课程设计无线调频话筒设计.docx

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课程设计无线调频话筒设计

课程设计任务书

题目:

无线调频话筒设计

初始条件：

具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

根据要求设计一个无线调频话筒。

主要技术指标：

中心频率：

f=88MHz~108MHz

时间安排：

1、理论讲解，老师布置课程设计题目，学生根据选题开始查找资料；

2、课程设计时间为1周。

（1）确定技术方案、电路，并进行分析计算，时间1天；

（2）选择元器件、安装与调试，或仿真设计与分析，时间2天；

（3）总结结果，写出课程设计报告，时间2天。

指导教师签名：

2010年12月1日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要

对于整个录音音响系统中，第一个重要环节是话筒。

话筒的重要性是人们时常谈论的话题。

话筒的争论往往是最激烈而革命性的，从电子管到晶体管、从动圈到电容、从微型话筒到金话筒，还有值得珍藏的纪念版话筒等。

话筒又分为有线话筒和无线话筒。

调频无线话筒系统简单、成本低廉，但是采用传统制作方式做出的话筒音质不好且功能单一。

市面上无线话筒产品的种类很多,高档的价格比较昂贵,低档的性能不太稳定。

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。

整个电路使用altiumdesigner软件设计，并最终做成一块8cm*4cm（width*height）PCB（印刷电路板），使用普通调频收音机在100M频率左右，话筒中心20米范围内能正常接收。

该设计具有电压低，受话灵敏，制作简易等特点，可应用于教学，无线广播，报警器，助听器，及各类声控设备中。

关键词调频三点式震荡电路载波印制电路板

Abstract

TheprincipleoffrequencyadjustmentwirelessradiomicrophoneisthatthesignalchangessoundwaveintoVFelectricsignalbythemicrophone,thewaveexportingfrequency,producingfrequencyadjustmentbychangingaHFoscillator'scomingchangingthejunctioncapacity,passeshigh-frequencyamplificationandchoosesfrequency,ultimatereasonairwireradiation.Theentirecircuitisdesignedbyusingaltiumdesignersoftware,makesupintoapieceof14cm*7cm（width×high）PCB（printingcircuitboardultimately）,usetheaveragefrequencyadjustmentradiotobeabletoadmitregularlyin100Mfrequencyretinue,20metersofmicrophonecentrerangeinner.Itsmakingprocessisnotdifficultandhavinganelectricitybeinglowered,foritscharacteristic,itcaneasilytoappliedintoteaching,wirelessbroadcasting,alarmequipments,deaf-aid,andofallkindssoundcontrolequipments.

KeywordFrequencyadjustment,trikini,oscillatingcircuit,carrierwave,printingcircuitboard.

