調(diào)頻無線話筒的設(shè)計(jì)

1、高頻課程設(shè)計(jì)-無線調(diào)頻話筒西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院高頻課程設(shè)計(jì)報(bào)告課設(shè)題目 無線話筒發(fā)射單元 授課班號(hào) 08030902、08030901 學(xué)生姓名 王勛（2009302026） 同組人員 史芫源（2009302023）同組人員 王濤（2009302003） 指導(dǎo)教師 林華杰 設(shè)計(jì)時(shí)間 2012年6月 iv / 5高頻課程設(shè)計(jì)-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(jī)及接收機(jī)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(dòng)增益控制電路及頻率合成

2、電路。本課程設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是：通過理論和實(shí)踐教學(xué)，使我們了解晶體管工作于高頻時(shí)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(shí)際應(yīng)用，并且具備一定的理論水平和足夠的實(shí)踐技能，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)通訊技術(shù)的專業(yè)知識(shí)和職業(yè)技能打下基礎(chǔ)。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, particularly wireless com

3、munication 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, modulation and

4、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-dependent equi

5、valent 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 study of expertise

6、and professional skills basis.Key words Wireless FM microphone, PCB drawings, circuit analysis目錄Contents摘要i關(guān)鍵詞ii一、 緒論iii二、 電路介紹122.1 電路技術(shù)指標(biāo)5三、 電路設(shè)計(jì)33.1 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234455.1 元器件清單115.2 參考文獻(xiàn)125.3 附圖12 - 11 - 3/16/2022一、 緒論高頻電子線路是一門理論性、工程性和實(shí)

7、踐性都很強(qiáng)的課程。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，不但應(yīng)該掌握必要的基礎(chǔ)理論知識(shí)，而且還應(yīng)在分析問題、解決問題和實(shí)際動(dòng)手能力等方面得到鍛煉和提高。對(duì)于這些能力的培養(yǎng)，理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)必須密切聯(lián)系、互相配合，才會(huì)取得比較好的效果。高頻課程設(shè)計(jì)是作為高頻電子線路課程的重要組成部分，目的是使學(xué)生進(jìn)一步理解課程內(nèi)容，基本掌握高頻電子線路設(shè)計(jì)和調(diào)試的方法，增加模擬電路應(yīng)用知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力以及分析、解決問題的能力。按照本學(xué)科教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃要求，在學(xué)完專業(yè)基礎(chǔ)課電路與電子技術(shù)后，應(yīng)安排課程設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目，其目的是使學(xué)生更好地鞏固和加深對(duì)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)的理解，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)中、小型電子線路的方法，獨(dú)立完成調(diào)試過

8、程，增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高學(xué)生電路分析和設(shè)計(jì)能力。通過實(shí)踐教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生在理論指導(dǎo)下有所創(chuàng)新，為專業(yè)課的學(xué)習(xí)和日后工程實(shí)踐奠定基礎(chǔ)。本次課程設(shè)計(jì)本小組選擇設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)微型話筒信號(hào)進(jìn)行線性放大。在此基礎(chǔ)上可進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如改善電路性能；故障分析；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(jī)可以實(shí)現(xiàn)短距離接收。在電路設(shè)計(jì)的過程中，本小組采用了NI公司的Multisim 10.0進(jìn)行電路仿真，并用Altium Designer 6.9進(jìn)行原理圖及PC

9、B圖的繪制。二、 電路介紹2.1 電路技術(shù)指標(biāo)1) 基本要求：(1)對(duì)微型話筒信號(hào)進(jìn)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(shè)計(jì)步驟：(1)給出設(shè)計(jì)指標(biāo)。(2)給出原理框圖、電路原理圖，并對(duì)原理進(jìn)行詳細(xì)論述。(3)對(duì)關(guān)鍵電路單元進(jìn)行仿真，給出仿真測(cè)試原理圖。(4)給出PCB板圖。(5)給出詳細(xì)調(diào)試步驟。三、 電路設(shè)計(jì)33.1 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(diǎn)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

10、蕩器低頻小信號(hào)部分只是將調(diào)制信號(hào)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(diǎn)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(fù)雜一些?？紤]到本設(shè)計(jì)任務(wù)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(dá)到； 另外，我們選擇了電抗管調(diào)頻電路。所謂電抗管，就是由一只晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管加上由電抗和電阻元件構(gòu)成的移相網(wǎng)絡(luò)組成。它與普通的電抗元件不同，其參量可以隨調(diào)制信號(hào)而變化。電抗管的放大器件可以是電子管、晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管；移相電路也有多種型式（如RC或RL移相網(wǎng)絡(luò)）,

