23 調(diào)頻收音機 摘 要 本機 采用單片微處理機芯片 為數(shù)字調(diào)諧系統(tǒng)的核心，并含有鎖相環(huán)路頻率合成、頻率預(yù)選、多功能數(shù)字時鐘控制及液晶顯示等多種先進功能 核心 ,以 段鎖相頻率合成調(diào)諧集成芯片 定本振的調(diào)頻收音機的設(shè)計與實現(xiàn)。 本機利用 現(xiàn)的鎖相環(huán)頻率合成器與單片機口 ,實現(xiàn) 88 108頻廣播的接收。調(diào)諧方式實現(xiàn)全頻段自動調(diào)諧 ,設(shè)定范圍自 動調(diào)諧 ,手動步進調(diào)諧，直接選擇頻率等多種調(diào)諧方式，頻率步進可設(shè)（最小步進 5并可自動將收到的電臺存儲 ;人機交互系統(tǒng)有 4*4 小鍵盤和 2*8字符型液晶顯示器 , 并利用實時鐘芯片 的 現(xiàn)掉電存儲電臺達 30 個 ,同時可實時顯示時間 ;利用高效率 換芯片 現(xiàn)電池節(jié)能供電 ,使用 看門狗和電源監(jiān)視電路，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，使該機各項性能指標達到了題目要求 . 24 一方案論證和比較 由于題目已經(jīng)指定使用 已經(jīng)給出了典型連接的方法。本機直接選用該方案，方案原理如圖：采用率合成器產(chǎn)生本振 和 生的本振信號混頻 ,經(jīng)中放調(diào)諧放大后送到鑒頻器鑒頻 ,然后把解調(diào)后的信號經(jīng)音頻功放推動揚聲器 . 2. (1)使用數(shù)字電路，邏輯門配合鍵盤和撥碼開關(guān)來手動調(diào)節(jié)本振頻率。此方案可能實現(xiàn)，但是使用的邏輯門數(shù)量巨大，且不具有自動搜索臺等較復(fù)雜的功能。 (2)使用單片機作為控制器來控制鎖相環(huán)產(chǎn)生本振信號，而且鍵盤電路， 可以方便的和單片機接 口。該方案利用單片機的強大功能可以完成題目控制部分的要求。我們選用此方案。 系統(tǒng)總原理框圖如下： 25 二原理分析和理論計算： 1. 調(diào)頻信號的分析： （ 1）調(diào)頻信號的一般表達式為： t) = U (t) 式中 U 是 的 振幅， (t) 是 號的瞬時相位； 且 (t) c t + t)中 c 的中心角頻率，即載波頻率 的調(diào)頻靈敏度 t) 調(diào)制信號 （ 2）調(diào)頻信號的帶寬： B 2 ( m + 1 ) F 其中 m 是調(diào)頻指數(shù) ， F 是調(diào)制信號的頻率 26 （ 3）調(diào)頻信號的解調(diào)： 調(diào)頻信號的解調(diào)就是利用鑒頻器從調(diào)頻波 t)中恢復(fù)出原調(diào)制信號 t)的過程。鑒頻器的類型和種類很多， 有振幅鑒頻器，相位鑒頻器，比例鑒頻器，正交鑒頻器。 謂正交鑒頻即將輸入 號經(jīng)移相網(wǎng)絡(luò) 后生成 與原 號正交的參考信號電壓，它 與 輸入 號電壓同時加入乘法器，乘法器輸出 再 經(jīng)過低通濾波 器濾波 后，便 可還原原調(diào)制信號。 （ 4）調(diào)頻制中的噪聲門限效應(yīng)： 實際上，信道內(nèi)存在噪聲和干擾是不可避免的，它們在經(jīng)過前級帶通濾波器后，與有用信號一起加至解調(diào)器，這使解調(diào)器輸出端除了有用的 號外，必然伴隨有干擾和噪聲。這將影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量，在嚴重的情況下 ，有用信號甚至完全淹沒在噪聲中，而無法進行調(diào)頻信號的接收。