小功率无线调频立体声发射机设计毕业论文.doc

小功率无线调频立体声发射机设计毕业论文 目录第1章 绪论11.1 概 述11.2 研究意义11.3 设计要求1第2章 系统设计方案22.1 设计流程22.2 系统组成22.3 方案论证2第3章 器件及其选择83.1 调频立体声83.2 调频基本原理93.3 调频发射芯片9第4章 系统硬件设计194.1 立体声调频发射电路设计194.1.1 立体声调频发射电路204.1.2 第一次调制214.1.3 第二次调制234.1.4 频率控制表264.2 功率放大电路设计274.3 电源电路设计28第5章 系统仿真305.1 仿真软件介绍305.2 音频放大部分的仿真305.3 振荡调制部分的仿真315.4 倍频放大部分的仿真32第6章 系统调试346.1 系统调试346.2 指标测试与性能分析346.2.1 指标测试346.2.2 性能分析35总 结36参考文献38附 录1：电路原理图39附 录2：外文原文，译文41致 谢58第1章 绪论1.1 概 述调频广播经历了六十多年的发展，技术上已经比较成熟，但大多数调频发射机仍然存在发射频率固定单一的问题。由于国家对无线广播频段的划分和管理，使得不同地区有不同频段的发射权，每个单位所分配的发射频率也是不一样的。因此不同用户对发射频率的要求各不相同，但是厂商不可能生产频率各异的发射机，这样明显不符合工业批量生产的要求。那么就需要使发射机按照使用者的意愿，在一定频带范围内灵活地改变发射频率。这样用户就可以根据具体情况来设定载波频率。本文中设计的数字立体声调频发射机就可以解决这一问题。为了实现精准的数字化控制并达到立体声收音效果，本设计使用了专用发射芯BH1417F。1.2 研究意义 目前各大中型学校，普遍利用调频发射机进行英语听力训练和考试。如果在发射听力信号前，发现在预置发射频道上受到强烈干扰，使用本文所设计的发射机就可以自由改变载波频率，另外选择一个频道发送信号，操作简单快捷，同时又不会干扰覆盖范围之外的听众正常收音。而且校园广播覆盖的范围较小，没有必要采用大功率的发射机，所以本设计非常适用于校园无线调频广播教学。该发射机采用立体声调频技术和数字化控制技术，听众能感觉到强劲的立体声效果，并且成本不高，对推广这种产品很有利，所以该题目有一定的研究价值。1.3 设计要求本设计的任务是设计一台小功率无线立体声调频发射机，相关技术指标要求如下：1、基本要求：（1） 发射信号类型：调频信号，20Hz20KHz音频信号。（2） 采用的主要发射技术方案：立体声发射，方式自定；（3） 发射频率范围：88-108MHz，任选一个或多个频点；（4） 频率稳定度：10ppm；（5） 有效范围： 100米；第2章 系统设计方案本章制定了设计流程；提出了系统设计方案，并逐一进行了方案对比论证。2.1 设计流程为了能够顺利完成任务，本设计按照以下流程来进行：（1）提出系统设计方案：收集资料，提出系统设计方案。（2）完成硬件电路设计：掌握调频原理，熟悉相关芯片的数据手册，参考相关电路，完成硬件电路设计。（3）电路图绘制与硬件调试：绘制原理图，并模拟整机调试。（4）组建测试系统：模拟测试本设计所要实现的功能和技术指标。2.2 系统组成它调频发射机框图如图1所示，该调频发射机是以bh1417锁相环调频立体声发射模块为核心的校园型调频发射机，具备话筒输入和线路输入多种音源的输入方式，因此信号源的取选方式是多样的，输入的信号经过bh1417集成块内部的调制、解码和鉴相后再经过内部的射频放大器放大，信号输出到射频功率放大器放大后发射，并输送至校园内的喇叭。左声道输入低通滤波器右声道输入BH1417锁相环调频立体声发射高频功率放大校园喇叭 图2.1 系统结构框图2.3 方案论证1.立体声调频发射模块的设计方案论证与选择方案一：采用MAX2606调频发射芯片做调率发射电路方案，MAX2606采用SOT230-6微型封装，应用电路如图2-1所示，它的平均频率由L1设置，390H的电感可将中心频率设定在100MHz。调节电位器RP1则可以在88至108 MHz的FM波段选择一个频道作为发射输出功率。输出功率对50的天线约为-21dB。