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2~10V范围内电路均能正常工作,且具有立体声和调谐指示LED驱动电路以及FM静噪功能等。
论证:
上述两种方案实现的功能基本相同,但CXA1238内部带解调电路,可以对语音及数据调制后的信号进行解调,具有耗电小、调整简单等优点;
且它的宽电压适应范围和立体声指示及静噪功能也是CXA1019所力所不能及的。
故选用方案二。
(二)调谐方案的选择
方案一:
手动LC调谐。
通过手动调节双联电容或L来改变输入回路的谐振频率和本振频率,使谐振频率发生变化,进而达到选台的目的。
使用者可以根据收听效果进行调节,获得最佳效果;
但由于频率的稳定度取决于LC振荡器的稳定度,而LC振荡器的频率稳定度较低,导致本振频率漂移严重,接收性能差。
方案二:
电压合成调谐。
单片机将各种信号经D/A转换后,将得到的调谐电压送到本振回路,通过改变变容二极管两端的电压来改变本振的频率。
该方式结构简单,信噪比高。
通过对单片机编程进而可以实现电台的程控搜索,并且可以准确显示本振或载波的频率.实现了程控搜索的智能化。
是目前比较好的一种调谐方式。
方案三:
锁相环频率合成方式。
用MC145152和VCO电路进行频率合成,采用闭环控制。
故存在反馈,能得到精度和稳定度很高的频率信号,本题目要求发射频率在88MHz至108MHz之间,可以通过程序送出控制字达到外插式扫频的功能。
原理框图如图1-1所示。
图1-1频率合成原理框图
接受电路的本振是成功解调的关键,应能产生等幅高频正弦信号,其振荡频率应十分稳定。
方案一和方案二的电路比方案三的电路简单,但是其短期频率稳定度均只能达到10-2~10-3;
而采用频率合成法产生的高频振荡信号的频率稳定度接近晶振的频率稳定度,可达10-5~10-6;
且失真度很小,而且通过程序控制简单。
故本设计采用方案三。
(三)单片机自动选台及搜索功能设计与论证
对CXA1238调谐指示((20)脚)输出作出高低电平识别,来判断解调。
通过锁相环CD4046将调谐指示端的电压变化变换为频率信号,当接收到强电台信号时,由CD4046构成压控振荡器的振荡频率在电台信号最强处输出频率最低,那么通过单片机使CD4046的输出频率,在检测到某调频频率点时输出频率处于最低,就可以判断该调频频率点即为信号最强点,单片机即可对频率点锁存。
仅仅靠对CXA1238调谐指示((20)脚)输出作出高低电平识别是不可靠的。
选择方案二。
二、理论分析和系统实现
本系统有天线接收到87~108MHz的FM信号后,进入到收音芯片CXA1238之中,解调后信号由音频功放送至耳机。
收音芯片的外差式本振由单片机及小系统板FPGA控制锁相环给出。
我们在解调发声的同时,用小系统板上的液晶显示器来做人机界面。
可以扫频方式、范围、步进。
自动存台,还可调出所存储的电台。
图2-1系统总体框图
(一)本振电路
由集成电路MC1648、MC145152、MC12022、低通滤波器和晶振构成锁相环频率合成器。
图2-2本振模块原理框图
(1)压控振荡器的设计
压控振荡器主要由压控振荡器芯片MC1648、变容二极管BB910以及LC谐振回路构成。
MC1648需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路。
为达到最佳工作性能,在工作频率时要求并联谐振回路的QL≥100。
电源采用+5V的电压,一对串联变容二极管背靠背与该谐振回路相连,调整加在变容二极管上的电压大小,使振荡器的输出频率稳定在97MHz。
VCO产生的振荡频率范围和变容二极管的压容特性有关。
CVD的大小受所加偏置电压U控制,偏置电压取值3.5V~7.5V时,CVD的变化近似线性,从25pF~18pF。
由公式
,取CVD=20pF,fc=97MHz,得L=0.135μH。
压控震荡电路见附录图1。
(2)锁相环电路设计
压控振荡器的输出频率受自身参数、控制电压的稳定性、温度、外界电磁干扰等因素的影响,往往是不稳定的。
