短波接收机- 实践教学

短波接收机- 实践教学 短波接收机 摘 要 本文介绍了以二次变频FM接收芯片MC3362为核心,以锁相环频率合成器MC145152产生第一本振的二次变频短波调频接收机的与实现. 由于该设计中采用高中频变频技术,将第一中频提高到10.7MHZ,为该机的镜像抑制比及组合频率抑制性等指标达到题目的要求奠定了基础;利用MC145152实现的锁相环频率合成器易与单片机接口,实现全频段自动调谐,设定范围自动调谐,手动步进调谐等多种调谐方式,并扩展了频率范围;利用双栅场效应管BF982作高放管,同时自动调整中心频率,兼顾了窄带高增益与高放稳定性的矛盾;人机交互系统有 4*4小键盘和122*32点阵液晶显示器, 并利用实时钟芯片DS12887中的不掉电SRAM存台,同时可实时显示时间;利用DC-DC变换芯片实现电池供电,并有电池欠压报警,使该机各项性能指标均达到或高于题目要求. ?1? 一. 选择与论证 1.系统方案设计与论证: 根据题目的要求,提出几种系统方案: (1).方案一(如下图): 该方案采用PLL频率合成器产生本振的一次变频技术.输 入回路把接收到的信号送入混频器,和PLL产生的第一本振 混频,经中放调谐放大后送到鉴频器鉴频,然后把解调后的信 号经音频功放推动扬声器. 本方案的主要特点在于系统结构简单,易于实现. 但本方 案不易达到题目要求的某些指标,如镜像抑制比. ?2? (2).方案二(如下图): 此方案不同于方案一之处在于采用二次变频技术,这样相对方案一来说可以明显提高镜像抑制比.由于采用二次变频,还可利用其变频级的增益,提高整机的灵敏度. 并利用D/A产生的直流电压自动调整输入回路中心频率 ,兼顾了高放增益与带宽的矛盾. (3).方案三(如下图) : 本方案由于采用DDS技术产生本振信号,可以获得很高的频率稳定度,采用这种方案可以大大改善系统性能,如台调谐频率可精确步进、系统选择性、频率稳定度、等指标都可以做得很高.但系统复杂,不易控制,实现起来技术难度较大. ?3? 2.方案的确定 综合考虑以上三种方案的优缺点、难度和可实现性,我们 选择了方案二. 系统总原理图如下页: 二. 理论与计算 1.信号带宽的计算: 设载频信号为: u(t),Ucos,tCc u(t),Ucos,t,,调制信号为: 则,该调频波可以描述为: ?4? (,t),,，ku(t) cf, 式中kf为调频波的调频灵敏度.该调频波的最大相偏mf ,,,fmmm,,f,Fm 3KHz,,31KHz 式中?fm 为最大频偏,Fm为调制信号中最高频率分量.接收机的带宽BFm为: ，，B,2m，1F,8KHz Fmfmax ,f,8KHz故接收机的频率步进 我们选频率步进为4KHz. 2.中频的选取: 本题采用超外差式FM接收机,这种方式能使接收机的性能得到改善,但同时混频器又会给接收机带来干扰问题.理想情况下,混频器的输出只有输入信号Fc与本地振荡的频率Fl混出的中频分量Fc-Fl或Fl-Fc,而实际中还有其它的许多频率分量也会经混频器输出,这就有可能产生下面的干扰: (1).信号与本身的自身组合干扰.有: fp,1c (p,q是非负整数) ,fp,ql ?5? 当Fc/Fl(或者说变频比)一定时,并能找到合适的p,q就会形成干扰,而阶数越小,干扰越严重(p+q>1).在接收频带一定的情况下,提高中频可以减小这种干扰的数目和阶数. (2).外来干扰与本振的组合干扰.这种干扰是由混频器的非线性而形成的假中频. p1f,f,fjllqq 如果干扰频率Fj 满足上式,就能形成干扰.式中, Fl由接 f,f，f收的信号频率决定,用 lci pp,1 f,f，fjcl代入上式,可得 qq 这一类干扰主要有中频干扰,镜像干扰及其它副波道干扰. 影响本设计的主要是镜像干扰. 设混频器中Fl>Fc,当外来干扰频率Fj= Fl+Fi时,Uj与Ul 共同作用在混频器的输入端,也会产生差频Fj-Fl=Fi,从而会在接收机输出端听到干扰电台的声音. 对于FlA. 其工作原理是当开始计数时A和N同时计数,前置分频器工作在?V+1模式,当计数器A溢出时,控制前置分频器以?V模式工作,同时令自身停止计数,当计数器N溢出时,令前置分频器以?V+1模式工作,同时时计数器A和N重新置数,并开始新的计数. 分频比公式如下: D,V，N，A 本机选用了MOTOROLA公司的MC12016(?40/?41) ?13? 前置双模分频器及MC145152锁相环芯片构成吞脉冲频率合成器. MC145152芯片已集成了参考分频器,鉴相器和两个计数器,并采用并行码输入易于和单片机接口,且提高了响应速度. VCO部分: 为简化DC-DC设计，本机放弃了常用的高电压VCO电路，根据变容二极管的特点，采用西勒振荡器的形式，采用这种形式的振荡器的好处是:电路容易起振，只需较低的压控电压即可满足频率范围内的要求。 同时为了提高VCO的负载能力及减少负载对VCO 的影响，我们采用后接射随器，此时分两路信号，一路去前置变模分频器,另一路去混频器作第一本振。 环路滤波器(如右图): 这是PLL中的重要部 分,它对环路参数调整起着 决定性的作用.本机采用二 阶有源比例积分滤波器为环路滤波器. ?14? ,,其中R1R2和C由右式决定 k，kvcorW,,,r,(101000)nN，C，Rr1其中ωn为自由谐振角频率,,，R，C2n,,2ξ为阻尼系数,kФ是鉴相器,,,f2mk,VCO,,V增益,kvco为VCO增益,N为 Vcck,,2,反馈环总分频比. 为了确保能锁定所需频率,同时捕获时间不太长,本机PLL的环路参数选取r=30, ξ=1,N=5175. 同时为了滤除相位噪声,在主滤波器前为RC副滤波器,副滤波器的截 止频率远小于 主滤波器. 控制部分: 如右图所 示,为了减少 PLL对系统资 源的占用和控制时间,本机采用两片27C64分别存放计数器N和A的分频数,用一片82C55输出地址码,即可同时往 ?15? MC145152中送A和N.可快速准确的完成搜索任务,大大减轻了系统软件的负担和确保锁定时间. 4.控制系统 控制系统、协调系统的其它各部分.主要实现控制PLL频率合成器,用串行D/ATLC5620自动改变第一本振频率,从而实现自动控制输入回路中调谐放大器的中心频率并自动搜索电台的功能. 本机采用液晶显示器和键盘作为人机交互系统,4*4键盘用来控制系统的各功能的 选择, 由液晶显示当前系 统的工作信息及键盘的部 分功能说明(采用中文菜单 形式).开机后进入主界面(右上图),工作在上一次关机时的电台, 电台信息的保存利用了实时钟芯片DS12887, 同时利用它实时显示时间, 提高了信息存取的效率. ?16? 系统的工作主界面如上图所示: 右图为按下自动搜索键后的界面. 若当前工作的电台没信号时系统就会提示. 本系统采用菜单选择,提供了良好的人机交互界面,并 且有帮助显示. 软件流图如下图所示: 5.电源部分 ?17? 本系统还用单电源供电,采用MAXIM公司生产的DC-DC变换芯片 MAX752进行电源变换 给系统供电. MAX752的 工作原理图如右图所示. 其带负载的启动电压为 3.0V为可以用电池进行 供电.由于它是PWM工作模式,工作的开关频率为170KHz,使得输出的纹波比较容易滤掉,同时保证了转换的高效性,效率达87%.为了屏蔽其辐射采用铁盒封装,用穿芯电容与外围连接.并且利用MAX705进行电源监控(3.0V电源监测). 6.音频放大电路 考虑到题目要求音频 最大不失真输出功率?100 mW,同时音频放大器能够 尽量与系统用同一组+5V 电源,故选用能+5V供电最大不失真功率达350mW的LM386 ?18? 作为音频放大器. 四.测试方案及结果: 1. 测试所用仪器: XFG-7高频信号发生器,DT9202数字万用表,HP33120A信号源,HP54645D示波器,ZN2172交流毫伏表,8Ω负载电阻,CMC250频率计. 2. 整机测试指标 (1).灵敏度 根据国家标准,测试灵敏度必须在无外界电磁场干扰的屏蔽室内进行,利用环形天线,通过仪器设备测量.由于条件所限,无法采用此