图中的两个INPUT端接在功放机左右线路（LINE）输出端，左右声道音频信号均通过22k相加，并被电位器RP1衰减后，由脚送入MAX2606的内部振荡电路，经过调制后的射频信号从脚输出到发射天线，由于输入信号幅度高于60时将产生失真，因此使用电位器RP2将信号衰减到该电平以下。发射天线可以用一段75cm的电线充当。此时发射距离约为50米。为保证最佳接收效果，它最好与接收天线平行安装。MAX2606可工作于3至5的单电源，但最好采用稳定的电压，尤其是0.01F的退耦电容不能省略，以减少频率漂移和噪声，所以MAX2606的缺点就是有频率漂移和噪声。图2.2 基于MAX2606调频发射芯片的调率发射电路方案二：采用BA1404调频发射芯片做立体声调率发射电路方案，应用电路如图2-2所示，BA1404主要由前置放大器（AMP），立体声调制器（MPX），FM调制器及射频放大器组成。立体声前置级分别为两个声道的音频放大器。输入为0.5mV时,增益高达37dB,频带宽度为19KHz,如输入信号存在频率高于19 KHz 成分,则必须在输入端加一个低通滤波器,否则两个声道的分离度会下降。BA1404对于一般的调频发射已经够了,但它却有一个致命的缺点:没有锁相环电路,即PLL,容易跑频。图2.3 基于BA1404调频发射芯片的立体声调率发射电路方案三：采用BH1417F调频发射芯片做调率发射电路方案，应用电路如图2-4。BH1417F是由提高信噪比（S/N）的预加重电路、防止信号过调的限幅电路、控制输入信号频率的低通滤波电路（LPF）、产生立体声复合信号的立体声调制电路、调频发射的锁相环电路（PLL）组成。BH1417F的频率特性非常出色，它能达到40dB的分离度，传送的音质可与本地调频电台比美，适合用于一些对音频指标很高的系统中。图2.4 基于BH1417F调频发射芯片的调频发射电路经过仔细的分析论证，决定采用第四种方案，因为第四种方案中BH1417F解决了上述方案的缺点，同时我们平时也用BH1417F芯片做过调频发射这个模块。BH1417F可由并行数据设置端改变发射频率，比较容易实现硬件和软件结合。 2、压控振荡器的设计方案论证与选择方案一：采用分立元件构成。利用低噪声场效应J310作振荡管，用两对变容二极管作压控器件，直接接入振荡回路，电路属于电感三点式振荡器。图2-2为其简化电路图。该方法实现简单，但是调试相当困难，而且不能灵活控制输出频率。 图2.5 分立元件构成的VCO简化电路方案二：采用自带压控振荡器的集成芯片和变容二极管KV1471E，外接一个LC谐振回路构成变容二极管压控振荡器。选取适当的电感，便可改变BH1417F的输出频率。由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。所以本设计采用方案二。3、频率合成器的设计方案论证与选择频率合成是整机的核心，为了得到高度稳定的频率输出，并且输出频率可调，可以采用锁相环频率合成技术，输出频率稳定度与晶振的稳定度相当，达到10-5，频率可以为任意值。此技术采用拨码开关来实现控制。方案一：模拟锁相环路法，通过环式的减法降频，将VCO的频率降低，与参考频率进行鉴相。优点是：可以得到任意小的频率间隔；鉴相器的工作频率不高，频率变化范围不大，比较好做，带内带外噪声和锁定时间易于处理。不需要昂贵的晶体滤波器。频率稳定度与参考晶振的频率稳定度相同。缺点是分辨率的提高要通过增加循环次数来实现，电路超小型化和集成化比较困难。方案二：数字锁相环路法，如图2-3所示，通过数字逻辑电路，把压控振荡器（VCO）的频率降低到鉴相器的参考频率上，采用的是除法降频。除具有方案一的优点外，克服了方案一的缺点，还能与灵活方便的数字电路结合，做成数控可变分频，得到任意的频率，并且便于集成化，大大简化电路连线，缩短电路制作时间，降低整机体积。综合考虑，本设计采用方案二。参考分频器晶振鉴相器环路滤波器压控振荡器可编程分频器参考频率输出频率图2.6 数字锁相环频率合成原理5、功率放大电路方案选择与论证方案一：采用集成功放，放大倍数比较理想，性能好，体积小，但是价格比较高方案二：采用晶体管组建放大电路，放大倍数小，电路复杂，价格低廉。由于本设计放大倍数要求不高，决定采用方案二。7、电源方案选择与论证BH1417F的正常工作电压为5V直流电压，运放和三极管则需要9V直流电压，所以需对市电进行变压、整流、滤波、稳压，为系统提供这两种直流电压。