无线话筒工作原理及应用

无线话筒工作原理及应用摘要：本文以无线话筒的设计为目的。无线话筒是高频线路的应用之一，本文首先对四种经典的无线话筒电路的工作原理进行了介绍，包括前三种以模拟电路技术为主的电路设计和最后一种用与非门做成的电路。然后对改善话筒性能的锁相、抑制噪声等技术进行了简要的说明及话筒的一些调试方法。最后是关于无线话筒在生活中的一些拓展应用，包括我们常用到的报警器、小型广播等。通过本文我们可以对市面上常见的话筒的电路原理有比较深的理解，还可以将它的原理应用在生活的其它方面，做出更多作品，方便我们的生活。关键词：振荡，放大，发射，改善性能，应用目录TOC\o"1-5"\h\z第1章绪论…………………… 3第2章常见无线话筒的工作原理…………… 4经典的无线话筒……… 4改进的调频发射机电路……………… 5\o"CurrentDocument"2.3性能较为稳定的远距离FM无线话筒 72.4 用与非门制作的无线话筒…………… 7第3章 改善无线话筒性能的相关技术……… 9PLL锁相频率合成技术 9自动选讯接收技术…………………… 9噪声抑制技术………… 9静噪电路…………………… 10导频信号技术……………… 10HiDyplus降噪技术 10话筒的调试…………… 10第4章 无线话筒的拓展应用………………… 11结论…………… 12致谢……………… 1314参考文献14第1章绪论将声音转变为电能的换能器叫做“传声器”或“话筒”。一个声音往往包含许多不同的频率分量。要想将声频转变为电能，代表电能的电流(或电压)应该具有原来的声音所包含的各种频率分量，而且各不同频率分量的振幅比例必须与原来的声音中各不同频率分量的振幅比例相同。无线话筒技术的原理是将音频信号转换成适合无线传输的无线发射频率。将音频信号的信息加到射频信号上的过程称为调制。调制将信号定位于更适合无线传输的频率范围内。因为可用射频频段的不同频率来调制，通过电磁波的传输路径可多次使用，可以在不同射频频率下传输大量音频信号。为满足对音质的较高要求，无线话筒采用频率调制，简称调频(FM)。在调频过程中，没有音频信号出现时，射频端发生的信号只有一个固定的频率——载频；当音频信号出现时，射频信号不再是一个固定的频率，而是很快地在载频频率上下一点地频率来回移动。以载频频率为基准，射频信号频率向高和向低偏转的值称为频偏。音频信号频率越高，射频信号围绕载频来回变化的速度也越快；音频信号幅度变大，射频信号的频偏也增大。因此，音频信号的信息只包含在射频信号的频率变化中，射频信号幅度的波动不会破坏包含在射频信号中的音频信息。只要接收机能检测到射频信号的频率变化，由接收天线获取的电磁场强变化不影响传输质量。天线将收到的电磁波还原为与发送端相似的高频电流。然后经过检波，取出原来的电流信号。就完成了无线的通信传输。无线话筒通常和接收机两大部分组成，发射机由电池供电，咪头将声音转换为音频电信号，经过内部电路的处理后，将包含音频信息的无线电波发射到周围的空间。我选择调频收音机作为我的麦克风的接收机，将发射机中元件的参数发射频率调至88~108HZ之间，就可以覆盖调频收音机的接收频率。第2章常见无线话筒的工作原理2.1经典的无线话筒图1所示为无线话筒的电路图，电路非常简洁，没有多余的器件。高频三极管VI和电容C3、C5、C6组成一个电容三点式的振荡器（即一个高频振荡器）。三极管集电极的负载C4、L组成一个谐振器，谐振频率就是调频话筒的发射频率，通过调整L的数值（拉伸或者压缩线圈L）可以方便地改变发射频率，避开调频电台。发射信号通过C4耦合到天线上再发射出去。图1（经典无线话筒电路设计图）此电路较简单，可以分解为前半部分的放大电路和后半部分的振荡及发射电路。R4是V1的基极偏置电阻，给三极管提供一定的基极电流，使V1工作在放大区,R5是直流反馈电阻，起到稳定三极管工作点的作用。这种调频话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化，同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制。话筒MIC可以采集外界的声音信号，这里我们用的是驻极体小话筒，灵敏度非常高，可以采集微弱的声音，同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作，电阻R3可以提供一定的直流偏压，R3的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度越弱。电阻越小话筒的灵敏度越高，话筒采集到的交流声音信号通过C2耦合和R2匹配后送到三极管的基极，电路中D1和D2两个二极管反向并联，主要起一个双向限幅的功能，二极管的导通电压只有0.7V，如果信号电压超过0.7V就会被二极管导通分流，这样可以确保声音信号的幅度可以限制在正负0.7V之间，过强的声音信号会使三极管过调制，产生声音失真甚至无法正常工作。