数字式调频收音机设计Word格式文档下载.docx
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6能实现数字化的自动搜台、手动调台、存台和频率显示等功能。
第二章方案设计与论证
调频收音机一般包括：
天线、前端输入回路、混频、本振、中放、解调、放大和输入等部分，本设计中高放、混频、中放、解调等电路采用SONY公司生产的FM/AM收音机集成芯片CXA1019S；
自动调谐、程控搜索、电台载频显示等功能由自动调谐、程控搜索、电台载频显示等功能由锁相频率合成器芯片BU2614、MCS-51系列单片机及相应的外围电路配合完成。
采用专用的芯片可以使整个系统体积小、重量轻、可靠性好、灵敏度高、功耗低。
2.1整机电路方案的设计
本设计是利用频率合成技术来完成收音机的电调谐，通过BU2614的串行口与单片机通信来改变分频比，用BU2614内部的分频器和鉴频鉴相器，与CXA1019S的本振VCO构成数控锁相环，通过改变分频比来改变接收的频点。
选台和频率显示、存台等由单片机AT89C52和MAX7219、93C46芯片配合完成。
系统框图如图-1：
2.2各部分电路方案的设计
1）、收音单元目前市场上收音机的集成芯片很多，但为了满足本设计的各项性能要求，我们采用了索尼公司生产的集成芯片CXA1019S，这种芯片运用于便携式收音机及头盔式收音机，具有接收灵敏度高、镜像抑制性能好、外围元件少、输出功率大等优点。
FM时VCC=5V，工作电流为5.3mA；
在VCC=6伏、RL=8欧姆时，输出功率为500mW。
2）、锁相频率合成单元FM调频收音机的接收频率范围是88M~108MHZ,因此所选用的频率合成器芯片最高频率也必须能达到110MHZ才能满足要求。
现在常见的频率合成器芯片有MC145151、MC145157、MC145158等，但它们工作的最高频率只能达到30MHZ，如果要用这些芯片来构成100MHZ左右的锁相频率合成器，则必须配合MC12009、MC12013分频器来完成，由于高频经过的线路越多越容易受到干扰。
因此应尽量选用一个芯片来完成锁相频率合成功能，ROHM公司生产的锁相频率合成调谐集成芯片BU2614最高频率可达到130MHZ完全满足要求，另外该芯片内带有高灵敏度RF放大器，支持IF计数功能。
3）、显示单元常用的显示接口电路多数由8155、8279等芯片构成，由于这些芯片与单片机连接时需要占用P0、P2口，另外采用动态扫描方式占用单片机内部系统资源比较大。
为了简化单片机的外围电路，我们采用了MAXIM公司的串行8位数字静态显示芯片MAX7219构成一个6位静态显示模块，它只需占用AT89C52的三个口线，即可完成显示功能。
4）、键盘电路由于本设计中使用的按键较多，我们采用了功能键与数字键分开识别的方式，即功能键采用查询方式，数字键采用编码动态扫描方式，这样既可以减少扫描占用的时间，又可以简化程序。
5）关机数据存储单元根据本设计的要求，该机具有掉电后能够保存所存储电台的功能。
目前市场上EEPROM类型很多如2764A、2864A等，都是并行EEPROM，体积大且不具有关电保存数据的功能。
与并行EEPROM相比，串行EEPROM体积小、价廉、电路连接简单，如串行EEPROM93C46是电擦除可编程只读存储器，具有在线擦除和改写数据功能，能满足关电保存数据的要求。
另外采用串行的形式，能够节省单片机的口资源。
6）、程序运行监视单元为了加强程序运行的可靠行，需要对程序的运行状况进行监视，以防止程序弹飞到一个临时构成的死循环中，导致整个系统完全瘫痪。
因此有必要在电路中设置看门狗电路（WATCHDOG电路）监视系统的运行。
现在常用的看门狗电路既有硬件构成的WATCHDOG，也有纯软件构成的WATCHDOG，但纯软件的WATCHDOG系统需要设置高级中断子程序占用较多的单片机内部资源，必将影响整机的运行速度。
