调频接收机

调频接收机报告摘要本调频收音机采用FM/AM收音机芯片CXA1691完成混频、中放、解调，PLL频率合成器BU2614稳定本振，以AD7520产生的电压控制输入调谐回路的谐振频率，从而实现电调谐，采用MSC-51系列单片机对串行输入锁相环频率合成器BV2614的分频比进行预置，通过D/A输出控制电压，加在8279键盘显示电路上，以串行E2PROM实现多种程控搜索、电台存储和载波显示，本收音机还采用了数字电位器（X9511）控制音量，且整机实现3V电源，还增加了立体声解码功能。一、方案论证与比较1、方案的选择与论证方案一：采用LC调谐法，在本振回路通过机械调整谐振电路的电容值来改变本振频率，从而达到调谐的目的，这种调谐方式电路简单，但频率的稳定性差，且不利于使用单片机进行智能控制。方案二：数据经D/A转换器转换成模拟电压，控制变容二极管两端电压改变频率。这种调谐方式的精度取决于D/A转换器的精度，该电路结构简单，没有锁相环路中可能产生的噪声，但是其最大的缺点就是谐振电路处于开环状态，温度稳定性差，本振频率随温度等外界因素的变化而漂移。方案三：采用PLL频率合成方式。PLL频率数字调谐系统主要由压控振荡器（VCO）、相位比较器（PD）、低通滤波器（LF）、可编程分频器、高稳定晶体振荡器、参考分频器、中央控制器等组成。高稳定度的晶振使得本振频率稳定性极大民提高，而且在单片机控制下可以实现频率步进扫描、预置电台、电台存储等多种功能。比较以上三种方案，很明显：方案三的锁相频率合成方式优于方案一和方案二，采用方案三加上单片机可以实现发挥部分所要求的程控搜索、电台存储、载频显示等功能，而且有专门的锁相环频率合成器可用。故本振部分电路选择锁相环频率合成方式。从理论上讲，输入选频回路也可以由本振部分锁相环中的低通滤波器输出电压来控制，但由于变容二极管的非线性，以及两部分电路的参数调整困难，实际上难以采用。因此输入回路谐振频率由单片机通过D/A转换器的输出电压来控制。2、信号的检测及锁定方式的选择与论证CXA1691的20脚为调谐指示输出端，此端的输出电压随输入电台信号的强弱变化，电台信号越强20脚电压越低，故对此脚的电压进行精度判断的准确锁台和自动存储电台的关键。实现方案有如下选择：方案一：直接将此调谐批示输出端的电压送到单片机的I/O进行检测，调谐指示输出端的电压值降至低电平以下时则表示可以将该电台频率进行存储。但是实际电路测试结果表明，只有在电台信号极强才能使调谐指示输出端达到低电平，而对于其他信号比较弱的电台，调谐指示输出端不能降为低电平，即不能对这些电台进行自动存储。方案二：使用V/F变换器。经实际测试，CXA1691的调谐指示输出凋的电压随输入电台信号的强弱变化如图所示，在中心频率f0附近V0基本不变。单片机测量电压较困难，但测量频率时不必增加硬件，可完全用软件实现，并且通过对频率的计算可以准确地将中心频率f0锁住而不会产生偏差。因而用CD4060做V/F变换器，通过判断CD4060的输出频率来锁定电台的中心频率。比较以上两种方案，很明显：方案二采用V/F变换的方法自动锁台非常准确，并且可以准确知道本振或载频的频率，故本收音机采用此方案。二、单元电路分析1、系统简介本系统由单片机、频率合成器、接收机三部分构成。系统框图如图（1）所示：图（1）从天线输入的信号经过带通滤波器后送入CXA1691混频、中放、鉴频后再进入TA7343立体解码和CXA1622音频放大，最后还原出音频信号。单片机是整机控制核心，通过键盘使单片机控制BU2614的分频比，从而走到选台的目的。2、接收机电路接收机采用芯片CXA1691进行混频、中放、鉴频，具体电路如图（2）所示，因为超外差收音机具有灵敏度高，选择性好、在波段内的灵敏度均匀等优点，所以我们采用超外差接收方式，其中频频率选符合FM频段标准的10.7MHz，本振频率比接收信号比接收频率高10.7MHz所以本振（fosc）、中频（fm=10.7MHz）接收频率（fin）之间关系为：fosc=fin+fm，接收机带宽为：MAXFmfmffB)(.1270而mf=Δfmax/Fmax根据题目要求，最大频偏Δfmax=75KHz，最大调制频率FM=15KHz，所以求得B=247KHz，此时Q值最佳。