方案一：采用变压器将220V交流电变换为12V交流电，再进行全波整流、滤波，最后用三端稳压管LM7809和LM7805进行稳压，可分别得到9V和5V。方案二：采用电源模块得到12V直流电压输出，再通过三端稳压集成芯片进行稳压，得到两种输出电压。方案一简单易行，且成本低，本设计采用方案一。第3章 器件及其选择本章介绍了调频发射部分的器件及选择。 3.1 调频立体声(1) 什么是立体声 一个双耳健全的人坐在音乐厅内，可以听到交响乐队演奏乐曲的旋律和强弱远近的变化，并能判断出是何种乐器发出的声音，甚至能判断出各种乐器在舞台上的位置，即便闭上眼睛，也可以用双耳判定声音发出的大致方位及声源的远近距离。由此我们认识到：人们所感觉到的这种层次分明，具有立体感，方位感的音响效果，就是通常所说的立体声。请注意，上述的“双耳健全”这几个字，如果你只用一只耳朵听音乐会，那绝不会有立体声的感觉，只有利用双耳，才能判断出声源的位置，才能有声音的立体感和方向感。所以立体声是建立在双耳效应的基础上的。(2) 调频立体声及特点： 用两个传声器分别检拾左右两部分声音信号，并将左右两个声道的信号按一定方式进行编码，然后调制在同一副载波上，再用调频的方式调制在主载波上并发送出。这样的广播，一个电台能同时播送左右两个声道的信号，称为调频立体声广播。由于调频(FM)方式比调幅(AM)方式具有抗干扰能力强、信噪比高、频带宽、音质好、容量大等优点，所以立体声广播的主载波采用调频的方式。按照对副载波和主载波的调制方式，调频立体声广播可分为AM-FM和FM-FM方式。前者又分为导频制和极化调制制两种。但是，不论哪一种制式，都必须考虑能与单声道调频广播兼容，即调频单声道收音机可以收听调频立体声广播，调频立体声收音机也可以收听调频单声道广播(但没有立体声效果)。只有调频立体声收音机收听调频立体声广播时，才有声音的立体感。目前，国际上较为普及的立体声广播都是双声道的，而且使用最多的是采用导频制式，我国也采用这种制式。国际调频广播的标准频段规定为87108MHz，我国、美国、欧洲一些国家就采用了这一标准频段。也有些国家不采用这一频段，如苏联(采用64.573MHz)、日本(采用7690MHz)及西欧的一些国家(采用87.5104MHz)。(3) 调频立体声广播的实现： 在导频制立体声广播中，为了实现兼容，广播电台须先将左(L)、右(R)两声道的信号，用矩阵电路变换成和信号(L+R)和差信号(L-R)。和信号相当于普通单声道调频广播的信号。普通单声道调频收音机收到这个和、差信号之后，只能解调出和信号来，和信号已经包括了节目的全部内容，但不是立体声的，不能把左、右分离开。立体声收音机收到这个和、差信号，通过的立体声解调器(解码器)，将左、右信号分离开，听到的是具有立体感的节目。 3.2 调频基本原理调频是模拟角度调制的一种，属于非线性频率变换。设高频载波，调制信号为，调频中已调信号的频谱与调制信号频谱之间不存在线性对应关系，而是产生出与频谱搬移不同的新频率分量，故呈现出非线性特征。在连续波调制中，未调载波可以表示为：如果幅度不变，起始相位为0，而瞬时角频率是调制信号的线性函数，则这种调制方式称为频率调制。其瞬时角频率偏移为： （3-1）瞬时角频率L： （3-2）调频信号表示为： （3-3）若则 （3-4） 其中调频指数： （3-5） 展开（3-4）后再由第一类n阶贝塞尔函数作为三角级数的系数，可以得到 （3-6）它的傅氏变换即为频谱 （3-7）可见调频信号的频谱中含有无穷多个频率分量。3.3 调频发射芯片表3-1 BH1417F引脚属性表引脚属性电压引脚属性电压1左声道信号输入端1/2 22右声道信号输入端1/2 2、21加重时间调整端1/2 3、20低通滤波器调整端1/2 4滤波器端1/2 5复合信号输出端1/2 6地GND7锁相环输出端-8电源正极9高频振荡器输入端4/710高频地GND11高频信号输出-1.912锁相环电源正极13、14晶体振荡器输入端-15传送使能CE-16传送时钟CK-17传送内容DA-18静音MUTE-19导频信号调整端1/2 调频还需要一些辅助电路，才能够达到较好效果，所以本设计选用了一款专用发射芯片BH1417F，因为它具有下列优点：1.