11、其作用是使放大管T1的輸出阻抗Ze=U0/IC具有一個(gè)電抗分量Xe，當(dāng)Xe隨 而變化時(shí),即可獲得調(diào)頻信號(hào)。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(diǎn)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(gè)分量也隨 而變化,使振蕩器產(chǎn)生寄生調(diào)幅。電抗管調(diào)頻部分是一個(gè)電容三點(diǎn)式振蕩器，其中晶體管Q2、電阻R5、電容C4組成的移相網(wǎng)絡(luò)即為電抗管，它等效為一個(gè)電感，這個(gè)等效電感會(huì)隨著調(diào)制信號(hào)的變化而發(fā)生變化，從而總的電感值發(fā)生相應(yīng)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(shí)現(xiàn)低頻調(diào)制信號(hào)對(duì)高頻載波的頻率調(diào)制。這種

12、調(diào)頻器的優(yōu)點(diǎn)是電路比較簡(jiǎn)單，能獲得較大的頻偏；便于做成集成電路。缺點(diǎn)是載頻不能很高，頻率穩(wěn)定度較低。b) 緩沖隔離級(jí)緩沖級(jí)通常采用射極跟隨器電路。在電路的最初設(shè)計(jì)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(gè)緩沖器以減少兩級(jí)信號(hào)之間的相互干擾 ，增強(qiáng)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(duì)放大器選擇性要求不高的場(chǎng)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(jí)放大器級(jí)聯(lián)的電路形式。要使負(fù)載（天線）上獲得令人滿意的發(fā)

13、射功率，而且整機(jī)效率較高，應(yīng)選擇丙類功率放大器。末級(jí)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(jī)各部分的作用，適當(dāng)?shù)睾侠矸峙涔β试鲆?。要使?fù)載（天線）上獲得令人滿意的發(fā)射功率，而且整機(jī)效率較高，應(yīng)選擇丙類高頻功率放大器。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(hào)，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(shí)這種話筒工作時(shí)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(hào)通過低頻放大后耦合到Q2三極管的基極進(jìn)行頻率調(diào)制。

14、三極管Q2和電容C3、C8、C6組成一個(gè)電容三點(diǎn)式的振蕩器，由三極管Q2集電極的負(fù)載C3、L1組成一個(gè)諧振器，通過C6正反饋電容形成三點(diǎn)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(shí)際上是一個(gè)以諧振頻率為基準(zhǔn)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(hào)通過C5耦合到高頻放大器，由高頻放大器進(jìn)行諧振放大后再通過天線上再發(fā)射出去(實(shí)際電路設(shè)計(jì)中我們?cè)诠Ψ胖凹恿松錁O跟隨器)。由于高頻振蕩器和高頻放大器互相獨(dú)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(hào)傳遞到Q3進(jìn)行高頻放

15、大，仔細(xì)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(yuǎn)，整個(gè)工作電流最小。元器件說明1) 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(hào)。話筒底部有兩個(gè)接點(diǎn)，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(jiǎn)單、電聲性能好、價(jià)格低的特點(diǎn)，廣泛用于盒式錄音機(jī)、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(shè)置一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管作為阻抗轉(zhuǎn)換器，為此駐極體電容式話筒在工作時(shí)需要直流工作電壓。駐極體話筒具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電聲性能好、價(jià)格低的特點(diǎn)，廣泛用于盒式錄音機(jī)、無線話筒及聲控等電路中。屬于最常用的

16、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(shè)置一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管作為阻抗轉(zhuǎn)換器，為此駐極體電容式話筒在工作時(shí)需要直流工作電壓。并且，外圍電路中需要有相應(yīng)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(hào)并進(jìn)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(jì)算得出：f = 1/ 2*(LC)-1/2經(jīng)C1耦合過來的信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)載波的調(diào)制。由集電極輸出經(jīng)C5耦合到下一級(jí)進(jìn)行功率放大。 3) 功率放大電路：（圖1-1為例

