调频无线话筒--高频课程设计论文(绝对可行)

调频无线话筒--高频课程设计(绝对可行) 计算机及信息学院 学年学期 题 目 专业、学号 授课班号 学生姓名 指导教师 高频课程设计---无线调频话筒 高频课程设计---无线调频话筒 [摘要]高频电子线路系统地介绍了通信系统，特别是无线通信系统中的最基本及他们 的功能，给出了定性及定量分析这些电路性能的方法。这些电路包括了发射机及接收机中的 选频放大电路、混频电路、功放电路、振荡电路、调制及解调电路、锁相环电路、自动增益 控制电路及频率合成电路。 本课程设计的基本目标是:通过理论和实践教学，使我们了解晶体管工作于高频时的工 作原理，特性参数及微变等效电路，掌握高频单元电路的线路组成、基本工作原理、分析方 法、技术要求及一些典型集成电路的实际应用，并且具备一定的理论水平和足够的实践技能， 为进一步学习通讯技术的专业知识和职业技能打下基础。 [关键词]无线调频话筒、PCB绘图、电路分析 Wireless FM Microphone [Abstract] High Frequency Circuit systematic introduction to communication systems, particularly 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, 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-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 study of expertise and professional skills basis. [Key words] Wireless FM microphone, PCB drawings, circuit analysis ii 高频课程设计---无线调频话筒 目录Contents 摘要………………………………………………………………ii 关键词……………………………………………………………ii 一、 绪论…………………………………………………………4 二、 电路介绍 2.1 电路技术指标……………………………………………………………………………5 2.2 制作与焊接………………………………………………………………………………5 三、 电路设计 3.1 单元电路选择……………………………………………………………………………6 3.2 具体电路选择……………………………………………………………………………7 3.3 元器件说明………………………………………………………………………………8 3.4 电路仿真(Multisim 11)………………………………………………………………9 3.5 调试及故障排除…………………………………………………………………………9 四、 小结…………………………………………………………10 五、 附录 5.1 元器件清单………………………………………………………………………………11 5.2 使用的主要仪器和仪表…………………………………………………………………12 5.3 参考文献…………………………………………………………………………………12 5.4 附图………………………………………………………………………………………12 iii 高频课程设计---无线调频话筒 一、 绪论 高频电子线路是一门理论性、工程性和实践性都很强的课程。学生通过本课程的学习，不但应该掌握必要的基础理论知识，而且还应在分析问题、解决问题和实际动手能力等方面得到锻炼和提高。对于这些能力的培养，理论教学与实践教学环节必须密切联系、互相配合，才会取得比较好的效果。 高频课程设计是作为高频电子线路课程的重要组成部分，目的是使学生进一步理解课程内容，基本掌握高频电子线路设计和调试的方法，增加模拟电路应用知识，培养学生实际动手能力以及分析、解决问题的能力。按照本学科教学培养计划要求，在学完专业基础课电路与电子技术后，应安排课程设计教学实践项目，其目的是使学生更好地巩固和加深对专业基础知识的理解，学会设计中、小型电子线路的方法，独立完成调试过程，增强学生理论联系实际的能力，提高学生电路分析和设计能力。通过实践教学引导学生在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。 