1、一款无线调频话筒和调频收音机的设计分解高频电路/通信原理课程设计报告 设计题目：一款无线调频话筒与调频接收器的设计与制作专业班级：12级电子科学与技术2班姓名：XXX学号：XXXXXXXXXXX指导老师：XXX时间：2015年1月2日2015年1月15日地点：四教4501/4414实验室摘要通信作为电信是从19世纪30年代开始的。面向21世纪，无线通信的系统组成、信道特性、调制与编码、接入技术、网络技术、抗衰落与抗干扰技术以及无线通信的新技术和新应用的发展更是一日千里。随着无线电技术的不断发展，无线话筒已经成为人们生活中所不可缺少的器件，无线话筒系统在广播、电影、戏剧和舞台制作以及公司、宗教和
2、教育场所都是一个重要的组成部分。本设计基于SC1088芯片，利用超外差原理，再连接相应的外围电路设计成为比较实用的超外差接收机，最后通过耳机进行音频的输出。超外差式接收机具有灵敏度高而工作稳定，选择性好而失真度小等优点，在实际生活中有着广泛的应用。而发射机的电路设计则比较简单。通过话筒进行音频输入，在经过三极管的放大，加载到LC振荡产生的高频载波上，经过天线发射出去。关键词：无线调频话筒；调频收音机；SC1088芯片第1章 绪论1.1国内外研究从 20 世纪 80 年代末至今,随着广播与通信技术的不断发展,大量广播与通信协议和标准不断涌现,特别是传统的无线音视频广播系统都限制在一定的地理范围内
3、运行,“个区域,一种应用,一种无线广播体制”的格局已经根深蒂固。尽管下一代无线广播和通信网络在朝着融合、泛在、无缝接入、绿色节能的方向发展,但无线体制、网络协议、业务和服务的融合并非一日之功,在未来相当长的一个时期,无线广播与通信网络注定是一个多业务、多无线制式、多协议、多种服务并存的异构无线广播与通信网络1。在这种异构网络环境下,能兼容多种无线制式、能解析各种网络协议、能接收和展示各种音视频等多媒体内容、能满足各种级别服务要求的多模式无线终端成为下一代无线广播和通信终端的重要发展方向。随着无线电技术的不断发展，无线话筒已经成为人们生活中所不可缺少的器件，无线话筒系统在广播、电影、戏剧和舞台制
4、作以及公司、宗教和教育场所都是一个重要的组成部分。但是随着数以万计的无线电设备的使用以及用户对无线话筒系统需求的增加使广播频率变得拥挤，理解无线话筒系统的设计和操作的概念已经成为一个具有挑战性的问题。1.2 课程设计的意义巩固和加深自己对通信原理、高频电子线路等课程基本知识的理解，并综合运用课程中所学到的理论知识去独立完成本设计课题。针对设计任务的要求，学会查阅手册和文献资料，培养自己独立分析和解决实际问题的能力。通过电路组装，调试和检测环节，完善设计方案并掌握通信系统的设计方法。熟悉常用电子元、器件的类型和特性，并掌握合理选型的原则。1.3 课程设计的任务及要求1.3.1 课程设计要求（1）
5、调频接收机能正常接收到无线调频话筒发送的音频信号；（2）通信距离大于等于50米；（3）在87108MHz频段内，且避开调频电台，将话筒的信号发射频率和接收机的信号接收频率调节一致都可以实现通信；（4）整机制作成本低于40元。1.3.2制作PCB实物的工艺要求（1）重量较大的元、器件，安装时应留足固定支架的空间，或装在底板上，对一些发热元、器件应考虑散热的方法，热敏元件应远离发热元件。（2）在印制板上应留出定位孔及固定支架所占用的位置。（3）按照电路的信号流程来安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持方向一致。元、器件之间的连线应尽可能缩短，以减少它们间的分布参数和相互
6、间的电磁干扰。（4）焊点大小适中、呈锥状、美观、结实、光亮、无虚焊，对某些电位差较大的元、器件或导线，应加大它们之间的距离，以避免放电引出意外短路，带高电压的元、器件应尽量布置在调试时手不易触及到的地方。（5）对可调元、器件的布局应考虑到整机的结构要求，其位置布局应方便 于调整操作。（6）印制导线的拐角应弯成圆角或450角，直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响电气性能。第2章 课程设计的研究内容及原理2.1 研究内容超外差式接收机能够大大提高接收机的增益、灵敏度和选择性。因为不管电台信号频率如何都变成为中频信号，然后都能进入中频放大级，所以对不同频率电台都能够进行均匀地放大。中放的级