17、）電路由R7、Q4、C10、L2、C2、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(hào)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(jí)的工作頻率上，C2為輸出電容，輸出高頻信號(hào)。 3.3 電路仿真（Multisim 10）Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)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(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證

18、。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(biāo)準(zhǔn)SPICE仿真器仿真電路。借助專業(yè)的高級(jí)SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì) 流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)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(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較仿真數(shù)據(jù)及實(shí)際建模測(cè)量。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)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(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。Multisim可以進(jìn)行復(fù)雜模擬/數(shù)字電路的仿真、簡(jiǎn)單的PCB板設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單的單片機(jī)仿真。如圖1-4，我用信號(hào)源產(chǎn)

19、生一個(gè)正弦信號(hào)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(shè)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(cè)量預(yù)估發(fā)射功率小于0.1W，符合指標(biāo)要求。3.4 調(diào)試及故障排除1) 調(diào)試采用電容三點(diǎn)式，簡(jiǎn)單可靠，起振容易。但一級(jí)放大電路雖然達(dá)到我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)，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(gè)高頻電路。我們將偏置電阻的阻值減小使其對(duì)接收靈敏度提高，經(jīng)測(cè)試，達(dá)到15.20m的聲音信號(hào)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(jìn)行的測(cè)試，測(cè)試效果良好。天線輸出距離選頻回路較遠(yuǎn)，由于板子已經(jīng)

20、焊好，我們使用面包板進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)天線距離選頻回路越近時(shí)，收音機(jī)的接收效果越好。經(jīng)測(cè)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(shí)，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(dòng)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(biāo)參數(shù)：靈敏度的計(jì)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)+20lgD(km)3）故障分析：a) 傳播距離不遠(yuǎn)：主要是信號(hào)不是很清晰解決：加長(zhǎng)天線，使用拉伸式天線；調(diào)整L2的線圈匝數(shù)。b) 用收音機(jī)接收聲音不清晰解決：調(diào)整

21、L1的線圈距離四、 小結(jié)在此次課程設(shè)計(jì)中，我充分體會(huì)到了熟練運(yùn)用相關(guān)軟件的重要性，不像之前的數(shù)電課設(shè)，并沒有多少工作在計(jì)算機(jī)里實(shí)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(shè)絕大多數(shù)工作都高度依賴計(jì)算機(jī)，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(gè)腳印結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)踩下去的。我們付出了，當(dāng)然，這一切都在用調(diào)頻耳機(jī)聽到自己話筒的頻率的那一瞬間得到了實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過一周左右的時(shí)間，我們組終于完成這次無線話筒的課程設(shè)計(jì)任務(wù)。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(shí)候?yàn)榱苏业揭粋€(gè)合適的電路而苦惱，有時(shí)候又為取得一點(diǎn)成功而由衷的高興

22、。當(dāng)最終的電路方案設(shè)計(jì)出來以后，我們請(qǐng)教了信息學(xué)院的幾位學(xué)長(zhǎng)，他們的一個(gè)小小指點(diǎn)就給我們很大啟示和靈感，對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)圖提出了很多有價(jià)值的建議，在此對(duì)熱心幫助我們的學(xué)長(zhǎng)表示衷心感謝。在此次課程設(shè)計(jì)中，我充分體會(huì)到了熟練運(yùn)用相關(guān)軟件的重要性，不像之前的數(shù)電課設(shè)，并沒有多少工作在計(jì)算機(jī)里實(shí)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(shè)絕大多數(shù)工作都高度依賴計(jì)算機(jī)，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(gè)腳印結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)踩下去的。通過課程設(shè)計(jì)，我們?cè)鰪?qiáng)了對(duì)通信電子技術(shù)的理解，學(xué)會(huì)查尋資料比較方案，學(xué)會(huì)通信電路的設(shè)計(jì)計(jì)算；進(jìn)一步提高分析解決實(shí)際問題的能力，創(chuàng)造一個(gè)動(dòng)腦動(dòng)手獨(dú)立開展電路實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，鍛煉分析解決通信電子電路問題的實(shí)際本領(lǐng)，真正實(shí)現(xiàn)由課本知識(shí)向?qū)嶋H能力的轉(zhuǎn)化；通過典型電路的設(shè)計(jì)與制作，加深對(duì)基本原理的了解，增強(qiáng)了實(shí)踐能力?？偟膩碚f，這次課設(shè)學(xué)到了不少東西。尤其對(duì)調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)