CK是外部信号输出插座，可以将电视机耳机插座或者随身听耳机插座等外部声音信号源通过专用的连接线引入调频发射机，外部声音信号通过R1衰减和D1、D2限幅后送到三极管基极进行频率调制。所以这个套件不但可以做一个无线话筒，而且还可以做一个电视机无线耳机使用。电路中发光二极管D3用来指示工作状态，当调频话筒得电工作时就会点亮，R6是发光二极管的限流电阻。C8、C9是电源滤波电容，因为大电容一般采用卷绕工艺制作的，所以等效电感比较大，并联一个小电容C8可以使电源的高频内阻降低，这个电路非常常见。电路中K1和K2其实是一个开关，它有三个不同的位置，拨到最左边时断开电源,最右边是K1、K2接通做调频话筒使用，中间位置是K1接通,K2断开，做无线转发器使用，因为做无线转发器使用是话筒不起作用，但是话筒会消耗一定的静态电流，所以断开K2可以降低耗电、延长电池的寿命。2.2改进的调频发射机电路图2即为改进后的电路图。该电路级间相对独立，频率的稳定度优于单管自激振荡发射的发射机。本电路分为振荡、倍频、功率放大三级。电路中VI、C2--C6、R2、R3及L1组成电容三点式振荡器（自激振荡器的一种。由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名，输出波形较好）。n:卍“■-n:卍“■-图2（改进后的电路图）要完成无线电通信，首先必须产生高频率的载波电流，然后设法将电流信号“加到”载波上去。在无线电技术中采用振荡器来产生高频电流。振荡器可以看作是将直流电能转变为交流电能的换能器。振荡器是无线电发送的基本单元。其振荡频率主要由C3、C4和L1的参数决定，其振荡频率为44〜54MHz，该信号从L1的中心抽头处输出，再经过C7耦合至V2放大，由C8和L2选出44~54MHz的二倍频信号，即88-108MHz,,此信号由C9耦合至V3进行功率放大。倍频器是使输出信号频率等于输入信号频率整数倍的电路。输入频率为fl，则输出频率为fO=nf1,系数n为任意正整数，称倍频次数。发射机采用倍频器后可使主振器振荡在较低频率，以提高频率稳定度，倍频器也可增大调频设备的频率偏移。图中是利用非线性电路产生高次谐波构成的倍频器。功率放大部分则为三个三极管直接耦合形成的多级放大电路。该电路正常工作时，电流约80-100mA。组成V3的三只3DG12可加上适当的散热片，以防过热。制作时L1~L3用0.31mm漆包线在直径3.5mm圆棒上单层平绕。2.3性能较为稳定的远距离FM无线话筒mt 毗图3（性能更为稳定的话筒设计电路）如图3所示：vl、v2及外围元件构成音频放大电路，由于采用了电压负反馈电路及射极输出器，从而确保了音频信号的高保真传送;对于高频级电路，主要采用了以下措施来进一步稳定电路的工作性能:1.晶体振荡电路由v3与晶体JT及外围元件等构成，因为使用了晶体振荡器，从而减小了温度及其它外界条件对振荡频率的影响；2•振荡器由稳压电路供电，Icl为振荡器提供稳定的6V工作电压，避免由于电压的不稳定因素对振荡频率产生影响3为减小天线负载对回路Q值的影响，在振荡器及负载之间增设了一级缓冲放大器，由V4及外围元件组成，该电路还具有倍频功能，可进一步稳定工作频率；V:将射频信号放大到足够的功率后由天线发射出;电路中的调频是通过音频信号加至D1两端从而改变晶体振荡器的频率得以实现的。2.4用与非门制作的无线话筒与非门具有放大（指小信号条件）及倒相的作用，所以只要用三个与非门，首尾相接，便构成一个环形振荡器（或者五个、七个、九个等奇数;级数多则频率低），再配上调频电路,同样也可做成一个无线话筒。

图4（与非门无线话筒电路图）74LS04是一块TTL集成电路,内有六个单端输入的与非门。笔者用其中三个与非门做成一个振荡器。当电源电压为5V时其振荡频率约为90MHz，电源电压降低时频率降低;电源电压升高时频率也升高。当然其振荡幅度亦会随之改变，但影响不大。这样，笔者使用改变电源电压的办法来改变频率（即达到调频）。具体做法是用一块音频放大集成电路BA328的输出，作为它的供电电源。BA328是一块录音磁头的放大电路，当用于磁带信号作补偿及均衡时应该在第②、③脚之间接一个RC串并网络，但这里是用于线性放大,故只需接一只100kQ〜130kQ的电阻即可。BA328输出端（③脚）的电压应等于④脚（供电）电压的二分之一,若供电电压为12V，则应有6V输出，如果不对,应调整此电阻。另外图中的1kQ电阻是调节放大倍数的,减小它则增益提高。对着驻极体话筒讲话时,输出端（③脚）的电压能在5.8V到6.2V之间急速变化，此电压送到74LS04的（14）脚上便能使它产生调频信号，再经第四个与非门放大、隔离而送往天线。