芯片简介BH1417F 是一种无线音频传输集成电路，它可以将计算机声卡、游戏机、CD、DVD、MP3、调音台等立体声音频信号进行立体声调制发射传输，配合普通的调频立体声接收机就可实现无线调频立体声传送。适合用于生产立体声的无线音箱、无线耳机、CD、MP3、DVD、PAD、笔记本计算机等的无线音频适配器开发生产。这个集成电路是由提高信噪比（S/N）的预加重电路、防止信号过调的限幅电路、控制输入信号频率的低通滤波电路（LPF）、产生立体声复合信号的立体声调制电路、调频发射的锁相环电路（PLL）组成。2.特点1）将预加重电路、限幅电路、低通滤波电路（LPF）一体化，使音频信号的质量比分立元件的电路（如：BA1404、NJM2035等）有很大改进。2）导频方式的立体声调制电路。3）采用了锁相环锁频并与调频发射电路一体化，合发射的频率非常稳定。4）采用了拨码开关直接频率设定，可设定70-120MHz频率，使用上非常方便。 3.结构图图3.1 BH1417F结构原理图图3.2元器件的尺寸以及封装4.芯片各引脚位的内部结构图表3-2 BH1417个管脚内部结构图脚位属性电路电压1左声道信号输入端1/2Vcc22右声道信号输入端1/2Vcc2、21加重时间调整端1/2Vcc3、20低通滤波器调整端1/2Vcc4滤波器端1/2Vcc5复合信号输出端1/2Vcc6地GND7锁相环输出端8电源正极Vcc9高频振荡器输入端4/7Vcc10高频地GND11高频信号输出Vcc-1.912锁相环电源正极Vcc13、14晶体振荡器输入端15传送使能CE16传送时钟CK17传送内容DA18音频静音MUTE19导频信号调整端1/2Vcc 5.电路应用说明（1）预加重电路预加重电路是一个非线性音频放大器，它的内部工作点为1/2 Vcc，因为它是非线性放大器，所以输入阻抗取决为内部电阻R3=43K，预加重时间取决于内部电阻R2=22.7K 和外部电容C1=2200p。图3.3 预加重电路时间常数=C1R2R1=1K 是一个限流电阻，防止自激的产生。（2）限幅电路图 3.4 限幅电路限幅电路是由二极管限幅的反相放大器组成，它的内部工作点为1/2 Vcc。（3）低通滤波电路低通滤波电路是由二阶低通反馈放大电路组成，它的分频点为15KHz。图 3.5 低通滤波电路公式如下:Cf=1/0 Rf （3-8） C1=3Q Cf （3-9） C2=Cf/3Q （3-10） 运算过程如下：Q=0.577、0=1.274 、fc=15KHzR1=R2=R3=Rf=100KCf=1/0 Rf=1/（2X1.274X15KX100K）=83.28pFC1=3Q Cf =3X0.577X83.28pF=144pF150pFC2=Cf/3Q=83.28p/(3X0.577)=4850pF（4）立体声调频音频信号从第1脚和第22脚输入后通过预加重电路、限幅电路和低通滤波电路后送到混合器（MPX）中，另外由第13、14脚接入7.6MHz晶体的振荡电路通过200分频后产生的38KHz副载波信号，同时38KHz副载波通2分频产生的19KHz导频信号。音频信号和38KHz的副载波信号被多路复合器进行了平衡调制，产生了一个主信号（L+R）和一个通过DSB 调制的38KHz 副载波信号（L-R），并与19KHz导频信号组成复合信号从第5脚输出。53K5015K19K23K38K10075副信道（L-R）8040调制度（）10067.56033.75207.5040导频信号主信道（L+R）调制频率（HZ）图 3.6 导频方式的调频立体声广播频带结构图（5）FM发射电路FM发射电路采用稳定频率的锁相环系统。这一部分由高频振荡器、高频放大器及锁相环频率合成器组成。调频调制由变容二极管组成的高频振荡器实现，高频振荡器是一个锁相环的VCO，立体声复合信号通过它直接进行调频调制。图3.7 FM发射电路高频振荡器是由第9脚外部的LC 回路与内部电路组成，振荡信号经过高频放大器从11脚输出，同时输送到锁相环电路进行比较后从第7脚输出一个信号对高频振荡器的值进行修正，确保频率稳定。一但频率超过锁相环设定的频率，第7 脚将输出的电平变高；如果是低于设定频率，它将输出的电平变低；相同的时候，它的电平将不变。6.调频发射的基本原理A、数据信号发送方：图 3.8 数据传送方式B、数据内容说明：表3-3 数据内容说明顺序数据说明1PR-CTL频率控制字D0-D10D0为低位D10为高位，其值为实际发射频率除以100KHz 的十六进制值。