【毕业学位论文】(Word原稿)调频收音机-控制理论与控制工程

23 调频收音机 摘 要 本机 采用单片微处理机芯片 为数字调谐系统的核心，并含有锁相环路频率合成、频率预选、多功能数字时钟控制及液晶显示等多种先进功能 核心 ,以 段锁相频率合成调谐集成芯片 定本振的调频收音机的设计与实现。 本机利用 现的锁相环频率合成器与单片机口 ,实现 88 108频广播的接收。调谐方式实现全频段自动调谐 ,设定范围自 动调谐 ,手动步进调谐，直接选择频率等多种调谐方式，频率步进可设（最小步进 5并可自动将收到的电台存储 ;人机交互系统有 4*4 小键盘和 2*8字符型液晶显示器 , 并利用实时钟芯片 的 现掉电存储电台达 30 个 ,同时可实时显示时间 ;利用高效率 换芯片 现电池节能供电 ,使用 看门狗和电源监视电路，提高了系统工作的稳定性，使该机各项性能指标达到了题目要求 . 24 一方案论证和比较 由于题目已经指定使用 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：采用率合成器产生本振 和 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. (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， 可以方便的和单片机接 口。该方案利用单片机的强大功能可以完成题目控制部分的要求。我们选用此方案。 系统总原理框图如下： 25 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： t) = U (t) 式中 U 是 的 振幅， (t) 是 号的瞬时相位； 且 (t) c t + t)中 c 的中心角频率，即载波频率 的调频灵敏度 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 26 （ 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 t)中恢复出原调制信号 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。 谓正交鉴频即将输入 号经移相网络 后生成 与原 号正交的参考信号电压，它 与 输入 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 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。这个一定的数值的输入信噪比，就是所谓门限值。当输入 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 27 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。 3超外差收音机的干扰： 本题采用超外差式 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 本地振荡的频率 出的中频分量 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) 当采用本振频率 f l 高于信号频率 f c 时， 即 f l f c f i 时有公式 : (p,q 是非负整数 ) 1 28 当 l(或者说变频比 )一定时 ,并能找到合适的 p,而阶数越小 ,干扰越严重 (p+q1)提高中频可以减小这种干扰的数目和阶数 . (2) 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 满足上式 ,就能形成干扰 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 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 对于 c 的电路 ,当外来干扰频率 l 共同作用在混频器的输入端 ,也会产生差频 i,从而会在接收机输出端听到干扰电台的声音 . 同理，对于 它工作频率上的镜像 30 干扰。 5 率合成方式 锁相环（ 一个相位跟踪系统，它包括三个基本部件： 鉴相器（ 环路滤波器（ 压控振荡器（ 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 n,而反馈信号是 出信号经过 N 分频后的信号，即 *所以得到 : *为达到题目要求的显示载波频率误差小于等于 5机选取频率步进为 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 存储电台等多种功能 率合成器的方案有诸多优点 . 三硬件系统的实现： 1. 调电路 31 M/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 音的典型电路，如图： 号经过 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 32 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 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 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 中频信号由 15 管脚送出，送到 陶瓷滤波器的输入端，经过陶瓷滤波器后，滤去了除 频信号以外的其他频率分量的信号，这时 中频信号再从 18 管脚送入 3 管脚接出的是一个 陶瓷谐振器，它对 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 100们将第 28 管脚到音箱之间接的10电解电容换成了 220电解电容，使输出最大功率超过了 100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 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130 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 取高本振，利用 33 提供 本振信号。其电路连接图如下： 000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 1000电容断路。 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2成的放大电路实际上起了拓宽电压范围的作用。 34 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 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， 输出低电平后，使 2工作电压成为控制电压加入到 ，使 高频率反馈到 又成为了输入频率大于参考频率的情况，最终达到锁定。 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 司的 换芯片 得到 +5是 作模式 ,工作的开关频率为 170率达 87%，最大功率可达1W。采用 到 +12电压， 是 作方式，开关频率 200大输出电流可达 125了屏蔽其辐射采用金属盒封装 , 35 并在输出端加上一个低通滤波器 . 用穿芯电容与外围连接 4. 前端带通网络 器件清单中所提供的 过 3频仪测试时，发现它的频率特性如下图： 根据混频原理，设 1t X 2= A 2 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 1 t A2 t = 1 A 2 1+ 2)t+ 1)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 为了满足题目要求的镜像抑制比 20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 带通滤波器组成的。 36 如图 ,天线接收到的信号经过电容耦合至 栅极。调节 2的阻值可以调节电路的增益。 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 88 108 5. 电台检测电路： 一个 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 号， 右。依据这个电压值，我们在 引出另一路先接一射随器后进行 用，在程 序中进行均值滤波后和 行比较来完成电台检测的功能。 37 6单片机： 我们采用了 司的 具有 8K 256 字节的 元，与 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： 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 司的专用键盘扫描芯片成 4*4 键盘。 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 程序中定期向 入脉冲，当 有收到脉冲， 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 的一个电压比较器做了一个电源检测电路。但 电池电压下降到 下时， 电源检测端输 38 出低电平，被 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 示时间，并用其内部掉电保存电台之用，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： 39 系统的工作界面如下图所示： 40 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： 直接键入接收频率 全波段搜索 ,存储收到的电台 特定频段搜索 ,存储收到的电台 选择频道 将当前电台储存 显示完整的日历（日期，星期，时间） 修改日历 步进选择 （ 5， 10， 15, , 200 系统重置（ 清除储存内容，时钟复位） 41 五测试方法和结果 1. 测试所用仪器： 路直流稳压电源， 字万用表， 率特性测试仪 00 008 欧姆负载电阻 2测试方法和数据： 由于 8808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 95测试点，试验现场空间中的 95以忽略。 (1) 接收频率范围和接收正常 号测试： 打开收音机，直接设定本地 台频率接收 播，能够正常接收。用 生 88508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 95制信号 1大频偏 75 示波器观察音箱两端的输出波 42 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=213 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 无法采用此方法 测试最小的输入信号 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： 95， 灵敏度为 m = 500 4）镜像抑制比： 首先将 定在 88108 95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