无线调频话筒的设计与制作.doc
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1、 目 录河西学院本科生毕业论文(设计)诚信声明 .1河西学院本科生毕业论文(设计)开题报告 .2摘要: .4ABSTRACT: .41引言.51.1无线电技术及无线话筒.51.2无线话筒的分类.51.3无线话筒的发展.61.4无线话筒的运用.72.设计任务与要求 .82.1设计任务.82.2设计要求.82.3任务自评.83方案的选择与论证.83.1整体方案设计.83.2具体方案的选择及确定.113.3单元电路的调试与仿真.144电路制作装配.184.1PCB板的制作 .184.2电感的制作.205调试仿真及结果分析.215.1实物测试仿真.215.2实物调试.225.3结果分析.226设计总结
2、.23参考文献 .24致谢 .25河西学院本科生毕业论文(设计)题目审批表 .26河西学院物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表 .27河西学院毕业论文(设计)指导教师评审表 .28河西学院本科生毕业论文(设计)答辩记录表 .2 4 1引言1.1无线电技术及无线话筒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。由于可用的频谱越
3、来越少,在北美 DTV(数字电视)广播的出现使得无线系统的运行更加复杂困难。DTV也同样出现在欧洲,它已成为未来可能出现的频谱拥挤现象的另一标志.。鉴于以上这些事实,随着无线话筒、内部通讯网络系统、耳内监听系统和其它应用在各类制作的无线电通讯设备的日益普及,对于无线系统扎实的,技术性理解需求是前所未有的。1.2无线话筒的分类无线话筒的分类方式很多,比方说根据发射使用频率分类或无线话筒的接收方式来分类等。(1)按照发射使用频率分类如果按照这一方式可以分为:FM无线话筒;VHF无线话筒FM无线话筒:工作原理是利用 FM收音机来接收,这一无线话筒的特点是系统简单,成本低廉,但是现在已经被淘汰了,原因
4、是使用效果不佳,不能满足专业品质的要求。VHF无线话筒:这一无线话筒又可分为低频段和高频段两类型,现在人们常常使用的是高频段的无线话筒,高频段的无线话筒的特点是频率较高,使用天线较短,甚至可以设计成隐藏式天线,方便,安全又美观,且受电器的杂波干扰又大为减少,电路设计极为成熟,零件普及价格低廉,现在这样的无线话筒已经是当今市场上的热门机种。(2)按照接收方式分类按照这一方式分类通常分为两类:自动选频接收无线话筒;非自动选频无线话筒自动选频接收无线话筒:这一话筒由于在电波传输中会产生“死角”的物理现象使接收机的声音输出产生断断续续或不稳定的缺点,为了解决这种缺陷,专业用的机种必须采用双天线及双调谐
5、器的“自动选频接收”方式来改善。5 非自动选频无线话筒:这一话筒由于机型的电路设计复杂精密,装配较难,成本较高,一般低价的机型就没有采用自动选频的设计,所以也无法消除无线话筒在使用中产生声音中断的缺点。所以这样的一般不适合专业场合使用。(3)按照无线话筒的振荡方式分类按照这一方式通常也分为两类:石英锁定;相位锁定频率合成石英锁定的特点是以石英振荡器产生发射与接收精确稳定的固定频率,电路简单,成本低廉,是当今无线话筒的标准电路设计。这种类型的话筒及接收机只能固定一个频率配对使用,因此无法改变或调整使用频率。相位锁定频率合成的特点:这一话筒是采用的是PLL(频率锁相环)的电路来设计的,避免无线话筒
6、在使用中遇到其它信号的干扰而无法使用,或为了同时使用多支话筒的场合,具有随时方便又快速的改变频道这一功能。1.3无线话筒的发展无线话筒由一开始简易的一个无线调频发射器和无线调频接收器到现在的采用专门的PLL技术,这期间大致经历了三个阶段。(1)简易调频发射与接收最初人们为了摆脱话筒线缆的羁绊,想到了类似于调频广播的发射和接收原理,通过话筒的换能原理及音频调制放大发射过程,然后通过调频收音机或专用接收机接收然后放音。但是这种方式下的无线话筒的音质、稳定性、抗干扰能力均不能满足需求。(2)石英振荡的调频发射与接收:由于采用电子电路产生的RC或LC振荡,其振荡频率的稳定性受到环境的影响是很大的,所以
7、频率也不可能很高,一般只能在200MHz,在这样的频段,极易受到其它信号的干扰,此时便出现了采用石英振荡体的发射与接收电路。石英晶体的振荡频率是非常稳定的,由它组成的无线话筒发射与接收器,工作起来较为稳定,与此同时,其工作频率可在V段(30MHZ-250MHZ),U段(200MHZ-1000MHZ)内,外界对其干扰不严重,因此给无线话筒的使用带来了较好的效果。但是在使用上,由于石英晶体的振荡频率是不可调的,因此对于一套无线话筒来讲,它的接收和发射频率是固定的,而且要求一一对应,十分的不方便,如果在某地刚好在这一频点上存在干扰,那么该无线话筒就无法使用了。(3)采用PLL接收的无线话筒:PLL是
8、频率相位锁定环路的英文字头缩写,在无线话筒的发射接收中,采用频率6 合成的方式,可以在一个频带内,满意地接收信号,在此频带内,还可以任意切换工作频道。理论上,在一个24MHZ的频带内,如果以1MHZ作为频道解析度,则可以切换25个频道;如果以125KHZ,则可以切换193个频道,至于频道数的多少与接收机的频宽及频道解析度有关。1.4无线话筒的运用通信作为电信是从19世纪30年代开始的。面向21世纪的无线通信,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。正是这些电路的基础,设计与调试发射电路能使我们快速步入电子设
