调频无线话筒要点

吉林建筑大学电气与计算机学院射频通信电路课程设计报告设计题目：调频无线话筒的设计专业班级： 信工121学生姓名：12学 号：100212112指导教师：杨佳王超设计时间：2015.11.302015.12.11教师评语:成绩 评阅教师 日期目录一、 设计的作用、目的1二、课程设计基本要求 1三、设计题目及内容 1四、整体设计方案24.1 方案选择24.2 工作原理2五、各单元电路设计55.1 驻极体话筒各项性能 55.2 本地振荡电路55.3 音频放大器65.4 倍频缓冲电路75.5 倍频放大8六、仿真与分析106.1 Multisim 介绍106.2 音频放大仿真 126.3 调制仿真波形136.4 本地振荡器仿真146.5 倍频放大仿真 156.6 仿真注意事项16七、心得体会18八、参考文献19附录一（电路原理图） 20附录二（仿真电路图） 21摘要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必不可少的器件， 有着极为广泛的应用。 无线调频话筒的原理是将声波信号通过麦克风化为音频电信号， 通过改变电容来改变高频振荡器的输出频率， 产生调频波， 而调频具有保真度好， 抗干扰性强的优点， 最后通过高频功率放大与选频之后由天线辐射，用普通收音机或者带收音机功能的手机就可以接收。 调频无线话筒总体包括音频收集，音频放大，本地振荡，倍频，调频5 个部分。此次简易无线话筒的设计和实现结合了射频通信电路、高频电子线路设计、模拟电子技术等知识点的结合，然后再运用 Multisim 软件进行仿真测试。关键词 ：无线调频话筒、电路分析、仿真I一、设计的作用、目的课程设计是理论学习的延伸， 是掌握所学知识的一种重要手段， 对于贯彻理论联系实际、 提高学习质量、 塑造自身能力等于有特殊作用。 本次课程设计一方面通过对射频通信系统的设计， 使我们加深对理论知识的理解， 同时增强其逻辑思维能力，另一方面对课堂所学理论知识作一个总结和补充。二、课程设计基本要求通过课程设计各环节的实践，应使学生达到如下要求：1. 掌握调频发射机的工作原理及具体实现方法；2. 掌握调频接收机的工作原理及具体实现方法；3. 掌握 MULTISIM 的电路系统仿真。三、设计题目及内容1. 设计题目： 调频无线话筒的设计设计内容：设计一个简易调频无线话筒，具体要求如下：1) 电路发射频率在80-108MHz 之间，用收音机FM 段接收；2) 在声音被清晰接收的前提下，发射距离不小于 1m；3)天线阻抗为75 Q;4) 输出功率大于200mW；5) 中心频率稳定度不低于 1/1000 ；使用 Multisim 进行仿真。12四、整体设计方案4.1 方案选择无线话筒按调制方式可分为调频式和调幅式，由于调频式无线话筒具有通频 带宽、动态范围大、传输距离远和抗干扰性强等特点，所以应用较多。我选择了 设计并制作调频式无线话筒。调频无线话筒的原理是将声波信号通过麦克风转化 为音频电信号，通过改变结电容来改变高频振荡器的输出频率，产生调频波，通过高频放大与选频，最终由天线辐射。初步设计框图如图4.1所示4.2 工作原理什么是无线话筒？简单地说，它就是一种通过无线电波或其它的方式传输声 音的设备。这种设备或电路就其原理而言，在很多产品中以各种形式或名称存在 着，如双工的EarMark无线耳机HS-4系列型号就是其中之一。电路板上的电子元件话筒先将自然界的声音信号变成音频电信号，这个电信号会去调制电子振荡器产生的高频信号。最后，高频信号通过天线发射到空 中。我将发射频率设计在FM收音机波段，因此可以配合任何FM收音机接收到 该高频信号，并从该高频信号还原出声音信号，从而完成各种用途。这种调频话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实 现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化，同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制。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R3可以提供一定的直流偏压，R3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，tS筒采集到的交流声音信号通过C2耦合和R2匹配后送到三极管的基极，电路中D1和D2两个二极管反向并联，主要起一 个双向限幅的功能，二极管的导通电压只有 0.7V,如果信号电压超过0.7V就会 被二极管导通分流，这样可以确保声音信号的幅度可以限制在正负0.7V之间，过强的声音信号会使三极管过调制，产生声音失真甚至无法正常工作。(1)电容三点式振荡器电容三点式振荡器也称为“考毕兹”振荡器，该种振荡器由电感和两个电 容构成振荡回路，由其中的一个电容提供正反馈。其工作过程是振荡器接通电源 后，由于电路中的电流从无到有变化， 将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有 许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个 LC谐振回路，具有选频作用，当 LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。虽然脉动的信 号很微小，通过电路放大及正反馈使振荡幅度不断增大。当增大到一定程度时， 导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后达 到平衡，即AF=1,振荡幅度就不再增大了。于是使振荡器只有在某一频率时才 能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输出振荡频率为这种电路的优点 是输出波形好、振荡频率可达 90MHz以上。适宜于作固定的振荡器。相比之下该电路较容易制作，由于其振荡频率可达到上90MHZ,所以可以用来制 作成无线电发射电路，可以用来制作无线话筒，对讲机等。放大管可以用高频管 NPN9018。对于高频功率放大电路部分是本设计能否满足设计要求的一个重点。高频功率放 大器，又称射频功率放大器，用于发射机的末级，作用是将高频已调波信 号进行功率 放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保 证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号，并且不干扰相邻信道的通信。 在工作一般性原理上， 它和其他放大器一样，都是在输入信号作用下，将直流电源转换为输出功率。按其工 作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹 配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将 电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。考虑到本次设计的电路属于窄带高频放大电路，所以我采用的丙类高频放大器。其目的是增大发射功率，扩大发射距离，并且隔离了天线与振荡器，减小天线对振荡频率的影响。 于天线来说，只须设置一根电线（线状天线）。一般天线的长度设定为电波波长的 1/2 或者1/4，以便在天线上产生驻波。在这里只需用一段导线代替就可以了。五、各单元电路设计5.1 驻极体话筒各项性能指标的参数主要有以下几项：(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。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3kQo(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。5.2 本地振荡电路对于普通信号其频率11定度一般要求在 10A-4和10八-5之间，而克拉泼电路 的频稳度大体在10A-4和10A-5之间，满足设计要求，而且电路比较简单，容易 分析，因此主振器选取克拉泼电路。图5.1振荡器电路原理图5.3 音频放大器音频放大器的目的是在产生声音的输出元件上重建输入的音频信号，信号 音量和功率级都要理想 一一如实、有效且失真低。音频范围为约20Hz20kHz, 因此放大器在此范围内必须有良好的频率响应 （驱动频带受限的扬声器时要小一 些，如低音喇叭或高音喇叭）。本设计中音频放大器部分采用的是三极管放大，运用两只三极管连接构成 放大，放大倍数等于两只三极管分别放大的放大系数的总和。以NPN型硅三极管为例，我们把从基极 B流至发射极E的电流叫做基极 电流Ib;把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。这两个电流的 方向都是流出发射极的，所以发射极 E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很 大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量 的B倍，即电流变化被放大了 B倍，所以我们把B叫做三极管的放大倍数（B一 般远大于1,例如几十，几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极 之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了 Ic很大的变 化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式 U=R*I可 以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来， 就得到了放大后的电压信号了。图5.3倍频器电路原理图5.4 倍频缓冲电路采用倍频器以下优点：发射机的主振频率可以降低，这对稳频是有利的。因为振荡器的频率越高， 频率稳定度就越低。一般主振频