电容的大小 可产生稳定的 中心频率 在音频信号的作用下 可产生相应的调频波 再经过缓冲放大和末级功 率放大 得到需要的调频信号 相对前两种方案 本方案不仅电路简单 而且调试 控制非常灵活 可靠性好 抗干扰能力强 容易实现调频的要求 振荡调 制电路 音频输入 调谐 放大 功率 放大 射频 输出 图 3 分立元件调频电路框图 综上所述 本设计选择方案 3 即利用分立元件构成音频无线发射电路 2 2 音频无线接收电路设计方案论证与比较 方案 1 采用芯片 MC3362 该芯片是美国 MOTOROLA 公司生产的单片窄带调频 接收电路 主要应用于语音通讯和数据传输的无线接收机 调频接收电路框图如图 4 所示 MC3362 片内包含振荡电路 混频电路 限幅放大器 积分鉴频器 场强指 示驱动及载频检波电路等电路 具有低供电电压 低功耗 灵敏度高等特点 主要 应用于语音和数字通讯的接收设备 但是该电路较多用于调频广播接收 在要求的 频段内进行调试相对困难 高放 FAF 本振 1 中放 1中放 2 本振 2 鉴频低放 右声道输入 左声道输入 调频 电路 放大 电路 射频 输出 图 4 MC3362 调频接收电路框图 方案 2 采用集成芯片 CXA1019S 该芯片内部电路包括了 AM FM 收音机从天线 输入经调频高放 本振 混频在由中放 检波 直至调频功放的整个环节 调频接 收电路 将调幅输入端 IC 对变频信号公共端短路 拉杆天线经耦合电容到带通滤波 器 该滤波器的作用是抑制调频波段以外的信号的干扰 CXA1019S 虽然把调频头电 路集成进去 提高了集成度 但是相对 CXA1238S 增益较低 因而接收灵敏度较低 调频接收电路框图如图 5 所示 图 5 CXA1019S 调频接收电路框图 方案 3 采用集成芯片 CXA1238S 在片内集成了混频 中放 鉴频及立体声解 码等功能 该芯片内部包含 FM 前置放大 立体声解调放大 FM 中频放大及鉴频等 环节 尤其是芯片内采用了锁相技术 由于芯片高度的集成化 因而接收机电路外 围元件极少 中心稳定 调谐简单 抗干扰性强 电路稳定 调整方便等优点 综上所述 本设计选择方案 3 即采用 CXA1238S 构成的 FM 解调电路 3 单元电路设计 3 1 音频无线发射电路的设计 本设计中的声音调频发射部分采用常用分立元件构成电路 如图 6 所示 射频 电路由高频振荡器 缓冲放大器 末级功率放大器及天线组成 高频振荡器用来产 生载频信号 频点落在 32MHz 内 通过改变电感量即可改变发射频率 在音频信号 的作用下 通过改变晶体管极间电容实现调频 产生相应的调频波 射频信号由三 极管 Q1 的发射极输出 送到三极管 Q2 电感 L2 电容 C8 电阻 R5 等组成的缓冲 放大器进行功率提升 并可减轻末级放大电路对振荡器的影响 末级为高频丙类窄 带放大 通过后级功率放大器对功率再进一步放大 经电容 C13 耦合到发射天线向 周围空间辐射 调频电路是通过改变晶体管极间电容实现调频的 由于任何 PN 结在加反向电压 时 反向电压的变化将会引起结电容的变化 即所谓变容效应 在晶体三极管电路 中 集电结就是一个加有反向电压的 PN 结 利用集电结的变容效应也可实现调频 图 6 中 三极管 Q1 电感 L1 电容 C3 C5 C7 和 Cb c构成电容三点式振荡电 路 其工作原理如下 高放 FAF 中放 本振 鉴频低放 对高频而言 Q1 基极是接地的 所以是共基极电路 集电极 基极间的 PN 结处于反 向偏压状态 结电容 Cbc相当于并联 L1 C3 谐振回路两端 能影响振荡频率 调制电 压加于 Q1 基极 以改变 Q1 的基极电位 使集电极与基极间的反向偏压发生了变化 从而使极间电容 Cbc跟随调制电压而变 这就实现了调频 此电路的中心频率可通过 回路可变电容 C3 来进行调整 