小信号调频发射机设计与实现.docx
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小信号调频发射机设计与实现
小信号调频发射机设计与实现
作者姓名：
XXXXX
专业名称：
通信工程
指导教师：
XXXX
摘要
进入21世纪,随着人们物质生活的提高，舒适性、方便性已经成为电子产品的重要考虑因素，基于此而设计的车载MP3转化发射器就是这样一个较为人性化的产品,它大大提高车内播放音乐的方便性和安全性。
车载MP3转化发射器其实就是一个新型的数字化调频发射器，它具有将音频信号转化成为调频信号发射出去的作用,具有方便携带,使用简单,频率稳定、发射频率在88.0MHZ至110.0MHZ范围内任意可设等特点。
而本文所介绍的调频发射电路的设计，采用的是无线音频传输集成芯片BH1415F，其发射频率采用AT89C52单片机控制，外围电路配以LED数码管显示发射频率，操作更加直观方便,此电路发射频率较为稳定，抗干扰能力较强，适合于将各种音频信号转化为一定频率的调频信号进行无线发射。
关键词：
BH1415FAT89C52数字化控制LCD1602调频发射
Abstract
Enteringthe21century,asthepeople’smateriallifeimproving,thecomfortandconveniencehavebecometheimportantfactorsofelectronicproducts.ThecaryearchangeofMP3’semitterisjustthehumanizationproductdesignedbasingonthat,anditgreatlyraisestheconvenienceandsafetyofmusicbroadcastinginsidethecars.ThecaryearchangeofMP3’semitterisanewdigitizationfrequencymodulationemitter.Itcanchangethefrequencysignalintofrequencymodulationsignal,anditpossessesthecharacteristicssuchasconvenientlycarrying,simplyusing,steadilyfrequency,andthelaunchfrequencycansettorandomlyfromthescopeof88.0MHZto110.0MHZ.
Thispaperintroducesonekindofdesignoffrequencymodulationlaunchcircuit.ItusesthewirelessfrequencytransmissionchipBH1415F,itsemissiveiscontrolledbyAT89C52SCM（SingleChipMicyoco）,andtheperipheralcircuitintegratesthecrystalmodule1602showingthelaunchfrequency.Theoperationismoredirectlyandconvenient,andthefrequencylaunchedbythecircuitiscomparativelystableandhasstronganti-jammingability.Itisfitforchangingallkindsoffrequencysignalintoafixedfrequencymodulationsignaloffrequencyandlaunchingwirelessly.
Keywords:
BH1415,AT89C52,digitization,controlLCD1602,thefrequencymodulationlaunch
前言
随着新时代电子技术的日新月异,各种电子产品层出不穷,人们在追求高科技现代化的同时,也越来越强调产品的方便携带性了，车载产品便是众多新型电子产品中很具有代表性的。
以前在车里的音乐播放设备一般就是磁带机、CD机之类，但他们都是播放的磁带或者碟片，容量不仅小，而且在狭小的车里要更换磁带或者碟片也不是一件轻而易举的事，更何况在行车过程中进行这样的换碟操作还有可能带来危险，而如果选用MP3来播放的话，那么不仅能够储存大容量的歌曲，而且切换歌曲也只需要轻轻地按一个键就搞定了。
我们这次的设计便是设计一种车载MP3的转化发射器，它是用来将MP3里面的音频文件转化成为调频信号发射出去，再利用几乎每辆车都有配备的收音机来达到接受MP3音乐的目的。
一般来说，BA1404对于一般的调频发射已经足够了，但它却有一个致命的缺点：
没有锁相环电路，既PLL，频率很不稳定，容易跑频！
对于要求高一点的地方就不合适了，为此广大调频发烧友纷纷出谋划策为它加锁相环电路。
但是象通用的数字集成电路4000系列+74系列的和一些专用的高频锁相环电路等如MC145152和MC1415170等这些电路，但它们都很复杂，电路的调试十分麻烦，不易成功。