這個一定的數(shù)值的輸入信噪比，就是所謂門限值。當(dāng)輸入 于這個門限值時所發(fā)生的現(xiàn)象 叫做調(diào)頻信號解調(diào)時的門限效應(yīng)。 2超外差收音機基本工作原理及其優(yōu)點： 超外差收音機的基本工作原理是：天線接收到的電臺信號，經(jīng)過輸入回路調(diào)諧后送變頻器的輸入端，與本機振蕩器產(chǎn)生的信 27 號進行混頻，產(chǎn)生一個新的頻率，即中頻信號，此信號經(jīng)過中頻信號放大器和鑒頻器解調(diào)輸出。 優(yōu)點： 1：由于電臺信號經(jīng)混頻后變成頻率較低的中頻信號，該信號容易得到比較大的放大量，而且任何電臺的信號都能得到相等得放大量，因此靈敏度可以做得很高。 2：由于采用差頻作用，外 來信號必須和本機振蕩信號相差為預(yù)定得差頻才能進入電路，再加上選頻回路和中頻放大諧振回路，因此混入收音機得干擾信號會被抑制，從而提高了選擇性。 3超外差收音機的干擾： 本題采用超外差式 音機 ,這種方式能使收音機的性能得到改善 ,但同時混頻器又會給收音機帶來干擾問題 。 理想情況下 ,混頻器的輸出只有輸入信號 本地振蕩的頻率 出的中頻分量 實際中還有其它的許多頻率分量也會經(jīng)混頻器輸出 ,這就有可能產(chǎn)生下面的干擾 : (1) 當(dāng)采用本振頻率 f l 高于信號頻率 f c 時， 即 f l f c f i 時有公式 : (p,q 是非負整數(shù) ) 1 28 當(dāng) l(或者說變頻比 )一定時 ,并能找到合適的 p,而階數(shù)越小 ,干擾越嚴重 (p+q1)提高中頻可以減小這種干擾的數(shù)目和階數(shù) . (2) 這種干擾是由混頻器的非線性而形成的假中頻 . 如果干擾頻率 滿足上式 ,就能形成干擾 接收的信號頻率決定 ,用 代入上式 ,可得 這一類干擾主要有中頻干擾 ,鏡像干擾及其它副波道干擾 . 中頻干擾是一階干擾，但因 通過本電路的前端電路，因此其影響可忽略不計。 影響本設(shè)計的主要是鏡像干擾 對于 c 的電路 ,當(dāng)外來干擾頻率 l 共同作用在混頻器的輸入端 ,也會產(chǎn)生差頻 i,從而會在接收機輸出端聽到干擾電臺的聲音 . 同理，對于 它工作頻率上的鏡像 30 干擾。 5 率合成方式 鎖相環(huán)（ 一個相位跟蹤系統(tǒng)，它包括三個基本部件： 鑒相器（ 環(huán)路濾波器（ 壓控振蕩器（ 有時還包括前置分頻器。其原理方框圖如圖： 當(dāng)環(huán)路鎖定時，輸入信號的頻率等于反饋信號的頻率，即 n,而反饋信號是 出信號經(jīng)過 N 分頻后的信號，即 *所以得到 : *為達到題目要求的顯示載波頻率誤差小于等于 5機選取頻率步進為 率合成器產(chǎn)生本振的方 案使本振頻率容 易在單片機控制下實現(xiàn)頻率步進掃描 存儲電臺等多種功能 率合成器的方案有諸多優(yōu)點 . 三硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)： 1. 調(diào)電路 31 M/提供了從射頻放大，混頻，中頻放大，正交鑒頻到音頻功放輸出的全部功能，所需的外圍元件較少。我們選用其 音的典型電路，如圖： 號經(jīng)過 從 13 管腳進入。第 10 管腳接出的是一個中心頻率可變的諧振網(wǎng)絡(luò)，它對由用戶設(shè)定所要接收的信號頻 32 率進行諧振。中心頻率由加在變?nèi)?二極管兩端的電壓控制，而控制電壓又取自于 路中環(huán)路濾波器濾出的直流電壓。