工作在 32MHz 图 6 调频无线发射电路图 取中心频率为 32MHz 经查三极管 9018 的静态结电容 Cb c为 2pF 取 C3 C5 C7的值分别为 3 3pF 10pF 39pF 根据以下频率的计算公式计算电感值 电路的中心频率计算公式如下 CL f 1 0 2 1 4 8 式中 pFCC CC CC C cb 11 3 75 75 4 9 得 H Cf L 2 2 2 1 2 0 1 4 10 在实际调试中 电感L1和电容C3需要微调以满足中心频率的要求 3 2 音频无线接收电路的设计 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1516 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 IC CX A1238S 4 7u C11 2 2K R5 220K R13 1K R9 10u C9 10K RP2 R4 100 R3 10 7KHz Y1 3 3u CM 10 7M Hz Bz 330 R10 LED1 0 01u C19 4 7u C18 33u C16 1u C17 Vcc 100u C15 LED2 1K R8 7 5K R6 7 5K R7 1u C12 0 01u C13 0 01u C14 10u C23 82p C27 82p C25 82p C26 103 C24 L2L1 W 0 4u C10 TDA2822 8 7 6 54 3 2 1 TDA2822 1000u C24 0 1u C25 4 7 R14 SPEAKER1 10u C27 0 1 C26 Vcc 1000u C28 0 1u C29 4 7 R15 SPEAKER2 1000u C30 1000u C29 0 1u C32 0 1u C31 10KR17 10KR16 BB910 V D1 680p C31 L3L447p C32 18p C34 680p C5 BB910 V D2 33p C33 RES2 R20 100K R19 VD2 8V 9 6V 3p C35 Fosc out 图 7 音频无线接收电路 电路设计如图 7 所示 工作原理如下 天线接收到的 FM 信号 经过 30 40MHz 带通滤波器 BPF 加到 IC 的 18 脚 送至内部 FM 前置放大电路 经高放 混频后解调出 10 7MHz 的中频信号 并由 16 脚输出 20 脚外接 FM 高放调谐回路 22 脚为 FM 本振调谐回路 FM 中频信号经 10 7MHz 陶瓷滤波器 B2 馈入 13 脚 FM 中放和鉴频电路 26 脚外接 FM 陶瓷鉴频器 B3 它的中心频率为 10 7MHz 这样可以省去鉴频 S 曲线的调整 但其色标 表示 频率偏差 必须与 B2 一致 15 脚外接波段选择开关 通过 IC 内部 FM AM 直流电路 的作用 来选择工作状态 当 S1 断开时为 FM 波段 S1 接地时为 AM 波段 12 脚为 调谐指示驱动电路的输出端 使得接收信号最大时 外接发光二极管 LED1 指示最亮 经检波后的立体声复合信号 或单声道信号 由 IC 内直流放大器放大 滤波 后变换成 AGC AFC 控制电压 由 10 脚输出 通过 R1 反馈至 23 脚 用于控制内接变 容管的等效电容 以达到修正本振频率的作用 改变外接电容 C7 的容量 可以调整 AFC 的引入范围 立体声复合信号经放大后 分别送至立体声解调器 鉴相器 1 和鉴相器 2 鉴相器 1 压控振荡器 VCO 和分频器组成锁相环 VCO 产生 76kHz 的振荡信 号 经二分频变成 38kHz 立体声解调开关信号 送至解调放大器 再经过二分频 移相 90 后的 19kHz 信号与复合信号中的 19kHz 