簡易調頻無線話筒的設計與制作

1、天 津 大 學 網 絡 教 育 學 院?？飘厴I(yè)論文題目：簡易調頻無線話筒的設計與制作 完成期限：2016年1月8日 至 2016年4月20日學習中心：嘉興專業(yè)名稱：電氣自動化技術學生姓名：蘭啟發(fā)學生學號：132092433053指導教師：劉斌調頻無線話筒設計第1章 緒 論信息傳輸是人類社會生活的重要內容。從古代的烽火到近代的旗語，都是人們尋求快速遠距離通信的手段。直到19世紀電磁學的理論與實踐已有堅實的基礎后，人們開始尋求用電磁能量傳送信息的方法。通信（Communication)作為電信（Telecommunication) 是從19世紀30年度開始的。面向21世紀的無線通信，無線通信的系統(tǒng)

2、組成、信道特性、調制與編碼、接入技術、網絡技術、抗衰落與抗干擾技術以及無線通信的新技術和新應用的發(fā)展更是一日千里，簡易無線發(fā)射網絡。正是這些電路的基礎，設計與調試發(fā)射電路能使我們快速步入電子設計的大門。幾乎每個電子愛好者都有利用無線電的雄心壯志，不論遙控一架飛機或者與外界通訊，都表達他們發(fā)射的期望訊號。 這介紹的一部發(fā)射機，十分適用初學者，造價低廉，輸出功率不超過58mW，發(fā)射范圍在房屋區(qū)可至300米左右，顯示其靈敏度和清晰度俱佳，電路設計中最富挑戰(zhàn)性的部份就是只需用3V電源和半波天線便有如此的發(fā)射能力。另外，由于電路需要的零件十分之少，故可將之安放在一個火柴盒（比國內般火柴盒大一些）里，作為

3、竊聽器，可謂神不知、鬼不覺，不過，并非限于這方面用途上，可將之安置在嬰孩房、閘門或走廊通道，監(jiān)視實際情況，此外亦可當作為夜間保安裝置。電路之電流損耗少于5mA，用兩枚干電池可連續(xù)工作80至100小時之間。電路在正常工作下非常穩(wěn)定，頻率漂移極小，測試：工作8小時之后，仍不需再校接收機。唯一影響輸出頻率是電池的狀況，當電池老化時，頻率有輕微改變。通過此設計，學習有關FM發(fā)送，可了解其優(yōu)越的地方，特別它產生無噪聲的極高質訊號，即使利用低功率發(fā)送，也很容易取得良好的范圍。第2章 設計方案2.1 方案選擇現(xiàn)有的無線耳機和無線話筒，其線路雖有差異，原理是一致的，都離不開調制和解調，但卻是單獨的各用一套調制

4、和解調線路，造成了不必要的浪費，使用也不方便。本實用新型設計涉及無線通信技術，是一種將無線話筒與無線耳機合二為一的技術。它包括發(fā)射部分與接收部分，其中發(fā)射部分由立體聲信號預加重電路與調制發(fā)射電路串聯(lián)而成，接收部分由接收接收解調電路、立體聲解碼電路、立體聲功放電路串聯(lián)而成，在調制發(fā)射電路上還串聯(lián)話筒及話筒信號放大電路，在立體聲解碼電路與立體聲功放電路之間連接信號輸出端，在立體聲信號預加重電路及話筒信號放大電路預調制發(fā)射電路之間串聯(lián)互穎開關。本設計的目的在于設計一種無線話筒與耳機合一器，以降低制作成本，方便使用。音響設備線路輸出立體聲信號預加重話筒信號放大調制發(fā)射圖2.1 發(fā)射部分結構框圖接收解調

5、立體聲解碼設備話筒輸入立體聲功放立體聲耳機圖2.2 接收部分框圖2.2 無線話筒準用的頻段無線電波可以在空間自由傳播，不受用途和地域限制，因此造成各種無線電設備的頻率交叉重疊。如果不加以規(guī)定和約束，不可避免地會產生相互干擾，影響正常的通信。為此，世界上無線頻率管理部門對無線電頻率的使用范圍作了統(tǒng)一規(guī)定，使它們之間的相互影響降到最低。無線話筒使用的頻段有：2.2.1 VHF甚高頻波段VHF 頻段的頻率范圍為30MHz300MHz，波長為10m1m，通常稱為“米波”，廣泛用于調頻廣播、電視頻道、民用對講機和傳呼機。頻道占用極為擁擠，工業(yè)干擾源多。分配給無線話筒V H F 頻段的頻率范圍為1 6 9

