調(diào)頻無線話筒的設計講解

1、西北工業(yè)大學電子信息學院高頻課程設計報告課設題目 無線話筒發(fā)射單元 授課班號 08030902、08030901 學生姓名 王勛( 2009302026) 同組人員 史芫源( 2009302023) 同組人員 王濤( 2009302003) 指導教師 林華杰設計時間 2012年 6月高頻課程設計 - 無線話筒發(fā)射單元高頻課程設計 - 無線話筒發(fā)射單元摘要 高頻電子線路系統(tǒng)地介紹了通信系統(tǒng)，特別是無線通信系統(tǒng)中的最基本電路及他們的功能，給出了定性及定量分析這些電路性能的方法。這些電路包括 了發(fā)射機及接收機中的選頻放大電路、混頻電路、功放電路、振蕩電路、調(diào)制及 解調(diào)電路、鎖相環(huán)電路、自動增益控制電

2、路及頻率合成電路。本課程設計的基本目標是：通過理論和實踐教學，使我們了解晶體管工作于 高頻時的工作原理，特性參數(shù)及微變等效電路，掌握高頻單元電路的線路組成、 基本工作原理、分析方法、技術(shù)要求及一些典型集成電路的實際應用，并且具備 一定的理論水平和足夠的實踐技能， 為進一步學習通訊技術(shù)的專業(yè)知識和職業(yè)技 能打下基礎。 關(guān)鍵詞 無線調(diào)頻話筒發(fā)射單元、 PCB 繪圖、電路分析Wireless FM MicrophoneAbstract High Frequency Circuit systematic introduction to communication systems, particular

3、ly wireless communication systems and their basic function of the circuit, given the qualitative and quantitative analysis of these methods of circuit performance. The circuit includes a transmitter and receiver in frequency selective amplifier, mixer circuits, power amplifier, oscillation circuit,

4、modulation and demodulation circuits, phase locked loop circuit, automatic gain control circuits and frequency synthesis circuit.The basic design of this course are: the theory and practice through teaching, so we know when the transistors operate at high working principle, characteristics and micro

5、-dependent equivalent circuit parameters, frequency control circuit of the line unit composition, the basic working principle methods, technical requirements, and some typical IC, and have a certain theoretical level and enough of the practical skills, communication technologies for the further stud

6、y of expertise and professional skills basis.Key words Wireless FM microphone, PCB drawings, circuit analysisii高頻課程設計 - 無線話筒發(fā)射單元目錄 Contents摘要 i 關(guān)鍵詞 ii一、緒論 iii二、電路介紹2.1 電路技術(shù)指標 5三、電路設計3.1 單元電路選擇63.2 具體電路分析73.3 元器件說明83.4 電路仿真( Multisim 10 )93.5 調(diào)試及故障排除9四、小結(jié)10五、附錄5.1 元器件清單115.2 參考文獻125.3 附圖12iii高頻課程設計 -

7、 無線話筒發(fā)射單元一、 緒論 高頻電子線路是一門理論性、工程性和實踐性都很強的課程。學生通過本 課程的學習，不但應該掌握必要的基礎理論知識，而且還應在分析問題、解決問 題和實際動手能力等方面得到鍛煉和提高。對于這些能力的培養(yǎng)，理論教學與實 踐教學環(huán)節(jié)必須密切聯(lián)系、互相配合，才會取得比較好的效果。高頻課程設計是作為高頻電子線路課程的重要組成部分，目的是使學生進一 步理解課程內(nèi)容，基本掌握高頻電子線路設計和調(diào)試的方法，增加模擬電路應用 知識，培養(yǎng)學生實際動手能力以及分析、解決問題的能力。按照本學科教學培養(yǎng) 計劃要求，在學完專業(yè)基礎課電路與電子技術(shù)后， 應安排課程設計教學實踐項目， 其目的是使學生更