导频信号在鉴相器 1 中进行相位比 较 输出一个误差电压 由外接滤波器 29 脚和 1 脚之间 滤除高频成分后 用于控制 VCO 的振荡频率和相位 直至环路锁定 VCO 的自由振荡频率可以通过 27 脚外接电 阻来微调 从而调整跟踪导频信号的捕捉范围 鉴相器 2 的作用是鉴出立体声 单声道开关控制信号 当分频后的 19kHz 信号和 输入导频信号的频率相同 相位差为零时 输出正电压最大 经低通滤波器滤波 2 3 脚外接电容 和直流放大后 打开 立体声 单声道 开关 并驱动点亮 4 脚外接立体声指示发光二极管 LED2 另外 4 脚还可用来检测 VCO 振荡频率 解调放大输出的左 右声道信号 分别从 6 脚和 5 脚输出 送给 TDA2822 双功 放电路的输入端 6 脚和 7 脚 TDA2822 采用 8 脚双列直插封装 体积小 外围元件 少 工作电源电压范围 2 9V 在 VCC 6V 时 输出功率为 430mW 8 和 240mW 16 在 VCC 4 5V 时 输出功率为 220mW 8 和 125mW 16 RP2 为立体声 双联电位器 控制左 右声道的音量 XS 为立体声插座 可用于外接立体声耳机或 一对小型音箱 说明 本电路尽管提供了双声道信号的解码 放大输出 但该系统 只使用了一个声道 3 3 芯片详细资料 TDA2822 芯片的管脚说明 TDA2822 各引脚的功能 1 放大器 1 输出 2 供电正电源输入 支持 1 8 15V 3 放大器 2 输出 4 地 5 放大器 2 输入负端 6 放大器 2 输入正端 7 放大器 1 输入正端 8 放大器 1 输入负端 图 8 TDA2822 芯片的管脚图 RL RL 100uF C1 100uF C2 0 1uF C6 0 1uF C7 1000uF C4 1000uF C5 10uF C3 10k R1 10k R2 L R VS 1 3 16 14 6 11 4 5 12 13 8 IN IN 图 9 TDA2822 立体声放电路 CXA1238 的详细资料 CXA1238 是性能优良的收音集成电路 内部有 AM FM 的高放 混频 中放 检 波 鉴频以及 FM 立体声解码 自动频率控制电路等功能 CXA1238 和其他公司的 同类收音 IC 相比 听觉效果也更理想 集成电路 CXA1238S 芯片内部框图如图 10 所示 NC 2 INPUT 1 3 GND 4 GND 5 OUTPUT 1 6 NC 7 5V 8 INPUT 1 1 INPUT 2 16 NC 15 INPUT 2 14 GND 13 GND 12 OUTPUT 2 11 NC 10 NC 9 TDA2822 图 10 集成芯片 CXA1238S 内部框图 CXA1238 各引脚功能 1 29 脚是内部立体声解码用的锁相环振荡器的环路滤波器 2 3 脚是内部立体声解码用的振荡信号产生 需要关闭立体声时 可以在 2 脚 接一只电阻对地 4 脚是立体声解码信号的检测与指示 收到立体声后灯会亮 5 6 脚分别是左右声道音频信号输出 7 脚为供电脚 输入 2 8V 的直流电压可以正常工作 8 脚为内部电源滤波 9 10 脚为 FM 自动频率控制的滤波 AM 时则是自动增益控制电路的滤波 电容 改变延时时间 11 脚公共脚接地 12 脚调谐指示 调准电台时此灯亮 13 脚 FM 中频信号输入 信号放大后再经过鉴频 调频解调 取出音频信号 14 脚 AM 中频信号输入 信号放大后再经过检波 调幅解调 取出音频信号 15 脚 AM FM 的波段转接 用于 AM 波段时应直接接地 16 脚 FM AM 中频信号输入 然后由不同的选频器选出 AM FM 的信号 17 脚公共脚接地 18 脚 FM 天线信号输入 一般接拉杆天线 高档机会再加上选频网络 加转换 电路接室外天线 19 脚 