6、 M H z 230MHz，共占有61MHz 的可用頻帶。與電視612 頻道占用的頻率范圍相同。在61MHz 可用頻帶內，無線話筒又把它分成三個波段，V H F （A ）為1 6 9 M H z 1 8 5 M H z ；V H F （B ）為1 8 5 M H z 2 0 0 M H z ；V H F （C ）為200MHz230MHz。2.2.2UHF超高頻波段UHF 頻段的頻率范圍為300MHz3000MHz，波長為1m0.1m，通常稱為“分米波”，主要用于電視頻道、移動電話、微波通信和軍用雷達等。分配給無線話筒的頻率范圍為6 9 0 M H z 960MHz，占有270MHz 的可用頻

7、率范圍，是VHF 頻段的4.5 倍，因此可設置更多的無線話筒通道，并且干擾源少。在UHF 頻段中，無線話筒還分配到另一個更高的民用通信頻段， 即2300MHz2400MHz，簡稱2.4G 波段。此頻段的干擾源最少，但設備的生產成本高。2.3 各頻段無線電波的傳播特性自由空間電磁波的傳播衰減包括距離衰減（衰減量與距離的平方成正比）、傳播媒體的吸收（空氣、人體和墻體等）和金屬結構物的反射。頻率越高，傳播媒體的吸收越大，金屬物體的反射越強（即阻止電磁波傳播的能力越強）。UHF 頻段的發(fā)射接收之間主要靠直達波傳播，難以繞過金屬障礙物傳播。VHF 頻段除直達波傳播外，還可利用一部分折射和繞射電磁波。因此

8、在同樣的發(fā)射功率和傳播條件下，VHF 傳播距離比UHF 更遠一些。金屬物體對電磁波傳播的阻擋反射與無線電波長（頻率）的關系金屬物體對電磁波都有反射作用。阻擋電磁波傳播的能力與電磁波的波長和金屬物體的大小有關。電磁波的波長小于金屬物體的尺寸時，會被全部反射，傳播受阻?；蛘哒f，頻率越高，金屬物體對電磁波的反射越強。相反，如果電磁波的波長大于金屬物體的尺寸時，部分電磁波會繞過金屬障礙物繼續(xù)傳播（電磁波的繞射特性）。顯然，UHF頻段的反射比VHF 頻段的反射更多、更強。電磁波對金屬網格（或金屬孔板）的穿透能力電磁波的波長小于金屬網格孔的直徑時，則會被通過。也就是說，波長越短，通過金屬網格的穿透能力越強

9、。非金屬物體（人體、墻壁等）對電磁波的吸收作用，電磁波的頻率越高，非金屬物體對它的吸收越大，電磁波的傳播衰減也越大。第3章 電路設計3.1 發(fā)射部分電路設計如圖所示，立體聲信號預加重電路由W1、W2、R1、R2C1-10構成，話筒信號放大電路由T1、R3-5、C11、C12構成，F(xiàn)M調制預FM發(fā)射電路由IC1（BA1404）、T2、R7-11、C15-25、L1-2構成，R6起限流作用，C13-14起濾波作用，LED用于顯示。三極管選用JE9018硅NPN型小功率晶體管，為B>60的高頻管，耗散功率為400mw，因其在AM/FM的中頻放大器和FM/UHF調頻器的振蕩器中作放大和振蕩用。經

