数控校园调频发射机

1、数控校园调频发射机 学院 (BH1415F 数控锁相环全频段校园调频立体声发射机) 学院 第 2 页 共 50 页 . .3 . .3 .4 1.1 设计任务.4 1.2 设计要求.4 1.3 系统应用扩展.?. .5 . . .6 2.1 单片机控制方案的选择.7 2.2 调频调制发射方案的论证.9 2.3 电源模块方案的选择.9 2.4 天线的选择.9 2.5 音频输入模块.9 .9 3.1 系统整体概述及功能框图.11 3.2 系统各局部电路设计. .11 3.2.1 单片机概述及控制模块设计. .11 3.2.2 调频调制发射和功率放大电路设计. . .12 3.2.3 电源模块设计.

2、17 3.2.4 天线模块设计. .19 3.2.5 音频输入模块设计. .20 .20 4.1 系统主流程图.20 4.2 子程序流程图.21 4.3 输入信号调频调制发射流程图. .22 . . .22 5.1 调试所用的根本仪器清单. . . .22 5.2 组装、调试. . . . . .22 5.3 数据分析及系统整体性能评估.23 . . .25 . . . . . . . . . . .26 . . .26 . . . . . . . . . .28 学院 第 3 页 共 50 页 数控校园调频发射机的用途很多,该系统广泛应用于工厂、学校、小区、村镇组建的无线调频 播送电台、无线

3、通讯工程、无线报警、监听、数据传输、车载 DVD、车载 DVB-T、车载电视盒、车 载液晶电视、车载广告机、车载 GPS、车载数字电视、车载硬盘播放器、车载 MP3、家用数字电视 机顶盒、 无线录音转发、专业远距离无线调频传声器、笔记本计算机等的无线音频适配器、调 频播送发射器前级、FM 发射机、通用型无线耳机、通用型无线音箱上、数码伴侣、音乐伴侣、小区 无线播送上;也可以供学校语音教室、英语四六级考试或其它场合使用。如果你想播放磁带上的英 语听力内容,那么只需用Line_in 线加上音源:计算机耳机输出、话筒、收录机、VCD?MP3 均可. 只 要将音频信号输入通过一根带插头Line_in

4、线连接到发射机的音频输入插孔即可。 数控校园调频发射机是由STC89C51 单片机控制模块、BH1415F 调频调制发射模块、驻极体麦克 风音频输入模块、电源模块、一根馈线、一根专用发射天线组成。调频调制发射模块,通过馈线向 空中发射调频电磁信号,供耳机、收音机等带有调频接收功能的设备接收。 STC89C51 单片机、BH1415F、调频调制、驻极体麦克风、50 欧姆发射天线、高频元器件、变 容二极管、滤波磁环、PLL 频率合成、信噪比输入阻抗、噪声、增益自动控制、失真度、频偏、信 噪比、极化方式、预加重时间 Digital Controlled Campus Radio FM Transmi

5、tter is composed of a STC89C51 MCU control module, a BH1415F FM modulation transmit module, an electret microphone audio input module, a power module, a feeder, a special transmitting antenna. The FM modulation transmit module transmits FM electromagnetic signal into the air for the reception of hea

6、dset, the radio receiver, which have FM receiving functions. STC89C51 MCU, BH1415F, FM modulation, Electret microphone, 50-ohm transmit antenna, high-frequency components, varactor diodes, magnetic ring filter, PLL synthesizer, the input impedance to-noise ratio, noise, automatic gain, Distortion, f

7、requency offset, signal to noise ratio, the polarization mode, time of pre-emphasis. 学院 第 4 页 共 50 页 1.1.1 设计并制作一台BH1415F 数控锁相环全频段校园调频立体声发射机(下文简称为,数控校园调频发射机) 1.1.2 单片机控制模块(程序代码的编写、调试、下载及运行)设计 1.1.3 调频调制发射模块(锁相环、立体声编码、调频发射?高频放大电路)设计 1.1.4 电源模块(7805 稳压源及12V 整流模块)设计 1.1.5 音频输入模块(驻极体麦克风和外接输入源)设计 1.1.6 天