8、好地鞏固和加深對專業(yè)基礎知識的理解，學會設計中、小型電 子線路的方法，獨立完成調(diào)試過程，增強學生理論聯(lián)系實際的能力，提高學生電 路分析和設計能力。通過實踐教學引導學生在理論指導下有所創(chuàng)新，為專業(yè)課的 學習和日后工程實踐奠定基礎。本次課程設計本小組選擇設計制作無線話筒發(fā)射單元 （調(diào)頻），要求是分析高 頻發(fā)射系統(tǒng)各功能模塊的工作原理，提出系統(tǒng)的設計方案，實現(xiàn)對微型話筒信號 進行線性放大。在此基礎上可進行創(chuàng)新設計，如改善電路性能；故障分析；對系 統(tǒng)進行仿真分析等。這是一款微型調(diào)頻無線話筒，發(fā)射頻率要求在30MHz左右，利用 FM調(diào)頻收音機可以實現(xiàn)短距離接收。在電路設計的過程中，本小組采用了 NI公司

9、的 Multisim 10.0進行電路仿真，并用 Altium Designer 6.9 進行原理圖及 PCB圖的繪制。1 / 14高頻課程設計 - 無線調(diào)頻話筒電路介紹2.1 電路技術(shù)指標1) 基本要求：(1) 對微型話筒信號進行線性放大。(2) 發(fā)射載波頻率： 30MHz。(3) 調(diào)制方式：調(diào)頻。(4) 發(fā)射功率：小于 0.1W。(5) PCB板尺寸： 30X80mm。(6) 直流 12V供電。2) 設計步驟：(1) 給出設計指標。(2) 給出原理框圖、電路原理圖，并對原理進行詳細論述(3) 對關(guān)鍵電路單元進行仿真，給出仿真測試原理圖。(4) 給出 PCB板圖。(5) 給出詳細調(diào)試步驟。三

10、、電路設計3.1 單元電路選擇(框圖) 該電路涉及到的技術(shù)有： 高頻電容三點式振蕩電路， 功率放大器 (采用共射極 接法，增益高，效率高 ) 等，調(diào)頻發(fā)射電路的方框圖如下：a) 調(diào)頻振蕩器 低頻小信號部分只是將調(diào)制信號不失真的略作放大，直接調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)中， 調(diào)頻振蕩器的電路形式主要有晶體振蕩器直接調(diào)頻，電抗管調(diào)頻、變?nèi)荻O管調(diào) 頻。晶體振蕩器直接調(diào)頻電路的優(yōu)點是提高了振蕩器中心頻率的穩(wěn)定性；電抗管 調(diào)頻電路與變?nèi)荻O管調(diào)頻電路相比，要復雜一些?？紤]到本設計任務要求中心 頻率的穩(wěn)定性不高( 10-3/ 分鐘)，用 LC 振蕩器就可達到； 另外，我們選擇了電 抗管調(diào)頻電路。所謂電抗管，就是由一只晶

11、體管或場效應管加上由電抗和電阻元 件構(gòu)成的移相網(wǎng)絡組成。它與普通的電抗元件不同，其參量可以隨調(diào)制信號而變5/2/2019高頻課程設計 - 無線調(diào)頻話筒化。電抗管的放大器件可以是電子管、晶體管或場效應晶體管；移相電路也有多 種型式（如 RC或 RL移相網(wǎng)絡）, 其作用是使放大管 T1 的輸出阻抗 Ze=U0/IC 具有 一個電抗分量 Xe，當 Xe 隨 而變化時 , 即可獲得調(diào)頻信號。采用不同的移相電路， 等效電抗 Xe 可以是電容性的 , 也可是電感性的。電抗管調(diào)頻器的缺點是 : 振蕩頻率 穩(wěn)定度不高；頻移也不能太大 , 阻抗 Ze 通常還具有電阻分量，這個分量也隨 而 變化 , 使振蕩器產(chǎn)生