10、對其電氣特性進行測試，其主要特點是：特征頻率高，能達到fT1100MHz（典型值），而且對電源頻率變化和環(huán)境溫度變化具有穩(wěn)定的振蕩和很小的頻率偏移，工作溫度范圍在55150°C。它的這些特點使其能很好的應用于調頻無線設備的設計中。高頻信號很容易由于幅射而產生干擾，導致振鈴、反射、串擾等；而電路對此又特別敏感，因此在PCB板設計時，必須加以重視。為此電源設計時，應盡量減少板上的通孔（包括插件元件的引腳、過孔等）；多增加一些地線；隔離敏感元件；在信號線邊上可放置電源線，以最小化信號環(huán)路面積，減少環(huán)路數(shù)量。傳輸互布線應盡量滿足以下規(guī)則：避免傳輸線阻抗不連續(xù)（阻抗不連續(xù)點是傳輸先突變點，如直

11、拐角、過孔等，它將產生信號的反射。為此，布線時應避免走線的直拐角，可采用45°角或弧線走線，盡可能地少用孔）。其次，要減少串擾。圖3.1 發(fā)射部分電路原理圖串擾是信號間產生的耦合，分容性串擾和感性串擾兩種，通常感性串擾遠大于容性串擾。串擾可通過一些簡單的辦法抑制：由于容性串擾和感性串擾的大小隨負載阻抗的增大而增大，所以應對串擾引起的干擾敏感信號進行適當?shù)亩私?。增大信號線間的距離，以減小容性串擾。為減小容性串擾，可在相鄰信號線間插入1根地線；但須注意，此地線每1/4波長要接入線層。對感性串擾，應盡量減小環(huán)路面積，如允許，應消除次環(huán)路。避免信號共用回路。最后，隨著電路速度的提高，電磁干擾

12、越發(fā)嚴重，還須減小電磁干擾。圖3.1 發(fā)射部分電路圖減小電磁干擾的途徑通常有：屏蔽、濾波、消除電流環(huán)路和盡量降低器件速度。濾波通常有三種選擇：去耦電容、電磁干擾濾波器、磁性元件。最常見的是去耦電容，去耦電容用于電源線路濾波。通常在電源接入電路板處放置一個1F10F的去耦電容，以濾除低頻噪聲；在板上每個源器件的電源引腳處放置0.01F0.1F的去耦電容，以濾除高頻噪聲。對去耦電容，要注意其放置位置。3.2 接收部分電路設計FM接收電路，F(xiàn)M解調電路由IC2（TDA7008T）、R12-13、C26-37、C49-50、D1、L4、K3-4構成，立體聲解碼電路由IC3（TDA7040T）、R14-

13、17、W3、C42-44構成，立體聲功放電路由IC4(TDA7050T)、W4、W5、C45-48、R18-19構成、C40-41起濾波作用。當K1、K2打開在PHONE位置時，k1的A與B連，A與B連，E與F連，E與F連，K2的A與C連，A與C連，整個電路完成無線耳機的功能在發(fā)射端，IC1（BA1404）是雙聲道無線發(fā)射IC。由音響設備輸出立體聲音頻信號由P1輸入，經雙聯(lián)電位器W1、W2控制其大小，經過由R1、R2、C1、C2組成的預加重網絡處理后，由C7-8耦合輸入IC1的1、18腳，C3-6、C9-10兼有濾除高頻的作用，IC1的5、6腳所接的C21和8KHZ晶振與IC1內部共同組成振蕩

14、頻率穩(wěn)定的倒頻信號發(fā)生器，該38KHZ振蕩信號一路經IC1內部分頻器產生19KHZ導頻信號，另一路用于對立體音頻信號進行編碼，編碼信號由14腳輸出，與13腳輸出的導頻信號一起構成立體聲復合信號，R9-10、C15-16起耦合作用，該復合信號送入12腳，并對高頻振蕩信號進行調頻，調制后的射頻信號經內部放大后由7腳輸出，T2、R11、C25、L2組成射頻功放，對調頻信號進一步放大，最后由天線發(fā)射出去。C18、L1決定了調頻波的載波頻率。圖3.2 接收部分電路原理圖在接收端，IC2（TDA7088T）是由電調頻FM接收IC，IC3（TDA7041）是立體聲解碼IC，IC4（TA7050T）是立體聲功

