立体声音箱无线传输系统的设计.docx

1、立体声音箱无线传输系统的设计Stereo speakers wireless transmission system摘 要本文以CD4046芯片、TDA7000收音机集成芯片为基础，构造了一款立体声音箱的传输系统。本文设计制作了两个发射电路组成的发射系统，并分别对这两个发射电路进行了调试，采用锁相环技术使之在发射过程中的两列载波形成相位差，从而达到立体音效。为制作方便，解调电路中的还原声音部分直接采用TDA7000收音机集成电路。调制与解调部分采用红外无线传输方式构造成的传输系统，避免了设备连接线连接时的突兀杂乱，影响视觉效果和家居环境。本设计采用红外线传输，在短距离传输下，既可以达到传输目的

2、，又具有抗干扰能力强、高速可靠、无电磁污染、价格低廉、性价比高、不受国家限制、工作频率较高等特点，作为家庭影院的无线传输方式是一种非常理想的选择。本文在设计制作过程中还考虑了成本问题，以便达到经济又可靠的效果。 关键词：立体声音箱；无线传输；TDA7000 目 录 1引言1.1 课题的研究背景无线通信技术 1.1.1 无线通信技术的定义1.1.2 无线通信技术的分类1.1.3无线音箱的运用及意义1.2 研究课题的目的及意义1.3 研究课题的主要任务1.4 论文结构2 电路的基本原理2.1 无线传输系统2.1.1 PFM 调制2.1.2 PFM 调制技术的运用2.2 无线传输方式的选择2.3 红

3、外辐射及近红外光谱分析2.4 红外光发射方式及红外发、收系统的组成3 调制与解调电路的设计3.1 系统设计的基本思路3.2 发射部分3.2.1 驱动电路3.2.2 发光二极管及它的简单测试3.3 接收部分3.3.1 红外线接收光电变换器3.3.2 光敏二极管及它的简单测试3.3.3 红外接收放大器3.3.4 本设计采用的方案3.4 PFM 的调制3.4.1 锁相环的介绍3.4.2 锁相环的基本组成3.4.3 锁相环的工作原理3.4.4 锁相环的运用3.4.5 CD4046 数字集成锁相环的工作原理3.4.6 CD4046 的引脚及内部结构图3.4.7 CD4046 典型应用电路3.5 PFM

4、的解调3.5.1 TDA7000 的内部结构3.5.2 TDA7000 的参考数据和主要指标3.6 本设计采用的方案4 功率放大电路4.1 功率放大电路4.1.1 功率放大电路的定义4.1.2 功率放大电路与电压放大电路的区别4.1.3 功率放大电路的特殊问题4.2 功率放大电路的工作状态分类4.3 提高效率的主要途径4.4 功率 BJT 的选择4.5 单电源互补对称电路4.6 本设计采用的方案结 论参考文献致 谢附录：1、电路图2、PCB图1 引 言1.1 课题的研究背景无线通信技术 1.1.1 无线通信技术的定义无线通信(Wireless communication)是利用电磁波信号可以在

5、自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。早在1897年，马可尼使用800KHZ中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的线无电报通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。在无线通信初期，受技术条件的限制，人们大量使用长波及中波进行通信。20世纪20年代初人们发现的短波通信，直到20世纪 60 年代卫星通信兴起前，它一直是远程国际通信的重要手段，并且目前对应急通信和军用通信依然有一定实用价值。近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。 1.1.2 无线通信技术的分类主要可分为三类：扩展频谱技术、窄频微波技术以及红外线技术。其中扩频通信技术应用最广，其基本特征

6、是采用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码对载有信息数据的基带信号频谱进行扩展， 形成宽带低功率谱密度的信号然后进行发射。扩频通信技术在发射端以扩频编码进行扩频调制，在接收端以相关的解调技术接收信号。 因此， 具有抗干扰性强、隐蔽性好、易实现码分多址和抗多径干扰等优点。扩频技术主要包括直接序列扩频技术和跳频技术两种方式。其中，直接序列扩频的主要特点是易于隐蔽，它利用具有高码率的扩频码系列，采用各种调制方式在发射端扩展信号频谱，而在接收端用相同的扩频码序进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息，从而有效地提高了整机信噪比。而跳频技术则是载波频率在一个由编码序列控制下产生的图案内离散地跳变，

7、跳频信号可看成是载波频率按随机图样跳变的调制脉冲序列。微波扩频通信的工作频带最终将统一在 2.4GHz 的频带，带宽为83MHz。在窄频微波技术调制方式中，数据基带信号的频谱不做任何扩展，直接采用射频方式发射出去。与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高。采用窄带调制方式的无线局域网一般选用专用频段，需要经过国家无线电管理部门的许可方可使用。当然也可选用ISM频段，这样可免去向无线电管理委会申请，但带来的问题是，当临近的仪器设备或通信设备也在使用这一频段时，会严重影响通信质量，通信的可靠性无法得到保障。窄带无线电系统在特定的无线电频率上传输和接收用户信息，对于非期望通信信道之间