如果采用带有硬件构成的WATCHDOG系统，它的硬件部分完全独立于CPU之外，将大大地提高它的可靠性。
7）、电源单元由于BU2614、CXA1019S以及单片机系统需要5V电源电压，而变容二极管需要9V以上的电压，若采用单电源+5V供电，则必须采用DC—DC模块升压得到+12V电压。
第三章硬件系统
3.1接收机电路
采用了本课题提供的CXA1019S芯片及其外围典型应用电路。
从天线输入的信号经88MHZ—108MHZ带通滤波器滤波送入CXA1019S进行高频放大、混频、中频放大、鉴频处理，解调出音频信号。
此电路是在CXA1019S典型应用电路的基础上去掉AM部分，如图-2所示：
图-2
由天线将高频信号经BPF滤波器送到CXA1019S芯片的13脚（FM高频输入），在芯片内部进行高频放大，放大后的信号由接在10脚的L1、C6、C5和VD1选频，通过改变变容二极管VD1的反向偏置电压，来改变变容二极管的电容量，以达到频率调谐的目的；
接在8脚的L2、C7、C8和VD2组成FM本振选频网络，同样是通过调节变容二极管VD2的反向偏置电压来改变本振频率的；
选频后的调频电台信号在芯片内部混频，混频后的10.7MHZ调谐信号在15脚输出，通过R1（330）电阻送到CF（10.7MHZ陶瓷滤波器），经其选频后送到芯片的18脚进行FM中频放大。
放大后的FM信号在其内部进行鉴频，鉴频网络接在3脚的DICF两端的陶瓷带通滤波器（10.7MHZ）上，鉴频后的音频信号由24脚输出，经电容E4直接耦合到25脚。
通过内部的音频功率放大最后由28脚送出给扬声器。
对于音量的控制是通过音量电位器的滑动来控制的，当电位器滑动端改变时，直流电压随之改变，从而达到控制音量的目的。
相关的理论计算如下：
（1）、波段覆盖系数的计算
88MHz~108MHz频率,高端频率fmax=108MHz,低端频率为fmin=88MHz,设电容的最大值为Cmax，最小值为Cmin，回路外接电容Cpx于是存在
从
有
由上式有
设Kd为波段覆盖系数则有
Kd=
Kd2=1.5
得到
，只要
>
1.5就可以达到要求，在结构上该可变电容器是可以实现的。
（2）、输入调谐回路与本振回路参数选择与计算
由所给资料M-235变容二极管在2.68V~9.8V偏置电压下电容为6p~15p。
1本振回路参数计算:
变容二极管先与C8串联再与C7并联构成振荡加路的总
C（设变容二极管最大值为CVDmax、最小值为Cvdmin）即为：
∵Cmax=C7+
=29.78p、Cmin=C7+
=20.96p
=1.1
=1.19
∴Kd<
变容比达到覆盖系数要求。
由fmax=
fmin=
得
L2=0.086uH或0.087uH
②调谐回路参数计算：
=108/88=1.23
RC1的变化范围为5p~27p
Cmax=RC1max+C6+
=44.78p
Cmin=RC1min+C6+
=13.96p
=1.79
计算调谐回路电感L1，回路RC1与C6并联电容取值与本振回路一样为15p。
fmax=
L1=0.1uH
fmin=
L1=0.11uH
3.2数字锁相环路部分
这一部分既是设计的重点也是设计的难点，我们利用锁相环路法来构成数字式频率合成器，应用锁相频率合成器芯片BU2614内部的数字逻辑电路把VCO频率一次或多次降频至鉴相器频率上，再与参考频率在鉴相电路中进行比较，所产生的误差信号用来控制VCO的频率，使之锁定在芯片内参考频率的稳定度上。
（1）BU2614及外围电路的分析
BU2614PLL频率合成芯片工作于FM波段，具有低发射的噪声，低能耗的特点，并内建有高灵敏度RF放大器，支持IF计数功能。
BU2614的应用为调谐器（小型元件，盒式收音机，收音设备等），特性为：
1）内建高速预置可分频130MHZ压控振荡器。
2）75KHZ参考晶振可保证低发射噪声。
3）低电流消耗，（操作时4MA，PLL关闭时100MA）。
4）提供以下7种步进频率25KHZ、12.5KHZ、6.25KHZ、3.125KHZ、5.3KHZ.