本次课程设计本小组选择设计制作调频发射机(调频无线话筒)，要求是分析高频发射系统各功能模块的工作原理，提出系统的#设计#，对电路进行调试。在此基础上可进行创新设计，如改善电路性能;故障分析;对系统进行仿真分析等。这是一款微型调频无线话筒，发射频率在90MHz左右，利用FM调频收音机可以实现短距离接收。 在电路设计的过程中，本小组采用了NI公司的Multisim 11.0进行电路仿真，并用Altium Designer 9.4进行原理图及PCB图的绘制。 4 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 二、 电路介绍 2.1 电路技术指标 1) 基本要求: (1)载波频率90MHz附近，用收音机FM段接收。 (2)在声音被清晰接收的前提下，发射距离?5m (3)电源电压6V。 (4)音质清晰，发射较远 2) 发挥部分: (1)自制印刷电路板。 (2)设计过程中使用仿真软件进行电路仿真 2.2 制作与焊接 由于高频线路中，导线间的干扰较大，为了见效干扰，焊接时要注意导线尽量避免平行，且尽量减少接触等，接地线连接时要注意独立接地，以减少干扰。还有很多细小的环节都不容忽视，对于高频电路更是如此，比如:电感不应该平行放置，以免造成互感干扰;天线与金属外罩不要接触。为了提高制作效果，在安装制作前，我们都用万用表筛选一下各个元件的质量，有条件的话将各瓷片电容用电容表测量一下电容量，这样就万元一失了。 安装的先后顺序是电感线圈、电阻器、电容器、高频三极管、话筒和拨动开关、电池卡子。将电阻器、电容器等元件分类集中安装的目的是减少差错和防止元件的丢失。以上元器件的插装孔位请认真对照PCB图来确定。电感线圈的两个引出端首先刮除表面上的绝缘漆，然后上好锡，插装时要贴近电路板并牢固焊接，如有虚焊，振荡会不稳定，工作也会不正常。三极管尽可能最后安装的目的是尽量减少焊接中静电、热量对管子的损害，插装时注意极性同时尽量贴近电路板。 驻极体话筒用两根导线焊接引出，焊接到电路时注意极性，将焊好线的话筒固定在电池架上。电池正极片和负极簧都插装在电池夹的相应处，并用红色、黑色导线分别焊接在正极片和负极簧上，并引出焊接到电路板上。 焊接完毕，仔细检查电路是否有虚焊、假焊和短路的地方。电阻是否有阻值接错的，柱极体的正负极是否正确，三极管的e、b、c脚接对了没有等。逐步分析，发现错误及时纠正，以免通电后烧坏元件。 5 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 三、 电路设计 3.1 单元电路选择,框图, 该电路涉及到的技术有:高频电容三点式振荡电路，功率放大器(采用共射极接法，增益高，效率高)等，调频发射电路的方框图如下: a) 调频振荡器 低频小信号部分只是将调制信号不失真的略作放大，直接调频发射系统中，调频振荡器的电路形式主要有晶体振荡器直接调频，电抗管调频、变容二极管调频。晶体振荡器直接调频电路的优点是提高了振荡器中心频率的稳定性;电抗管调频电路与变容二极管调频电路相比，要复杂一些。考虑到本设计任务要求中心频率的稳定性不高(10-3/分钟)，用LC振荡器就可达到; 另外，我们选择了电抗管调频电路。所谓电抗管，就是由一只晶体管或场效应管加上由电抗和电阻元件构成的移相网络组成。它与普通的电抗元件不同，其参量可以随调制信号而变化。电抗管的放大器件可以是电子管、晶体管或场效应晶体管;移相电路也有多种型式(如RC或RL移相网络),其作用是使放大管T1的输出阻抗Ze=U0/IC具有一个电抗分量Xe，当Xe随 而变化时,即可获得调频信号。采用不同的移相电路，等效电抗Xe可以是电容性的,也可是电感性的。电抗管调频器的缺点是:振荡频率稳定度不高;频移也不能太大,阻抗 Ze通常还具有电阻分量，这个分量也随 而变化,使振荡器产生寄生调幅。电抗管调频部分是一个电容三点式振荡器，其中晶体管Q2、电阻R5、电容C4组成的移相网络即为电抗管，它等效为一个电感，这个等效电感会随着调制信号的变化而发生变化，从而总的电感值发生相应变化，根据公式f = 1/ [2π*(LC)-1/2]可知，频率也随之变化，最终实现低频调制信号对高频载波的频率调制。 这种调频器的优点是电路比较简单，能获得较大的频偏;便于做成集成电路。缺点是载频不能很高，频率稳定度较低。 b) 缓冲隔离级 缓冲级通常采用射极跟随器电路。