在电子线路的排、布线上，使所有元件尽量靠近电路和管脚，特别是谐振回路走线尽量短，并且对空白电路用大面积接地的方法，使得收音机分布参数影响最小。为了提高镜像抑制比，在调频信号输入端采用特性很好的声表面波带通滤波器，又仔细调整谐振回路的线圈，在满足带宽要求的情况下使Q值尽量大，以提高电路的选择性，达到提高镜像抑制比的目的。图（2）3、PLL频率合成器及环路滤波电路以BU2614为核心构成的锁相环频率合成器和环路滤波电路如图（3）所示。BU2614的最高工作频率可达到130MHz，采用串行数据输入控制方式。R11KR21KR31KR44.7KR51KR60.47KR710KR810KR910KR10100KR1110KVSSPDVDD1VDD2FMINAMINP2IFINXOUTXINCECLKDATACDP0P1BU2614U1C6100pFC70.01uFC80.01uFC9100pFC10334pFC11470pFC12222pF+10uF+47uFC131000pF+10uF+10uFT12SC2412T22SC241275KHz12345678910111213141516+5VFoscVD2.6-9.8V+12VCECLKDATAC1-C3100pFC4-C533pF图（3）图（4）是锁相环的原理图。锁相环的工作原理为：锁相环路锁定时，鉴相器的两个输入频率相同，即：fr=fd,本电路中参考频率fr取1KHz主要是为了提高锁台精度。fd是本振频率fosc经N分频以后得到的，即：fd=fosc/N，所以本振频率fosc=N×fr。通过改变分频次数N，VCO输出的频率将被控制在不同的频率点上。因为基准频率fr是由晶振分频得到的所以本振频率的稳定主几乎与晶振的稳定度一样高。由于调频信号载波范围为：88MHzfin108MHz，根据超处差收音机的原理，可知本振频率为fosc=fin+fm,分频器的分频次数为N=fosc/fr，选取中频频率fm为10.7MHz，则本振频率范围为：98.7MHzfosc118.7MHz，故输入BU2614的分频次数N的范围为fosc(min)/frNfosc(max)，即98700N118700。通过单片机将相应的N值输入BU2614，即可达到选台的目的。图（4）4、电源电路由于变容二极管需要2.6~9.8V反向偏置调谐电压，单片机工作电压为5V，为满足整机3V供电压的要求，我们采用DC-DC变换器MC34063。为提高电压转换效率，用两片MC34063分别将直流+3V电压升到+12V的+5V。MC34063升压输出特性如下：Vout=1.25(R1/R2)一片MC34063将3V电压升至5V，此时选R1=2.7kΩ，R2=8.2kΩ。另外一片升至12V，此时R1=4.7kΩ，R2=40kΩ。大电流条件下，电源效率有所下降，本机工作电流小，3V单电源供电时，电流仅为160mA，效率在80%以上。具体+3V升压为+5V和+12V电路如图（5）所示。图（5）5、台锁存电路自动搜索并存储电台是本收音机最突出的功能之一，为了准确存台，仅仅靠对CXA1691调谐指示（○20脚）输出作出高低电平识别是不可靠的。在本电路中，通过锁相环CD4046将调谐指示端的电压变化变换为频率信号。当接收到强电台信号时，由CD4060构成的压控振荡器的振荡频率在电台信号最强处输出频率最低，那么通过单片机跟踪CD4046的输出频率，在检测到某调频频率点的CD4046输出频率处于最低，那么就可以判断该调频频率点即为信号最强点，单片机可对该频率点锁存。三、软件设计软件设计的关键部分是对锁相环BU2614的正确控制，其他部分软件由于篇幅所限这里不再作详细介绍。