8、的串扰，可通过仔细调整在不同信道频率上的不同用户来避免。基于红外线的信息传输技术最近几年也有了很大发展。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用红外线传输技术。 基于红外线的信号传输方式的最大优点是这种传输方式不受无线电干扰，且红外线的使用不受国家无线电管理委员会的限制。红外系统使用甚高频传送数据，在电磁频谱中仅次于可见光。但是，红外光不能穿透非透明物体，其通信信道只能是直射或散射方式。因而，基于直射红外线技术的信息传输距离十分有限，通常只用于特定的无线局域网中。移动用户使用高性能直射红外系统是不实际的，一般只用来实现固定子网络。散射或反射式红外无线局域网系统不需要直射，但是个人用户空间单元十分有

9、限。1.1.3无线音箱的运用及意义自上世纪90年代中，世界著名音响制造商美国雷克顿公司成功地推出了无线音响系统以来，无线音箱又有了许多进步，现在市面上已经出现了许多无线音箱，它们使用的技术几乎都是基于2.4GHz ISM(Industry ScienceMedicine,工业/科学/医疗)这一全世界公开通用的无线频段。从设计上来看主要分为两种，一种是使用特定发送装置，并在音箱上装配相应接受装置的产品。另一种则是以蓝牙A2DP(Advance Audio Distribution Profile)协议为基础的产品。前一类产品支持点对点或点对多点的传输模式，并具有多个可选的频点。为避免在2.4GH

10、z公共频段上容易出现的干扰对音质的影响，这类产品通常具有频点选择功能(俗称“跳频”功能)，如果在工作过程中出现较大噪音，即在当前频点存在干扰影响输出音质时，可选择新的工作频点，以保持产品良好的使用效果。无线音频传输模块产品包括发送和接收两个模块，发送模块被植入音源设备或做成独立的发送装置与音源设备相连，通过无线传输技术在接收模块一端接收音频数据，并通过解码、校验等处理，输出高品质的立体声音频数据。不过，它的缺点在于无法和流行的蓝牙音频设备进行连接。后一类产品通过蓝牙A2DP协议进行无线音频信号传输，同样具有“跳频”功能，更适合与同样支持A2DP协议的音源设备相连(如蓝牙音乐手机)。A2DP协议

11、能够让两个同样支持蓝牙音频传输的装置互相连接，无论是蓝牙1.1或1.2版，都能传输16bits,44.1kHz CD音质的音频信号。1.2 研究课题的目的及意义生活离不开音乐，如今的生活，音乐随处即享。音箱，在我们日常生活中随处可见。如果我们把显示器比喻成多媒体设备的眼睛，那么音箱就是多媒体设备的嘴巴。音箱给我们带来美妙的声音，质量好的音箱不仅仅使声音播放效果良好，更重要的是，它能将电影以及音乐中所有的能量和激情全部传递给你，让你有身临其境的感觉。随着多媒体技术的发展，音箱从最初的2.0双声道发展到现在的7.1声道。从单一的“发声器”发展到时下的多媒体用途，从普通的立体声音效技术发展到目前的D

12、TS、EAX4、THX等复杂的环绕音效技术，跟随这些进步而来的却是大量繁杂如蜘蛛网般的连线。为音箱布线时候既要考虑音箱的摆位，还得考虑线路的问题，有时甚至不得不穿墙凿壁。还有另一个不便在于，当我们要在阳台或客厅欣赏电脑中的音乐时，要怎么做呢？将电脑旁的音箱音量调大，让声音跨越房间“飘”到耳朵里?这样恐怕会严重干扰到他人。随着人们生活水平不断提高，在选择各种家电产品的时候，己经从简单的使用需要逐渐向简洁、美观、个性化发展，显然传统音箱繁复的连线显然无法满足人们对简约、时尚的追求。但无线传输技术出现，使得人们向无线领域迈进，逐渐摆脱连接线或是传输线缆的束缚。1.3 研究课题的主要任务本论文是根据本

13、人在大学专科两年的专业基础知识的学习基础上， 结合所学的低频电路、高频电子线路及其他专业基础知识，借鉴在日常生活中广泛使用的无线传输技术，对立体声音箱的无线传输方面进行的设计研究。本论文结合大学教师所教授的高频电子线路的基础知识，在老师的指导下，具体对立体声音箱的无线传输方式进行设计、制作，以达到实现预期效果的目的。并具体探讨了立体声音箱的无线传输系统的工作原理、系统设计方法、传输的稳定性、制作的性价比，以及设计的产品普及性。1.4 论文结构第一章 论述了无线通信技术的定义、技术范围及发展、特点和应用领域、及课题的目的及意义等；第二章 论述总结了电路的基本原理、设计思路、PFM调制技术及运用、