在电路的最初设计阶段，我们小组并没有添加缓冲器，是经过讨论之后，觉得有必要在调频电路和高频放大电路中间加一个缓冲器以减少两级信号之间的相互干扰 ，增强电路的抗干扰能力。 6 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 c) 高频功率放大器 高频放大器属于线性放大器。根据电路所需要的电压增益和选择性，来确定电路形式。一般电路形式有单调谐放大器和双调谐放大器。在对放大器选择性要求不高的场合，可以选用单调谐放大器。为提高放大器的电压增益，可以选择多级放大器级联的电路形式。要使负载(天线)上获得令人满意的发射功率，而且整机效率较高，应选择丙类功率放大器。末级功放的功率增益不能太高，否则电路性能不稳定，容易产生自激。因此要根据发射机各部分的作用，适当地合理分配功率增益。要使负载(天线)上获得令人满意的发射功率，而且整机效率较高，应选择丙类高频功率放大器。 3.2 具体电路选择 如图1-1、图2-1(见附录)，本组设计了两份无线话筒的电路图及PCB图，原因是根据图一做出的实物图效果不尽人意，仅仅对敲击MIC的声音有所反应，在查询了相关资料后进行了一部分的改进，也就形成了第二份设计，并取得相当令人满意的效果。此处以图1-1为主进行分析电路。 -1中，话筒MIC可以采集外界的声音信号，这里我们用的是驻极体小话筒，灵敏度图1 非常高，可以采集微弱的声音，同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作，电阻R4可以提供一定的直流偏压，R4的阻值越大，话筒采集声音的灵敏度越弱。电阻越小话筒的灵敏度越高，话筒采集到的交流声音信号通过低频放大后耦合到VT2三极管的基极进行频率调制。 三极管VT2采用9018和电容C4、C5、C6组成一个电容三点式的振荡器，由三极管VT2 9018集电极的负载C5、L1组成一个谐振器，通过C4正反馈电容形成三点式谐振振荡器原理，谐振频率就是调频话筒的发射频率，实际上是一个以谐振频率为基准的高频振荡器。通过调整图中元件L1的参数可以使发射频率可以在90MHZ左右，正好覆盖调频收音机的接收频率，通过调整L1的数值(拉伸或者压缩线圈L1)可以方便地改变发射频率，避开调频电台。发射信号通过C7耦合到高频放大器，由高频放大器进行谐振放大后再通过天线上再发射出去(实际电路设计中我们在功放之前加了射极跟随器)。由于高频振荡器和高频放大器互相独立使得发射频率和发射功率都十分稳定。C7将频率调制好的载波信号传递到VT3进行高频放大，仔细调整L2的值(拉伸或者压缩线圈L2)可使输出功率最大～距离最远，整个工作电流最小。 对比图2-1可以发现，其一是图2-1中去掉了用作缓冲级的设计跟随器部分，原因是图一中的缓冲器似乎没有起到相关的作用，在虽然在仿真过程中看到了效果，但实际并没有较好的改善;其二是在天线之前加装了第三个电感L3，与C12构成了串联回路，增进了天线发射效果;其三是在MIC旁用一个电位器替换了原有的偏置电阻，让其值大小可调。 如图2-1，其中R1为话筒MIC的偏执电阻，R4为集电极电阻，R5为基极电阻，给Q1提供偏置电流。R6为发射极电阻，用于稳定Q1的直流工作点，Q2,R7,R8,C4,C5,L1,C6,C7组成高频振荡电路，R7给Q2提供基极偏置电流，C5和L1形成振荡回路，通过改变其值可以改变发射频率，C4为反馈电容，R8稳定Q2直流工作点，C7隔直通交，Q3,R9,R10,L2,C10,C11 组成高频功率放大电路，R9给Q3提供基极电流，C10，L2放大调谐回路，和振荡回路C5、L1调谐在同一频点是获得最大输出功率，发射距离最远。 7 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 3.3 元器件说明 1) 话筒MIC: 我们用的是驻极体小话筒，灵敏度非常高，可以采集微弱的声音信号。话筒底部有两个接点，用两根粗铜丝焊牢在PCB印制电路板上。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。并且，外围电路中需要有相应的偏置电阻为其提供偏置。 2) 高频振荡调制电路: (图1-1为例)该部分由晶体管VT2、电阻R5电感L1电容C4、C5、C6等组成。其功能是产生高频载波信号并进行调制。L1和C5构成LC谐振回路。该回路具有选频作用，其频率由公式计算得出: f = 1/ [2π*(LC)-1/2] 经C3耦合过来的信号加在VT2基极上，通过基极上变化的电压改变be结电容，而实现对载波的调制。