比如99.7MHz，则为9700KHz100KHz=997转为16进制后则为3E5，字位如下：2OM-CTL立体声控制MONO设为1时开启立体声，设0时关闭立体声3PD-CTLPD 输出控制PD0、PD1设定PLL输出状态PD0PD100正常模式01输出低10输出高11高阻态4出厂测试正常模式下，必须将T0设为1，T1设为0第4章 系统硬件设计本章将介绍各单元电路的设计，主要介绍立体声调频发射电路、功率放大电路、电源电路。4.1 立体声调频发射电路设计图4.1 立体声调频发射电路原理框图图4.2 立体声调频发射电路4.1.1 立体声调频发射电路立体声调频电路如图4-2所示，立体声信号通过1、22引脚输入，配合2、3、20、21这几个引脚外部的阻容组合，完成立体声信号的低通滤波、预加重和调制，调制后的复合信号通过5脚输出。15、16、17、18引脚输入的频率代码经过解码和鉴相后，由7脚输出PLL振荡器的控制信号VCO。此VCO控制外部由分立元件组成的高频振荡电路，产生FM调频的载波信号，并通过两个三极管9018的组合电路对5脚输出的复合立体声信号进行FM频率调制。调制后的信号通过9脚输入到BH1417，经过内部的射频放大器放大后的射频信号由11脚输出。输出后的信号能够直接接到发射天线上进行发射，或输入到射频功率放大器进行放大后发射，以扩大发射距离。13、14脚需要外接7.6MHz的晶体振荡器，提供给BH1417内部的鉴相、立体声信号调制等部分所需要的稳定时钟。图4.3 FM发射电路立体声调频广播之所以有强劲的立体声效果，是因为它实际上是进行了两次频率调制，即FM-FM调制方式。我国的调频频率规定范围为88-108MHZ，这是调频广播的主载波范围，但必须先将立体声信号在副载波上进行调制，然后在主载波上再调制一次。最后设计的发射电路如图4-2所示，下面将结合图4-1和4-2，将电路划分为第一次调制和第二次调制来讲解。4.1.2 第一次调制第一次调制的目的是产生立体声基带信号。这部分电路主要由预加重电路、低通滤波电路、分频电路、调制电路组成，但是后两者都被集成在模块内部，下面将介绍预加重电路和低通滤波电路的设计。（1）预加重电路设计在鉴频电路输出端，噪声功率谱密度与频率平方成正比，即大部分噪声功率分布在高频段，而语音信号中能量大部分集中在低频段，两者正好相反。为了改善信噪比，可以在鉴频电路输出端采用低通网络滤除高频噪声，但是这样信号中的高频成分也同时受到衰减，产生了失真，所以需要在发射机的调制电路之前采用具有高通性质的网络提升调制信号的高频部分，从而使接收机鉴频之后信号的高频部分既不会产生失真，同时又达到抑制噪声功率的目的。这种方法就是预加重、去加重技术。即发射时预先“加重”调制信号的高频分量，接收时去除解调信号中“加重”了的高频分量。图4-4为本设计中的预加重电路，它由BH1417F芯片内部电路与外围电路构成。音频信号由引脚1、22输入后经过预加重处理，然后输入到低通滤波电路。图4.4 预加重电路预加重电路是一个非线性音频放大器，它的内部工作点为1/2 Vcc，其输入阻抗为内部电阻R3=43K，R1=1K是一个限流电阻，防止自激的产生。预加重时间取决于内部电阻R2=22.7K 和外部电容C1=2200p接在第2、21引脚。时间常数为：。 （2）低通滤波电路设计图4.5 低通滤波电路低通滤波器允许低频信号通过，将高频信号衰减。该低通滤波电路是个二阶反馈放大电路，因为要求调制的音频信号频率范围是：2020KHz，所以理论上将它的分频点设计为。但是一般的调频广播音频信号小于15KHz，为了保证通信质量，滤除高频干扰，所以本设计还是采用。图4-5中C1是第3、20引脚的外接电容，需要根据已知条件进行计算得到，具体过程如下：Q=0.577，则 （3）立体声复合信号的形成音频信号从第1脚和第22脚输入后通过预加重电路、低通滤波电路后送到混合器（MPX）中，另外由第13、14脚接入7.600MHz晶体振荡器，电路通过200分频后产生的38KHz副载波信号，同时38KHz副载波通过2分频产生的19KHz导频信号。音频信号和38KHz的副载波信号被多路复合器进行了平衡调制，产生了一个主信号（L+R）和一个通过DSB调制的38KHz 副载波信号（L-R），并与19KHz导频信号组成复合信号从芯片第5脚输出。