此无线话筒的供电电压也可改成6V或1.5V。第3章改善无线话筒性能的相关技术无线话筒的音质和作用距离与系统工作的稳定性、抗干扰能力、发射功率、接收机灵敏度、收发天线效率等技术特性和现场传播条件密切相关。为改善无线话筒系统的性能，设计和生产者采取了很多技术措施，主要有以下几个方面：PLL锁相频率合成技术无线话筒要在各种环境条件下稳定工作、保持良好的音质，发射与接收机的载波频率稳定度是首要的基本条件。若载波频率发生漂移，无线收发系统难以正常工作、影响音频输出质量，还会发生通道间谐波干扰，因此优质无线话筒都采用高稳定的石英晶体振荡器，解决固定频率的稳定度问题。但石英晶体振荡器无法实现多频道频点的选择，为此产生了以石英晶体振荡为基准频率的PLL锁相频率合成(Synthesizer)技术，可在一个工作频带内切换所要求的工作频道，实现载波频率可调。通过这项技术，用户可在发射机与接收机预存的多个工作频道中任意切换，快速改变选用频道，实现“频率捷变”。因为无线话筒在不同的工作场合会遇到不同的干扰频率，有时同一场合的不同时间也会遇到不同的干扰频率，采用“频率捷变”就可有效地避开这些频率，减少干扰，保证无线话筒系统的正常工作。自动选讯接收技术由于物体的反射和吸收、电磁波的多途径传播，空间电磁波的场强分布非常复杂。又由于无线话筒的频繁移动，接收天线处的电磁波场强起伏变化很大。当天线接收的信号强度低于接收机的静音动作点，即产生“接收死角”现象，接收机的输出会出现短暂的断音或杂音，信号强度越接近静音动作点杂音越大。为此，无线话筒接收机采用自动选讯接收(又称真分集接收)技术。噪声抑制技术无线话筒的干扰信号来自各种工业干扰、电视和电台信号的干扰、移动和对讲机干扰、军用通讯系统的干扰和无线话筒各邻近频道之间的干扰等方面。干扰信号增加了无线话筒的噪声输出，降低了音频输出质量，严重时令无线话筒无法工作。质量不佳的无线话筒在音频信号间隙期间，会发出刺耳的噪声。为解决以上问题，优质的无线话筒采用了各种有效的降噪技术。主要有：3.3.1静噪(Noisesquelch)电路：该电路的作用是在音频信号间隙期间，自动截止噪声输出，将接收机变为静音输出，有效的提高了音频输出信号的信噪比。它的原理为：与典型的音频信号相比，从电磁杂波中获得的声音信号含有高得多的高频能量；天线接收到的射频信号经接收机检波电路解调为音频信号，静噪电路将该信号中高频能量与预先调整好的基准电压相比较，若高于基准电压，则判断为杂音信号，关闭音频输出。导频信号技术：是降噪技术的一项改进措施——在无线话筒发射音频信号的同时，加入32kHz的超声波导频信号。如图5所示。接收机中的静噪电路可识别这个导频信号，只有检测到它才打开音频输出电路。这样就能有效地防止来自其他发射器的无用信号或噪声，以及无线话筒电源接通和关断时产生的射频噪声和爆裂噪声。知名品牌如SHURE、M啪等采用了这项技术。HiDyplus降噪技术：为了改善射频发射与接收链中明显的固有噪声，提高传输质量，Sennheiser无线话筒率先开发了这项专利降噪技术。其运作原理如图6所示，它增加了音频信号的动态范围，是通过发射前发射机压缩信号，及接收后接收机扩张信号，恢复音频信号的原始动态范围实现的。经HiDynplus处理的信号，在下限，保证不被本底噪声和干扰所淹没；在上限，保证不被过调而失真。这两个界限之间的范围即动态范围，它对主观音质评价有很大的影响，HiDynplus能确保稳定的高质量发射，有效地将信噪比提高到110dB。3.4话筒的调试首先断开音频放大级和功放级电路，接通高频振荡级与缓冲倍频级的电源，然后打开调频收音机，在88~108MH2频段中搜索话筒发射出的电波，当在某频率处收音机的“沙沙”声完全被抑制，且用小螺丝刀轻轻敲击电感时收音机会发出撞击声，说明振荡级与缓冲倍频级工作正常，此频率即为本话筒的工作频率;然后接通音频功放级电源，对着话筒讲话从收音机中可传出清晰的说话声;最后拉开话筒与收音机的距离，接通高频功放级电源，调节电感与电容，使得该话筒的发射距离最远;至此整机调试结束，换上叠层电池并将机芯装入话筒壳中固定后即可正常使用第4章无线话筒的拓展应用1、 无线话筒：用户在唱歌、讲话或者表演时可以360度的任意转动和移动，不会有电线绊脚、扯后腿。2、 无线广播：老师在讲课时进行现场转播，可以无数学生用收音机收叫讲课，大大的增加了听课人数。3、 无线叫卖器：在街上推销商品时，用无线话筒叫卖具有一定新颖性，会收到比普通话筒好的广告效果。4、 无线窃听器：具有比较好的隐蔽性和安全性，可在远处用收音机耳机收听，不用担心现场碰面而尴尬。5、 无线抱警器：实现一定距离的无人值守。例如在二楼监听一楼之门锁声音，起防盗报警器的作用。6