由集电极输出经C7耦合到下一级进行功率放大。 3) 功率放大电路: (图1-1为例)电路由R7、VT3、C8、L2、C9、R8组成，该部分电路为自偏压电路，无需给b极加偏置电压，高频信号由C7耦合经自偏压电阻R7加到b上放大，电路工作在C类状态。L2和C8组成选频电路，使其谐振在前一级的工作频率上，C9为输出电容，输出高频信号。 4) 线圈的制作: 选频回路的电感L需要自制，用直径0.5mm的导线，在直径为5mm左右的骨架上绕制若干圈，抽去骨架成为空心线圈，并适当拉长即可。图一中，L1与L2都为5圈，图二中L1为5圈，L2与L3为6圈，目的是让话筒频率落在80MHz~110MHz。 根据电感计算公式可以算出绕线圈数: 圈数 = [电感量* { ( 18*圈直径) + ( 40 * 圈长)}] ? 圈直径 单位分别为毫米和mH。 8 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 3.4 电路仿真,Multisim 11, Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。 NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim中完整的器件库，您可以快速创建原理图，并利用工业SPICE仿真器仿真电路。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计 流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较仿真数据及实际建模测量。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim可以进行复杂模拟/数字电路的仿真、简单的PCB板设计、简单的单片机仿真。 如图3-1，我用函数发生器产生一个正弦信号加入到话筒输入端，看产生的波形。 仿真结果如图3-2、3-3，由于部分原因，参数设置问题只能看到大概的有些频率变化，而不能看到很完美的波形。 3.5 调试及故障排除 1) 调试 采用电容三点式，简单可靠，起振容易。但一级放大电路虽然达到我们的设计目标，但是抗干扰等功能仍然有印象，毕竟这是用较少的一些分立元件组成的一个高频电路。我们将偏置电阻的阻值减小使其对接收灵敏度提高，经测试，达到15.20m的声音信号仍能正常接收(温度:28)，而且这是在有很多电磁干扰的环境下进行的测试，测试效果良好。 天线输出距离选频回路较远，由于板子已经焊好，我们使用面包板进行测试，发现天线距离选频回路越近时，收音机的接收效果越好。 经测试还发现，将电源等有源元件与其他元件分开距离较大摆放时，接受的效果较好，频率较稳定，抗干扰能力提高近20%，频率抖动不大。为此我们选择了将天线与电源分在两边摆放。 2) 故障分析: a) 传播距离不远:主要是信号不是很清晰 解决:加长天线，使用拉伸式天线; 调整L2的线圈匝数。 b) 用收音机接收声音不清晰 解决:调整L1的线圈距离 9 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 四、 小结 在此次课程设计中，我充分体会到了熟练运用相关软件的重要性，不像之前的数电课设，并没有多少工作在计算机里实现的，就仅仅画出了电路图之后用元器件在面包板上搭电路就行了。此次课设绝大多数工作都高度依赖计算机，从仿真到绘制原理图，再到编制PCB图，可以说每一步都很艰难，每一步都是我们一步一个脚印结结实实踩下去的。我们付出了，当然，这一切都在用调频耳机听到自己话筒的频率的那一瞬间得到了实现。 在调试第一个方案的事物时，我们发现效果不怎么好，虽然勉强能听到敲击话筒的振动声音，但对于较弱的音乐声相当不敏感，甚至都听不到。在长时间的调试无果后，我们还是果断选择放弃，再用备选方案做了第二块PCB板，也就是说我们组付出了别的组1倍多的努力，但我们也收获了更多的经验与知识，比如如何绕制电感，如何放置多个电感，如何在PCB上打孔才美观实用，如何放置话筒天线等等。 对于高频课设来说，其注重于调试。之前的课设中，只要原理图没问题，几乎不需要什么调试，而对于此次的话筒，调试的过程却成为了课设中的重要的一环。在第一次对作品通电后，我们所做的第一件事就是带上自己的调频耳机，在80MHz~110MHz的频段中搜索话筒的频率。