7、数可以根据要求增加或减少，更容易在稳定条件下获得高增益和窄带频响特性。此外，由于中频是恒定的，所以不必每级都加入可变电容器选择电台，避免使用多联同轴可变电容器，而只需在调谐回路和本振回路用一只双连可变电容器就可完成选台。话筒输出的音频信号被低频放大电路放大，通过频率调制电路变为调频波。FM波再进一步经过高频放大电路进行功率放大，就可以作为电波由天线发射出去。最重要的部分就是频率调制电路。所谓调频就是用调制信号对载波以频率偏移的方式进行调试，如果想用调制信号（在这里就是声音）改变振荡器的振荡频率，就需要用到调频2.2 设计原理的研究图1 系统总图2.2.1 调频接收机的原理介绍图2 接收机原理框
8、图输入信号和本机振荡信号产生一个固定中频信号的过程即是超外差。因为，它是比高频信号低，比低频信号又高的超音频信号，所以这种接收方式叫超外差式。超外差式收音机就是利用这种方式，把接收到的频率不同的电台信号都变成固定的中频信号,再由放大器对这个固定的中频信号进行放大。如果我们在收音机内制造个振荡电波(通常称为本机振荡)，使它和外来高频调幅信号同时送到一个晶体管内混合，这种工作叫混频。由于晶体管的非线性作用导致混频的结果就会产生一个新的频率，我们将产生的差频称为中频，这就是外差作用。采用了这种电路的收音机叫外差式收音机，混频和振荡的工作，合称变频。而经过混频，输出载波的波形变得很稀疏其频率降低了，但
9、音频信号的形状没有变。将混频后的频率进行滤波，中频放大和滤波，然后送给解调器，最后经过音频放大由耳机输出。2.2.2 调频话筒原理介绍图3 无线调频话筒原理框图音频输入电路由话筒Mic2、电容C5和电位器R3组成。Mic2 能将声音信号转换成电信号，其内部的场效应管把音频信号进行放大，声音信号的变化会引起场效应管漏极电流产生相应的变化，从而通过R3得到相应变化的电压信号，经电容C5耦合至高频振荡电路。电感L2、电容C3以及三极管Q1、Q2组成高频振荡调制电路，L2和C3构成LC谐振回路，具有选频作用。适当调整L2的匝间距离和匝数可使振荡频率落在88MHz至108MHz之间。由C5耦合过来的音频
10、信号对高频振荡信号进行频率调制后，送给天线进行发送。天线采用购买的一般常用的伸缩天线即可。第3章 硬件电路设计3.1 元器件的介绍3.1.1 SC1088芯片的介绍SC1088是一块适用于单声道便携式或手掌式超小型调频收音机的专用电路，它采用先进的双极型工艺制造，在外围元件的数量、尺寸及成本上变得很重要时，可优先选用该电路。3.1.1.1 SC1088的主要特点（1）含有单声道收音机从天线接收到音频输出的所有功能 （2）静噪功能 （3）外接一只变容二极管可进行自动搜寻调谐 （4）采用内部AFC电路可进行机械调谐 （5）可支持调幅接收应用 （6）电源极性反接保护 （7）电源电压低至1.8V仍可正
11、常工作 图4 SC1088实物图3.1.1.2 SC1088的引脚功能介绍表1 SC1088引脚功能符号脚英文描述中文意义MUTE1mute output静音VoAF2audio frequency output signal音频输出LOOP3AF loop filter低放环路滤波器（去加重）VP4+3 V supply voltage电源电压OSC5oscillator resonant circuit振荡器的谐振电路IF FB6IF feedback中频反馈(外接中和电容)CLP17low-pass capacitor of 1 dB amplifier1分贝放大器的低通滤波电容VoIF
12、8IF output to external coupling capacitor (high-pass)外接中频输出耦合电容(高通)ViIF9IF input to limiter amplifier中放至限幅放大器输入端CLP210low-pass capacitor of IF limiter amplifier中频限幅放大器的低通电容器ViRF11radio frequency input天线高频信号输入ViRF12radio frequency input天线高频信号输入CLIM13limiter offset voltage capacitor限幅电路滤波电容GND14ground
13、 (0 V)接地CAP15all-pass filter capacitor/input for search tuning全通滤波电容/输入搜索微调TUNE16electrical tuning/AFC output电子调谐/AFC输出3.1.2 电容式话筒的介绍电容话筒也叫做驻极体话筒，电容话筒的核心组成部分是级头，由两片金属薄膜组成；当声波引起其震动的时候，金属薄膜间距的不同造成了电容的不同，这个可变电容量和话筒本身所带的前置放大器一起产生了信号电压。3.1.2.1 电容式话筒的原理与结构电容话筒的捡声原理是利用一张极薄的镀金膜，作为电容的一个极，与其相隔零点几毫米，有另外一个固定电极，