而运用新型集成芯片BH1414-1417系列，相当于BA1404+PLL，则可以比较方便地设计各种调频电路。
用BH1415设计的电路，采用单片机控制发射频率，外围用键盘控制发射不同的频率，并且用液晶显示其发射频率的值，操作十分方便，且发射频率可以在一定范围内任意设置，频率稳定比较容易调试。
1FM收音机概述
1.1发射系统的简单概述
无线电发射机是产生和发送无线电信号的装置，与一般的无线电发讯机的基本组成一样，无线电广播发射机也是由载波发生器，调制器，变频器，高频放大器和发射天线这些基本部分组成。
它的工作原理是：
通过调制器，声音信号调制载波产生已调波信号，然后由变频器将已调载波信号搬移到发生频率上，接着经高频功率放大后推动发射天线，由发射天线将射频信号功率转变成电磁波辐射出去。
首先将音频信号和高频载波调制为调频波,使高频载波的频率随音频信号发生变化,再对所产生的高频信号进行放大,激励,功放和一系列的阻抗匹配,使信号输出到天线,发送出去的装置.高频信号的产生现在有频率合成,PLL等方式.现在我国的商业调频广播的频率范围为88-108MHZ,校园为76-87MHZ,西方国家为70-90MHZ。
图1.1无线电发射机方框图
1.2接收系统的简单概述
天线接收到的高频信号通过输入电路与收音机的本机振荡频率（其频率较外来高频信号高一个固定中频，我国中频标准规定为465KHZ）一起送入变频管内混合——变频，在变频级的负载回路（选频）产生一个新频率即通过差频产生的中频，中频只改变了载波的频率，原来的音频包络线并没有改变，中频信号可以更好地得到放大，中频信号经检波并滤除高频信号。
再经低放，功率放大后，推动扬声器发出声音。
图1.2无线电接收方框图
1.3典型数字式调频发射机组成
本设计是一个数字调频发射机，调频就是频率调制，所谓频率调制就是原来等幅恒频的高频信号的频率，随着调制信号（音频信号）的幅度变化而变化，调频发射机就是发送这些频率调制的无线电信号，经过解调还原成原信号的电子设备。
FM调频发射机主要由PLL锁相环、功率放大模块、射频分配、功率合成、以及吸收负载、控制电路、电源等单元。
本设计就是用单片机控制集成了上述所有FM功能的专用芯片，并在LED数码管上显示当前的频率信息，设计一个数字FM调频发射机系统。
本设计采用模块化设计，整个系统由控制模块、FM模块、电源模块、显示模块和功放模块组成，系统的整体方案框图如下图1-3：
图1.3系统方案设计框图
1.4发射机的调制方案
调频发射机可分为中频调制发射机和锁相环（Phase2LockedLoop,PLL）调制发射机。
相较于中频调制发射机而言,锁相调频发射机电路简单,且具有平坦的宽带调制特性,只要合理设计锁相环路的各种参数,就可以响应频率较低的调制信号,能够满足遥测系统的需要。
下面介绍锁相环调频发射机的原理及设计方法,并对其环路特性进行分因此本设计采用锁相调频发射极方案
2方案论证与硬件选择
2.1硬件电路方案选择
2.2采用分立元件设计
图2.1
上面是原理框图，下面对各部分的具体作用做一定的解释：
主振级：
是正弦波自激振荡器，用来产生频率为75MHz~80MHZ的高频振荡信号，由于整个发射机的频率稳定度由它决定，因此要求主振级有较高的频率稳定度，同时也有一定的振荡功率（或电压），其输出波形失真要小。
调频电路：
本部分和主振在同一个电路单元中，本电路主要的作用是用音频信号去改变主振级产生的高频小信号的频率，使得载波信号的频率随着音频信号的幅值变化而变化。
这样就将音频信号所携带的信息加载到了载波中。
缓冲级：
其作用主要是将主振级与激励级进行隔离，以减轻后面各级工作状态变化（如负载变化）对振荡频率稳定度的影响以及减小振荡波形的失真。
激励级和输出网络：
若输出功率要求较高时，插入激励级来放大信号功率。
由于功放级往往工作于效率高的丙类工作状态，其输出波形不可避免产生了失真，为滤除谐波，输出网络应有滤波性能因此主要由谐振电路来完成。
另外，输出网络还应在负载（天线）与功放级之间实现阻抗匹配。
音频信号输入：
这一部分主要是将声音信号加到电路中去，通过LPF后在通过电感和电容的隔离和耦合后加到主振电路中。
用它改变载波频率。
2.2采用集成FM调制芯片设计
BH1415rohm公司推出的一个系列，它的外围电路以及PCB板完全相同，只是控制频率的方式不一样。
BH1415是采用的MCU控制，通过单片机向芯片以时序电路的送入控制字来达到控制频率的作用；而同系列的BH1417是采用对15、16、17、18四个脚的高低电平控制来改变发射频率，它有16种可设频率。
若采用BH1417则需要在外围加数字电路来达到通过按键控制发射不同频率的方法，但考虑到大学期间接触单片机的时间较多，以往也使用过单片机来设计过电路，对其使用和编程较为熟悉，所以此次设计选用BH1415的芯片。
经过反复的论证与分析得出以下结论：
利用分立元件设计，虽然能够获得较好的性能和发射功率但是存在着设计成本高，调试难度大等缺点。