8、线模块(天线阻抗匹配)设计 BH1415 调频集成电路 单片机 话筒 输入 键盘 四位数码管 显示 线路 输入 功率放大 天线 图1.1 系统总体框图 1.2.1 根本要求: 1. 系统核心是一种无线音频传输集成芯片,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; 2. 配合普通的调频立体声接收机可实现无线调频立体声传送; 3. 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导频调制电路、调频发射的锁相环电路(PLL)组成; 4. 选择优质电源,电流

9、 2A 以上为佳,并处理好滤波。在电源输入端的滤波去耦?路中串接一个 1H(或 10-20 H)电感,以优化电源质量; 5. 音频模块远离内部电源,可通过金属壳屏蔽变相实现; 6. 在音频输入端,串接10-20 H 电感,以减少干扰; 7. 天线处加接50 欧姆匹配电路;射频输出阻抗50 ,将发射板天线通过50 欧电缆接至"RFOUT"位置,并且发 射天线应至少远离发射机5 米以上; 8.本发射机电源使用DC12V/3A,6.5mm 电源输入插座; 9.通电后,进入正常工作状态,这时通过面板上的两个频率调整键来调整发射机的工作频率。 10.短按一下频率调整键,发射机将以0.

10、1MHz 的步进增加或降低工作频率。 11.长按频率调整键,发射机将快进入快速跳变状态,直至松开按键。 12.外接麦克风通过标准3.5mm 立体声插座接入或通过音频连线将音源输入标准3.5mm 立体声插座。 13.发射板装入金属外壳内, 确保散热可靠。 学院 第 5 页 共 50 页 14.通电后,锁相环电路开始工作,大约 1-5 秒,频率会锁死,此时可通过收音机接收。 15.具有外接音源输入插座,频率输入指示。 16.电源线:输入电压:220V-50Hz 1.2.2 主要技术参数: 1、发射频率:76Mhz-108Mhz (中心发射频率为100Mhz),用户可在此范围内自行任意设定,无须任何

11、调整; 2、工作电压:DC 9V-15V,建议使用12V; 3、工作电流:数控局部、键盘输入及显示输出功能,无需采用功能强大、 价格较贵的凌阳SPCE061A 作为控制器。 兼容标准MCS-51 指令系统的AT89C52 高性能8 位单片机是一个低 电压,高性能CMOS 8 位单片机,片内含8k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器(RAM),器件采 用 Atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产。片内置通用8 位中 央处理器和 Flash 存储单元,功能强大的AT89C52 单片机可为您提供 许多较复杂系统控制应用场合。AT89C

12、52 有40 个引脚,32 个外部双向 输入/输出(I/O)端口,同时内含2 个外中断口,3 个16 位可编程定 时计数器,2 个全双工串行通信口,2 个读写口线,AT89C52 可以按照 常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起,特别是可反?擦写的 Flash 存储器可有效地降低 开发本钱。 主要功能特性如表二: 表二、主要功能特性表 图2.1 AT89C52 单片机 · 兼容MCS51 指令系统 · 8k 可反复擦写(>1000 次)Flash ROM · 32 个双向I/O 口 · 256x8bit

13、 内部RAM · 3 个16 位可编程定时/计数器中断 · 时钟频率0-24MHz · 2 个串行中断 · 可编程UART 串行通道 · 2 个外部中断源 · 共6 个中断源 · 2 个读写中断口线 · 3 级加密位 · 低功耗空闲和掉电模式 · 软件设置睡眠和叫压?采用AT89C52 单片机进行控制。AT89C52 价格低廉,结构简单,且资料丰富;但是51 单片机系统资源有限, RAM、ROM 空间小,8 位控制器,运算能力有限,需要外接大量外围电路,编程需要价格昂贵的编程器及仿真器, 在线仿