5）部频率测量计数器。
6）解锁检测。
7）三个输出口（漏极开路）
8）串行数据输入（CE、CLK、DA）
原理框图如图-3：
CXA1019S的本振频率和调谐频率大小由BU2614锁相频率合成芯片及外
图-3
围电路控制。
该方案的显著优点是频率稳定度高,当压控振荡器参数发生变化时，可自动跟踪捕捉，使频率重新稳定。
通过对可编程分频系数进行预置和步进，可以在好的环路性能下实现电台的程控搜索。
BU2614锁相频率合成芯片工作于FM波段，具有低噪声，低能耗的特点，并且内部带有高灵敏度RF放大器，支持IF计数功能。
电路如图-4所示：
图-4
BU2614的外围电路工作原理：
5脚接收单片机的串行数据，该数据为12脚反馈频率FMOSC提供分频系数N，内部标准频率由串行数据位中的R0，R1，R2的不同取值确定。
本设计选择R0为“1”R1为“1”，R2“1”，标准频率为25KHZ与频率FMOSC/N比较，在PD输出相位比较信号，根据PD输出端的不同状态，从低通滤波器得到相应的直流电压，该电压加在CXA1019S收音机回路的调谐和本振回路中的变容二极管上，使得调谐频率和本振频率的改变与天线BPF接出的载波信号谐振收到电台，实现电调谐功能。
而本振频率通过电容耦合反馈到BU2614中使得频率锁定。
（2）锁相环的组成及工作原理
此环路是一个相位的负反馈控制系统。
它是由鉴相器PD、环路滤波器（LF）、电压控制振荡器（VCO）和程序分频器（N）四个基本
部件组成。
如图-5所示：
图-5
当压控振荡器的频率f0由于某种原因而发生变化时，必然相应地产生相位变化。
这相位变化鉴相器中与参考晶体振荡器的稳定相位（对应于频率fr）相比较，使鉴相器输出一个与相位误差成比例的误差电压Vd（t），经过低通滤波器，取出其中缓慢变动的直流分量V0（t）。
V0（t）用来控制压控振荡器中的压控元件数值（变容二极管的电容量），而这压控元件又是VCO振荡回路的组成部分，结果压控元件电容量的变化将VCO的输出频率fv又拉回到稳定值上来。
这样，VCO的输出频率稳定度即由参考晶体振荡器所决定，这时环路处于锁定状态。
A、鉴相器PD
鉴相器是锁相环路中的关键部件。
它的形式很多，但在频率合成器中所采用的鉴相器主要有正弦波相位检波器与脉冲取样保持相位比较器两种，由于脉冲取样保持相位比较器输出波纹电压小，相位比较范围在360。
，因此在数字式锁相环路中常采用脉冲取样保持相位比较器做鉴相器，其作用是：
用来比较输入信号电压和输出信号电压的相位，产生与两信号之间相位差成比例的电压Vd（t）≈Kd（θv-θr）。
BU2614通过外接晶振产生75KHz的参考频率送至鉴相器，而反馈的VC（FM本振频率）经过分频器后也送至鉴相器进行比较产生一个与相位差成比例的电压送至LF环节。
B、环路滤波器
环路滤波器，即低通滤波器，常用的形式有：
RC滤波器、无源比例积分滤波器、有源比例积分滤波器。
其作用是：
用来滤除鉴相器输出电压中的无用组合频率分量及其它干扰分量，以保证环路所要求的性能，并提高环路的稳定性。
本设计采用RC滤波器（其电路如图-6所示）。
图-6
RC滤波器的输出经Q2放大后由VD端输出加至调谐回路和本振回路的变容二极管上。
环路滤波器的输出波形如图-7：
图-7
采用RC滤波器的优点是结构简单、性能稳定、调试方便。
根据题目要求为了保证搜索到所有电台，标准频率fr设定为25KHz，本振输出频率fo为98.7~118.7MHz，可采用分频方式，环路的可编程分频器的分频比N由下式计算可得：
N=fo/fr
BU2614分频比变化范围为：
平均分频比为：
VCO为本振压控振荡器，实际测得的VCO增益为：
BU2614内部鉴相器的增益为：
环路总增益为：
固有频率为：
阻尼系数为：
取典型设计：
可求得电路中R=10
，C=0.001
。
C、压控振荡器（VCO）
压控振荡器就是在振荡电路中采用压控元件作为频率控制器件，压控元件一般都是用变容二极管，它的电容量受到输入电压vc（t）的控制。
vc变化时，即引起振荡频率ωv变化。