14、无线传输方式等；第三章 是本论文的重点，讨论了无线传输系统中调制/解调电路的设计方法、局部电路的方案选择、所用集成电路 （CD4046、TDA7000）及相关知识回顾和介绍等；第四章 也是本论文的重点，重点介绍了功率放大器的类型、工作状态等关理论及运用。第五章 作为本课题的难点，在这章中介绍所设计的电路的调试过程、所遇到的难题及解决难题的心得体会等。最后，还对本次论文进行了概括性总结。2 电路的基本原理 2.1 无线传输系统无线传输系统必然有发射部分和接收部分组成，在发射与接收间采用无线方式传送数据。2.1.1 PFM 调制PFM：（Pulse frequency modulation) 脉冲

15、频率调制，一种脉冲调制技术，调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM也叫做方波FM2.1.2 PFM 调制技术的运用脉冲频率调制(PFM)是一种转换方法，通常被应用于DC-DC转换器来提高轻负载效率。在TI提供的产品说明书中，PFM也被称作“节电” 模式。工作在节电模式下的转换器在轻负载电流条件下使用PFM 模式，在较重负载电流条件下使用脉冲宽度调制(PWM)模式。这种工作模式使转换器可以在宽泛的电流输出范围内均保持极高的效率。 脉冲频率调制(PFM)方式具有调频特性，可望有较高的传输信噪比，而且信号的脉冲形式便于中继传输、再生整形，

16、因而既可放宽对系统线性的容限要求，又可获得较好的抗干扰能力。脉冲频率调制(PFM)以传输性能远优于基带直接光强调制及成本远低于脉冲编码调制而在光纤通信中得到广泛的应用。2.2 无线传输方式的选择无线传输接入技术的标准不是统一的，目前比较流行的卧议标准主要有IEEE 80211系列标准、Bluetooth蓝牙标准、IrDA标准、Home RF家庭网络标准和HiperLhN2标准等。虽然标准众多，但大致可分为两大发展方向：以高速传输应用发展为主的IEEE 802.11 b标准、IEEE 80211 a标准和IrDA标准；以低速短距离的应用为主的B1uetooth蓝牙标准和Home RF家庭网络标准

17、。不同的协议标准具有不同的特点，适用于不同的应用场合。结合不同技术的优缺点及所用用环境，我采用红外线传输方式。IrDA标准是由红外线数据协会推出的一种短距离通信标准，基于IrDA协议的红外通信技术是一种利用红外线作为通信介质， 能够实现红外通信设备之间点到点的数据传输方式。它的特点是，传输距离10m以内，音质较好，红外信号基本不受电磁干扰、价格低廉、性价比高、不受国家限制、工作频率较高，典型的波长范围为800 900nm；数据传输速率高，已经由原来FIR(Fast Infrared)的4Mbits提高至UVIFR 的16Mbits，欧洲现已推出了622Mbits的宽带传输系统；所用技术和频率不

18、受限制，但是收发信机之问不能有障碍物。IrDA标准适用于传输速率高、移动范围小、价格比较低的设备，这些优缺点符合本电路的要求。2.3 红外辐射及近红外光谱分析红外线也叫红外辐射或红外光，是一种电磁波，肉眼是看不见的，位于可见光红光外端，红外光是波长比红色光的波长（0.76m）还长的光波，在绝对零度 (-273)以上的物体都辐射红外能量，是红外测温技术的基础。红外光谱，以波长或波数为横坐标，以强度或其他随波长变化的性质为纵坐标，所得到的反映红外射线与物质相互作用的谱图。按红外射线的波长范围，将电磁波波谱中间隔为 0.761000m 的波谱段称为红外光谱区。一般把红外光谱分为四个区域，即近红外（0

19、.761.60m）、中红外（3.06.0m）、中远红外（6.020m）和远红外（201000m）区。对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光，可得到红外发射光谱，物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成；对被物质所吸收的红外射线进行分光，可得到红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，它是一种分子光谱。分子的红外吸收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱，但都是线状光谱。实际上，目前在工业或民用的红外光探测/遥控的光源，主要基于如下理由：（1）一般的接收用的光电二极管、光敏三极管大都采用硅（Si）半导体材料制作而成，这类管的接收峰值波长为780 1550