因此可以加入自动相位控制环节,即锁相环,来稳定发射频率。
发射频率经反馈,与晶振产生的标准信号做比较,在锁相环的跟踪下,发射频率始终向标准信号逼近,最终被锁定在标准频率上,达到与参考晶振同样的稳定度。
锁相环电路MC145152是大规模集成锁相环,集鉴相器、可编程分频器、参考分频器于一体,分频器的分频系数可由并行输入的数据控制,其电路图参见附录图2。
(a)参考分频
参考晶振从OSCin、OSCout接入,芯片内部的÷
R参考分频器提供8种不同的分频系数,对参考信号进行分频。
R值由RA0,RA1,RA2设定。
本设计中,参考晶振为10.24MHz,所以取RA0RA1RA2=101时,即R=1024,对晶振频率进行1024分频,即输出为10KHz。
(b)可编程分频
由于频率高达108MHz,MC145152的电路无法对其直接分频,必须先用ECL电路的高速分频器进行预分频,把频率降低,然后由MC145152继续分频,得到一个参考频率相等的频率,并进行鉴相。
为使分频系数连续可调,可编程分频电路采用的是吞咽脉冲计数法,它由ECL(非饱和型逻辑电路)的高速分频器MC12022及MC145152内部的÷
A减法计数器,÷
N减法计数器构成。
如图2.1.6所示。
图2-3吞咽脉冲计数器原理图
MC12022有64和65两种分频系数。
M为其控制端(从MC145152的9脚输出,输入MC12022的6脚)。
M为高电平时,MC12022以P+1=65为分频系数,M为低电平时则以P=64为分频系数。
÷
N和÷
A是可预置数的减法计数器,由并行输入口分别预置6位的A值和10位的N值。
PD为数字鉴相器。
fo为压控振荡的输出频率(即本振频率)。
采用吞咽脉冲计数方式,只要适当选取N值与A值,就能得到任意的分频比。
由于参考频率fr=10kHz,输出频率fo=(PN+A)fr=(64N+A)×
10kHz。
由此可得,给MC145152的N9~N0和A5~A0口预置相应的数值,这就实现了对外差式对本振频率的控制。
(c)鉴相
模拟鉴相器对输入其中的两个信号进行相位比较,一个是由稳定度很高的标准晶振经过分频得到的,另一个是由压控振输出频率经分频反馈回来的,这两个信号通过鉴相器,也就是经过一个模拟乘法器后得到一个相位误差信号。
设两个输入信号分别为:
其中
将两信号相乘得到
再经过一个低通滤波器,取出其中的误差信号
,滤去其高频成分,将其直流成分用来调整压控振的输出频率。
本设计采用的鉴相器集成在MC145152中,它是一种新型数字式鉴频/鉴相集成电路,具有鉴频和鉴相功能,不需要辅助捕捉电路就能实现宽带捕捉和保持。
(d)环路滤波器
环路滤波器,就是低通滤波器,我们采用有源比例积分滤波器,如图2-4所示。
将鉴相出来的相位差变为控制VCO的信号。
其参数计算由公式:
决定,其中
图2-4有源比例积分环路滤波器
是VCO中控制电压每增加1V,频率的变化率。
C越大,积分后的控制电压越平稳,但环路滤波器的RC积分时间常数越大,或者说低通截止频率越低,捕捉带越窄。
试验中C选为4.7uF。
(二)CXA1238S芯片
收音部分是以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片CXA1238S为主体,配合一些外围电路实现的。
CXA1238S是集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体的AM/FM立体声收音集成电路。
天线接收到的信号经过87~108MHz的带通滤波器,由18脚(FM天线输入)进入芯片内部,通过选频网络将选出的电台信号送入芯片内部的FM前置放大器,进行前置放大后与本振进行混频,得到10.7MHz的中频频率。
10.7MHz中频频率由16脚输出,然后接到10.7MHz的陶瓷滤波器上。
经过了陶瓷滤波器的信号已经被滤除了带外杂波,由13脚的中频输入端引入。
在芯片内部进行中频放大和鉴频。
鉴频后的信号分为两路,一路由12脚驱动调谐指示电路,外接发光二级管D2(当接收信号最大时,LED显示最亮);