方法

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.由此我们采用在要求的输出功率和输出信号不失真的条件下,测试最小的输入信号.我们用HP33120A作信号源,外接一个40db衰减探头,接至接收机天线处,由大小逐渐减小输入调频波的幅度,直至接收机输出信号的失真度大于10%. ?19? 测试数据如下表: 8.000 8.500 9.000 10.000 fi (MHz) 1.1 0.9 0.9 0.7 灵敏度(μV) (2).通频带 用HP33120A信号发生器产生一要求的高频调频信号,并加一个40dB衰减探头,断开455K陶瓷滤波器的输出端,在输出端接一1K负载电阻,然后用交流毫伏表测量滤波器的输出电压.当fi改变4KHz时分别记录电压值与f0的电压值,并比较. 输入频率fi f0-4KHz f0 f0+4KHz 输出衰减 20dB 0 23dB 条 件 f0=9.000MHz (3).选择性 在输出最大不失真功率条件下,断开455K陶瓷滤波器的输出端,在输出端接一1K负载电阻,然后用信号源产生一频偏3KHz,调制信号为1KHz的小信号调频波,输出加40dB衰减.当fi= f0?10KHz时和fi=f0时比较,得出数据. 输入频率fi f0-10KHz f0 f0+10KHz 输出衰减 44dB 0 48dB 条 件 f0=9.000MHz ?20? (4).镜像抑制比 用XFG-7高频信号发生器产生一8-10MHz的等幅波.经 衰减合适后耦合至接收机天线处.接收机断开455KHz陶瓷 滤波器输出,接一1K负载电阻,接收机调谐于该频率f1以后, 改变输入频率至f2,使f2 –f1=2fi=21.4 MHz,分别用交流毫伏 表测量两次455K陶瓷率波器的输出电压. f1 f1+2fi 输入频率 0dB 60dB 输出衰减 f1=8.000MHz 条 件 五.测试结果分析 整机测试指标达到要求,但受竞赛场地实际电磁环境限制,灵敏度,选择性,镜像抑制比的测试会因外界干扰而产生一定误差.另外测试镜像抑制比的指标时用XFG-7产生29.4MHz信号,此时XFG-7频率稳定度会加大,影响测该参数量. ?21? ?22? ?23? ?24?