在一定范围内，ωv与vc之间是线性关系。
在线性范围内，这一线性曲线可用下列方程表示：
ωv（t）=ω0+KVvc（t）
在本设计中通过低通滤波器输出的直流电压控制调谐和本振的变容二极管使得调谐频率和本振频率相应的变化。
变压二极管是一个PN结电容变化范围较大的晶体二极管，变容二极管工作时，两端加一个反向偏压VD；
VD变化其等效电容CD也随之变化。
UD增加时，CD减小；
UD减小时，CD增加，VD与CD的关系为
式中：
C0为偏压VD=0时的PN结电容；
为PN结接触电位差（硅管约0.7V，锗管约0.2—0.3V）；
VD为外加直流偏压，n为结电容变化指数，它决定于PN结的结构和杂质分布情况，对于突变结n=1/2,对于缓变结n=1/3;
对于超变结n=2或更高由式可知，在零偏压时，结电容按指数规律下降其特性如图-8：
图-8
在电路中如图调频信号发生器原理图中电感L1电容C组成了并联谐振回电路，图中加了隔直电容C5、C8，此外，C5、C8还起到高频振荡信号的耦合电容的作用，C5、C8取1000PF远远大于CD，也就是说不管变容二极管的反相偏压多么低，C5、C8>
CD永远成立。
变容二极管采取部分接入法，这种接法线性度很好。
实际应用中，压控振荡特性的线性范围是有限的，超出这个范围之后，控制灵敏度将会下降。
在实际应用中我们常取线性，在本电路中考滤实际使用故Uc取2.6v-9.8v段。
D、程分频器（N）
本设计利用集成芯片BU2614内部的移位寄存器构成分频器，其分频系数N由单片机程序来决定，最后通过单片机与BU2614通讯来实现。
BU2614有三个串行通信端口（CE、CK、DATA），这三个端口与单片机的通讯时序和数据传送格式如图-9：
图-9
其中R0、R1、R2位为标准频率位，本设计选择为000即25KHZ；
S位为FMIN和AMIN选择开关，0表示FM输入，1表示AM输入，本设计为FM，故S位为0；
其余位在BU2614作为频率合成时无关，皆选为0；
对于前十六个数据位（D0~D15）其传送格式为：
分频数N：
从D0到D15（当S=1时，用D4到D15位）
本设计选择为S=0，PS=0的格式。
本设计中对锁相环电路而言，其核心元件是BU2614锁相频率合成芯片。
它与外围调谐回路和本振回路构成完整的锁相频率合成电路。
它是通过单片机为它预置的分频比来调节本振频率的。
如果压控振荡器的角频率发生变化，这时输入到鉴相器的电压和输出电压必定会产生相应的相位变化，鉴相器将输出一个与相位误差成比例的误差电压经过环路滤波器取出其中缓慢变化的直流电压，控制压控振荡器输出信号的频率，使锁相环输入与输出信号之间的相位差减小，直到压控振荡器输出信号的频率等于输入信号频率、相位差等于常数，锁相环路进入锁定状态为止。
从而完成了收音机接收调谐稳频功能。
3.3显示电路
该部分设计采用了MAX7219串行显示控制芯片，代替常规的非门驱动芯片，如74LS00，大大的简化了显示电路，实现了以最少器件、最小功耗、在最短时间内提高电路的稳定性的要求。
MAX7219是串行接口8位数字静态显示芯片，功能齐全，占用系统资源少，只使图-10
用了AT89C52的P3.3、P3.4、P3.5三个口。
电路如图-10所示。
3.4键盘电路
对于功能键的设计，我们采用了查询的方式，即将单片机89C52的P1.2~P1.7口用作功能键接口，将单片机的P0、P2口都作为I/O口使用，采用P0.6，P0.7与P2.0~P2.4构成10个编码动态扫描矩阵键，这10个键既作为数字键0~9，又作为10个存储电台的台号。
另外，还利用P0.0~P0.5六个口接六个发光二极管作为六个功能键的工作状态指示。
其具体的电路如图-11所示。
图-11
3.5掉电数据存储电路
由于串行EEPROM93C46具有在线擦写功能，因此本设计用它来存储电台数据，使重新开机时所有存储的电台能被调出。
93C46是64*16（1024）位串行存取的电擦除可编程只读存储器，具有在线改写数据和自动擦除功能；
无论电源开或关，数据不丢失；