而第 8管腳接本振回路，它接出的諧振網(wǎng)絡(luò)是對本振頻率，即接收的信號頻率加上中頻頻率起諧振，控制電壓依舊是 路中環(huán)路濾波器濾出的直流電壓。調(diào)節(jié)電路時將這部分電路調(diào)整好至關(guān)重要。接收信號和本振信號在內(nèi)部混頻后差出了 中頻信號由 15 管腳送出，送到 陶瓷濾波器的輸入端，經(jīng)過陶瓷濾波器后，濾去了除 頻信號以外的其他頻率分量的信號，這時 中頻信號再從 18 管腳送入 3 管腳接出的是一個 陶瓷諧振器，它對 頻信號起 90相移的作用。正交鑒頻后經(jīng)過音頻信號放大，功率放大后輸出。 在具體制作過程中，我們發(fā)現(xiàn)如果直接使用給出的電路圖，輸出功率不能達到 100們將第 28 管腳到音箱之間接的10電解電容換成了 220電解電容，使輸出最大功率超過了 100到了要求。 2鎖相環(huán)電路 鎖相頻率合成技術(shù)是本機的關(guān)鍵技術(shù)之一 段的鎖相頻率合成器，它內(nèi)含高速前置分頻器，可以對頻率高達130 行分頻 ，且具低功耗，多種參考頻率的選擇，鎖定檢測等功能。本機中頻為 取高本振，利用 33 提供 本振信號。其電路連接圖如下： 000鎖相環(huán)送控制字時脈沖寬度是微秒級的，所以要被濾除，在實際電路中我們將 3 個 1000電容斷路。 出經(jīng)過一個低通濾波器后再經(jīng)過一個放大電路輸出控制電壓。由2成的放大電路實際上起了拓寬電壓范圍的作用。 34 在輸入頻率大于內(nèi)部參考頻率時，它輸出脈沖電壓，脈沖電壓經(jīng)過低通濾波，放大后得到了控制電壓再控制 后形成鎖定。而再輸入頻率小于其內(nèi)部參考頻率時，它輸出的是低電平，經(jīng)過分析， 輸出低電平后，使 2工作電壓成為控制電壓加入到 ，使 高頻率反饋到 又成為了輸入頻率大于參考頻率的情況，最終達到鎖定。 3電源部分 本機可采用穩(wěn)壓電源供電，也可直接在電源板上接兩節(jié) 5 號電池供電。我們采用 司的 換芯片 得到 +5是 作模式 ,工作的開關(guān)頻率為 170率達 87%，最大功率可達1W。采用 到 +12電壓， 是 作方式，開關(guān)頻率 200大輸出電流可達 125了屏蔽其輻射采用金屬盒封裝 , 35 并在輸出端加上一個低通濾波器 . 用穿芯電容與外圍連接 4. 前端帶通網(wǎng)絡(luò) 器件清單中所提供的 過 3頻儀測試時，發(fā)現(xiàn)它的頻率特性如下圖： 根據(jù)混頻原理，設(shè) 1t X 2= A 2 t 其中 X 1為本振信號， X 2 為輸入信號，則混頻輸入為 Y = A 1 t A2 t = 1 A 2 1+ 2)t+ 1)t 從上式可看出每一個帶內(nèi)頻點都對應(yīng)有一個鏡像頻率，該鏡像頻率進入混頻器與本振混頻產(chǎn)生的中頻與接收頻率產(chǎn)生的中頻相等，造成很強的鏡像干擾。影響整機的鏡像抑制比 為了滿足題目要求的鏡像抑制比 20要求，我們加入一個帶通網(wǎng)絡(luò)，它由具有穩(wěn)定增益 ,并有較低的噪聲的雙柵場效應(yīng)管 帶通濾波器組成的。 36 如圖 ,天線接收到的信號經(jīng)過電容耦合至 柵極。調(diào)節(jié) 2的阻值可以調(diào)節(jié)電路的增益。 接雙調(diào)諧帶通濾波器。在實際制作中我們將濾波器的通頻帶調(diào)節(jié)在 88 108 5. 電臺檢測電路： 一個 腳，它是可以作為收到電臺檢測的管腳。實際制作過程中經(jīng)過測試，如果收到 號， 右。