14、这样形成一个几P法拉的电容器，薄膜电极跟随声波振动而造成电容的容量变化，形成电信号，由于这个电容只有几P法拉，其内阻极高，达到G欧姆的级别所以需要个电路，来将这个G欧姆的阻抗转换成通用的600欧姆左右的阻抗，这个电路，也叫做“预放大电路”通常集成在电容话筒的内部，需要“幻象电源”来给电路供电。正是有这个预放大电路的存在，所以电容话筒必须要幻象电源来供电才能正常工作，电容话筒+幻象电源一般灵敏度都很高，比常用的动圈话筒灵敏的多。换句话说，电容话筒不管用在电脑上还是别的设备上录音，幻象电源都是必须的，而且录出的声音都不会比动圈话筒的小。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其
15、中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通，膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF，因而它的输出阻抗值很高(Xc=1/2tfc)，约几十兆欧以上，这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的，所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D
16、)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有两根，即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。驻极体话筒与电路的接法有两种：源极输出与漏极输出。源极输出类似晶体三极管的射极输出，需用三根引出线，漏极D接电源正极，源极S与地之间接一电阻Rs来提供源极电压，信号由源极经电容C输出，编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻抗小于2k，电路比较稳定，动态范围大。但输出信号比漏极输出小。漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。只需两根引出线。
17、漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD，信号由漏极D经电容C输出。源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。Rs和RD的大小要根据电源电压大小来决定：一般可在2251k间选用。最后要说明一点，不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为它内部装有场效应管。3.1.2.2 电容式话筒的特点频率特性好，在音频范围内幅频特性曲线平坦，这一点优于动圈话筒；无方向性；灵敏度高，噪声小，音色柔和；输出信号电平比较大，失真小，瞬态响应性能好，这是动圈话筒所达不到的优点。但工作特性不够稳定，低频段灵敏度随着使用时间的增加而下降，寿命比较短
18、，工作时需要直流电源造成使用不方便。3.1.2.3 电容式话筒的极性判别关于驻极体电容式话筒的检测方法是：首先检查引脚有无断线情况，然后检测驻极体电容式话筒。驻极体话筒筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。驻极体话筒的内部结构如图（4）所示。由声电转换系统和场效应管两部分组成。它的电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线，漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一个电容作信号输出；漏极输出有两根引出线，漏极D经一个电阻接至电源正极，再经一个电容作信号输出，源极S直接接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。在场效应管的栅极与源极之间接有一只二
19、极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。将万用表拨至R1k档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。3.1.2.3 电容式话筒的主要参数（1）工作电压（UDS）。这是指驻极体话筒正常工作时，所必须施加在话筒两端的最小直流工作电压。该参数视型号不同而有所不同，即使是同一种型号也有较大的离散性，通常厂家给出的典型值有1.5V、3V和4.5V这3种。（2）工作电流（IDS）。这是指驻极体话筒静态时所通过的直流电流，它实际上就是内部场效应管的静态电流。和工作电压类似，工作电流的离散性也较大，通常在