另一路由IC内的直流放大器放大后进行自动混合和FM静噪。
信号放大后,分别送到IC内的立体声解调器、鉴相器1和鉴相器2。
鉴相器1、压控振荡器(VCO)和分频器组成锁相环路。
再经过两次二分频,并移相90后的19KHz信号与复合信号中的19KHz导频信号在鉴相器1中进行相位比较,并输出一个误差电压,由外接低通滤波器R1、C3、C5滤除高频成分后,控制VCO的振荡频率和相位,达到环路锁定。
VCO的自由振荡频率可以通过27脚外接微调电位器RP1调整,从而调整跟踪导频信号的捕捉范围。
C1为去耦电容。
最后把解调、放大后的立体声信号分左、右两路分别从两个声道的输出口(5、6脚)输出。
信号通过去加重网络进行去加重处理后,送到用于音量调节的数字电位器X9511,经过音频放大后,进而驱动扬声器发声。
由于本系统没有涉及到调幅,所以芯片中的14脚(AM中频输入)、15脚(波段选择)、19脚(AM天线输入)和24脚(AM本振)均接电容到地。
具体电路见附录。
(三)中频窄带滤波器
解调器输出中包含有非语音频段内的杂波,需要通过中频窄带滤波器选出需要的频谱
分量,抑制掉其它不需要的信号。
语音信号的范围是300Hz至3.4KHz,则滤波器3dB带宽应该与其相符。
采用集成滤波器Max274设置为中心频率KHz,通频带为KHz。
采用了八级级联,大大增加了滤波的Q值。
滤波器的带宽较窄,有效的增强了接收语音的质量。
Max274两级的参数设计及线路见附录图5。
(四)音频功放
前置放大器的输出功率很小,推动不了扬声器,因此对前置放大器的输出信号还要进行功率放大,以得到足够的不失真输出功率。
本设计中音频功率放大器采用集成芯片LM386。
LM386电压增益内置为20,在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至200。
在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适合电池供电。
其电路原理图见附录2.2.6。
立体声解调放大后的信号由IN脚输入到低频放大器。
并由OUT端驱动扬声器发声。
通过调节输入端的电位器,可以显著改变音量。
放大倍数计算:
当引脚1和8之间开路时,由于在交流通路中VT1管(内部三极管)发射极近似为地,R4(150Ω)和R6(1.35KΩ)上的动态电压,近似等于同相输入端的输入电压。
即为二分之一差模输入电压,于是可写出表达式为
反馈系数:
所以电路的电压放大倍数
因为R7>
>
(R5+R6),所以
将R5、R6和R7的数据代入,可得Au≈20。
设引脚1和8之间外接电阻为R,则
当引脚1和8之间对交流信号相当于短路时,有
将R5和R7的数据代入,Au≈200。
即为本设计电路的增益放大倍数。
(五)天线输入网络
要设计天线匹配网络,事先必须计算出拉杆天线的等效阻抗和测量接收机的输入阻抗。
利用MATLAB仿真,对于L=1m,D=5mm的拉杆天线,在f=100MHz时其等效电阻为5.44Ω。
拉杆天线阻抗可等效一个纯阻R=5.44Ω和一个电容串联。
阻抗变换为5.4Ω~16Ω~50Ω。
电路图见附录图2
用换算法测接收机输入电阻Ri,实测Ri≈50Ω,然后根据公式,可求得
L1=523.49nH,C1≈281.2pF,L2≈13.4nH,C2≈160.8pF,L3≈76nH
三、软件设计
(一)软件的总体思想、框架、性能指标。
系统软件的实现上,底层主要分为三个大的相对独立模块及一个公共模块:
第一个是键盘接口模块部分、二是显示接口模块部分、三是与FPGA的控制接口模块部分,公共模块是不属于上面三部分的程序中公共使用的重要子程序集合。
相应子系统:
(1)按键处理按键处理部分负责处理用户的按键输入,可设置扫频步进,全频扫频,终止频率等多种扫频方式等。
还可以输入序号,将已经存储的电台调出来,提供了和用户的接口。
(2)显示功能显示部分的主要功能是操作提示;
扫频方式的显示;
存台频率的显示,以及从指定的数据存储区读取数据,调出已经存储的电台等。