12、寄生調(diào)幅。 電抗管調(diào)頻部分是一個電容三點式振蕩器， 其中晶 體管 Q2、電阻 R5、電容 C4 組成的移相網(wǎng)絡即為電抗管，它等效為一個電感，這 個等效電感會隨著調(diào)制信號的變化而發(fā)生變化，從而總的電感值發(fā)生相應變化， 根據(jù)公式 f = 1/ 2 *（LC）-1/2 可知，頻率也隨之變化，最終實現(xiàn)低頻調(diào)制信 號對高頻載波的頻率調(diào)制。這種調(diào)頻器的優(yōu)點是電路比較簡單， 能獲得較大的頻偏； 便于做成集成電路。 缺點是載頻不能很高，頻率穩(wěn)定度較低。b） 緩沖隔離級緩沖級通常采用射極跟隨器電路。在電路的最初設計階段，我們小組并沒有 添加緩沖器，是經(jīng)過討論之后，覺得有必要在調(diào)頻電路和高頻放大電路中間加一 個緩

13、沖器以減少兩級信號之間的相互干擾 ，增強電路的抗干擾能力。C） 高頻功率放大器高頻放大器屬于線性放大器。 根據(jù)電路所需要的電壓增益和選擇性， 來確定電 路形式。一般電路形式有單調(diào)諧放大器和雙調(diào)諧放大器。在對放大器選擇性要求 不高的場合，可以選用單調(diào)諧放大器。為提高放大器的電壓增益，可以選擇多級 放大器級聯(lián)的電路形式。要使負載（天線）上獲得令人滿意的發(fā)射功率，而且整 機效率較高，應選擇丙類功率放大器。末級功放的功率增益不能太高，否則電路 性能不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生自激。因此要根據(jù)發(fā)射機各部分的作用，適當?shù)睾侠矸峙?功率增益。要使負載（天線）上獲得令人滿意的發(fā)射功率，而且整機效率較高， 應選擇丙類高頻功

14、率放大器。3.2 電路分析如圖 1-1 （見附圖）話筒 MIC可以采集外界的聲音信號，這里我們用的是駐極體小話筒，靈敏度 非常高，可以采集微弱的聲音， 同時這種話筒工作時必須要有直流偏壓才能工作， 電阻 R4 可以提供一定的直流偏壓， R4的阻值越大，話筒采集聲音的靈敏度越弱。 電阻越小話筒的靈敏度越高，話筒采集到的交流聲音信號通過低頻放大后耦合到 Q2三極管的基極進行頻率調(diào)制。三極管 Q2 和電容 C3、C8、C6 組成一個電容三點式的振蕩器，由三極管 Q2 集電極的負載 C3、L1 組成一個諧振器，通過 C6正反饋電容形成三點式諧振振蕩 器原理，諧振頻率就是調(diào)頻話筒的發(fā)射頻率，實際上是一個

15、以諧振頻率為基準的 高頻振蕩器。 通過調(diào)整圖中元件 L1 的參數(shù)可以使發(fā)射頻率可以在 30MHZ左右，通 過調(diào)整 L1 的數(shù)值（拉伸或者壓縮線圈 L1）可以方便地改變發(fā)射頻率。發(fā)射信號 通過 C5耦合到高頻放大器， 由高頻放大器進行諧振放大后再通過天線上再發(fā)射出 去（ 實際電路設計中我們在功放之前加了射極跟隨器 ） 。由于高頻振蕩器和高頻放5/2/2019高頻課程設計 - 無線調(diào)頻話筒大器互相獨立使得發(fā)射頻率和發(fā)射功率都十分穩(wěn)定。 C5 將頻率調(diào)制好的載波信號 傳遞到 Q3進行高頻放大，仔細調(diào)整 L2 的值（拉伸或者壓縮線圈 L2）可使輸出功 率最大！距離最遠，整個工作電流最小。元器件說明1）