20、0.11mA。（3）最大工作电压（UMDS）。这是指驻极体话筒内部场效应管漏、源极两端所能够承受的最大直流电压。超过该极限电压时，场效应管就会被击穿损坏。（4）灵敏度。这是指话筒在一定的外部声压作用下所能产生音频信号电压的大小，其单位通常用mV/Pa（毫伏/帕）或dB（0dB=1000mV /Pa）。一般驻极体话筒的灵敏度多在0.510mV/Pa或-66-40dB范围内。话筒灵敏度越高，在相同大小的声音下所输出的音频信号幅度也越大。（5）频率响应。也称频率特性，是指话筒的灵敏度随声音频率变化而变化的特性，常用曲线来表示。一般说来，当声音频率超出厂家给出的上、下限频率时，话筒的灵敏度会明显下降。
21、驻极体话筒的频率响应一般较为平坦，其普通产品频率响应较好（即灵敏度比较均衡）的范围在100Hz10kHz，质量较好的话筒为 40Hz15kHz，优质话筒可达20Hz20kHz。（6）输出阻抗。这是指话筒在一定的频率（1kHz）下输出端所具有的交流阻抗。驻极体话筒经过内部场效应管的阻抗变换，其输出阻抗一般小于3k。（7）固有噪声。这是指在没有外界声音时话筒所输出的噪声信号电压。话筒的固有噪声越大，工作时输出信号中混有的噪声就越大。一般驻极体话筒的固有噪声都很小，为微伏级电压。（8）指向性。也叫方向性，是指话筒灵敏度随声波入射方向变化而变化的特性。话筒的指向性分单向性、双向性和全向性3种。单向性话
22、筒的正面对声波的灵敏度明显高于其他方向，并且根据指向特性曲线形状，可细分为心形、超心形和超指向形3种；双向性话筒在前、后方向的灵敏度均高于其他方向；全向性话筒对来自四面八方的声波都有基本相同的灵敏度。常用的机装型驻极体话筒绝大多数是全向性话筒。图5 电容式话筒实物图 图6 电容式话筒内部结构图3.1.3 9018三极管9018是NPN型超高频硅三极管，一般常见用于调频发射或接受器。9018是一个NPN结构的三极管,其特征参数为：集电极-发射极电压15V，集电极-基电压30V，射极-基极电压5V，集电极电流0.05A，耗散功率0.4W，结温150，特怔频率平均620MHZ，放大倍数：D28-45
23、 E39-60 F54-80 G72-108 H97-146 I132-198。图7 S9018封装图 图8 S9018实物图3.1.4 自制电感在无线调频话筒电路中，LC参数是决定电路是否振荡和发射频率的重要因素，它决定着制作是否成功。经过理论计算，以黑色签字笔芯绕出来的六匝铜线圈可以使发射频率达到88M-108M，这完全可以满足设计的要求。3.2 功能电路的介绍3.2.1 调频话筒电路介绍3.2.1.1 音频输入电路音频输入电路如图10所示由驻极体话筒MIC、电位器R3、电容C5 组成。MIC 能将声音信号转换成电信号，其内部的场效应管把音频信号进行放大，声音信号的变化会引起场效应管漏极电
24、流产生相应的变化，从而通过R3和Rw 得到相应变化的电压信号，经电容C5耦合至高频振荡电路。 3.2.1.2 高频振荡调制电路三极管Q2、Q3，电感线圈L2，电容C3 等组成高频振荡调制电路。L2 与C3 构成LC谐振回路，具有选频作用。适当调整L2 的匝间距离和匝数可使振荡频率落在88MHz 至108MHz 之间。由C5耦合过来的音频信号对高频振荡信号进行频率调制后，通过天线发送出去。3.2.1.3 发射天线一般的发射天线使用长约40 厘米左右的拖尾软导线，但这种软导线在使用过程中容易晃动，造成电路板分布参数的改变而导致工作频率常有偏移、不稳定现象。所以这里使用的是铝制的伸缩天线代替。图9
25、无线调频话筒原理图3.2.2 调频接收机电路本电路采用的SC1088集成块，采用16脚双列扁平封装，工作电压为3V，该电路除包含FM收音机从天线接收到鉴频输出音频信号的全部功能外，还设有搜索调谐电路、信号检测电路、静噪电路等。该电路采用电调谐按钮(RUN)，另一只是复位按钮(RESET)。电路接通电源后，按一下搜索按钮，电路自动地由频率低端向高端搜索电台，一旦搜索到电台信号，调谐自动停止。如果接着按一下搜索按钮，电路继续往高频端搜索电台。当调谐到FM接收频率最高端时，只需按一下复位按钮，本振频率即回到最低端，搜索调谐又重新开始。插针、C10和11号引脚构成输入回路，天线感应到的FM信号从SC1
