1、 1 数字式调频收音机设计 内容摘要 ：本文利用数字锁相频率合成技术构成收音机的电调谐部分，完成收音机的调台、选台、搜索与存储等功能。本文着重介绍了 SONY 公司生产的收音机集成芯片 CXA1019S 构成的 FM 调频电路、频率合成器芯片 BU2614 构成的锁相环电路和 MCS-51 系列单片机及其外围电路组成的键盘、显示和存储电路。 关键词 ：调频 本振频率 锁相环 频率合成器 单片机 The Design of Digital Frequency Modulation Tuner Abstract: According to the demand of my design, I ut
2、ilized the digital frequency synthesizing technology to form the electric parts of the frequency modulation tuner. This tuner owns the functions of tuning and selecting channels, searching, storing and so on. In my paper, I emphasized on the FM frequency tuning circuit that consists of the ICs CXA10
3、19S from Sony corp., the phase locking loop circuit formed by BU2614 PLL frequency synthesizer, MCS51 monolithic processor and the other circuits of keyboards, screen and storage. Keyword: Frequency tuning, oscillating frequency by itself, phase locking loop, frequency synthesizer, monolithic proces
4、sor. 第一章 引 言 2 收音机的发展经历了从分立元件到集成化的过程，但作为收音机的重要组成部分调谐电路和本振电路一直采用了传统的电容、电感手动调台方式。近些年来，随着无线电通信技术的迅 速发展，锁相环和频率合成技术在各个领域得到了广泛的应用。由于锁相环具有跟踪特性、窄带滤波特性和琐定状态无剩余频差存在。因此在频率合成技术中采用锁相环路可以产生频率度和准确度很高的振荡信号源。现在利用这种振荡信号源产生的频率作为收音机电路的调谐频率和本振频率，则可以实现数字化收音。利用单片机控制锁相环路中的分频数就可以改变振荡信号源的输出频率，以达到调台的目的。本设计的要求主要包括以下几个方面： 1 接收
5、FM 信号频率范围 88MHZ108MHZ。 2 调制信号频率范围 100HZ15000HZ，最大频偏 75KHZ。 3 最大不失真输出功率 100mW（负载阻抗 8 ）。 4 接收机灵敏度 1mW。 5 镜像抑制性能优于 20Db。 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
6、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： 3 高频调谐放大器选频回路1 0 . 7 M 陶瓷滤波器混频器 限幅放大器
7、 解调C X A 1 0 1 9 S音频放大器调谐电平指示本振 V CO调谐 V CO低通滤波器频率合成器BU 2 6 1 4看门狗电路A T 8 9 C5 2键盘主控制器串行存储器9 3 C4 6显示图 -12.2 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
8、相频率合成单元 FM 调频收音机的接收频率范围是88M108MHZ,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
9、灵敏度 RF 放大器，支持 IF 计数功能。 4 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。
10、 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 EEPROM 93C46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
11、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
12、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5 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： 15FM/AMOUT14FEGND13FMRF IN12NC10FMRF9REGOUT8FMOSC7AFC6AMOSC5VOL11AMRF4NF3DISCR12GND1GND16BAND17AMIFIN18FMIFIN19NC20METER21IFGND22AFC/AGC24DETOU
13、T23AFC/AGC25AF IN26RIPPLE27VCC28AF OUT29GND30GNDC XA 1 0 1 9 SR615010 .7 M H Z10 .7 M H ZR1330C30.01uFR22.2K E710uFE64.7ufE510uFE40.47uFE310ufE2470uFC 100.1uFC10.1uFC20.22uF+ 5VE110uFL S ?S P E A K E RE94.7uFR510KR V 150KC93pFVD2C81000pFC715pFC40.01uFE810uFC63pFC A P V A RL2L1C51000pFVD1R4100KR3100K
14、P M O S CB P FV D ( 2. 6V - - 9. 8V )+ + +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
15、，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 88MHz108MHz频率 ,高端频率 fmax=108MHz,低端频率为 f
16、min=88MHz,6 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 1minmax CC 从 min2minmax CCC CC pxPx 有m i nm a xm i n2m i nm a xm i nm a x CCCCC CCCC pxpx 由上式有pxpxCC CCCC m inm axm inm ax 设 Kd为波段覆盖 系数则有 Kd=m i nm a xm i nm a xm i n CCCC CCffpxpxa m x Kd= 23.188108 MHzMHz Kd2=1.5 得到 5.1minmax CC ， 只要minmaxCC 1.5
17、 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 2.68V9.8V 偏置电压下电容为6p15p。 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+88maxmax CC CCVDVD =29.78p、 Cmin=C7+ 88minmin CC CCVDVD =20.96p Kd= 7.1088 7.10108 =1.1 96.20 78.29m inm ax CC=1.19 Kdmi
18、nmaxCC 变容比达到覆盖系数要求。 由 fmax=min221 CL , fmin=max221 CL ,得 L2=0.086uH 或 0.087uH 7 调谐回路参数计算： Kd=minmaxff =108/88=1.23 RC1 的变化范围为 5p27p Cmax=RC1max+C6+55maxmax CC CCVDVD =44.78p Cmin=RC1min+C6+55minmin CC CCVDVD =13.96p 96.13 78.44m inm ax CC=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=min221
19、 CL ,L1=0.1uH fmin=max221 CL ,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 BU2614 PLL 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
20、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. 8 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
21、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： 9 XOUT1X I N2CE3C L K4D A T A5CD6P07P18I F I N9P210A M I N11F M I N12VDD213VDD114PD15V S S16B U 2614C133pFC218pFX S 175H ZC31000pFC4
22、1000pFC51000pFR11KR21KR31KE110uFC60.01uFR5100+R6470R71KR810KR910kR 1010kR 1110KR 12100KE210uFE34.7uF E447uFC70.1uFC80.1uFC91000pFC 10470pFC 110.33uFC 122200pFC 130.01uFC 140.01uFF M O S CQ28055GNDE510uF+ +VD+ 12VD A T AC L KCE+ 5VP 3.7P 3.1P 3.0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 FMOS
23、C 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
24、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： PD LF V CO程序分频器frfvV d (t ) V o (t ) fo = N frN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10 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
25、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( v- r)。 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） 。