目录

摘要2

Abstract3

1方案设计与论证5

1.1设计方案分析5

1.2方案比较论证5

1.2.1方案一5

1.2.2方案二6

1.2.3方案三6

1.3方案论证综述7

2单元电路设计8

2.1音频收集模块8

2.2音频放大模块8

2.3载波振荡模块9

2.4直接调制模块10

2.5电源及控制模块10

2.6元件参数的确定11

2.6.1计算制作电感11

2.5.2三极管的选择11

2.5.3其他元件的选择12

3总原理图及工作原理13

3.1电路原理框图13

3.2原理图13

3.3工作原理13

4实物制作15

4.1电路PCB及制作15

4.2电路调试调试16

6课设总结20

6.1问题总结及改进措施20

6.2结论与心得20

参考文献22

1方案设计与论证

1.1设计方案分析

在设计中，能够实现：

电压3.0V，整机工作电流30-50mA；

输出频率88-108MHz左右，可以使用普通调频收音机接收；

使用少量元件，三极管放大；

接通电源的时候用小功率LED灯给出指示。

1.2方案比较论证

1.2.1方案一

图1.1方案一原理图

如方案原理图一所示，此电路由晶体管VT1和VT2、电阻R2、电感L、电容C2和C3等组成，其功能是产生高频载波并进行调制发射。

L与C2构成LC谐振回路，该回路具有选频作用，两个晶体管VT1、VT2的集电极与基极互相交叉连接，并与L、C2选频回路组成高频振荡器。

经C1耦合过来的音频信号加在VT1集电极（也就是VT2基极），对高频振荡信号进行频率调制，调制后的调频信号经C3耦合至天线辐射出去。

发射频率取决于LC谐振回路谐振频率，调节L或C2的大小即可改变发射频率。

此方案电路比较简单，在电路搭接的过程中发现他的抗干扰能力差，特别是有人靠近的时候，漂频现象比较严重。

1.2.2方案二

图1.2方案二原理图

如图所示C9是电源旁路电容。

R3是MIC的偏置提供话筒的静态工作点。

R2与MIC构成了拾音回路。

C3、C4起声音信号的耦合作用。

R5、D1、D2组成限幅电路，防止话筒在近距离时输入信号过大而失真严重。

R1、R2、R6用于提供Q1的静态工作点。

C1、C8、C5、C9、L1、Q1构成振荡、放大。

C2将信号耦合到天线。

天线则将已经过调制的声音信号发射出，本电路由3V供电，用两只1.5V的电池即可。

在对方案一论证修改的过程中发现，当驻极体话筒易懂后就变成了方案二，实际上方案三在模拟的过程中已经能得到非常好的调频波了。

1.2.3方案三

图1.3方案三原理图

高频三极管C9018和电容C4、C2、C5组成一个电容三点式的振荡器，三极管集电极的负载C5、L1组成一个谐振器，谐振频率就是调频话筒的发射频率，根据图中元件的参数发射频率可以在88～108MHz之间，正好覆盖调频收音机的接收频率，通过调整L的数值（拉伸或者压缩线圈L）可以方便地改变发射频率，避开调频电台。

发射信号通过C4耦合到天线上再发射出去。

R2是三极管的基极偏置电阻，给三极管提供一定的基极电流，使它工作在放大区，R1是直流反馈电阻，起到稳定三极管工作点的作用。

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。

驻极体话筒可以采集外界的声音信号，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，R2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C6耦合后送到三极管的基极。

电路中K是一个开关，开关可以控制电路的接入与断开，降低耗电、延长电池的寿命。

1.3方案论证综述

在电路原理上：

上述几个方案无一例外地采用了超高频三极管进行放大，使用LC震荡，直接调制。

在电路复杂程度上

以上几个电路中电路元件都不超过20，但是真正易于焊接实现的、最方便的电路是方案二。

在电路功能上

方案二增加了电路工作LED指示灯，让使用起来更加方便。

综上所述，方案二是最终方案。

2单元电路设计

2.1音频收集模块

一个无线话筒，则音频信号的收集是必不可少的。

本电路中考虑到需要做一个小巧的无线话筒，因而直接采用的是驻极体小话筒MIC，它灵敏度极高。

据介绍，甚至手表的嘀嗒的声音也可以被它收集到。

话筒采集到的交流声音信号通过C3耦合和R2匹配后送到三极管的基极。

另外，驻极体话筒内实际藏有一枚FET，可视之为一级，FET将话筒前振膜之电容变化放大，这就是驻极体话筒很灵敏的原因。

图2.1音频收集模块

2.2音频放大模块

这个模块是对所收集到的音频信号进行无失真地放大，为下面的调制做准备。

因为在自然环境中，由于诸多因素，所收集到的声音（即音频信号）都经过了很多的干扰，因此其所携带的能量都是很微弱的，为了使其能够正常的进入调制模块来与本振进行调制，需要将其音频信号来进行适当的放大来达到相关匹配。