15、放IC，從天線接收導FM信號經過C26、C28-29、C50、L3、R12組成的調頻網絡輸入IC2的11、12腳，與其內部的本振信號混頻后產生73KHZ的中頻信號，D1、C49、L4決定了本振頻率的大小，16腳通過R13為變容二極管D1提供電壓，K4為頻位復位鍵，F(xiàn)M中頻信號經過IC2內部的濾波器和中頻放大器后，由正交解調器進行解調，6-10腳所接電容是中頻濾波器的外接電容，15腳外接的K3為自動搜索鍵，2腳輸出解調后的音頻信號，經過R15、C38、C39耦合導IC3的8腳，IC3將立體聲復合信號中的（L+R）和（L-R）分量轉換成左、右通道音頻信號，R17、W3控制IC內部的振蕩器與立體聲信

16、號中的倒頻載波信號同步，IC3的5、6腳輸出左、右聲道音頻信號，經雙聯(lián)電位器W4、W5調節(jié)音量后，送到IC4(TDA7050T)進行放大，6、7腳輸出經P3驅動立體聲耳機。當開關K1、K2打開MIC位置時，K1的B與C連，B與C連，F(xiàn)與G連，F(xiàn)與G連，K2的B與C連，B與C連，話筒信號放大部分得電，IC4功率放大部分失電，整個電路完成無線話筒功能，話筒信號經過T1、R3、R4、R5、C11進行一級放大后由C12耦合導IC1的1、18腳，IC1的調制、IC2的調解、IC3的解碼與無耳機的情況完全相同。IC3的5、6腳輸出完全相同的兩路話音信號，取其中一路通過P2輸入導音響設備的話筒輸入端，W4可

17、以調節(jié)此信號大小。當開關K1、K2打開在OFF位置時，K1的C與D連，C與D連，G與H連，G與H連，K2的C與D連，C與D連，發(fā)射、接收部分失電，整個電路不工作。第4章 電路調整與改進為了使整個設計的抗干擾性能進一步加強，對發(fā)射電路的放大部分和發(fā)射部分進行了改進。41 信號放大電路的改進方案信號放大電路采用二極管穩(wěn)壓技術，在原基礎上增加了兩個電阻、一個電容和兩個二極管，能使電路更穩(wěn)定的工作。圖4.1 二極管穩(wěn)壓電路話筒MIC采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的偏壓才能工作，電阻R3可以提供一定的直流偏壓，R3的阻值越大，話筒采集聲音信號通過C

18、2耦合和R2匹配后送到三極管的基極，電路中D1和D2兩個二極管反向并聯(lián)，主要起一個雙向限幅的功能，二極管的導通電壓只有0.7V,如果信號電壓超過0.7V就會被二極管導通分流，這樣可以確保聲音信號的幅度可以限制在正負0.7V之間，過強的聲音信號會使三極管過調制，產生聲音失真基甚至無法正常工作。 42 發(fā)射部分電路的改進方案421 方案一：電容三點式電容三點式振蕩器也稱為"考畢茲"振蕩器. 該種振蕩器由電感和兩個電容構成振蕩回路,由其中的一個電容提供反饋.振蕩頻率為:. 電路圖:圖4.2電容三點振蕩電路 這種電路的優(yōu)點是輸出波形好、振蕩頻率可達兆赫以上。缺點是調節(jié)頻率時需同時調

19、CC1、CC2不方便。適宜于作固定的振蕩器。 該電路較容易制作,電容三點式電路振蕩頻率可達到上100MHZ,所以可以用來制作成無線電發(fā)射電路,用來制作無線話筒,對講機等.用9018管做過無線話筒,用普通收音機可在20M左右收聽到清晰的信號,也可使用8050管,發(fā)射距離可達1KM以上.422 方案二：電感三點式電感三點式振蕩電路,又稱哈特萊振蕩電路。下圖中L1、L2、C組成諧振回路,L2兼作反饋網絡,通過耦合電容Cb將L2上反饋電壓送到三極管的基極。圖4.3 電感三點式振蕩電路由交流通路看出,諧振回路有三個端點與三極管的三個電極相連,而且與發(fā)射極相接的是L1、L2,與基極相接的是L2、C即滿足&