14、真和程序下载较为繁琐,不便于系统开发。 学院 第 7 页 共 50 页 1. 掉电模式: 典型功耗 0.5uA, 可由外部中断唤醒,中断返回后, 继续执行原程序 2. 空闲模式: 典型功耗 2mA 3.正常工作模式: 典型功耗 4mA - 7mA 1. I/O 口 输入/ 输出口经过特殊处理,很多干扰是从I/O 进去 的,每个I/O 均有对VCC/ 对GND 二级管箝位保护。 2. 电源 单片机内部的电源供电系统经过特殊处理,很多干扰 是从电源进去的。 3. 时钟 单片机内部的时钟电路经过特殊处理,很多干扰是从 时钟局部进去的。 图2.2 STC89C51RC / RD+ 4. 看门狗 单片机

15、内部的看门狗电路经过特殊处理,翻开后无法关闭,可放心省去外部看门狗。 5. 复位电路 单片机内部的复位电路经过特殊处理,很多干扰是从复位电路局部进去的,STC89C51RC/RD+系列单片机为高电平 复位。推荐外置复位电路为MAX810/STC810,STC6344,STC6345,813L,706P;也可用R/C 复位,10uF 电容/10k 电阻,22uF/8.2k 等。 6.宽电压,不怕电源抖动5V: 6v - 3.4v,3V: 4v - 1.9v。 STC89C51RC / RD+ 系列单片机出厂时一般都固化有ISP 引导码程序,如只烧录普通的用户程序,那么只需将 P3.0/P3.1

16、经过RS-232 转换器连到电脑的RS-232 串口,通过 STC-ISP 下载软件翻开用户程序下载就可以了。选用STC 单片 机的理由:降低本钱,提升性能,原有程序直接使用,硬件无 需改动。用STC 提供的STC-ISP.exe 工具将您原有的代码下 载进STC 相关的单片机即可,或用通用编程器编程。 STC89C51 RC 单片机,其性能跟AT89C52 来说,毫不逊色, 有PDIP、PQFP/TQFP 及PLCC 等封装形式,以适应不同产品的 需求。又因 STC89C51RC/RD+系列单片机为国产(台湾宏晶)。 因此本设计选用方案三的PDIP 封装STC89C51 作为控制器。 BA1

17、404 是日本ROHM 公司出品的一款很经典的立体声调频 发射专用芯片,它弥补了过去用分立元件来设计调频电路的缺乏, 图2.3 BA1404 内部电路图 而且具有立体声调制的功能。仅用很少的外围元件就可得到优美的立体声调频信号。因此在 FM 立体声发射及无 线微波方面具有重要的应用价值。 学院 第 8 页 共 50 页 BA1404 采用低电压、低功耗设计,其工作电压范围1-3V,该电路是由FM 立体声混合器、MPX(Multiplexer) 多路转换器、38KHZ 导频振荡器、FM 调制器和高频放大器组成的单片集成电路。单片立体声调制发射集成芯片 BA1404 和高频功放电路,可以将各种立体

18、声音源加以处理并调制发射,由立体声FM 收音机接收。 BA1404 的内部电路如图2.3。引脚功能如表三: 表三、引脚功能表 引脚 说明 引脚 说明 1 右声道输入 18 左声道输入 2 音频放大器偏置 17 声道平衡 3 音频放大器地GND 16 声道平衡 4 38K 晶振偏置 15 VCC 5 38K 晶振(1) 14 双声道复合信号输出端 6 38K 晶振(2) 13 导频信号输出端 7 射频放大器输出 12 调制信号输入端 8 射频放大器地GND 11 基准参考电压(用于改变变容管电容量) 9 射频振荡器网络 10 射频振荡器网络 BA1404 的引脚功能如表三所列,它主要由前置音频放

19、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 入信号写嬖谄德矢哂?9kHz 的成分,那么必须在输入端加一个低通滤波器,否那么两个声道的别离度会下降。 在立体声调制组,振荡器输出的38kHz 信号于立体声调制。通常在16、17 脚接一可调电阻,以获得最正确的通道 别离度。 立体声混合信号(MPX 输出信号)与导频输出信号(PILOT OUT)合成后的调制信号通过12 脚进入射频振荡器并 对载波进行FM 调制,经射频放大后输出射频信号,射频信号的典型值在600mV