AM 天线信号选台输入 一般都是磁棒线圈 直接感应空中的电磁波 中 波 短波 20 脚 FM 天线信号选台放大 FM 收音的灵敏度 选择性由本脚的电感和电容决 定 21 脚内部基准稳压电路 1 25V 高放振荡偏置 22 脚 FM 振荡信号频率调节 产生比电台高 10 7MHz 的振荡信号 接收频率范 围由此脚决定 23 脚 FM 振荡信号自动频率控制电路 内部是一支变容二极管 24 脚 AM 振荡信号频率调节 产生比电台高 465KHz 的振荡信号 接收频率范围 由此脚决定 25 脚静音功能 调台过程中 没调准时噪音大时自动减小音量 26 脚 FM 鉴频器滤波器 目的是为了还原调频的音频信号 27 脚立体声压控振荡器调节 此频率最终会受到调频广播中立体声导频解码信 号控制 28 脚控制电压滤波 3 4 音频无线接收电路 PCB 音频无线接收电路印刷板图 11 所示 在制作过程中 有很多与低频电路相比需 要特别注意的地方 总的来说 高频 PCB 布线规则需要注意以下几点 尽可能缩短高频元器件间的距离 提高抗干扰性 具有较大电位差的器件 应当加大它们之间的距离 要考虑信号流程保持一致即从左至右流向 电源流程与信号流程方向相反 高频电路注意布线方向 注意分布参数 两层之间应尽量垂直布线 接地线应当适当的增加宽度 减少阻抗值 从而减少由于 PCB 版本身的阻抗 对信号的干扰 增加系统的抗干扰性 图 11 音频无线接收电路印刷板图 4 系统测试 4 1 分级调试 单工无线发射机调试 由于发射机线圈采用的是电视机中周改装而成 电视 机中周的中频为38MHz 为了使电容电感在32MHz频点达到最佳匹配 需要调整L C 值 具体的调试方法为 在LC振荡电路中 把振荡产生的信号接入示波器 调节中 周的磁芯改变L的值使示波器的频率读数达到32MHz左右 中周底部还存大一个分布 电容 但是根据感抗值与容抗值相等 经计算需要增大电容值才能实现最佳匹配 所以可并联不同容值的电容 观察示波器波形 使幅度达到最大 则L C实现最佳 匹配 调试两级LC选频网络的过程 用高频信号发生器产生一个32MHz的载波信号接入 选频网络 把选频网络的输出端接入数字存储示波器 首先调节中周的磁芯使示波 器上的波形幅度达到最大 且波形没有失真 通过并联电容来改变回路的容抗值使 L C实现最佳匹配 使波器上的波形在32MHz时幅度达到最大 且波形无明显失真 完成LC选频网络的调试 用插线连接各级电路 单工无线接收机调试 首先把接收机的本振和选频部分接入电路 把接收机 的扬声器两路信号接入数字存储示波器 利用高频信号发生器进行信号发射 通过 数字存储示波器观察波形 改变高频信号发生器的频率 同时注意观察示波器的波 形 当示波器的信号幅度最大时 可以确定线圈的谐振点 然后改变线圈的磁芯 重新改变高频信号发生器的频率 同时观察示波器进行调整 当高频信号发生器的 发射频率调至 32MHz 时 示波器的波形幅度调至最大 且波形无明显失真 完成接 收机的调试 接收机不需要通过改变电容来改变回路的容抗值 是因为电路中有一 个变容二极管 变容二极管主要通过改变两端的电压来改变它的电容值 4 2 统调 用低频信号发生器给调频发射电路以一定频率的信号 一个 300Hz 3400Hz 的正弦波 接入无线发射机电路的音频输入点通过单工无线发射机进行发射 然后 用调频接收机装置来接收 用示波器来检测调频接收输出的信号和信号源波形基本 相同 这说明发射接收部分工作正常 统调的系统框图 图 12 统调的系统框图 用CD机输入单工无线发射机一个音频信号 进行发射 通过接收机进行接收 把 扬声器接入电路 通过微调整发射和接收机线圈进一步进行调整 使音乐的声音响 度和清晰度得到改善 可以在发射电路正负电源之间适当的并联电容 进行滤波 减少杂波干扰 使音乐信号达到最佳的播放效果