单工无线发射接收系统的制作

单工无线发射接收系统的制作 1 总体设计方案设计要求为：设计一个单工无线发射接收系统,实现无线发射机至接收机间的单工语音传输业务。具体设计要求： 设计发射频率在32MHz左右，无线发射机传送信号的输入采用线路输入方式，采用分立元件构成音频无线发射电路。 设计一个与发射机相对应的频率的无线接收机，接收机采用第三代立体声接收机要求采用立体声播放，音质好。放收音机电路CXA1238组成的单片收音机，用扬声器收听语音信号。 传送信号为正弦波，在300Hz3400Hz时，系统发射功率20mW左右。 要求无线收发室内通信距离不小于5米。 要求无线天线采用拉杆天线或导线，长度小于等于1米。 系统可实现无明显失真的语音传输。2 方案论证与比较2.1 音频无线发射电路设计方案论证与选择方案1：采用集成芯片MC2833及相关电路构成。它可构成发射高频率信号的功率放大器。电路主要由音频放大器、可变电抗器、射频振荡器、输出缓冲器以及放大电路构成。本方案调频发射机的工作原理：先将语音通过话筒变成音频电压信号送给音频放大器进行音频电压放大，此音频电压信号经耦合电容送给可变电抗改变电抗值，而由可变电抗以及电感、晶体与高频振荡器组成调频振荡电路，产生调频波经缓冲送给两级二倍频放大器。电路基本框图如图1所示。但由于该方案涉及到的谐振回路较多，不易统调，因而频率不易控制，导致信号不稳定，容易跑台，实现较为困难。图1 MC2833电路基本框图方案2：采用集成芯片BA1404及相关电路构成。它主要由前置音频放大器，立体声调制器，FM调制器及射频放大器组成。利用内部参考电压改变变容二极管的电容值，可实现发射频率的调整，电路框图如图2所示。本方案可实现立体声调频发射，典型调频频段为75-108MHz，不足是振荡频率不易调整，尤其是低端频率实现困难，难以实现要求频段的调整。右声道输入左声道输入调频电路放大电路射频输出图2 BA1404电路基本框图方案3：采用分立元件构成音频无线发射电路。图3所示为分立元件调频电路框图。利用三极管构成高频振荡器，调节相应的电感和电容的大小，可产生稳定的中心频率，在音频信号的作用下，可产生相应的调频波，再经过缓冲放大和末级功率放大，得到需要的调频信号。相对前两种方案，本方案不仅电路简单，而且调试控制非常灵活，可靠性好，抗干扰能力强，容易实现调频的要求。图3 分立元件调频电路框图综上所述，本设计选择方案3，即利用分立元件构成音频无线发射电路。2.2 音频无线接收电路设计方案论证与比较方案1：采用芯片MC3362 。该芯片是美国MOTOROLA公司生产的单片窄带调频接收电路，主要应用于语音通讯和数据传输的无线接收机。调频接收电路框图如图4所示。MC3362片内包含振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、场强指示驱动及载频检波电路等电路。具有低供电电压、低功耗、灵敏度高等特点，主要应用于语音和数字通讯的接收设备。但是该电路较多用于调频广播接收，在要求的频段内进行调试相对困难。高放FAF本振1中放1中放2本振2鉴频低放图4 MC3362调频接收电路框图方案2：采用集成芯片CXA1019S。该芯片内部电路包括了AM/FM收音机从天线输入经调频高放、本振、混频在由中放、检波、直至调频功放的整个环节。调频接收电路，将调幅输入端IC对变频信号公共端短路，拉杆天线经耦合电容到带通滤波器，该滤波器的作用是抑制调频波段以外的信号的干扰。CXA1019S虽然把调频头电路集成进去，提高了集成度，但是相对CXA1238S增益较低，因而接收灵敏度较低。调频接收电路框图如图5所示。高放FAF中放本振鉴频低放图5 CXA1019S调频接收电路框图方案3：采用集成芯片CXA1238S。在片内集成了混频、中放、鉴频及立体声解码等功能，该芯片内部包含FM前置放大、立体声解调放大、FM中频放大及鉴频等环节，尤其是芯片内采用了锁相技术，由于芯片高度的集成化，因而接收机电路外围元件极少、中心稳定，调谐简单、抗干扰性强、电路稳定，调整方便等优点。