BU2614采用了标准的I2C总线控制方式，它与单片机的连接仅需CK、DA、CE三条线——见图（6）。根据数据输入时序图，可方便地将分频次数N和控制字节输入BU2614。例如要接收频率为100MHz的电台，则图（6）实际输入的BU2614的数据（分频次数N是实际输入数据的两倍）：DA=N/2=110700（D）/2=55350（D）=d836（H）相应的命令字节为8200（H）。依据先低位后高位的次序将DA和命令字节依次输入BU2614，即可将接收频率稳定在100MHz。图（7）是系统软件流程图。图（7）调频接收机主要指标测量:灵敏度(这里指可用灵敏度):测试方法与步骤：⑴由标准信号发生器输出一个调制频率为1KHz频偏为3KHz的标准RF测试信号接收机处于不静噪状态。⑵调节音量电位器，直至获得额定音频输出功率。此后音量电位器位置保持不变。⑶调节输入信号电平，直至接收机输出的售纳比符合指标要求，记下此时输入信号电平。⑷如果在步骤⑶记下输入信号电平值时，音频输出功率不小于额定功率的50%，则此时所记下的输入信号电平值，即为接收机的可用灵敏度。⑸如果在步骤⑶记下输入信号电平值时，音频输出功率小于额定功率的50%，则应增加射频输入信号电平，直至获得额定音频输出功率的50%。此时的射频输入信号电平才为该接收机的可用灵敏度。最大不失真功率:测试方法与步骤：⑴接收机处于不静噪状态。⑵在接收机输入端加上标准测试信号，其电平为实测可用灵敏度，调节音量电位器，使接收机负载得到额定音频功率输出。⑶提高输入端电平，或调节音量电位器，使负载两端电压波形失真为最小。⑷记下负载两端电压，按P=U2/R，换算成最大不失真功率。镜频干扰:测试方法与步骤：⑴接收机处于静噪状态。⑵标准信号发生器2不工作，标准信号发生器1输出一个标准测试信号，调节接收机音量控制，使接收机输出额定音频功率。⑶降低信号发生器1的电平，使接收机输出的信纳比降到12dB，记下此时信号发生器1的输出电平E1v⑷将信号发生器1的输出电平增大到比E1高3dB。⑸信号发生器2工作，输出一个镜像频率的干扰信号，其调制频率为400Hz，调频频偏为最大允许频偏的60%，调节信号发生器的输出电平直至接收机输出的信纳比为12dB，记下此时信号发生器2输出的镜频率的电平E2。⑹按下式求得的dB数即为镜像抑制比：SA=20lg(E2/E1)(d)指标测试:（1）最大不失真功率测试调频信号源载频分别为88、98、108MHz，调制频率为1KHz，频偏为75KHz时，接收机分别调谐在88、98、108MHz点上，改变电位器使负载（8Ω）两关电压波形失真最小，记下RL两端电压U0，按U02/RL，计算最大不失真功率（如下表）。频率/MHz8898108喇叭输出功率/mW490490386（2）灵敏度测试灵敏度的测试本应该在屏蔽室内无外界电磁干扰的条件下测量，但是受条件的限制，只能采用在达到要求输出功率和输出信号不失真的条件下，测试输入信号的最小幅度。减小信号源的输出幅度，使波形刚好不失真，此时调频信号源输出的电平即为灵敏度电平。实测数据如下表所示。频率/MHz8898108喇叭输出功率/mW423423287灵敏度电平399396．7576（3）镜像抑制比测试与灵敏度测试方法类似，先测信号源输出的灵敏度电平，改变频率为各频率点对应的镜像频率，测其灵敏度电平。前后两次调频信号输出电压dB值之差却为镜像抑制比，数据如下表所示。载波频率/MHz100121．4差值灵敏度电平/dB-74.9-37.737.6本收音机可实现的功能①接受频率范围88~108MHz。②可实现全频率范围自动搜索电台。③可指定频率范围自动搜索电台④通过Up键和Down键手动搜索电台。⑤自动搜索电台时自动存台，也可手动存入相应的台号。⑥可存储10个以上的电台。⑦按住1~10号按键中的一个键，并持续一秒，便可将当前接收的频率保存其中，按键一次，相应的电台将被调