9、计的大门。无线话筒在日常生活中的用途(1)无线话筒:用户在唱歌、讲话或者表演时可以360度的任意转动和移动,不会有电线绊脚、扯后腿。(2)无线广播:老师在讲课时进行现场转播,可以使更多的学生用收音机接收听课,大大的增加了听课人数。(3)无线叫卖器:在街上推销商品时,用无线话筒叫卖具有一定新颖性,会收到比普通话筒好的广告效果。(4)无线助听器:具有比较好的隐蔽性和安全性,可在远处用收音机耳机收听。(5)无线报警器:实现一定距离的无人值守。例如可以在二楼监听一楼之门锁声音,起防盗报警器的作用。(6)无线电子门铃:由于可无线传播声音,因此也可以无线传播门铃声音,配对还可以改装成无线对讲机。(7)无线
10、电子乐器:将口琴、二胡、吉它等乐器的声音用收音机接收,或用功放扩大播出,可更好欣赏音乐。(8)电子助听器:通过调节收音机或者话筒的音量,将声音放大后再送入耳机,可以有效的改善老人听力。(9)声控小彩灯:将大功率功放输出端的音箱改接成瓦数相当的 6V,12V汽车电灯泡,调节音量合造位置。(10)小型广播电台:适合学校工厂等单位自行举办各种节目,可以播放音乐、新闻、通知等,用收音机听。(12)电视伴音转发器:看电视时用耳机听可不影响别人睡觉,但是受耳机线长控制,本装置则可以不受此限制。7 介于无线话筒在生活中的广泛用途,所以对无线话筒的研究以及设计都具有很重要的意义,可以使我们对电子设计产生很大的
11、兴趣。所以这次论文我设计并制作了一款简易的FM调频无线话筒,设计要求话筒采用调频的方式发射信号,要求频率稳定,发射距离较远,能满足短距离声音的无线传播。2.设计任务与要求2.1设计任务了解无线调频话筒的构成,并设计一小功率无线调频话筒。2.2设计要求(1)额定工作电压 3V,电流 35mA。(2)采用电抗管或变容二极管调频。(3)发射频率在 90MHz左右,FM收音机能稳定收听。(4)接收距离不小于 10米。2.3任务自评对于无线话筒来说,首先传输的声音音质要好,而好的音质是要求具有灵敏度高、调制线性好、频偏大、发射载波频率稳定;其次是发射距离要尽量远,这要求发射功率足够大。所以根据设计要求,
12、本设计重点应在稳定频率的选定和发射距离两个性能指标上下功夫。还有本设计的一个难点就是 PCB板的制作,所以对于熟练的使用操作Altium Designer和 PCB板制作流程也是这次论文的一个重点。3方案的选择与论证3.1整体方案设计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。初步设计框图如下:话筒低频放大调频高频放大天线发射通过对
13、上面的整体方案分析,话筒我采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。对于低频音信号的放大我采用最常用的电压并联负反馈共发射极放大电路,具有稳定静态工作点的作用,又具有输出载波幅度稳定的特点。对于调频电路部分即高频振荡调制电路是本设计的一个重点,也是一个本次设计能否成功8 的一个关键点。调频振荡器的电路形式主要有晶体振荡器直接调频,电抗管调频和变容二极管调频。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,但是价格比较的昂贵;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,所以我选择了电抗管调频电路,所谓电抗管,就是由一
14、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的输出阻抗具有一个电抗分量 Xe,当 Xe随输入信号变化时,即可获得调频信号。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,这个分量也随输入信号而变化,使振荡器产生寄生调幅。常见的电抗管调频电路主要有电容三点式振荡器和电感三点式振荡器。(1)电容三点式振荡器图 1电容三点式振荡电路电容三点式振荡器也称为“考毕兹”振荡器,该种振荡器由
15、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9 1f =(1)C C2 L C
16、1 +C212这种电路的优点是输出波形好、振荡频率可达 90MHz以上。缺点是调节频率时需同时调 C1、C2两个电容不方便。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。(2)电感三点式振荡器电感三点式振荡电路,又称“哈特莱”振荡电路。如图 2中,L1、L2、C组成谐振回路,L2兼作反馈网络,通过耦合电容 Cb将 L2上反馈电压送到三极管的基极。图 2电感三点式振荡电路由交流通路看出,谐振回路有三个端点与三极管的三个电极相连,而且与发射极相接的是 L1、L2
17、,与基极相接的是 L2、C即满足“射同基反”的原则。因此电路必然满足相位平衡条件,其振荡频率计算参看公式2当回路的Q值较高时,该电路(图3)的振荡频率基本上等于LC回路的谐振频率图 4负反馈电路图 3谐振回路10 11f =(2)2 (L1 + L2 + 2M )C 2 LC该电路的特点与变压器反馈式振荡电路(如图 4)极为相似。必须指出它的输出波形较差,这是由于反馈电压取自电感的两端,而电感对高次谐波的阻抗较大,不能将它短路,从而使 Uf中含有较多的谐波分量。因此,输出波形中也就含有较多的高次谐波。用集成运放构成的电感三点式振荡电路如图所示,不难证明其振荡频率为1f =(3)2 (L1 +
18、L2)C通过比较结合本电路的实际情况分析,我选择了电容三点式振荡器。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;
19、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。3.2具体方案的选择及确定方案一电路如图 5所示,该电路共有两部分组成,音频放大部分和高频振荡部分,主要由驻极体话筒和一只高频
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