16、 話筒 MIC： 我們用的是駐極體小話筒，靈敏度非常高，可以采集微弱的聲音信號。話筒 底部有兩個接點，用兩根粗銅絲焊牢在 PCB印制電路板上。駐極體話筒具有體積 小、結(jié)構(gòu)簡單、電聲性能好、價格低的特點，廣泛用于盒式錄音機、無線話筒及 聲控等電路中。屬于最常用的電容話筒。由于輸入和輸出阻抗很高，所以要在這 種話筒外殼內(nèi)設置一個場效應管作為阻抗轉(zhuǎn)換器，為此駐極體電容式話筒在工作 時需要直流工作電壓。駐極體話筒具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、電聲性能好、價格低 的特點，廣泛用于盒式錄音機、無線話筒及聲控等電路中。屬于最常用的電容話 筒。由于輸入和輸出阻抗很高，所以要在這種話筒外殼內(nèi)設置一個場效應管作為 阻抗轉(zhuǎn)

17、換器，為此駐極體電容式話筒在工作時需要直流工作電壓。并且，外圍電 路中需要有相應的偏置電阻為其提供偏置。2） 高頻振蕩調(diào)制電路：（圖 1-1 為例）該部分由晶體管 Q2、電阻 R5電感 L1電容 C3、C8、C6等組成。 其功能是產(chǎn)生高頻載波信號并進行調(diào)制。 L1 和 C3構(gòu)成 LC諧振回路。該回路具有 選頻作用，其頻率由公式計算得出：f = 1/ 2 *（LC）-1/2經(jīng) C1耦合過來的信號加在 Q2基極上，通過基極上變化的電壓改變 be 結(jié)電容，而 實現(xiàn)對載波的調(diào)制。由集電極輸出經(jīng) C5耦合到下一級進行功率放大。3）功率放大電路：（圖 1-1 為例）電路由 R7、Q4、C10、L2、C2、

18、R8 組成，該部分電路為自偏 壓電路，無需給 b極加偏置電壓，高頻信號由 C7耦合經(jīng)自偏壓電阻 R7加到 b上 放大，電路工作在 C類狀態(tài)。 L2和 C2組成選頻電路，使其諧振在前一級的工作 頻率上， C2為輸出電容，輸出高頻信號。3.3 電路仿真（ Multisim 10 ）Multisim 是美國國家儀器（ NI）有限公司推出的以 Windows 為基礎的仿真工 具，適用于板級的模擬 /數(shù)字電路板的設計工作。 它包含了電路原理圖的圖形輸入、 電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。NI Multisim 軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高 效地對電路進行設計

19、和驗證。 憑借 NI Multisim 中完整的器件庫， 您可以快速創(chuàng)建 原理圖，并利用工業(yè)標準 SPICE仿真器仿真電路。 借助專業(yè)的高級 SPICE分析和 虛擬儀器，您能在設計 流程中提早對電路設計進行的迅速驗證， 從而縮短建模循 環(huán)。與 NI LabVIEW 和 SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設計流 程，從而能夠比較仿真數(shù)據(jù)及實際建模測量。 通過 Multisim 和虛擬儀器技術(shù)， PCB 設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設 計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。 Multisim 可以進行復雜模擬 /數(shù)字電路的 仿真、簡單的

20、 PCB 板設計、簡單的單片機仿真。5/2/2019高頻課程設計 - 無線調(diào)頻話筒如圖 1-4 ，我用信號源產(chǎn)生一個正弦信號代替話筒輸入端，看產(chǎn)生的波形。 仿真結(jié)果如圖 1-5 、1-6 、1-7 、1-8 ，由于部分原因，參數(shù)設置問題只能看到 大概的有些頻率變化，而不能看到很完美的波形，初步測量預估發(fā)射功率小于 0.1W，符合指標要求。3.4 調(diào)試及故障排除1) 調(diào)試采用電容三點式， 簡單可靠， 起振容易。但一級放大電路雖然達到我們的設計 目標，但是抗干擾等功能仍然有印象，畢竟這是用較少的一些分立元件組成的一 個高頻電路。我們將偏置電阻的阻值減小使其對接收靈敏度提高，經(jīng)測試，達到 15.20