20、nm ，即管子对波长为7801550nm 的红外光的探测灵敏度最高。（2）红外光发射器件，尤其是采用 GaAs、AlGaAs或GaInAsP等半导体材料制作的红外发光二极管（英文缩写为IRED），其发射波长在 8801700nm 范围内，这与Si光电接收器件（包括发光二极管、光敏三极管）的响应波长匹配，使探测灵敏度高，工作效率高。2.4 红外光发射方式及红外发、收系统的组成使用红外发光二极管获得近红外光是相当简便的。 红外发光二极管是一种由PN结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压后，就可以发出 一定波长的近红外光。除直流电流驱动方式外，发光二极管（英文缩写为LED）还有交流电流

21、驱动方式和脉动电流驱动方式等。交流电流驱动方式主要用于红外测量、检测及较简单的红外光通信等电路中。对红外光通信（包括红外激光通信）来说，调制频 率、调制带宽是重要的通信指标。 在红外探测/遥控系统中，对红外发光二极管一般不采用图 2-1（a）所示的恒流直流驱动方式，即平均发射方式，而采用脉动电流驱动发射方式，即脉冲式红外光发射方式，如图 2-1（b）所示。 图 2-1 红外光平均发射和脉冲式发射示意图平均发射方式是指通过启动直流供电电源直接驱动发光二极管发出恒定的 红外光。红外发光二极管的功率一般较小（大都小于 100mW），而平均发射方式的功耗较大，且抗干扰能力较差。为了提高红外探测/遥控系

22、统的作用距离，而又不使红外发射管过载，一般 不采用平均发射方式，而采用脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式。红外探测/遥控系统的有效作用距离取决于发射二极管辐射的峰值功率，而峰值功率是由馈给发光二极管的电流峰值功率所决定的。峰值功率越大，驱动电 流的平均值越小，而发光效率就越高。脉冲发射方式或调制载波发射方式可使红外发射管的平均功率减小，而提高系统的有效作用距离，且大大提高了红外探测或遥控系统的抗干扰能力。 图 2-2 是红外光探测/遥控系统的基本组成框图。图2-2红外光探测/遥控系统的基本组成框图在图2-2（a）所示的红外光反射电路中，编码波形发生器产生一定占空比的 脉冲信号，经驱动级放大后驱

23、动红外发光二极管，使其发射出一列等幅的红外光脉冲信号。发射脉冲编码信号课降低功耗，提高发射效率。 图2-2（b）所示电路为红外接受电路。光电探测器（红外光电二极管或光敏 三极管）用来将接收到的红外脉冲信号转换成相应的电信号。接收光电管在没收到红外光信号时，光电管中流过的电流很小，即只有很小的“暗电流”，负载上无电脉冲信号输出；当有红外光脉冲信号照射时，光电管的内阻急剧减小，电流增大，并在负载电阻上得到相应的电脉冲信号。由于检测出的信号微弱，需要经高增益电压放大器放大，然后经整流滤波电路后输出正极性脉冲信号，加至触发电路（如双稳态触发器），使触发器可靠翻转，并输出规范的控制信号，驱动执行机件动作

24、。执行机件可以是继电器、可控硅器件或音响电路等。3 调制与解调电路的设计3.1 系统设计的基本思路无线传输体统包括发射和接收两大部分，其基本原理是音频中的信号用小功率无线发射器发射，然后用有源音箱加无线接收器完成无线传输模式。而形成这种方式的传输，必须经过调制和解调两个过程。设计框图如图 3-1 所示。图 3-1设计框图3.2 发射部分3.2.1 驱动电路众所周知，采用无线方式传输时，信号必须调制到高频率的载波上才能发射出去，以提高传输的抗干扰能力；发光二极管工作也需要施加正向偏置电压以提供驱动电流。电路如图 3-2 所示。图3-2 红外发光二极管驱动电路3.2.2 发光二极管及发光二极管的检

25、测发光二极管（LED）是一种注入电致发光器件,它由P型和N型半导体组成而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光。红外发光二极管的检测：A判别红外发光二极管的正、负电极。红外发光二极管有两个引脚，通 常长引脚为正极，短引脚为负极。因红外发光二极管呈透明状，所以管壳内的电 极清晰可见，内部电极较宽较大的一个为负极，而较窄且小的一个为正极。B将万用表置于 R×1k 挡，测量红外发光二极管的正、反向电阻，通常，正向电阻应在30k左右，反向电阻要在 500k以上，这样的管子才可正常使 用。要求反向电阻越大越好。3.3 接收部分3.3.1 红外线接收光电变换器红外线接收光电变换器就是