20、 左右。 BA1404 内部还提供了一个参考电压单元VREF。设计者可以利用这个电压信号改变外接变容二极管的电容值, 继而改变载波的振荡频率。因此,只要控制一个电阻的分压值就可以到达改变发射频率的目的,这是比拟独特的 设计。 虽然BA1404 相对于过去用分立元件设计调频电路有了很大的改良,但它的的高频振荡是电容三点式振荡器, 频率的稳定性较差,很容易跑频,无PLL 锁相环稳频,有频率漂移。 此外,BA1404 所需的38KHz 的专用晶振很难购置,所以本设计不采用此方案。 日本ROHM公司生产的单片数字锁相立体声调制芯片,该芯片性能卓越,失真仅0.5%,声道别离度高达40分贝, RF输出电平

21、为100dB,是高性价比解决无线连接的首选芯片。完全消除了交流声,解决了这一其它相关无线产 品一直都无法克服的难题,甚至可以直接使用电脑电源。 BH1415F是一个简单而又实用的集成电路,它集PLL锁相环电路、产生立体声复合信号的立体声编码电路、FM 发射电路,外围加上几个几件就组成了一台高频,定多频点的HI-FI调频立体声发射器;而且它设置了提高S/N信 噪比的预加重电路、防止信号过调的限幅电路及控制输入信号频率的LPF低通滤波器,可明显地改善音质。 特点:BH1415F典型射频输出电压为3V左右。 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?量比分立元件的电路(

22、如:BA1404、 NJM2035等)有很大改良。 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,使发射的频率非常稳定。 4)采用了 MCU单片机数字直接频率设定,可设定 70-120MHz频率, 使用上非常方便。 5)在外界温度大范围变化影响下,频率也相当稳定。 虽然BH1415F 的价格较贵(12 元),但基于以上诸多优点,本设计采用方案二。 学院 第 9 页 共 50 页 电源模块中变压器的磁辐射不容无视。小功率的变压器素质极差,磁辐射严重;空载温升过高,也是产生电 器交流声的主要因素之一,并且处理起来也不方便。在此,我采用了性能较好的 220/12V 交直

23、流适配器(AC/DC Adapter)。 天线的选择对发射距离起?致关重要的决定作用。假设正确选择了天线,即使很弱的射频信号也能传送很远, 所以制作一副性能良好的天线比单纯提高发射功率有效得多。 制作一副水平极化、全向发射的天线比拟麻烦,且一般的调频播送电台也采用水平极化方式。假设制作的天线 阻抗不匹配,会自激反射,烧坏高频管;假设不能正常高效极化,辐射杂波带宽很大,会造成接收效果不好,杂波 较多,甚至严重干扰正常播送电台信号。为了不对本地播送电台产生干扰,造成不必要的麻烦。 本人采用了一种组装简易,效率较高的全向增益为3db,阻抗为50欧的1/4波长的FM调频播送发射专用GP天线。 话筒MI

24、C 可以采集外界的声音信号,这里我们选用驻极体小话筒,灵敏度较高,可以采集声音信号。 驻极体麦克风通过标准3.5mm 立体声插座,将声电转换的音频输入调频发射模块。 外接音频Line-in 接线将电?机耳机插座或者随身听耳机插座等外部声音信号音源输入标准 3.5mm 立体声插座。立体声插座,可以将音源通过专用的连接线引入调频发射机。 系统硬件整体分为单片机控制模块、调频调制及高频放大发射模块、天线模块、音频输入模块、电源模块五 局部,通过单片机实现频率的输入及输出控制。五局部的有机结合,将单调的调频发射变得更加自动化、合理化、 人性化。 系统硬件整体分为单片机控制模块、调频调制及高频放大发射模