综上所述，本设计选择方案3，即采用CXA1238S构成的FM解调电路。3 单元电路设计3.1 音频无线发射电路的设计本设计中的声音调频发射部分采用常用分立元件构成电路。如图6所示。射频电路由高频振荡器、缓冲放大器、末级功率放大器及天线组成。高频振荡器用来产生载频信号，频点落在32MHz内，通过改变电感量即可改变发射频率。在音频信号的作用下，通过改变晶体管极间电容实现调频，产生相应的调频波，射频信号由三极管Q1的发射极输出，送到三极管Q2、电感L2、电容C8、电阻R5等组成的缓冲放大器进行功率提升，并可减轻末级放大电路对振荡器的影响。末级为高频丙类窄带放大，通过后级功率放大器对功率再进一步放大，经电容C13耦合到发射天线向周围空间辐射。调频电路是通过改变晶体管极间电容实现调频的，由于任何PN结在加反向电压时，反向电压的变化将会引起结电容的变化，即所谓变容效应。在晶体三极管电路中，集电结就是一个加有反向电压的PN结。利用集电结的变容效应也可实现调频。图6中，三极管Q1、电感L1、电容C3、C5、C7和Cbc构成电容三点式振荡电路，其工作原理如下：对高频而言，Q1基极是接地的，所以是共基极电路。集电极-基极间的PN结处于反向偏压状态，结电容Cbc相当于并联L1 C3谐振回路两端，能影响振荡频率。调制电压加于Q1基极，以改变Q1的基极电位，使集电极与基极间的反向偏压发生了变化，从而使极间电容Cbc跟随调制电压而变，这就实现了调频。此电路的中心频率可通过回路可变电容C3来进行调整，工作在32MHz。图6 调频无线发射电路图取中心频率为32MHz，经查三极管9018的静态结电容Cbc为2pF，取C3、C5、C7的值分别为：3.3pF、10pF、39pF,根据以下频率的计算公式计算电感值。电路的中心频率计算公式如下： （4.8）式中， （4.9）得： （4.10）在实际调试中，电感L1和电容C3需要微调以满足中心频率的要求。3.2 音频无线接收电路的设计图7 音频无线接收电路电路设计如图7所示，工作原理如下：天线接收到的FM信号。经过3040MHz带通滤波器（BPF），加到IC的18脚，送至内部FM前置放大电路，经高放、混频后解调出10.7MHz的中频信号，并由16脚输出。20脚外接FM高放调谐回路，22脚为FM本振调谐回路。FM中频信号经10.7MHz陶瓷滤波器B2，馈入13脚FM中放和鉴频电路。26脚外接FM陶瓷鉴频器B3，它的中心频率为10.7MHz，这样可以省去鉴频S曲线的调整，但其色标（表示频率偏差）必须与B2一致。15脚外接波段选择开关，通过IC内部FM/AM直流电路的作用，来选择工作状态。当S1断开时为FM波段，S1接地时为AM波段。12脚为调谐指示驱动电路的输出端，使得接收信号最大时，外接发光二极管LED1指示最亮。经检波后的立体声复合信号（或单声道信号），由IC内直流放大器放大、滤波后变换成AGC/AFC控制电压，由10脚输出，通过R1反馈至23脚，用于控制内接变容管的等效电容，以达到修正本振频率的作用。改变外接电容C7的容量，可以调整AFC的引入范围。立体声复合信号经放大后，分别送至立体声解调器、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。VCO产生76kHz的振荡信号，经二分频变成38kHz立体声解调开关信号，送至解调放大器。再经过二分频， 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，输出一个误差电压。由外接滤波器（29脚和1脚之间）滤除高频成分后，用于控制VCO的振荡频率和相位，直至环路锁定。VCO的自由振荡频率可以通过27脚外接电阻来微调，从而调整跟踪导频信号的捕捉范围。鉴相器2的作用是鉴出立体声/单声道开关控制信号。当分频后的19kHz信号和输入导频信号的频率相同，相位差为零时，输出正电压最大，经低通滤波器滤波（2、3脚外接电容）和直流放大后，打开“立体声/单声道”开关，并驱动点亮4脚外接立体声指示发光二极管LED2。