调频无线话筒.docx
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调频无线话筒
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：
2015.11.30－2015.12.11
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1
4.1方案选择1
4.2工作原理2
五、各单元电路设计4
5.1驻极体话筒各项性能4
5.2本地振荡电路4
5.3音频放大器5
5.4倍频缓冲电路6
5.5倍频放大7
六、仿真与分析9
6.1Multisim介绍9
6.2音频放大仿真11
6.3调制仿真波形13
6.4本地振荡器仿真13
6.5倍频放大仿真14
6.6仿真注意事项15
七、心得体会16
八、参考文献17
附录一（电路原理图）18
附录二（仿真电路图）19
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
1、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75Ω；
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。
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，话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。
5、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0.1～1mA。
（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0.5～10mV/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100Hz～10kHz，质量较好的话筒为40Hz～15kHz，优质话筒可达20Hz～20kHz。
（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3kΩ。
（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稳定度一般要求在10^-4和10^-5之间，而克拉泼电路的频稳度大体在10^-4和10^-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——如实、有效且失真低。
音频范围为约20Hz～20kHz，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β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β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5.2音频放大器电路原理图
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。
一般主振频率不宜超过5MHz。
因此，发射频率高于5MHz的发射机，一般宜采用倍频器。
在采用石英晶体稳频时，振荡频率越高，石英晶体越薄，越易震碎。
一般来说，最薄的石英晶体的固有振荡频率限制在20MHz以下。
超过这一频率，就宜在石英振荡器后面采用倍频器。
如果中间级既可以工作在放大状态，也可以工作于倍频状态，那么就可以在不扩展主振波段的的情况下，扩展发射机的波段。
这对稳频是有利的，因为振荡波段越窄，频率稳定度就越高。
倍频器的输入与输出不同，因而减弱了寄生耦合，使发射机的工作稳定性提高。
如果是高频或调相发射机，则可采用倍频器来加大频移或相移，亦即加深调制度。
在超高频段难以获得足够的功率，可采用参量倍频器将频率较低、功率较大的信号转变为频率较高、功率亦较大的输出信号。
5.5倍频放大
倍频器利用三极管的非线性，搭建放大电路之后，滤波取谐波，如果集电极回路不是调谐于基波，而是调谐于n次谐波上（n为正整数），那么输出谐振回路对基波和其他谐波的阻抗很小，仅对n次谐波的阻抗达到最大值，且呈电阻性。
于是输出谐振回路仅有的n次谐波分量产生的高频电压，而其他频率分量产生的电压均可忽略，因而在谐振阻抗上课得到频率为输入信号频率n倍的输出信号功率。
这种将输入信号频率倍增n倍的电路成为倍频器，它刚放应用于无线电发射机等电子设备中。
首先，在由流通的时间内，倍频器的集电极瞬时电压上升速度比较快，故倍频器的集电极消耗功率比正常工作于基波状态时大得多，即集电极效率较低，且倍频次数n值越高，损耗就越大，效率就越低。
集电极电流脉冲中包含的谐波分量幅度总是随着谐波次数n的增大而迅速见效。
因而倍频次数过高三极管倍频器的输出功率和效率就会过低。
其次，倍频器的输出谐振回路需要滤除高于n和低于n的各次分量。
一般低于n的分量的（包括n=1的基波分量）幅度比游泳分量大，要将他们滤除较为困难，显然，倍频次数过高，倍频器对输出谐振回路提出的滤波要求救过过于苛刻而难以实现。
倍频网络中的集电极回路不是调谐于基波，而是调谐于二次谐波上，输出谐振回路对基波和其他谐波阻抗很小，仅对二次谐波的阻抗达到最大值，呈电性。
输出谐振回路仅有电流的二次谐波分量产生的频电压，在谐振阻抗上可得到频率为输入信号频率二倍的输出信号
图5.4锁相环频率调制电路原理图
表5.1元件清单
元件名称
大小
数量
NPN三极管（2N2222A）
4
电阻
1k~50k不等
20
瓷片电容
22pF
20
电感
0.531uH
5
CD4060
1
MC1496
1
变压器
1
直流电源
12V
2
六、仿真与分析
6.1Multisim介绍
Multisim是Interctive Image Technologies公司推出的一个专门用于电子电路仿真和设计的软件，目前在电路分析、仿真与设计等应用中较为广泛。
该软件以图形界面为主，采用菜单栏、工具栏和热键相结合的方式，具有一般Windows应用软件的界面风格，用户可以根据自己的习惯和熟练程度自如使用。
尤其是多种可放置到设计电路中的虚拟仪表，使电路的仿真分析操作更符合工程技术人员的工作习惯。
下面主要针对Multisim11.0软件中基本的仿真与分析方法做简单介绍。
EDA就是“Electronic Design Automation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。
发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。
一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。
EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。
功能：
1．直观的图形界面
整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的；
2.丰富的元器件
提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。
3.强大的仿真能力
以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic
workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。
包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。