26、将红外线传递的光学信息变换为电学信息，变换器常由光源、光学系统、光电传感器、偏执电路和处理电路等构成。3.3.2 光敏二极管及它的简单测试红外接收二极管的检测： A 识别管脚极性(a)从外观上识别。常见的红外接收二极管外观颜色呈黑色。识别引脚时，面对受光窗口，从左至右，分别为正极和负极。另外，在红外接收二极管的管体 顶端有一个小斜切平面，通常带有此斜切平面一端的引脚为负极，另一端为正极。(b)将万用表置于R×1k挡，用来判别普通二极管正、负电极的方法进行检查，即交换红、黑表笔两次测量管子两引脚间的电阻值，正常时，所得阻值应为一大一小。以阻值较小的一次为准，红表笔所接的管脚为负极，黑表

27、笔所接的管脚为正极。B 检测性能好坏。用万用表电阻挡测量红外接收二极管正、反向电阻，根据正、反向电阻值的大小，即可初步判定红外接收二极管的好坏。3.3.3 红外接收放大器所谓红外接受放大器，就是将红外光敏二极管接受的光信息进行放大的电路，红外光敏二极管接受的信号较弱，所以要将其进行放大，再送入选频网络中，便于信号的选择。3.3.4 本设计采用的方案根据上述理论，本设计采用2个红外光电二极管接受接收红外光信号，再对信号进行放大。如图 3-3 所示。图 3-3 红外光电二极管接收放大电路3.4 PFM 的调制3.4.1 锁相环的介绍相位自动控制系统称为锁相环路，是一个闭合的反馈控制系统，广泛运用于

28、电子技术领域。它是现代通信的重要组成部分，正朝着集成化、多用话、数字化的方向发展。它具有以下五个特点：a、具有频率准确跟踪性能；b、具有良好窄带高频跟踪性能（载波跟踪型）；c、具有良好的带通滤波性能（调制跟踪型）；d、具有良好门限效应；e、易集成化；3.4.2 锁相环的基本组成锁相环路主要由电压控制振荡器（简称压控振 VCO）、鉴相器、低通滤波器和参考频率源（晶体振荡器）所组成。如图 3-4 所示。图3-4 锁相环路的基本框图压控振荡器（VCO）：是在振荡电路中采用压控原件作为频率控制器件。事实上就是一种电压/频率变换器。鉴相器：鉴相器是锁相环路中关键部件，它的形式很多，但在频率合成器中 采用

29、的鉴相器主要有正弦波相位检波器与脉冲取样保持相位比较器两种。低通滤波器：在锁相环路中，常见的低通滤波器主要有RC滤波器、无源比率积分滤波器（超前滞后网络）和有源比率积分滤波器三种。 参考晶体振荡器：VCO的输出频率稳定度由参考晶体振荡器所决定。3.4.3 锁相环的工作原理如图 3-4 所示，当压控振的频率Fv 由于某种原因而发生变化时， 必然相应地产生相位变化。这个相位变化在鉴相器中与参考晶体振荡器的稳定相位（对应于频率?R）相比较，使鉴相器输出一个与相位误差成比率的误差电压d(t),经过低通滤波器，取出其中缓慢变动的直流电压分量c(t)。c(t)用来控制压控振荡器中的压控元件数值（通常是变容

30、二极管的电容量），而这压控元件又是VCO振荡回路的组成部分，结果压控元件电容量的变化将VCO的输出频率Fv 又拉回到稳定值上来，这样，VCO的输出频率稳定度即由参考晶体振荡器所决定。这时我们称环路处于锁定状态。锁相环路锁定后，两个信号频率相等，但两者之间存在恒定的相位差（稳态相位差）稳态相位差经过鉴相器转变为直流误差，通过低通滤波器去控制VCO，使v 与R同步。在闭环条件下，如果由于某种原因使VCO的角频率v发生变化,设变动量为，那么由(t)=(t)dt+0 可知，这个信号之间的相位差不再是恒定值，鉴相器的输出电压也就跟着发生相应的变化。这个变化的电压使VCO的频率不断改变，直到R=V为止，这

31、就是锁相环路的基本原理。3.4.4 锁相环的运用锁相环广泛运用于电子领域，根据它的跟踪特性、滤波特性、锁定状态无剩余频差存在、易于集成化等一些重要特性。我们跟制作成窄带跟踪接收机（锁相 接收机）、调幅信号的解调、振荡器的稳定与提纯、倍频器和分频器及相关应答器等仪器。3.4.5 CD4046 数字集成锁相环的工作原理CD4046是通用的CMOS 锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为 3V18V），输入阻抗高(约 100M)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为 600W，属微功耗器件。CD4046锁相的意义是相位同步的自动控制,功能是完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做

32、锁相环,简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）。低通滤波器三部分组成,如下所示。图 3-5 CD4046 的内部结构图CD4046工作原理：输入信号 Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器、的输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压U则反映出两者的相位差。U经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进