另外，4脚还可用来检测VCO振荡频率。解调放大输出的左、右声道信号，分别从6脚和5脚输出，送给TDA2822双功放电路的输入端6脚和7脚。TDA2822采用8脚双列直插封装，体积小，外围元件少，工作电源电压范围29V，在VCC=6V时，输出功率为430mW/8和240mW/16；在VCC=4.5V时，输出功率为220mW/8和125mW/16。RP2为立体声双联电位器，控制左、右声道的音量，XS为立体声插座，可用于外接立体声耳机或一对小型音箱。（说明：本电路尽管提供了双声道信号的解码、放大输出，但该系统只使用了一个声道）。3.3 芯片详细资料 TDA2822芯片的管脚说明： TDA2822各引脚的功能 1、放大器1输出；2、供电正电源输入，支持1.815V 3、放大器2输出4、地5、放大器2输入负端6、放大器2输入正端7、放大器1输入正端8、放大器1输入负端图8 TDA2822芯片的管脚图图9 TDA2822立体声放电路 CXA1238的详细资料 CXA1238是性能优良的收音集成电路，内部有AM、FM的高放、混频、中放、检波、鉴频以及FM立体声解码、自动频率控制电路等功能， CXA1238和其他公司的同类收音IC相比，听觉效果也更理想。集成电路CXA1238S芯片内部框图如图10所示。图10 集成芯片CXA1238S内部框图CXA1238各引脚功能：1、29脚是内部立体声解码用的锁相环振荡器的环路滤波器；2、3脚是内部立体声解码用的振荡信号产生，需要关闭立体声时，可以在2脚接一只电阻对地；4脚是立体声解码信号的检测与指示，收到立体声后灯会亮；5、6脚分别是左右声道音频信号输出；7脚为供电脚，输入2-8V的直流电压可以正常工作；8脚为内部电源滤波；9、10脚为FM自动频率控制的滤波，AM时则是自动增益控制电路的滤波，电容改变延时时间；11脚公共脚接地；12脚调谐指示，调准电台时此灯亮；13脚FM中频信号输入，信号放大后再经过鉴频（调频解调）取出音频信号；14脚AM中频信号输入，信号放大后再经过检波（调幅解调）取出音频信号；15脚AM、FM的波段转接，用于AM波段时应直接接地；16脚FM/AM中频信号输入，然后由不同的选频器选出AM、FM的信号；17脚公共脚接地；18脚FM天线信号输入，一般接拉杆天线，高档机会再加上选频网络，加转换电路接室外天线；19脚AM天线信号选台输入，一般都是磁棒线圈，直接感应空中的电磁波（中波、短波）；20脚FM天线信号选台放大，FM收音的灵敏度、选择性由本脚的电感和电容决定；21脚内部基准稳压电路1.25V，高放振荡偏置；22脚FM振荡信号频率调节，产生比电台高10.7MHz的振荡信号，接收频率范围由此脚决定；23脚FM振荡信号自动频率控制电路，内部是一支变容二极管；24脚AM振荡信号频率调节，产生比电台高465KHz的振荡信号，接收频率范围由此脚决定；25脚静音功能，调台过程中，没调准时噪音大时自动减小音量；26脚FM鉴频器滤波器，目的是为了还原调频的音频信号；27脚立体声压控振荡器调节，此频率最终会受到调频广播中立体声导频解码信号控制；28脚控制电压滤波。3.4 音频无线接收电路PCB音频无线接收电路印刷板图11所示，在制作过程中，有很多与低频电路相比需要特别注意的地方。总的来说，高频PCB布线规则需要注意以下几点： 尽可能缩短高频元器件间的距离，提高抗干扰性。 具有较大电位差的器件，应当加大它们之间的距离。 要考虑信号流程保持一致即从左至右流向，电源流程与信号流程方向相反。 高频电路注意布线方向，注意分布参数，两层之间应尽量垂直布线。 接地线应当适当的增加宽度，减少阻抗值，从而减少由于PCB版本身的阻抗对信号的干扰，增加系统的抗干扰性。图11 音频无线接收电路印刷板图4 系统测试4.1 分级调试 单工无线发射机调试：由于发射机线圈采用的是电视机中周改装而成，电视机中周的中频为38MHz，为了使电容电感在32MHz频点达到最佳匹配，需要调整L、C值。