53K5015K19K23K38K10075副信道（L-R）8040调制度（）10067.56033.75207.5040导频信号主信道（L+R）调制频率（HZ）图4.6 导频方式的调频立体声广播频带结构图4.1.3 第二次调制第二次调频的调制信号是第一次调制完成后形成的立体声复合型号。同时如果将调制后的信号直接发送，频率稳定性会很差，所以一定要设计锁相环电路。锁相环（PLL）电路是一种以消除频率误差为目的的反馈控制系统, 它由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）和压控振荡器（VCO）三个基本部件组成，其基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差，所以当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，实现了无频差的频率跟踪和相位跟踪。 PDLPFVCO图4.7 锁相环电路组成（1）鉴相器（PD）设R为参考频率信号，V为压控振分频信号，f、g为数字鉴相器两个输出信号。根据R和V的不同可以分四种情况，如图4-8所示。1.fRfV时，f端输出负脉冲，g端输出恒为高电平。以上两种情况下数字鉴相器实际工作在鉴频模式下，两个频率相差越大，输出的负脉冲宽度越大。(4)fR=fV，R相位滞后V(2)fRfV(1)fRfV(3)fR=fV，R相位超前VfgVRVfgRfggfVRR图4.8 数字鉴相器输入输出关系3.fRfV，R的相位超前V时，f端输出负脉冲，g端输出恒为高电平。设e为负脉冲的宽度，Vm为脉冲幅度。4.fRfV，R的相位滞后V时，f端输出恒为高电平，g端输出负脉冲。以上两种情况中，鉴相器输出的负脉冲宽度随着R和V之间的相位差变化而变化，越大，输出的负脉冲宽度越大。根据数字鉴相器的这种特性，在其后加一级差分放大器，取出f和g电压的差信号VgVf，再通过积分取出其中的有效电压，此电压就反映了fR和fV之间的关系。环路滤波器前级的有源网络就起到这个作用。（2）环路低通滤波器（LPF）环路低通滤波器的作用是取出鉴相器的输出误差信号中的直流成分，以调节压控振荡器的输出频率。同时，压控振荡器还有调频的作用，调频使得输出频率随调制信号产生偏移。因此，锁相和调频是相互矛盾的。锁相的目的是使输出频率稳定，而调频则要求输出频率随着调制信号的变化而变化。图4.9 环路低通滤波器电路图环路滤波器正是解决这一矛盾的关键。由于振荡器中心频率不稳主要由温度、湿度、直流电源等外界因素引起，其变化是缓慢的；而音频调制信号幅度的变化相对来说是一种快变化。因此，将环路滤波器的通带上限频率限制在几Hz内，只有缓慢变化因素引起的误差信号可以通过，而调制信号引起频偏时所产生的误差信号要被滤除，不会作用于锁相环，这样就既可以保证中心频率的稳定度，又不影响调频。根据已知条件可以算出低通滤波器的截止频率，一般情况下。 （4-1） 鉴相器输出的两个误差信号分别是一个与参考频率同频的方波信号和一个固定电平。为取出其直流成分，可以先用一级有源积分网络将方波信号转化为直流，此直流中含有较多交流成分，再用一级无源低通网络滤除，然后加到压控振荡器上。有源积分网络由运算放大器LM358和一些阻容元件组成。无源低通网络的参数则是利用Matlab进行计算、仿真后得到的，仿真结果如图4-10所示。图4.10 低通滤波器频率特性曲（3）压控振荡器（VCO）VCO是设计锁相环的核心，本设计使用变容二极管KV1471E与电感并联后和内部RC电路组成压控振荡器，通过改变变容二极管的反偏电压来改变振荡频率值。由下列公式： （4-2）其中，L为电感值。CVD的大小受所加偏置电压U的控制，而变容二极管（KV1471E）的容值变化范围是：30.16pF40.99pF，的范围为：88MHz108MHz，根据式（4-2）有： L （4-3） 取，得L0.080H取，得L0.072H因此，理论上取L0.072H可满足要求。 由此可见，VCO是由第9脚外部的LC回路与内部电路组成，振荡信号经过高频放大器从11脚输出，同时输送到锁相环电路进行比较后从第7脚输出一个信号对高频振荡器的值进行修正，确保频率稳定。