33、入相位比较器，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2=f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器工作，过程与上述相同，不再赘述。3.4.6 CD4046 的引脚及内部结构图内部结构图如图 3-5 所示，3-7 是 CD4046 的引脚排列， 图采用16脚双列直插式，表3-1是各管脚功能。图 3-7 CD4046 的引脚排列图3.4.7 CD4046 典型应用电路A、 用 CD4046 构造信号调制电路连接电路图如图 3-8 所示。频率的调制取决于 R1、R2、C1。图 3-8 CD4046 的引脚排列图B、用 CD4046 的 VCO 组成的方波发生器当其 9

34、脚输入端固定接电源时，电路即起基本方波振荡器的作用。振荡器的充、放电电容C1接在6脚与7脚之间，调节电阻 R1 阻值即可调整振荡器振荡频率，振荡方波信号从4脚输出。如图 3-9 所示。图 3-9 CD4046 的VCO方波发生器C、用 CD4046 构造解调电路音频信号经放大器放大后用交流耦合到锁相环的14脚输入端环路的相位比较器采用比较器，因为需要锁相环系统中的中心频率 f0等于调频信号的载频，这样会引起压控振荡器输出与输入信号输入间产生不同的相位差，从而在压控振荡器输入端产生与输入信号频率变化相应的电压变化，这个电压变化经源跟随器隔离后在压控振荡器的解调输出端10脚输出解调信号。如图3-1

35、0所示。图 3-10 用 CD4046 构造解调电路3.5 PFM 的解调3.5.1 TDA7000 的内部结构TDA7000是便携式单片单声道调频收音机集成电路，最重要的是它对周边元 件数最少，同时它还有体积小、费用低等特点。TDA7000内部包含本机振荡器、混额器、两级有源滤波放大器、中频限幅放大器、 鉴相器、 校正器和静噪电路等。其内部结构图如图 3-11 所示。图 3-11 TDA7000 内部结构图3.5.2 TDA7000 的参考数据和主要指标表 3-2 TDA7000 的参考数据参考数据（pin5）符号参数范围电源电压范围(pin 5)VP2.7 to10 V供应电流 VP =

36、4、5 VIPTyp. 8 mA射频输入频率范围frf1.5 to 110 MHz3分贝敏感性限制 （e.m.f.电压）源阻抗:75EMFtyp. 1.5V信号处理(电压)(源阻抗:75）EMFTyp.200mV输出电压V10V表3-3 TDA7000 的主要指标主要指标符号参数范围电源电压A.F. RL = 22 KVPTypTo75mV振荡器电压 (pin 6)V6-5VP 0.5 to VP 0.5 V总耗散功率Ptot图 3-12 功率降额曲线图 3-12 功率降额曲线3.6 本设计采用的方案本设计采用CD4046数字锁相环集成电路制作无线传输系统的调制部分， 再采用TDA7000调频

37、收音机集成电路作无线传输系统的解调部分。如图3-13所示。（a） 调制部分 （b）解调部分图 3-13 设计的调制与解调系统4 功率放大电路4.1 功率放大电路4.1.1 功率放大电路的定义功率放大器分为高频功率放大器和低频功率放大器，其主要区别在于两者的工作频率范围和所需通过的频带宽度有所区别，所以采用的负载也不相同。低频 放大器的工作频率低，但整个工作频率宽度很宽，例如2020000Hz，高低频率的极限相差达1000倍，所以它们都是采用无调谐负载，例如电阻、有铁芯的变压器等。高频放大器的中心频率一般在几百千赫兹至几百兆赫兹，但所需通过的频率范围（频带）和中心频率相比往往是很小的，或者只工作

38、于某一种频率， 因为一般都是采用选频网络组成谐振放大器或者非谐振放大器。所谓谐振放大器，就是采用谐振回路（串、并联及耦合回路）作负载的放大器。谐振放大器不仅有放大作用，还有滤波和选频的作用。谐振放大器又可分为调谐放大器（通常称高频放大器）和频带放大器（通常称中频放大器）。前者的调谐回路需对外来不同的信号频率进行调谐；后者的调谐回路的谐振频率固定不变。4.1.2 功率放大电路与电压放大电路的区别放大电路实质上都是能量转换电路。从能量控制的观点来看，功率放大电路 和电压放大电路没有本质的区别，但是功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务不同。对电压放大电路的主要要求是使其输出端得到不失真的电压信号

39、，讨论的主要指标是电压增益、输入和输出阻抗等，输出的功率并不一定大。而功率 放大电路则不同，它主要要求获得一定的不失真（或失真较小）的输出功率。4.1.3 功率放大电路的特殊问题如前所述，功率放大电路不同于电压放大电路，因此功率放大电路包含着一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题，这些问题是：A、要求输出功率尽可能大为了获得大的功率输出，要求功放管的电压和电流都有足够大的输出幅度，因此器件往往在接近极限运用状态下工作。B、效率更高由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存在一个效率问题。 所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功率的比值。 这个比值越大，意味着效率越高。