依據(jù)這個電壓值，我們在 引出另一路先接一射隨器后進行 用，在程 序中進行均值濾波后和 行比較來完成電臺檢測的功能。 37 6單片機： 我們采用了 司的 具有 8K 256 字節(jié)的 元，與 容的內(nèi)核，使用比較方便。 7顯示模塊： 顯示部分是采用了字符型液晶顯示模塊： 數(shù)碼管相比有以下優(yōu)點：功耗低，可顯示復(fù)雜字符等。 8鍵盤電路： 鍵盤電路采用了 司的專用鍵盤掃描芯片成 4*4 鍵盤。 有功耗低，自動掃描鍵盤，直接輸出鍵值等優(yōu)點。大 大簡化了程序的設(shè)計。 9看門狗和電源檢測電路： 為提高系統(tǒng)工作的可靠性，防止程序跑飛，特設(shè)此電路。本電路的核心器件是 程序中定期向 入脈沖，當(dāng) 有收到脈沖， 變低電平，產(chǎn)生中斷信號，將執(zhí)行跳轉(zhuǎn)到程序頭的指令。有效的防止了單片機因為干擾而跑飛的現(xiàn)象。我們又用 的一個電壓比較器做了一個電源檢測電路。但 電池電壓下降到 下時， 電源檢測端輸 38 出低電平，被 測到后在液晶上提示電壓不足的信息。 10 時鐘 電路： 本機采用實時時鐘芯片 示時間，并用其內(nèi)部掉電保存電臺之用，根據(jù)實際情況，我們設(shè)置儲存電臺的數(shù)目是 30 個。其電路連接如下： 四軟件系統(tǒng) 采用匯編語言并以結(jié)構(gòu)化的方式編寫，整個程序流程圖如下： 39 系統(tǒng)的工作界面如下圖所示： 40 按下“ ”和“ ”可調(diào)節(jié)頻率，“ 8”和“ 9”上下選擇頻道。 系統(tǒng)的菜單界面如下圖： 按“ ”和“ ”鍵可選擇菜單項，菜單項共九項： 直接鍵入接收頻率 全波段搜索 ,存儲收到的電臺 特定頻段搜索 ,存儲收到的電臺 選擇頻道 將當(dāng)前電臺儲存 顯示完整的日歷（日期，星期，時間） 修改日歷 步進選擇 （ 5， 10， 15, , 200 系統(tǒng)重置（ 清除儲存內(nèi)容，時鐘復(fù)位） 41 五測試方法和結(jié)果 1. 測試所用儀器： 路直流穩(wěn)壓電源， 字萬用表， 率特性測試儀 00 008 歐姆負載電阻 2測試方法和數(shù)據(jù)： 由于 8808調(diào)頻廣播波段，試驗不是在屏蔽室進行的，所以在測試中，收音機隨時都有可能接收到其中信號，只有選擇當(dāng)時頻率較弱的信號的頻率用 信號源模擬輸入進行測試，我們選擇 95測試點，試驗現(xiàn)場空間中的 95以忽略。 (1) 接收頻率范圍和接收正常 號測試： 打開收音機，直接設(shè)定本地 臺頻率接收 播，能夠正常接收。用 生 88508號，能夠正常接收。 （ 2）最大不失真功率： 在測試時，避免受外來信號的影響而產(chǎn)生誤差。用信號源產(chǎn)生載波是 95制信號 1大頻偏 75 示波器觀察音箱兩端的輸出波 42 形，加大音 量達到波形有失真時，由 8 歐姆負載計算功率。 最大不失真功率為： P=213 3）靈敏度： 根據(jù)國家標準 ,測試靈敏度必須在無外界電磁場干擾的屏蔽室內(nèi)進行 ,利用環(huán)形天線 ,通過儀器設(shè)備測量 無法采用此方法 測試最小的輸入信號 信號源，接至收音機的天線處 ,由大小逐漸減小輸入調(diào)頻波的 幅度 ,直至接收機輸出信號的明顯失真。 測得： 95， 靈敏度為 m = 500 4）鏡像抑制比： 首先將 定在 88108 95進行輸入回路這三個頻點統(tǒng)調(diào)。再將收音機和信號源調(diào)到和靈敏度相同的情況，然后將鏡像頻率加入，調(diào)節(jié)信號源的輸出，使收音機的輸