20、quot;射同基反"的原則。因此電路必然滿足相位平衡條件。圖4.5 負反饋圖4.4 諧振回路 當回路的Q值較高時,該電路的振蕩頻率基本上等于LC回路的諧振頻率,即 式中L = L1L22M為回路總電感。     該電路的特點與變壓器反饋式振蕩電路極為相似。須指出：它的輸出波形較差,這是由于反饋電壓取自電感的兩端,而電感對高次諧波的阻抗較大,不能將它短路,從而使Uf中含有較多的諧波分量,因此,輸出波形中也就含有較多的高次諧波。     用集成運放構成的電感三點式振蕩電路如圖Z0807所示,不難證明

21、其振蕩頻率為：        423 方案三：晶振產生（1）有兩個諧振頻率A.L-C-R支路串聯(lián)諧振；B.當f>fs時，L-C-R支路呈感性，與Co產生并聯(lián)諧振，可構成兩種不同類型的頻率高度穩(wěn)定的正弦波振蕩電路。（2）價格相比起來較貴影響兒C振蕩電路振蕩頻率的因素主要是 LC 并聯(lián)諧振回路的Q值，可以證明，Q值愈大，頻率穩(wěn)定度愈高。由電路理論知道：為了提高Q值，應盡量減小回路的損耗電阻R并加大L/C值。但一般的LC振蕩電路，其Q值只可達數(shù)百，在要求頻率穩(wěn)定度高的場合，往往采用石英晶體振蕩電路。圖4.6 晶振電路最終我選

22、擇了電容三點式，改進后電路圖如下：圖4.7 發(fā)射部分改進電路第5章 PCB印刷電路板的實現(xiàn)新建一個工程文件(.ddb)，在Documents中點鼠標右鍵新建一個Schematic Document，單擊OK就建立一個原理圖文件，這時我們就可以加載必要的Library來進行我們的電路設計了。選擇右邊的Browse里的Libraries，再選擇Add/Remove來添加或刪除特定庫。這里我們需要的庫是Sim.ddb與Miscellaneous Devices.ddb，加載庫完成后我們就可以開始擺放元件，連接好電路。這時有個小技巧，我們可以使用Protel自帶的工具對元件進行編號處理，選擇Tools

23、里的Annotate選項，會出現(xiàn)一個對話框點OK就可以對元件自動進行編號，我們同時可以將各元件的大小進行設置，使我們對電路的分布一目了然。這時我們的原理電路基本設計完成。接下來我們需要做的是將其各分立元件進行封裝，然后進行PCB印刷電路板的設計。進行PCB設計當然也可以直接在PCB設計中進行各元件的封裝，然后進行手動布線，但過程已過于繁瑣。我們這里使用原理圖生成網絡節(jié)點，然后在PCB中使用這些配置自動生成我們所需要的封裝和布線。加載完必要的PCB庫文件后就可以使用Design中的Load Nets將節(jié)點文件載入后我們就可以進行元件的拖放工作，當然如果系統(tǒng)提示部分網絡節(jié)點出錯則須重新檢查原理電路

24、圖，重新生成網絡表。PCB元件的布局與走線對產品的壽命、穩(wěn)定性、電磁兼容都有很大的影響，是應該特別注意的地方。如走線高頻數(shù)字電路走線細一些、短一些好，但是太小又不利于進行焊燒，應盡量加大絕緣間距。大面積敷銅要用網格狀的，以防止波焊時板子產生氣泡和因為熱應力作用而彎曲，但在特殊場合下要考慮的流向，大小，不能簡單的用銅箔填充了事，而是需要去走線。元件布局還要特別注意散熱問題。對于大功率電路，應該將那些發(fā)熱元件如功率管、變壓器等盡量靠邊分散布局放置，便于熱量散發(fā)，不要集中在一個地方，也不要高電容太近以免使電解液過早老化。有時候會因為誤操作或疏忽造成所畫的板子的網絡關系與原理圖不同，這時檢查與核對是很

25、有必要的。所以畫完以后切不可急于進行制版，應該先做核對，后再進行后續(xù)工作。如下圖是完成后的PCB板，但是由于我未認真做檢查，導致了J3開關的封裝錯誤，只能焊上插針使用跳線來連接J3兩端。設計完成后，可用3D進行整體瀏覽，這時可以對元件封裝進行重新檢查。我們將R1偏置電阻的阻值減小使其對接收靈敏度提高，經測試，達到15.20m的聲音信號仍能正常接收（溫度：20.0），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