40、C、非线性失真要小功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重，这就使输出功率和非线性失真成为一对这要矛盾。但是，在不同场合下，对非线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得很重要，而在工业控制系统等场合中， 则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求就降为次要问题了。D、功率器件的散热问题在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的集电结上，使结温和管壳 的温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足够大的功率，放大器件的 散热就成为一个重要问题。此外，在功率放大电路中，为了输出较大的信号功率，器件承受的

41、电压要高，通过的电流要大，功率管损坏的可能性也就比较大，所以功率管的损坏与保护问题也不容忽视。4.2 功率放大电路的工作状态分类（a） 甲类放大在一个周期内 ic>0（b） 甲乙类放大在一个周期内有半个周期以上 ic>0 (c) 乙类放大在一个周期内只有半个周期 ic>0 图 4-1 Q点下移对放大电路动作状态的影响在电压放大过程中，输入信号在整个周期都有电流流过放大器件，这种工作方式通常称为甲类放大； 在整个周期中有半个周期有电流流过放大器的工作方式称为乙类放大； 而在整个周期中有半个周期以上电流流过放大器的工作方式称为甲乙类。在其典型的工作状态如图 4-1 所示。4.3

42、提高效率的主要途径由甲类放大电路可知，静态电流是造成管耗的主要因素。当 iC0，电路中，电源始终不断地输送功率，在没有信号输入时，这些功率全部消耗在器件（和电阻）上，并转化为热量的形式耗散出去，当有输入信号时，其中一部分转化为有 用的输出功率，信号越大，输出给负载的功率越多。甲类放大电路的效率很低。如果把静态工作点Q向下移动，使信号等于零时电源供给的功率也减小，甚至为零，信号增大时电源供给的功率也增大，这样电源供给功率及管耗都随着输出功率的大小而变，从而改变了甲类放大时效率低的问题。甲类和甲乙类放大都能减小静态功耗、提高效率，但都出现了严重的波形失真。因此，既要保持静态时管耗，又要使失真不太严

43、重，这就需要在电路结构上采取措施。4.4 功率 BJT的选择若想得到最大输出功率，功率 BJT 的参数必须满足下列条件：A、每只 BJT 的最大允许管耗PCM必须大于 0.2Pom。B、考虑到当 T2 导通时，-vCE20，此时vCE1具有最大值，且等于2Vcc。因此，应选用V(BR)CEO>2Vcc 的功率管。 C、通过功率BJT 的最大集电极电流为 Vcc/RL,所选功率BJT 的ICM一般不宜低于此值。4.5 单电源互补对称电路双电源互补对称电路需要两个正负独立电源，因此有时很不方便。当仅有一 路电源时，则可采用单电源互补对称电路。它有时又被称为无输出变压器电路， OTL电路（Ou

44、tput Transformer Less）。运用这种单电源互补对称电路在家庭电 路中具有很大的现实意义。4.6 本设计采用的方案根据上述原理本设计采用选择了相适应的三极管，采用甲乙类互补功率放大电路进行功率放大，和单电源互补对称电路。如图4-2所示。图 4-2 单电源互补对称功率放大电路。5 调 试5.1 调试的一般过程实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装，往往也难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观因 素（如元件值的误差，器件参数的分散性,分布参数的影响等），必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足，然后采取措施加以改进，使

45、装置达到预定的技术指标。因此，调试电子电路的技能对从事电子技术及其有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。电路调试的一般过程为：A、先检查确定下电路连线是否正确，是否有虚焊、漏焊的点、线等。 B、通电观察：通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出 现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。C、静态调试：静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于

46、临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。D、动态调试：动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。测试过程中不能凭感觉和印象，要始终借助仪器观察。使用示波器时，最好把示波器的信号输入方式置于“DC”挡，通过直流耦合方式，可同时观察被测信号的交、直流成分。通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标（如信号的幅值、波形形状、相位关系、增益、输入阻抗和输出阻抗等）是否满足设计要求，如必要，再进一步对电路参数提出合理的修正，在调试

47、过程中也做好记录。5.2 调试的常见故障和解决方法故障是不期望但又是不可避免的电路异常工作状况。所以我们必须要学会分析、寻找和排除故障对于一个复杂的系统来说，要在大量的元器件和线路中迅速、准确地找出故 障是不容易的。一般故障诊断过程，就是从故障现象出发，通过反复测试，做出分析判断，逐步找出故障的过程。A、常见的故障现象：放大电路没有输入信号，而有输出波形。放大电路有输入信号，但没有输出波形，或者波形异常。串联稳压电源无电压输出，或输出电压过高且不能调整，或输出稳压性能变坏、输出电压不稳定等。振荡电路不产生振荡。计数器输出波形不稳，或不能正确计数。收音机中出现“嗡嗡”交流声和“啪啪”的汽船声等。