21、m 的聲音信號仍能正常接收(溫度： 28)，而且這是在有很多電磁干擾的環(huán) 境下進行的測試，測試效果良好。天線輸出距離選頻回路較遠，由于板子已經(jīng)焊好，我們使用面包板進行測試， 發(fā)現(xiàn)天線距離選頻回路越近時，收音機的接收效果越好。經(jīng)測試還發(fā)現(xiàn)， 將電源等有源元件與其他元件分開距離較大擺放時， 接受的效 果較好，頻率較穩(wěn)定，抗干擾能力提高近 20%，頻率抖動不大。為此我們選擇了 將天線與電源分在兩邊擺放。2) 部分指標參數(shù)：靈敏度的計算公式：S=-174dBm+10*log(BW)+Eb/N0+NF 電磁波在自由空間(無阻擋、無障礙)中的傳輸損耗為： Ls(dB)=32.45+20lgF(MHZ)+2

22、0lgD(km)3) 故障分析：a) 傳播距離不遠：主要是信號不是很清晰解決：加長天線，使用拉伸式天線；調(diào)整 L2 的線圈匝數(shù)。b) 用收音機接收聲音不清晰解決：調(diào)整 L1 的線圈距離5/2/2019高頻課程設計 - 無線調(diào)頻話筒四、小結(jié)在此次課程設計中，我充分體會到了熟練運用相關(guān)軟件的重要性，不像之前 的數(shù)電課設，并沒有多少工作在計算機里實現(xiàn)的，就僅僅畫出了電路圖之后用元 器件在面包板上搭電路就行了。此次課設絕大多數(shù)工作都高度依賴計算機，從仿 真到繪制原理圖，再到編制 PCB圖，可以說每一步都很艱難，每一步都是我們一 步一個腳印結(jié)結(jié)實實踩下去的。我們付出了，當然，這一切都在用調(diào)頻耳機聽到 自

23、己話筒的頻率的那一瞬間得到了實現(xiàn)。經(jīng)過一周左右的時間，我們組終于完成這次無線話筒的課程設計任務。我們 首先查閱了大量的書本資料，接著又上網(wǎng)搜集了許多有用信息，有時候為了找到 一個合適的電路而苦惱，有時候又為取得一點成功而由衷的高興。當最終的電路 方案設計出來以后，我們請教了信息學院的幾位學長，他們的一個小小指點就給 我們很大啟示和靈感，對我們的實驗圖提出了很多有價值的建議，在此對熱心幫 助我們的學長表示衷心感謝。在此次課程設計中，我充分體會到了熟練運用相關(guān)軟件的重要性，不像之前 的數(shù)電課設，并沒有多少工作在計算機里實現(xiàn)的，就僅僅畫出了電路圖之后用元 器件在面包板上搭電路就行了。此次課設絕大多數(shù)

24、工作都高度依賴計算機，從仿 真到繪制原理圖，再到參數(shù)調(diào)節(jié)，可以說每一步都很艱難，每一步都是我們一步 一個腳印結(jié)結(jié)實實踩下去的。通過課程設計，我們增強了對通信電子技術(shù)的理解，學會查尋資料比較方 案，學會通信電路的設計計算；進一步提高分析解決實際問題的能力，創(chuàng)造一 個動腦動手獨立開展電路實驗的機會，鍛煉分析解決通信電子電路問題的實 際本領(lǐng)，真正實現(xiàn)由課本知識向?qū)嶋H能力的轉(zhuǎn)化；通過典型電路的設計與制作， 加深對基本原理的了解，增強了實踐能力。總的來說，這次課設學到了不少東西。尤其對調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)有了新的認識， 在焊接技術(shù)上有了長進，在分析和解決問題方面也明顯看到自己的進步。其他方 面，對發(fā)射機的原理有了初步認識，并知道了