25、块、天线模块、音频输入模块、电源模块五 局部,通过单片机实现频率的输入及输出控制。五局部的有机结合,将单调的调频发射变得更加自动化、合理化、 人性化。 控制电路采用STC89C51RC/RD+系列单片机,加BH1415F 调频调制及高频放大电路、音频输入电路、小键盘、 数码管显示电路、立体声指示电路、GP 天线、12V 电源,组成一个完整调频调制系统。 12V 电源由220V 50Hz 工频交流经220V/12V 交直流适配器(AC/DC Adapter)整流、稳压、滤波得到,5V 电 源由12V 直流经7805 三端稳压IC 稳压得到; 麦克风音频输入电路,采用两个驻极体麦克风夹角180 度

26、对立安装,左右声道差分输入,消除干扰噪音;显 示电路采用四个共阴极数码管,显示工作频率; 键盘为三按键式,上调整键、下调整键、立体声设置键; 整个系统有三个插座,一个为12V 6.5mm 电源电源输入插座,一个为标准3.5mm 立体声插座,另一个为M 型 天线接口,需要经BNC 转接母头进行转换,以使端口匹配。 此外,假设系统要长时间工作,最好加装散热装置。 整个系统经过测试,单元电路能够很好的协调工作。 功能框图如图3.3: 系统电路图如图 学院 第 10 页 共 50 页 图 3.1 图 3.2 学院 第 11 页 共 50 页 STC89C51 可以代替AT89C51,功能更强,速度更快

27、,寿命更长,价格更低。外型有40 个引脚,双列直插DIP-40。 STC89C51 可以完成ISP 在线编程功能,而AT89C51 那么不能。将AT89C51 中的程序直接烧录到STC89C51 中后, STC89C51 就可以代替AT89C51 直接工作(一般都不需要做任何改动即可正常工作)。STC 推出的系列51 单片机 芯片是全面兼容其它51 单片机的。 STC89C51RC / RD+ 系列单片机出厂时一般都固化有ISP 引导码程序,如只烧录普通的用户程序,那么只需将 P3.0/P3.1 经过RS-232 转换器连到电脑的RS-232 串口,通过STC-ISP 下载软件翻开用户程序下载

28、就可以了。 STC89C51RC/RD+ 系列单片机在系统可编程的使用,将用?代码下载进单片机内部,不用编程。 STC89C51RC/RD+在系统编程流程如图3.4。 STC89C51RC/RD+在系统编程示意图如图3.5。 控 制 高频调制小信号 天 线 高频调制信号 系统扩展 单片机 BH1415 调频调制模块 滤波处理 高频功率放大电路 输入信号 麦克风 计算机声卡、MP3 音 频 音 频 频率显示 图3.3 系统功能框图 学院 第 12 页 共 50 页 图3.4 STC89C51RC/RD+在系统编程流程图 图3.5 STC89C51RC/RD+在系统编程示意图 STC89 系列单片

29、机大局部具有在系统可编程(ISP)特性,ISP 的好处是:省去购置通用编程器,单片机在 用户系统上即可下载/ 烧录用户程序,而无须将单片机从已生产好的产品上拆下,再用通用编程器将程序代码烧 ?进单片机内部。有些程序尚未定型的产品可以一边生产,一边完善,加快了产品进入市场的速度,减小了新产 品由于软件缺陷带来的风险。由于可以将程序直接下载进单片机看运行结果故也可以不用仿真器。 大局部STC89 系列单片机在销售给用户之前已在单片机内部固化有ISP 系统引导程序,配合PC 端的控制程 序即可将用户的程序代码下载进单片机内部,故无须编程器(速度比通用编程器快)。不要用通用编程器编程,否 那么有可能将