具体的调试方法为：在LC振荡电路中，把振荡产生的信号接入示波器，调节中周的磁芯改变L的值使示波器的频率读数达到32MHz左右。中周底部还存大一个分布电容，但是根据感抗值与容抗值相等，经计算需要增大电容值才能实现最佳匹配。所以可并联不同容值的电容，观察示波器波形，使幅度达到最大，则L、C实现最佳匹配。调试两级LC选频网络的过程：用高频信号发生器产生一个32MHz的载波信号接入选频网络，把选频网络的输出端接入数字存储示波器，首先调节中周的磁芯使示波器上的波形幅度达到最大，且波形没有失真。通过并联电容来改变回路的容抗值使L、C实现最佳匹配，使波器上的波形在32MHz时幅度达到最大，且波形无明显失真。完成LC选频网络的调试，用插线连接各级电路。 单工无线接收机调试：首先把接收机的本振和选频部分接入电路，把接收机的扬声器两路信号接入数字存储示波器。利用高频信号发生器进行信号发射，通过数字存储示波器观察波形。改变高频信号发生器的频率，同时注意观察示波器的波形，当示波器的信号幅度最大时，可以确定线圈的谐振点，然后改变线圈的磁芯，重新改变高频信号发生器的频率，同时观察示波器进行调整。当高频信号发生器的发射频率调至32MHz时，示波器的波形幅度调至最大，且波形无明显失真，完成接收机的调试。接收机不需要通过改变电容来改变回路的容抗值，是因为电路中有一个变容二极管，变容二极管主要通过改变两端的电压来改变它的电容值。4.2 统调 用低频信号发生器给调频发射电路以一定频率的信号（一个300Hz3400Hz的正弦波）接入无线发射机电路的音频输入点通过单工无线发射机进行发射，然后用调频接收机装置来接收，用示波器来检测调频接收输出的信号和信号源波形基本相同，这说明发射接收部分工作正常。统调的系统框图：调频发射装置调频接收装置信号源 示波器图12 统调的系统框图 用CD机输入单工无线发射机一个音频信号，进行发射。通过接收机进行接收，把扬声器接入电路。通过微调整发射和接收机线圈进一步进行调整，使音乐的声音响度和清晰度得到改善。可以在发射电路正负电源之间适当的并联电容，进行滤波，减少杂波干扰，使音乐信号达到最佳的播放效果。4.3 测试使用的仪器测试使用的仪器设备如表1所示。表1 测试使用仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1DF1640型1000MHz高频信号发生器1带调幅、调频及外调制功能2MY-65数字万用表13DF1731SD3A直流稳压电源130V4600DPI惠普激光打印机15DS5062数字存储示波器160MHz6DF1647低频信号发生器110MHz5 结论测试结果表明，本设计达到设计要求的各项指标，尽管发射功率符合要求，但仍有点偏高，原因可能是功放级工作点设置不当，或前级增益过高，需精心调整功放级工作点及前级增益来解决此问题。要得到稳定度高的发射频率应采用锁相环技术，来降低中心频率的漂移。此外，语音信号采用调频方式与调幅相比，有利于改善输出音频信号的信噪比，以保证语音业务的可靠传输。单工无线发射接收系统应用了大量的高频电子线路技术，尤其是其中的高频信号处理设计电路要有电路调试的环境，受实际调试环境的影响教大，调试具有较大难度。所以在制作PCB板过程中，一定要遵循高频布线规则，并且可以在焊接电路的过程中适当接入退藕电容，有效的滤除杂波信号的干扰。通过方案论证、资料查询及电路设计和反复调试，不断的解决电路调试过程中的问题，最终在规定的时间内完成了设计任务。如果能更好的解决系统屏蔽效果和抗干扰性，单工无线发射接收系统语音传输的稳定性、可靠性效果会更好。参考文献1 张肃文，陆兆熊.高频电子线路，第3版，高等教育出版社，2004年。2 游向东，孙孝强.互联互通呼叫测试仪的设计，电子产品世界，2003年。3 刘立枫，赵民建.信号接收机，中国无线电电子学文摘，2005年，31期。4 孟庆宗.电力电子技术，1979年，第2期。5 周兴华.变容二极管和电调谐，电子世界，2000年。