一但频率超过锁相环设定的频率，第7脚将输出的电平变高；如果是低于设定频率，它将输出的电平变低；相同的时候，它的电平将不变。4.1.4 频率控制表出于成本和使用特点考虑，目前在BH1417上应用较多的是固定器件选择频率发射，频率控制表如表1所示：表4-1 频率控制表控制数据频率D0D1D2D3LLLL87.7 MHzHLLL87.9 MHzLHLL88.1 MHzHHLL88.3 MHzLLHL88.5 MHzHLHL88.7 MHzLHHL88.9 MHzHHHL 锁相环停止工作，输出处于高阻态LLLH106.7 MHzHLLH106.9 MHzLHLH107.1 MHzHHLH107.3 MHzLLHH107.5 MHzHLHH107.7 MHzLHHH107.9 MHzHHHH锁相环停止工作，输出处于高阻态4.2 功率放大电路设计电路见图4-11所示，采用大功率发射管C1972，其参数如下：175MHZ、4A、25W、功率增益8.5db、按图所示参数，电路工作中心频率约为98MHZ，输入约2W的射频功率时，额定输出可达15W。为保88108MHZ内的任一频点时输出达到额定值，可根据前级的中心频率对部分元件作适当调整。必要时，可减少低通波波器级数，以增大输出功率。经扩展后的功率信号由三级低通滤波器滤去高次诣波成份馈入了发射天线。图4.11 功率放大电路元件选择：除电解电容外，其它用高频瓷片电容器， C11、C12、C14用高频特性好，性能稳定的可调电容，扼流电感RFC1、RFC2用成品电感器，必须注意RFC2的电流承载能力，应选用线径较粗的带磁心的电感器。L1L6可用?0.8mm的高强度漆包线制，直径约5MM，圈数图中以“T”为单位标明。Q1用普通Q9插座，与插头配套使用。Q2用专用50射频输出接头，接解电阻更小，更有利于阻抗匹配。功率放大管用比较常见的发射专用管C1972，功率将会更大。 调试电路时，务必注意因电路功率大，一定要接上假负载（本人用30支1W、1500高精度金属膜电阻并联制成），并且要有足够在的散热装置，正常工作时电源功率不低于2.5A，天线阻抗严格等于50，不能用短棒拉杆天线，否则强烈的射频回馈电流将使电路造成自身干扰，大部分射频能量无法辐到空间而消耗在功率管上，使其过热损坏；必须通过50发射专用同轴电览引到室外天线发射。电路能否正常工作关键在于电路的调试，整个过程都得十分小心。调试时，只输入较小的激励功率，电源电压下降为9V，用高频电压表（不能用普通万用表）监测假负载两端高频电压值，调节C12、C14，L3、L4、L5、L6、使电压幅度达1520V左右，再调节C11、L1使电压最大。然后逐步提高电压，每提高一次电压都反复调整C12、C14和C11、L1使输出端电压最高，注意的是电压应与射频输入激励功率同步增大，以保证调试结果的准确性。达到额定值时，电源电压13.8V下工作电流约2A左右，50纯电阻假负载两端电压40V，射频输出功率达15W。4.3 电源电路设计设计中要使用到9V和5V直流电压。首先用变压器将220V市电变成7.5V交流；然后用四个二极管D1、D7、D10、D11构成的整流电桥进行整流，可以得到9V直流电压；然后用电容C1、C3组成进行平滑滤波，将9V脉动直流电压变平滑，并抑制高频干扰；然后输入到集成稳压电路7809，输出电压将稳定在9V，实际电压小于+9V。将9V滤波后输入到三端稳压器7805中，可以得到稳定得5V。当然这些都是理论值，但在误差范围内实际值基本能够满足设计要求。图4.12 电源电路第5章 系统仿真仿真是按三个部分进行的：音频放大部分、振荡调制部分和倍频放大部分。5.1 仿真软件介绍本次毕业设计中采用Multisim10.0进行仿真，Multisim是Interactive Image Technologies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。为适应不同的应用场合，Multisim推出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。1. multisim10概述 通过直观的电路图捕捉环境，轻松设计电路。 通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为。 