另一方面，这个无线话筒也是一个调频发射机，发出的信号又要经过大自然的无数干扰才会得到接收，若原始信号的能量就不够强烈，那么接收端的信号就无从谈起了。

所以只有对其原始的音频信号进行充分放大，达到相应要求之后，再发射出去。

接收端才能够正常进行解调恢复原始的音频信号。

这里的音频放大模块采取的是基本的三极管甲类的放大。

R2=27kΩ是三极管的基极偏置电阻，给三极管提供电流，使其三极管始终工作在甲类无失真的放大状态，达到最好的放大效果。

R6=10OΩ是直流反馈电阻，是稳定三极管的工作状态。

图2.2音频放大模块

2.3载波振荡模块

一个调频信号发射机，载波振荡（即俗称本振）模块更是必不可少的。

根据电磁场理论可以知道，通过天线发射的信号需要与天线匹配，即天线的长度要大于信号波长的四分之一。

而音频信号的频带是20Hz至20kHz，对应的波长范围是15至15000km。

制造出巨大的天线是不合适的，所以我们需要一个高频载波来将我们的音频信息“装载”上去，再进行发送。

基于这样的理论基础，我设计的是高频三极管与C2、C3、C5所构成的一个电容三点式振荡器。

通过调整L的数值（拉伸或者压缩线圈L）可以方便地改变发射频率

图2.3音频放大模块

2.4直接调制模块

将已经放大的音频相关信号和载波振荡产生的高频载波信号进行叠加，发射信号通过C4耦合到天线上再发射出去。

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。

图2.4直接调频模块

2.5电源及控制模块

电源选用两节干电池，为了在不使用的时候节省电能，使用了一个开关，为了在打开开关的时候让使用者知道电路已经接通使用红色LED指示灯指示。

图2.5电源模块

2.6元件参数的确定

2.6.1计算制作电感

元件参数的选择最主要是LC选频网络的选择。

选择发射频率为100MHz，选择一个标称值30p的瓷片电容，由公式

计算得出L=0.08452uH.

最后绕制了一个骨架直径3mm，漆包线直径0.8mm，6圈的线圈。

2.5.2三极管的选择

由于发射频率是100Mhz左右，因此选用超高频小功率三极管C9018,

C9018结构：

NPN

集电极-发射极电压15V

集电极-基电压30V

射极-基极电压5V

集电极电流0.05A

耗散功率0.4W

结温150℃

特怔频率平均620MHZ

2.5.3其他元件的选择

普通驻极体话筒输出阻抗为2KΩ,音频信号范围在20-20000Hz范围内，人声音频率范围在300-1000Hz。

容抗公式：

Zc=1/（2πfc），那么电容范围在0.265uF-0.079uf,因此C1选择0.1Uf，即瓷片电容104。

电源电压为两节普通干电池，E=3V。

3总原理图及工作原理

3.1电路原理框图

图3.1无线话筒原理框图

无线话筒相当于一个无线调频发射机。

它主要包括音频收集，音频放大，载波振荡，调制电路，还有天线发射几部分。

3.2原理图

图3.2无线话筒原理框图

3.3工作原理

上面的就是调频无线话筒的电路图。

高频三极管C9018和电容C4、C2、C5组成一个电容三点式的振荡器，三极管集电极的负载C5、L1组成一个谐振器，谐振频率就是调频话筒的发射频率，根据图中元件的参数发射频率可以在88～108MHz之间，正好覆盖调频收音机的接收频率，通过调整L的数值（拉伸或者压缩线圈L）可以方便地改变发射频率，避开调频电台。

发射信号通过C4耦合到天线上再发射出去。

R2是三极管的基极偏置电阻，给三极管提供一定的基极电流，使它工作在放大区，R1是直流反馈电阻，起到稳定三极管工作点的作用。

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。

驻极体话筒可以采集外界的声音信号，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，R2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C6耦合后送到三极管的基极。