而且本次设计任务对发射功率没有特殊要求，设计目标主要是针对家庭以及娱乐场所等方面消费类电子
本设计采用模块化设计，整个系统由控制模块、FM模块、电源模块、显示模块和功放模块组成，系统的整体方案框图如下图：
图2.2系统方案设计框图
FM模块选择采用rohm公司生产的BH1415来实现。
控制模块选择采用宏晶科技生产的STC89C52芯片来实现。
功放模块选择三极管选频放大电路。
显示模块选择LED数码管显示发射机的频率。
电源模块采用三种供电回路。
下面将一一介绍简单硬件基本资料和选择该硬件具体原因
2.2无线音频传输集成芯片BH1415F
2.2.1芯片简介
BH1415F是一种无线音频传输集成电路，它可以将计算机声卡、游戏机、CD、DVD、MP3、调音台等立体声音频信号进行立体声调制发射传输，配合普通的调频立体声接收机就可实现无线调频立体声传送。
适合用于生产立体声的无线音箱、无线耳机、CD、MP3、DVD、PAD、笔记本计算机等的无线音频适配器开发生产。
这个集成电路是由提高信噪比（S/N）的预加重电路、防止信号过调的限幅电路、控制输入信号频率的低通滤波电路（LPF）、产生立体声复合信号的立体声调制电路、调频发射的锁相环电路（PLL）组成。
2.2.2特点
1）将预加重电路、限幅电路、低通滤波电路（LPF）一体化，使音频信号的质
量比分立元件的电路（如：
BA1404、NJM2035等）有很大改进。
2）导频方式的立体声调制电路。
3）采用了锁相环锁频并与调频发射电路一体化，合发射的频率非常稳定。
4）采用了MCU数据直接频率设定，可设定70-120MHz频率，使用上非常方便。
2.2.3结构图
图2.3结构原理图
图2.4元器件的尺寸以及封装
2.2.4芯片各工作参数
表2.1允许的最大值
表2.2工作范围
2.2.5芯片各脚位的内部结构
表2.3BH1415个管脚内部结构图
脚位
属性
电路
电压
1
左声道信号输入端
1/2Vcc
22
右声道信号输入端
1/2Vcc
2、21
加重时间调整端
1/2Vcc
3、20
低通滤波器调整端
1/2Vcc
4
滤波器端
1/2Vcc
5
复合信号输出端
1/2Vcc
6
地
——
GND
7
锁相环输出端
——
8
电源正极
Vcc
9
高频振荡器输入端
4/7Vcc
10
高频地
——
GND
11
高频信号输出
Vcc-1.9
12
锁相环电源正极
——
Vcc
13、14
晶体振荡器输入端
——
15
传送使能CE
——
16
传送时钟CK
17
传送内容DA
18
音频静音MUTE
19
导频信号调整端
1/2Vcc
2.2.6电路应用说明
（1）预加重电路
预加重电路是一个非线性音频放大器，它的内部工作点为1/2Vcc，因为它是非线性放大器，所以输入阻抗取决为内部电阻R3=43KΩ，预加重时间取决于内部电阻R2=22.7K和外部电容C1=2200p。
图2.5预加重电路
时间常数τ=C1R2，R1=1K是一个限流电阻，防止自激的产生。
（2）限幅电路
图2.6限幅电路
限幅电路是由二极管限幅的反相放大器组成，它的内部工作点为1/2Vcc。
（3）低通滤波电路
低通滤波电路是由二阶低通反馈放大电路组成，它的分频点为15KHz。
图2.7低通滤波电路
公式如下:
Cf=1/ω0Rf（1.3）
C1=3QCf（1.4）
C2=Cf/3Q（1.5）
运算过程如下：
Q=0.577、ω0=1.274、fc=15KHz
R1=R2=R3=Rf=100KΩ
Cf=1/ω0Rf=1/（2πX1.274X15KX100K）=83.28pF
C1=3QCf=3X0.577X83.28pF=144pF≈150pF
C2=Cf/3Q=83.28p/（3X0.577）=48≈50pF
（4）立体声调频
音频信号从第1脚和第22脚输入后通过预加重电路、限幅电路和低通滤波电路后送到混合器（MPX）中，另外由第13、14脚接入7.6MHz晶体的振荡电路通过200分频后产生的38KHz副载波信号，同时38KHz副载波通2分频产生的19KHz导频信号。
音频信号和38KHz的副载波信号被多路复合器进行了平衡调制，产生了一个主信号（L+R）和一个通过DSB调制的38KHz副载波信号（L-R），并与19KHz导频信号组成复合信号从第5脚输出。
图2.8导频方式的调频立体声广播频带结构图
（5）FM发射电路
FM发射电路采用稳定频率的锁相环系统。
这一部分由高频振荡器、高频放大器及锁相环频率合成器组成。
调频调制由变容二极管组成的高频振荡器实现，高频振荡器是一个锁相环的VCO，立体声复合信号通过它直接进行调频调制。
图2.9FM发射电路
高频振荡器是由第9脚外部的LC回路与内部电路组成，振荡信号经过高频放大器从11脚输出，同时输送到锁相环电路进行比较后从第7脚输出一个信号对高频振荡器的值进行修正，确保频率稳定。
一但频率超过锁相环设定的频率，第7脚将输出的电平变高；如果是低于设定频率，它将输出的电平变低；相同的时候，它的电平将不变。
2.2.7ＢＨ１４１５与单片机通信
A、数据信号发送方：
图2.10数据传送方式
B、数据内容说明：