借助高级电路分析，理解基本设计特真。 通过一个工具链，无缝的集成电路设计和虚拟测试。通过改进，整合设计流程，减少建模错误并缩短上市时间。2.直观的捕捉和强大的功能仿真NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。5.2 音频放大部分的仿真话筒输入信号用理想正弦波代替，其参数为Vp-p=12mV，f=1kHZ。用双踪示波器观察音频输入与音频放大输出端的波形,如下：音频放大输出波形：图5.1 音频仿真下面的为话筒输入波形，灵敏度为20mV/div，上面的为音频放大输出波形，500mV/div。可见，在保证输出波形不失真的情况下，VT1起到了放大作用。5.3 振荡调制部分的仿真振荡调制部分的仿真分为两部分进行。首先，不加入调制信号，看振荡器能否振荡，且看振荡频率是否为理论计算的46MHz。然后，再加入调制信号，看能否看到调制波形。波形如下：振荡输出(未加调制信号）:图5.2 振荡调制仿真可见，振荡器能够振荡，且输出波形较完美。调制输出(已加调制信号）:图5.3振荡调制仿真5.4 倍频放大部分的仿真将已调制好的FM信号输入VT3的基集，观察LC回路的波形如下：倍频输出波形：图5.4倍频放大仿真可以看出通过倍频器后，已调信号的频率加倍。因为仿真时，LC回路的Q值比较高（较为理想），使得看到的倍频后的波形有些失真。第6章 系统调试本章主要介绍系统硬件调试，并进行了指标测试和系统性能分析。6.1 系统调试系统调试部分，主要分以下步骤进行：（1）调试电源电路，测试输出电压为+9.07V和+5.08V，在误差范围内基本能够设计满足要求。（2）调试BH1417F模块：通+5V电压，调试硬件正常工作。（3）发射频率的调试：在调试好硬件后，调频发射器已经正常工作。在BH1415F的11脚加了三级功率放大电路，再接上一段天线，则可以在80m范围内接收到调频广播。按照原理，在发现频率达不到100MHz以上时，将振荡电感减小(减少匝数)；而在低端的频率不能达到85MHz以下时，增加振荡电感的匝数，便可以达到目的。如果没有达到理想的覆盖频率范围，可以改变变容二极管，换个频率范围更大的。6.2 指标测试与性能分析6.2.1 指标测试（1）发射频率的范围测量最小和最大的输出频率，发现实际发射频率的范围发f：86.094.0MHZ。（2）电压峰-峰值的测试用示波器来测量输出电压峰-峰值表6-1 电压峰-峰值测量数据表振荡频率（MHz）87.089.092.094.0Vp-p（V）4.1104.1214.2304.212（3） 输出功率的测试首先调节LC振荡器，使其输出为92MHz的正弦信号，使用+9V的单直流电源为功率放大器供电，接一个50的纯电阻作为负载，用数字万用表测出该电阻两端电压值Um，按照式（6-1）便可计算出输出功率。 （6-1）表6-2 功率测量数据表测量次数123456平均值电压Um（V）6.9287.2117.2116.6336.6337.2117.071功率（W）0.120.130.130.110.110.130.125经过实测，功率只有这么大，但用接收机能在几十米远处接收到信号，且信号比较清晰。如再接丙类功放会有更好的效果，距离也可达到更远。6.2.2 性能分析我设计的数字立体声调频发射机可在87.094MHz范围内任意设置发射频率；最大不失真输出功率100 mW（负载阻抗50），发射距离优于50米；PLL锁相频率控制发射；可以用普通的调频收音机收听节目；可应用于学校室内无线广播教学、电视现场等场所。用BH1417F设计的小功率调频发射机不仅设计简单，而且频率设定灵活，可有效的避开当地调频台的干扰，可应用于室内广播、电视伴音转发等小范围的无线调频转播。因为发射的频率变化范围较大，而功率放大级没有设计选频回路，因此工作时功率管较热。 由于变容二极管的容值变换范围小了,所以频率范围为: 86MHz 94MHz。当然可以通过改变与之并联的电感器的大小来改变频率范围,但是这样比较麻烦,而且减小L的值只能使发射频率范围上升到另一个带宽一样的频段内，还是不能覆盖88108MHz。所以解决问题的最好方法就是换一个变化范围大的变容二极管。总 结1. 主要工作本设计以调频发射芯片BH1417F为核心，对功率放大电路以及电