电路中K是一个开关，开关可以控制电路的接入与断开，降低耗电、延长电池的寿命。

电路还提供了一个电路工作LED指示灯。

4实物制作

4.1电路PCB及制作

此次设计的实物用到的元件比较少，使用的是覆铜板进行腐蚀，焊接之前设计了一套元件插接方案，所以焊接的时候直接按照图示搭接方案直接焊接所以很顺利完成。

图4.1PCB板设计

4.2电路调试调试

把FM收音机的电源和音量打开，将频率调在100MHz左右无电台的地方。

给无线话筒电路板通上电源，对准收音机，用无感螺丝刀调节振荡线圈L1的稀疏（线圈匝间距离），直到收音机传出尖叫声。

再慢慢移开话筒和收音机距离，同时适当调节收音机（或者话筒板）的音量、调谐旋钮，直到声音最清晰、距离又最远为止。

对于实物的制作效果，如下图4.2、4.3、4.4、4.5所示：

图4.2实物正面图

图4.3实物反面图

图4.3实物工作状态图

图4.4实物背面印制效果图

实验效果及分析

根据调试发现在109.3MHz的时候效果最好，发射距离在无障碍物时达到10m。

采用电容三点式，简单可靠，起振容易。

但一级放大电路虽然达到我们的设计目标，但是抗干扰等功能仍然有印象，毕竟这是用较少的一些分立元件组成的一个高频电路。

我们将R1偏置电阻的阻值减小使其对接收灵敏度提高，经测试，达到15.20m的声音信号仍能正常接收（温度：

20.0），而且这是在有很多电磁干扰的环境下进行的测试，测试效果良好。

天线输出距离选频回路较远，由于板子已经焊好，我们使用面包板进行测试，发现天线距离选频回路越近时，收音机的接收效果越好。

经测试还发现，将电源等有源元件与其他元件分开距离较大摆放时，接受的效果较好，频率较稳定，抗干扰能力提高近20%，频率抖动不大。

为此我们选择了将天线与电源分在两边摆放。

同时，还有示波器观察了集电极的波形图，如下所示：

6课设总结

6.1问题总结及改进措施

由于电路比较简单，电感线圈为手动绕制，抗干扰能力有限，在用收碰触电路的时候跑频很严重，这主要是在有导体接近线圈的时候线圈的感抗容易变化。

电路的发射距离比较近。

对于电路抗容易受干扰的问题，用了一个金属壳将电感线圈罩住，电路抗干扰的能力明显增强，后来给电路选用了一个塑料壳，制成了一个真正意义上的无线发射器，向对讲机一样拿着可以说话不再出现频率变动情况，问题得到解决。

对于电路发射距离近的问题采用了适当增加瓷片电容器C2的阻值和适当选取电路中电阻阻值的方法的烧少许改善。

在这套方案中首先是发射功率需要改进由于受到三极管的限制，此无线发射器的发射功率（反映在发射距离上）有限，可以改用发射功率大的三极管增加发射功率使发射距离大大增加，可以使用的三极管有2N3866、C2053、C1970，8050。

其次是电路板

此次实验使用的是腐蚀板，不过腐蚀效果不是很好，没有把握好腐蚀的程度，以至于腐蚀的过厉害而使电路出现了断路的现象

6.2结论与心得

每一个电子制作的经历，都是从开始时的不断失败到逐渐得心应手，到最后的设计制作成功，其中的滋味是没有制作经历的人所无法领会的。

通过这次实践，通过组装、调试电路，我的理论知识得到了进一步的加强。

制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，在电脑上调试考验了我们的操作水平，而焊功更考验了我们的动手能力。

焊盘很小，焊时可能会出现虚焊甚至可能造成焊盘铜片脱落的后果。

焊功不好还有可能影响整个电路的稳定性，可能造成中心频率不稳定，部分技术指标难以达标。

生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。

劳动是人类生存生活永恒不变的话题。

通过这次课程设计，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，才真正意识到我们只有通过勤奋的努力，才能够真正体会到科技带给人类的幸福。

在整个电路课程设计过程中，我们不断地在遇到问题和解决问题之中盘旋。

例如在硬件制作，电路板的焊接上慢慢元件连接起来的时候，手里握着电焊铁，直冒青烟，心理还是很紧张的，但是看着自己的元件一个个连接了起来，自己的心里面像吃了蜜一样的甜。

终于就这样，像爱迪生发明电灯泡的时候一样，历经千万次的猜想与实验，终于使得这个问题得到了圆满的解决。

成功的我高兴地无以复加，只是感觉到劳动最光荣，劳动人民最高尚。

历时这几个星期的课程设计即将在这次的答辩中画上圆满的句号。

回头看看，不禁感慨众多，没有想到我们的科学家，哪怕是我们身边的老师，原来也是如此这般的努力才能够换来今天的幸福生活；离不开你们这些辛勤的工作者，我们的身边这一切才能够如此快捷方便；没有了这一切，我不敢想象社会会如何发展，难道是倒退到那种封建社会，还是奴隶时代。

通过了这次高频电子电路课程设计，我才了解到我们所学的只是原来是如此地贴近我们，其实他们就在我们身边，就在我们身边或大或小的地方，甚至是我们不能发现的地方，而并不是我原先所想象的那样遥不可及，总是好像在那种大房子里面的大机器才会用到这些东西，感觉那些是科学家做的事情，对于我们来说是天方夜谭。

而如今，我才知道了这一切。

我才会，并有这样的动力将我所学的知识来赋予实践。

参考文献

[1]李瀚荪.电路分析基础.北京:

高等教育出版社,1992.5.第三版

[2]谢自美.电子线路设计实验测试.武汉：

华中科技大学出版社，2000.7.第二版

[3]李银花.电子线路设计指导.北京：

航空航天大学出版社，2005.6.第一版

[4]朱力恒.电子技术仿真实验教程.北京：

电子工业出版社，2003.7.第一版

[5]康华光.电子技术基础.北京:

高等教育出版社,2000.6.第四版

[6]王志纲.现代电子线路（下册）.北京：

清华大学出版社，2003.4.第一版

[7]张肃文.高频电子线路.北京:

高等教育出版社,1993.4.第三版

[8]全国大学生电子设计大赛获奖作品精选.北京:

北京理工大学出版社

[9]铃木宪次.高频电路设计与制作.北京：

科学技术出版社，2005.4.第一版