26、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。當然該電路仍存在很多問題，發(fā)射功率不高，抗干擾效果不甚理想。為使輸出更加穩(wěn)定，我們采用一級放大電路進行振蕩，一級進行調制各分立元件大小暫為列清。調試時按如下步驟進行：1檢查焊接好的電路板，確保裝接無誤后先測量一下正負電源之間的靜態(tài)電阻有無短路或開路現(xiàn)象。2測總電流。3測載頻。用超高頻毫伏表測量T1的b極與地之間應有幾伏特的高頻電壓，用數(shù)字頻率計觀測頻率。4調制電壓測量。如無儀器也可按上述步驟，使用收音機進行測試，邊測邊反復調整C5等電容與電感，直到接收距離較遠，聲音失真最小為止。第6章

27、 設計心得每一個電子設計愛好者都有電子制作的經歷，從開始時的不斷失敗到逐漸得心應手，到最后的電子設計工程師，其中的滋味是那些圈外人所無法領會的。其實有很多朋友很想進入電子制作的大門，但是苦于找不到入門的方法而只能在 電子技術的門外徘徊”，實踐后才能明白其個中滋味。通過這次實踐，通過組裝、調試制作套件使我們快速步入電子設計的大門。制作過程是一個考驗人耐心的過程，不能有絲毫的急躁，馬虎，對電路的調試要一步一步來，不能急躁，在電腦上調試考驗了我們的操作水平，而焊功更考驗了我們的動手能力。焊盤很小，打孔必須打到正中心，否則焊時會造成虛焊甚至可能造成焊盤銅片脫落的后果。焊功不好還有可能影響整個電路的穩(wěn)定

28、性，可能造成中心頻率不穩(wěn)定，部分技術指標難以達標。這次開發(fā)這個硬件項目，基于學校給的部分資料進行，應學校的要求而實現(xiàn)具體功能，提高系統(tǒng)某方面能力的需要。但作為一個硬件系統(tǒng)的設計者，未來的電子工程師，要主動的去了解各個方面的需求，并且綜合起來，提出最合適的硬件解決方案。高級方案未完成的原因也是我們平時對高頻電子線路與電子技術基礎的掌握不夠問題，平時的認真學習加上最后的親身實踐才能最終帶領我們走向電子設計的高峰。結 論在寫本論文過程中，我學到了許多新的知識。還從導師那里獲得了很多寶貴的經驗。但是由于自己本身專業(yè)知識不扎實，論文在分析成本管理中還存在許多不足之處。請指導老師多多指教。踉踉蹌蹌地忙碌了

29、兩個月，我的畢業(yè)設計課題也終將告一段落。點擊運行，也基本達到預期的效果，虛榮的成就感在沒人的時候也總會冒上心頭。但由于能力和時間的關系，總是覺得有很多不盡人意的地方，譬如功能不全、外觀粗糙、底層代碼的不合理數(shù)不勝數(shù)。可是，我又會有點自戀式地安慰自己：做一件事情，不必過于在乎最終的結果，可貴的是過程中的收獲。以此語言來安撫我尚沒平復的心。畢業(yè)設計，也許是我大學生涯交上的最后一個作業(yè)了。想籍此機會感謝四年以來給我?guī)椭乃欣蠋煛⑼瑢W，你們的友誼是我人生的財富，是我生命中不可或缺的一部分。我的畢業(yè)指導老師劉斌老師，他以一位長輩的風范來容諒我的無知和沖動，給我不厭其煩的指導。在此，特向他道聲謝謝。大學生活即將匆匆忙忙地過去，但我卻能無悔地說：“我曾經來過。”大學四年，但它給我的影響卻不能用時間來衡量，這四年以來，經歷過的所有事，所有人，都將是我以后生活回味的一部分，是我為人處事的指南針。就要離開學校，走上工作的崗位了，這是我人生歷程的又一個起點，在這里祝福大學里跟我風雨同舟的朋友們，一路走好，未來總會是絢爛繽紛。最后，承我諸位恩師的指點，在今后離開校園的日子里，我保證努力學習，積極探索，向我人生的最高峰奮斗！致 謝本學位論文是