48、以上是最常见的一些故障现象，还有很多奇怪的现象，在这里就不一一列举了。B、产生故障的原因故障产生的原因很多，情况也很复杂，有的是一种原因引起的简单故障，有的是多种原因相互作用引起的复杂故障。因此，引起故障的原因很难简单分类。 这里只能进行一些粗略的分析。a、对于定型产品使用一段时间后出现故障，故障原因可能是元器件损坏，连线发生短路或断路（如焊点虚焊，接插件接触不良，可变电阻器、电位器、半可变电阻等接触不良，接触面表面镀层氧化等），或使用条件发生变化（如电网电压波动，过冷或过热的工作环境等）影响电子设备的正常运行。b、对于新设计安装的电路来说，故障原因可能是：实际电路与设计的原理 图不符；元器件

49、使用不当成损坏；设计的电路本身就存在某些严重缺点，不满足技术要求；连线发生短路或断路等。c、仪器使用不正确引起的故障，如示波器使用不正确而造成的波形异常或无波形，接地问题处理不当而引入干扰等。d、各种干扰引起的故障。C、 检查故障的一般方法波器使用不正确而造成的波形异常或无波形，共地问题处理不当而引入查找故障的顺序可以从输入到输出，也可以从输出到输入。查找故障的一般方法有：、a、直接观察法直接观察法是指不用任何仪器，利用人的视、听、嗅、触等作为手段来发现问题，寻找和分析故障。直接观察包括不通电检查和通电观察。检查仪器的选用和使用是否正确；电源电压的等级和极性是否符合要求；电 解电容的极性、二极

50、管和三极管的管脚、集成电路的引脚有无错接、漏接、互等情况；布线是否合理；印刷板有无断线；电阻电容有无烧焦和炸裂等。通电观察元器件有无发烫、冒烟，变压器有无焦味，电子管、示波管灯丝是否亮，有无高压打火等。此法简单，也很有效，可作初步检查时用，但对比较隐蔽的故障无能为力。b、用万用表检查静态工作点电子电路的供电系统，半导体三极管、集成块的直流工作状态（包括元、器 件引脚、电源电压）、线路中的电阻值等都可用万用表测定。当测得值与正常值 相差较大时，经过分析可找到故障。c、信号寻迹法对于各种较复杂的电路 可在输入端接入一个一定幅值 适当频率的信号（例如，对于多级放大器，可在其输入端接入f1000 Hz

51、的正弦信号），用示波器由前级到后级（或者相反），逐级观察波形及幅值的变化情况，如哪一级异常， 则故障就在该级。这是深入检查电路的方法。d、对比法怀疑某一电路存在问题时，可将此电路的参数与工作状态和相同的正常电路的参数（或理论分析的电流、电压、波形等）进行一一对比，从中找出电路中的不正常情况，进而分析故障原因，判断故障点。f、部件替换法有时故障比较隐蔽，不能一眼看出，如这时你手头有与故障仪器同型号的仪器时，可以将仪器中的部件、元器件、插件板等替换有故障仪器中的相应部件，以便于缩小故障范围，进一步查找故障。g、旁路法当有寄生振荡现象，可以利用适当客量的电容器，选择适当的检查点，将电容临时跨接在检查

52、点与参考接地点之间，如果振荡消失，就表明振荡是产生在此 附近或前级电路中。否则就在后面，再移动检查点寻找之。应该指出的是，旁路电容要适当，不宜过大，只要能较好地消除有害信号即可。5.3 调试过程中遇到的实际问题和解决方案在完成发射部分的电路焊接后，进行对发射电路的调试，首先测量电源及稳压管的输入电源是否正常，检测正常后，测试CD4046的工作状况，在检测中发现有一个CD4046锁相环路的压控振荡器不起振。在测试其各管脚电压值时发现，所接管脚的得电压基本正常，独11管脚处的电压为零，初步判断为该管脚处有问题，断电后参照原理图检查电路，后发现CD4046的11管脚的外接电阻没有接地。查到错后，将该线连上，再将电路整体检查一遍线路。没发现错误后，继续通电调试，CD4046正常起振。继续检查时发现信号到最后功率放大这一环节中消失了，而此前的信号都正常。初步判断是功率放大三极管处的问题，断电后将该三极管独立出来，检查该 三极管是否损坏，测试中发现，三极管没有损坏，但检查中发现，该三极管的管脚封装并不是按常规的三极管封装一样从左至右为“e、b、c”（即发射极、基 极、集电极）分布，它的基极（b）在旁边。卸下重焊后，输出正常。电路的发射部分调试完毕。在调试接收电路的中，一开始就