其与单片机的连接如图10，主要通过端口CS、SK、DI和DE来进行通信完成。
其中CS为片选线，输入高电平有图-12
效。
当CS=1时，可对芯片读写。
加于CS端信号的下降沿启动片内定时电路开始擦写操作。
SK为串行数据输入或输出的外加触发时钟信号输入，输入时钟频率为0~250KHZ。
DI为串行数据输入端。
DE为串行数据输出端，读写操作时，OUT可用作擦写状态指示相当于READY/BUSY信号，其它状态时OUT处于高阻态。
BPE接高电平时片擦片写指令有效。
3.6程序运行监视电路
程序运行监视系统又称为看门狗电路（WATCHDOG），其主要作用就是用来防止程序弹飞到一个临时构成的死循环中。
WATCHDOG的特性有：
（1）本身能独立工作，基本上不依赖CPU。
（2）CPU在一个固定的时间间隔中和该系统打一次交道，以表明系统“目前尚正常”。
（3）当CPU掉入死循环后，能及时发觉并使系统复位。
本设计采用记数型WATCHDOG电路，其电路图如图-13。
WATCHDOG的硬件部分为一独立于CPU之外的单稳部件，使用自带脉冲源的计数器构成。
将555接成一个多谐振荡器，周期为t0,将CD4017接成十进制计数器，当第十个脉冲是QA端变为高电平。
单片机用一条输出端口（P3.6）输出清零脉冲，只要每次清零脉图-13
冲的时间间隔短于十个脉冲周期，计数器就总也得不到十，QA端保持低电平。
当CPU受干扰而掉入死循环时，就不能送出复位脉冲了，计数器很快记数到十，QA立即变为高电平，输出一个正脉冲使CPU复位。
在这里系统的复位信号有三个：
上电复位（C1、R1），人工复位（K、R2、R1）和WATCHDOG复位（P3.6），通过综合门后加到RESET端。
3.7电源部分
选用了Linear公司的DC–DC专用芯片LT1930，并对典型电加以改进，使之能够输出+12V。
电路见图-14。
图-14
3.8单片机部分
单片机系统是收音机的核心控制部分，其任务是从键盘读取控制指令，输出相应的串行数据控制频率合成器的分频比，进而通过锁相环对调谐回路和本振回路的频率进行调整和控制，实现程控搜索、电台存储、调出电台序号、显示载频以及显示收音机的状态信息。
其框图如图-15所示：
对于电台的存储，一般采用静态存储器RAM来存储信息，但是RAM在断电后会丢失数据，为此我们采用具有在线读写、断电保存功能的93C46芯片来完成存储功能。
由于该收音机的接收频率为88MHz~108MHz图-15
之间，以25KHz为步长，共需测量800个频点，考虑到本地区实际情况，本系统的存储台数设置为10个。
第四章软件系统
4.1主程序
本设计功能键采用查询方式，数字键采用动态扫描方式。
在收音机开机后，首先把上次关机时的电台调出来，并把上次关机前的各个台号存储的电台频率数据还原。
然后开始动态扫描各个数字键，判断是否直接调用已存好的电台。
如果有数字键按下，则调用已存在该键下的电台，并显示该电台频率。
如果没有数字键按下则转入判断功能键。
当有功能键按下时，则执行相应的功能。
若没有功能键按下，则存储当前电台数据后再返回继续进行循环扫描。
主程序流程图如图-16所示
4.2功能键查询程序
根据设计要求，安排了六个功能键：
全频搜索键、继续搜索键、指定频率范围搜索键、向上步进键、向下步进和存储键。
当程序执行到功能键查询时，如果有键按下则转入各个功能键。
全频搜索执行后，收音机将从88MHZ开始以25KHZ为步进向上搜索，如果没有锁台信号，则收音机将一直搜索到108MHZ才跳出。
当有锁台信号时，将停留在该台上。
继续搜索程序是从当前频率开始以，向上开始搜索，如果没有锁台信号，则收音机将一直搜索到108MHZ才跳出。
指定频率范围搜索程序是当按下该键后，数码管自动显示“LP”提示输入频率范围的最小值，输完数值后，按下确定键，此时将显示“HP”提示输入频率范围的最大值，输完数值后，按下确定键，则自动地从输
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