表2.5数据内容说明
顺序
数据
说明
1
PR-CTL
频率控制字D0-D10
D0为低位D10为高位，其值为实际发射频率除以100KHz的十六进制值。
比如99.7MHz，则为9700KHz÷100KHz=997转为16进制后则为3E5，字位如下：
2
OM-CTL
立体声控制MONO
设为1时开启立体声，设0时关闭立体声
3
PD-CTL
PD输出控制
PD0、PD1
设定
PLL输出状态
PD0
PD1
0
正常模式
0
1
输出低
1
0
输出高
1
1
高阻态
4
出厂测试
正常模式下，必须将T0设为1，T1设为0
2.3控制模块
控制模块是本设计的核心，通过外围电路和向TEA5767芯片写入相关程序，控制部分要实现能够改变收音机的接收频率、工作模式、音量等各项参数的功能。
因此必须需要一个微控制器才能达到要求，本设计采用STC89C52单片机作为系统的控制核心。
2.3.1STC89C52外形和引脚
本设计采用宏晶科技生产的STC89C52芯片，芯片采用40脚双列直插式封装，32个I/O口，芯片工作电压3.8~5.5V，工作温度0-70°C（商业级），工作频率可高达30MHz，芯片的外形和引脚见下图
图2.11STC89C52芯片外形
图2.12STC89C52芯片引脚图
图2.2和图2.32STC89C52外形和引脚图STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
1、STC89C52具体介绍如下：
①主电源引脚（2根）
VCC（Pin40）：
电源输入，接＋5V电源
GND（Pin20）：
接地线
②外接晶振引脚（2根）
XTAL1（Pin19）：
片内振荡电路的输入端
XTAL2（Pin1）：
片内振荡电路的输出端
③控制引脚（4根）
RST/VPP（Pin9）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG（Pin30）：
地址锁存允许信号
EA/VPP（Pin31）：
程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
PSEN（Pin29）：
外部存储器读选通信号。
④可编程输入/输出引脚（32根）
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
PO口（Pin39～Pin32）：
8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口（Pin1～Pin8）：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7
P2口（Pin21～Pin28）：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7
P3口（Pin10～Pin17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7
2.3.2STC89C52主要功能
STC89C52主要功能如下表所示。
表2.6STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
2.3.3单片机总控制电路
单片机总控制电路如下图：
图2.13单片机总控制电路
1.时钟电路
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图2.5（a）所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图2.14（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
图2.14时钟电路
2.复位及复位电路
（1）复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表2.7所示。
表2.7一些寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
00H
（2）复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图2.6所示：
图2.15复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图2.16（a）所示。
这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图2.16（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，
其电路如图2.16（c）所示：
（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图2.16复
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