(3)数据处理数据处理部分的主要功能是按照设置的扫频方式,扫频范围产生不同的分频比例,控制本振产生扫频波,同时采集就收芯片指示电压,进行V/F变换,从而确定电台,存储电台。
(二)软件的流程图(如图3-1)图3-1软件流程图
四、系统测试分析
(一)测试仪器
电源
SG17133SB3A*2直流稳压流电源
信号源
15MHzAgilent33120A信号源
150MHzSP1461型数字合成高频信号发生器
示波器
150MHzHP54602B示波器
60MHz(1Gs/s)TektronixTDS1002型数字示波器
万用表
FLUKE17B多用数字万用表
(二)调试方法和过程
(1)收音芯片调试先由高频信号源提供本振,接收FM广播。
(2)本振模块调试对于环路滤波器的计算需要在实际中进行调整,可适当增大电容稳定积分效果。
(3)V/F变换调试
(4)高频抗干扰处理信号频率都在100MHz左右,高频影响显著。
1.采用0.01~0.1μF的钽电容或电解电容加在电源线与地线之间,作为旁路电容滤除纹波;
在数字芯片的电源输入处采用一个0.1μF的磁片电容和一个220μF的电解电容并联形成电荷池接地,有效地抑制了数字芯片对电源的影响。
2.电容连线靠近电源端并尽量粗短,一般直接用焊锡连接;
加接由电容和电感组成的滤波网络进行滤波,以除去干扰。
(三)测试数据及测试结果分析
(1)频率范围测试
表1 频率特性测试
电压V
3.42
4.08
5.48
7.74
8.98
频率MHz
88.95
89.61
98.5
102.4
109.6
(2)最大不失真输出功率的测量
调频信号源输出载频分别为88MHz,98MHz,108MHz,调制频率为1kHz,频偏为75kHz的调制信号加至收音机的输入端.收音机分别调谐在88MHz,98MHz,108MHz三点上,改变音量电位器,使负载两端电压波形失真为最小,记下RL两端电压V0max,按P=V0max2/RL,计算最大不失真功率.。
数据如下表所示。
表2 最大不失真输出功率的测量
频率/MHz
88
98
108
输出功率/mW
135
132
(3)灵敏度测试
收音机的方法与最大不失真功率方法类似,调节音量电位器使收音机输出功率为≥100mV,减少信号源输出幅度,使输出波形恰好不失真,此时调频信号源输出电压即为灵敏度.数据如下表所示。
表3 灵敏度测试
100
信号源输出电压/mV
1.1
1.0
(4)镜像抑制比测试
调频信号源输出88MHz,98MHz,108MHz的载频信号,调节音连量,使接收机的输出标准功率≥100mW信号源输出调至灵敏度电压,关闭1kHz调制信号.改变频率为各频点对应的镜相频率调节信号发生器的输出电压,使中放输出电压增加到原来的标准,则前后两次调频信号源输出电压的比值用dB表示,即为镜像抑制比.数据如下表所示.
表4 镜像抑制比测试
载波频率/MHz
镜相频率/MHz
109.8
119.8
129.8
镜相抑制比/dB
20
22
(5)测试结果分析
在88MHz-108MHz范围内,最大不失真功率及灵敏度均有较好的指标,在调频信号解调后通过了声表面波带通滤波器,抑制了镜像干扰。
采用锁相环提供本振,可任意设定扫频步进、范围,具备自动搜索及手动微调的功能,锁定电台的精度高。
收听电台声音清晰。
具有存储并调出电台的功能。
参考文献:
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实验·
测试(第二版).武汉:
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[4]全国电赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选.北京:
北京理工大学出版社,2003.
附录:
实现电路图
图1锁相环电路
图2环路滤波器
图3音频功率放大电路图
图4天线匹配网络电路图
图5收音电路图
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- 关 键 词:
- 调频 收音机