26、088集成块11号引脚进入混频电路。5、16号引脚之间的电路构成复位电路，同时也具有选台的功能。15号引脚为搜索调谐输入端，用于选台。1号脚外接的C3为静噪电容，去掉混频后产生的噪声。2号脚为音频输出，由IC内部解调后的音频由此输出至后级进行音频放大，通过耳机输出。3号引脚所接电容用于去加重。7号引脚的电容为低通滤波电容，用于滤除高于中频的信号。其原理图如图9所示。图10 调频收音机原理图第4章 调试结果分析经过原理图和PCB图的设计及将PCB图转印到印制板上，经过腐蚀将制出无线调频话筒和无线调频接收机的电路板。装贴元器件后，对整机进行相应的测试。4.1 接收机的调试4.1.1 接收机调试内容
27、给接收机接通3.3V电源，插入耳机，打开电源开关和耳机的开关。观察电源指示灯是否正常发光。按下另一个电源指示灯的按钮观察LED是否正常发光。带上耳机，尝试按键调台。按下复位按键，通过15号管脚按键调节频率。听接收到的信号质量，是否有杂音，声音是否清晰。多次调节频率换台，观察换台的个数。4.1.2 接收机结果及分析经过调试接收机可以接收到三四个比较清晰的频道，但其他的频率依然杂音很大并有串台的现象。另外在接通电源，不打开开关时，耳机里有比较低的杂音，但将耳机开关关闭后杂音消失。这种情况有可能是由于电路中电源开关断开时没有完全关闭，还与其他电路有连接，产生很弱的杂音，经三极管放大后，使其显出来了。
28、调试接收的杂音大可能与电路板的焊接以及元器件的摆放有关。串台的现象应该是由于接收机的分辨率不高造成的，不能很好地分辨频率相近的频道。4.2 调频话筒的调试4.2.1 调频话筒的内容（1）由于调频话筒的功率较小，故用1.5V的干电池供电就足够了。连接电源，万用表调至直流电压档，测量两个三极管基极与发射机间的电压是否大于0.5V。调试电感线圈，观察电路是否正常起振。（2）连接电源，话筒开始工作，用手机播放音乐作为声源，放在话筒处。打开调频耳机，从80MHz左右开始逐渐增加频率，直到接收到话筒发射的频率信号。4.2.2 调频话筒的结果与分析调试时将两个变阻器全值接入电路，经过调试，电路可以正常起振。
29、用手机播放音乐，并用调频耳机接收信号。刚开始，在耳机全频率中都接收不到发射机发射的信号，这极有可能是发射频率超出了调频耳机的接收频率范围。将自制电感线圈重新缠绕后，焊接，调试后便可以在耳机接收频率范围内收到了。但接收的声音效果并不理想，有与其他频率电台相串的现象，很有可能是由于发射频率接近造成的。并且发射的频率不稳定，在三个频段皆可收到其发送的信号，有可能是天线造成的频率偏移和不稳定，也有可能测试时不小心碰到了电感线圈造成的。最后在频率为96.7MHz处接收到比较清晰声音，条件好时，几乎没有杂音。很好的达到了调频话筒的要求。4.3 调频话筒和调频接收机的联合调试将调频话筒和调频接收机正确连接，
30、用手机播放音乐，通过调频话筒将信号发射出来，并用调频收音机接收发射的信号。调节接收机的接收频率，多次调节，使接收到话筒发射的信号。最终，接收机也收到了调频话筒发送的信号，接收的声音比较清晰。如果接收不到，应该是接收机的接收频率较窄，发送频率超出了其接收频率范围。综上，本次无线调频话筒和接收机的设计制作时比较成功的。第5章 课程设计总结及心得体会本次课程设计总体来说是比较成功的。首先，调频话筒的工作频率最后比较稳定，在96MHz左右，并且发射的声音比较清晰，耳机接收道德效果很好，几乎没有噪声的影响。其次，调频接收机虽然接收到的频道不多，但也达到了设计的标准，只是杂音还是比较严重，再经过更精细的调
31、试应该可以更佳。最后话筒和接收机之间也达到了匹配，接收机成功接收到了发射机话筒发射的信号，声音信号比较清晰。在这次课程设计中，经过一天半的时间，从制版到焊接再到调试，最后到提交作品，我都学到了许多。在课程设计的开始，在老师的帮做下，我首先对本次课程设计的原理有了比较清晰的了解，这对后期的调试有极大的帮助。其次在焊接电路板过程中，也对相应电路的元器件的功能也做了相应的分析，这在焊接电路的时也是必不可少。最终在调试阶段，按照老师的建议首先对电路做了最基本的调试。接通电源后，在根据电路板的情况做了比较具体的调试。但是接收信号杂音大，接收电台数少的情况还是没能解决，但也基本达到了老师的要求。在此期间，根据所学的知识，也帮助其他同学解决了一些问题，获得了不小的收获。在后期的报告撰写中，也查了不少的资料，进一步加深了我对课程设计的理解。但我也深知自己还有很多的不足，还有待提高，所以我会在今后的学习中更加努力学习。参考文献：1 薛居宝,杨善迎.无线调频话筒的制作与调试技巧J.电子制作,2007，3:50-51.2 曾广明,郭万钦.简易无线调频话筒的改进及组装教学J.实用小制作,2011,1:39-40.3 欧阳柏林.多模无线音视频广播接收机关键技术研究D.湖南大学，