30、单片机内部已固化的ISP 系统引导程序擦除,造成无法使用STC 提供的ISP软件下载用户的程序代码。 STC89C51RC/RD+在系统编程的使用方法和相关图示见附录 学院 第 13 页 共 50 页 F M 发射电路采用稳定频率的锁相环系统。这一部?由高频振荡器、高频放大器及锁相环频率合成器组成。 调频由变容二极管组成的高频振荡器实现,高频振荡器是锁相环的VCO,立体声复合信号通过它直接进行调频。 高频振荡器由第9 引脚外部的LC 回路与内部电路组成,振荡信号经过高频放大器从11 引脚输出,同时输送到锁 相环 电路进行比拟后,从第 7 引脚输出一个信号,对高频振荡器的值进行修正,确保频率稳定

31、。一但超过锁相 环设定的频率,第7 引脚将输出的电平拉高;如果低于设定频率,它将输出的电平拉低;相同的时候,它的电平 将不变。 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)有很大改良 。 2)采用锁相环锁频,并与调频发射电路一体化,使得发射的频率非常稳定。 3) 采用了单片机进行数字直接频率设定,可设定70-120MHz 频率, 使用上非常方便。 图3.6、BH1415 内部结构 BH1415 的内部结构如图3.6。它由5 局部组成:音频预处理电路(加重 、限幅和低通滤波);基频产生电路(晶 振、分频);锁相环

32、电路(相位检测、锁频);频率设定电路( 上下电平转换) ;调频发射电路。外围电路主要有 单片机的数字频率控制和指示电路、压控振荡器组成的载波产生电路、定时器以及一些耦合电容 。 1、右声道输入端:通过电容器与右声道音频信号相连 1/2VCC 2、左音源输入端:通过电容器与左声道音频信号相连 2、21 时间常数端:它连接一个电容为时间常数 =22.7kC 3、20 LPF 时间常数端:这是15KHz LPF.它连接150P 电容 1/2VCC 4、滤波器端:它是声频部份滤波器叁考电压 1/2VCC 5、立体声复合信号输出端:接一只滑动变阻器可调节立体声声音的?小,它连接到调频调制器 1/2VCC

33、 6、接地端 GND 学院 第 14 页 共 50 页 7、PLL 相位检波器输出端:它连接到PLL LPF 电路 - 8、电源供应端 Vcc 9、射频振荡器端:这是振荡器基端,它连接振荡时间常数 4/7Vcc 10、射频地端 GND 11、射频发送输出端 Vcc-1.9 12、PLL 电源供应端 Vcc 13、Xtal 振荡器端:它连接一个7.6MHz 晶振 14、Xtal 振荡器端:它连接一个7.6MHz 晶振 15、芯片允许端:连续输入高电平数据 16、时钟输入端:带数据和 同步的时钟在序列数据输入。 17、数据输入端:串行数据输入 18、静音端:0.8Vcc Pin18 : Mute

34、ON 0.2VCC Pin18 : Mute OFF 19、控制信号调节端1/2Vcc 压控振荡器参数设计结合BH1415F 频点可知,压控振荡器产生的载频信号频率变化范围必须覆?芯片的所有 频点,频点落在88-108MHZ 内,并完成频率感量即可改变发射频率。考虑到通用元器件的精度和加工工艺水平, 这里适当放宽频段,以保证芯片能正常地锁住频点。压控振荡器的电路如图 3 所示。 L 采用普通的磁芯可调式电感,电感量标称值为(30nH-6OnH);变容二极管的电容随偏置电压的变化而改变, 其极限范围为(7p F- 35pF)。为了保证电路的稳定性,C2,与C3 值不能相差太大,这里C2 取51p

35、 F, C3 范围 取为7pF-35pF。下面确定C1 值。由式(1)、式(2)可知电感L、电容C3 均取最小值时,压控振荡器取得最大振荡 频率,反之,取得最小频率。合并式(1)、 (2) ,得(3) : 其中,C2,C3 串接后电容范围为: 6.16pF20.76pF,将L、C3 的极限值带入式(3),整理后有: 上式中C1 的单位是pF。计算得: 45.27<C1<52.53。于是C1 值可取47pF。 立?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 调制的载波信号,并通过一个达林三极管2SD2142 对5脚输出的复合立体声信号进行FM频率调制。调制后