第一次做的时候绝对是有种海里捞针的感觉，一点一点的提高耳机的频率，不断地用手指敲击着MIC,知道听到哪怕是微弱的声音为止才会放心的舒一口气。对于电感的调整也是我们记忆犹新的。在对第一块板的调试过程中我们发现其频率在95MHz左右，而本地一个电台正好在这个频率附近，所以干扰相当明显。经过尝试更改线圈间距和线圈圈数后，终于把频率降至82Mhz，以满足要求。 总的来说，这次课设学到了不少东西。尤其对调频发射系统有了新的认识，在焊接技术上有了长进，在分析和解决问题方面也明显看到自己的进步。其他方面，对发射机的原理有了初步认识，并知道了怎样写总结论文，还体会了成功的喜悦，可以说收益颇深。 10 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 五、 附录 5.1 元器件清单 图2-1 图1-1 电阻: 电阻: 2.2K 三个 10K 三个 33 四个 4.7K 一个 1M 一个 1K 一个 22K 二个 68K 一个 470K电位器 一个 180欧 一个 22K 一个 电容: 3.9K 一个 104 四个 5.1K 一个 681 二个 510欧 一个 30 四个 10 二个电容: 103 三个 30pF 六个 33U电解电容 一个 10uF 一个 0.1uF 一个 三极管: 1nF 一个 9014 一个 100uF 一个 9018 二个 三极管: 其他: 9018三个 驻极体话筒一个 9013一个 6V稳压源 直径0.5mm漆包线30cm 其他: 导线若干 驻极体话筒一个 覆铜板，热转印纸若干 6V稳压源 直径0.5mm漆包线30cm 导线若干 覆铜板，热转印纸若干 11 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 5.2 使用的主要仪器和仪表 6V电池盒、万用表、示波器、调频耳机、工具箱 5.3 参考文献 1) 朱昌平 高远 《高频电子线路实践教程》 河海大学常州校区 2) 于洪珍 《通信电子电路》 清华大学出版社 3) 杨翠娥 《高频电子线路实验与课程设计》 哈尔滨工程出版社 4) 铃木宪次 《无线电收音机及无线电路的设计与制作》 科学出版社 5) 谢自美 《电子线路设计实验测试》 华中科技大学出版社 6) 李银花 《电子线路设计指导》 航空航天大学出版社 7) 朱力恒 《电子技术仿真实验教程》 电子工业出版社 5.4 附图 图1-1 第一套方案中的原理图 12 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 图1-2 第一套方案的PCB图 图1-3 第一套方案实物图，右边红线为天线 13 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 图2-1 第二套方案的原理图 图2-2 第二套方案的PCB图 14 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 图2-3 第二套方案实物图，左上方为天线 图3-1 第一套方案仿真，基于Multisim 15 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 图3-2 用信号发生器产生测试信号 图3-3 信号经过低频放大器后信号对比 16 / 17 高频课程设计---无线调频话筒 附加说明:第一套方案是我们上一届学长学姐给我们的，说是绝对可行，我们这一届做的效果实在不怎么样，我曾用过面包板做过，死活调不出来，后来用pcb版情况也不怎么好，周围同学用这个做的非常清晰的十分少(pcb)，如果你想做的话建议用PCB做，这样可能性高一点。后面一个图是我在淘宝买的原理图，自己画的pcb图，效果十分好，我有同学用面包板做的，效果也非常好。其次是软件仿真的图是不真实的，我用multisim仿真了若干电路图，发现只要电路一过LC振荡回路就失效，等效于直接接到VCC上，估计是软件问题，当然你可以尝试一下。最后说一下，百度百科上武理工的无线话筒的论文都是相互借鉴出来的，感觉是一个宿舍做出来的，论文里的图估计都很有问题。如果需要我帮助的话可以在百度给我发消息。总之祝君成功^_^。 God’s in his heaven, all right with the world. 17 / 17