4.丰富的测试仪器
这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。
除了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabVIEW的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器。
5.完备的分析手段
它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。
集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能；
6.独特的射频（RF）模块
提供基本射频电路的设计、分析和仿真。
射频模块由RF-specifi（射频特殊元件，包括自定义的RF SPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两个RF-specific仪器（Spectrum Analyzer频谱分析仪和Network Analyzer网络分析仪）、一些RF-specific分（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成；
7.强大的MCU模块
支持4种类型的单片机芯片,支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码； 包含设置断点、编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。
学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。
并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。
极大地提高了学员的学习热情和积极性。
真正的做到了变被动学习为主动学习。
这些在教学活动中已经得到了很好的体现。
还有很重要的一点就是：
计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。
6.2Multisim的特点：
1．通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为
2．借助高级电路分析，理解基本设计特征
3．通过一个工具链，无缝地集成电路设计和虚拟测试
4．通过改进、整合设计流程，减少建模错误并缩短上市时间
5．Multisim是一个电路原理设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。
其元器件库提供数千种电路元器件供仿真选用，同时也可以新建或扩充没有的元器件库，并且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的产品使用手册中查到，所以Multisim很容易用到工程中去。
Multisim的虚拟测试仪器表种类齐全，把所有的元件分成13类库再加上放置分层模块、总线、登录网站等共同组成元件的工具栏。
有一般实验室用的通用仪器，如万用表、信号发生器、示波器、直流电源；还有实验室很少有或没有的仪器，如波特图示仪、数字信号发生器、逻辑转换器、失
6.2音频放大仿真
图6.2音频仿真电路图
图6.2音频放大器仿真波形
6.3调制仿真
图6.3调制仿真波形
6.4本地振荡器仿真
图6.4振荡仿真电路图
图6.4振荡电路仿真波形
6.5倍频放大仿真
图6.5倍频器电路仿真波形
6.6仿真注意事项
1.注意不要混用非电气库的线和电气库线。
这个原则在Matlab6.5中尤要注意，否则一些电压测量模块，电流测量模块可能会出错。
显示数据类型不匹配Data type mismatch错误。
在Matlab7.0以上的版本中，simlink做了这方面的区分，不同连接线是无法连接在一起的。
2.SimPowerSystem工具箱和Simulink工具箱不是随便可以相连的。
SimPowerSystem工具箱中有些模块是不能直接连接Simulink信号的。
例如电机模型中，电压输入是需要电压源模块的（Power systems Blockset模块），而转矩可以输入simulink信号。
如果实在想给电压端口输入simulink信号，需要给其先加一个受控电压源，用simulink信号控制受控信号。
还有比如受控电流源模块等，都可以实现SimPowerSystem工具箱与Simulink工具箱的连接。
3.注意选择适当的仿真算法。
Matlab/Simulink中提供了一系列的仿真算法,比如discrete, ode algorithm including ode45, ode23, ode11s等等。
一个适当算法的选择，可以有效的缩短仿真时间和提供仿真的精度。
当然具体的算法选择，可以参照相关的书籍讲解。
4.参数的正确设置是确保模型仿真正确的前提和必要条件。
参数的不匹配可能完全导致一些错误的仿真结果。
举个简单的例子：
我们要得到电阻元件，可以使用SimPowerSystem工具箱中Series RLC Branch模块或者Parallel RLC Branch模块，对于前者，我们必须设置电感为0，电容为inf, 后者，要求设置为电感为inf,电容为0。
所以正确的参数设置是仿真的重要前提。
7、心得体会
本次射频通信电路课程设计，是利用Multisim仿真软件设计了一个简易调频无线话筒。
整个无线调频话筒由语音收集、音频放大、本地振荡、倍频缓冲放大以及频率调制5部分组成。
在本次两周的课程设计中，我首先对题目进行的很深入的研究，查找相关书籍，使更加多的去了解这个课程设计所要求的内容，然后再去完成。
我第一天查阅课本以及网上资料，知道了调频无线话筒由哪些部分组成，然后在查阅每个部分的电路组成以及原理，然后进行Multisim仿真，等把每个部分的电路原理弄清楚以及把仿真波形都调出来之后再进行全部总结，最后在撰写报告内容。
在设计各个环节中都遇到了很多问题：
首先，参数的选定很难，课堂上基本上是分析电路的原理功能和计算电路的性能指标，很少亲自选定器件的参数，从资料或网上得到的数据很多都有问题；必须经过修正和调试才能确定出器件的参数，只有正确的参数，才能够设计出我们所想要的输出结果，参数的正确性可以说决定着设计成功关键。
其次，有些时候理论上符合要求的电路，仿真后却得不到相应的结果，比如音频放大级与倍频缓冲级连接调节时缓冲级输出电压明显减小并且波形失真严重，开始的时候音频放大级甚至起振不起来，还有就是调幅失真，问题更加复杂。
当然也正是由于问题的出现，我才学到了更多的知识，以及设计的技巧，对Multisim软件的应用也更加熟练了。
在此感谢我们的杨佳老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。
而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。
八、参考文献
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[2].方维，高荔主编《电路与电子学基础》科学出版社2004
[3].周南生，张文敏编《晶体管电路设计》科学出版社2004
[4].李祥臣，卢留生编《模拟电子技术教程》北京清华大学出版社 2005
[5].康华光，陈大钦编《电子技术基础--模拟部分》华中理工大学出版社2004
[6].李永平，董欣，刘媛编《电路设计与实现》国防工业出版社2005
[7].方厚辉，
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