自动调频接收机的设计与实现.doc

学科分类号 0712
本科生毕业论文（设计)
题目（中文）： 自动调频接收机的设计与实现
（英文）： The Design and Achievement of Automatic
FM Receiver
本科毕业论文(设计）诚信声明
本人郑重声明:所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
本科毕业论文（设计）作者签名：
年 月 日
目 录
摘 要 I
关键词 I
Abstract I
Key words I
1 引言 1
1.1 历史及背景 1
1.2 设计方法 2
1。3 尚待进一步解决的问题 3
1。4 设计的基本内容 3
2 任务分析与方案论证 4
2。1 任务分析 4
2。1.1 设计任务 4
2。1。2 基本要求 4
2.1。2 发挥部分要求 4
2。2 设计方案论证 4
2.2.1 方案一 4
2。2.2 方案二 5
3 原理分析 6
3.1 超外差接收机 6
3。2 调频通信系统 7
4 电路设计 9
4。1 TDA7088引脚图 9
4。2 天线输入电路 10
4.3 本机振荡电路 11
4.4 TDA7088外围电路 11
4.5 音频放大 12
5 电路调试与测试 13
5.1 电路调试 13
5。2 测试方法和结果 13
5.2。1 测试所用仪器 13
5。2.2 测试方法和数据分析 13
6 结论 15
参考文献 16
致 谢 17
附录A 整机原理图 18
附录B 整机PCB图 18

自动调频接收机的设计与实现
摘 要
本次设计的自动搜台调频接收机是为了实现方便快捷地收听电台的目的，采用的是飞利浦公司生产的集成电路TDA7088。这块集成电路中包含了调频接收机中天线接收、振荡器、混频器、AFC（频率自动控制)电路、中频放大器（中频频率为70kHz)、中频限幅器、中频滤波器、鉴频器、低频静噪电路、音频输出等全部功能,还专门设有搜索调谐电路、信号检测电路及频率锁定环路。该系统使用M28S三极管，对解调后的信号进行放大处理，使输出的音频信号能够通过耳机输出到人的耳朵。系统的稳定性强，具有精确的自动调频能力.
关键词
TDA7088；自动调频；音频信号放大
The Design and Achievement of Automatic FM Receiver
Abstract
In order to using radio more conveniently, my design of automatically searching FM radio use integrated chip TDA7088. The TDA7088 contains Antenna， Intermediate frequency limiter， Intermediate frequency filter， Oscillator， Mixer, AFC, Intermediate frequency amplifier， Frequency discriminator， Low—frequency squelch circuit and Audio output etc. Otherwise， TDA7088 also contain Search tuning circuit， Signal detection circuit, and Frequency locked loop. This system use triode M28S, which can amplify the signals of demodulation and can make audio signals heard by our ears， by use of earphone. This system can work stably and automatic FM precisely。
Key words
TDA7088 ; Automatic FM; Audio frequency signals amplification
I

1 引言
1.1 历史及背景
人类自从发现能利用电波传递信息以来，就不断研究出不同的方法来增加通信的可靠性、通信的距离、设备的微形化、省电化、轻巧化等。接收信息所用的接收机，俗称为收音机。目前的无线电接收机不单只能收音，且还有可以接收影像的电视机、数字信息的电报机等。
随着广播技术的发展，收音机也在不断更新换代。早在1888年，德国科学家赫兹发现了无线电波的存在，1901年马可尼发射无线电并成功横跨大西洋，直到1906年加拿大发明家费森登首次发射出声音，无线广播由此开始。随着电子技术的发展，“收音机”的形式也在发生演变。从最早的矿石收音机，到1930年后的电子管收音机,1954年的晶体管收音机，再到现在的集成电路收音机和DSP收音机,收音机越来越趋向于便捷化.其性能越来越好，功能也越来越强大。
如今的人们对电子产品的要求越来越高，因而电子产品无论从制作上还是从销售上都要做到精益求精.要制作一个应用性比较好的电子产品就离不开高频电路，大到超级计算机、小到袖珍计算器,很多电子设备都有高频电路[1］.高频电路大部分应用于通信领域，信号的发射、传输、接收都离不开高频电路。通信技术在我们的生活中广泛应用，而我所学的是电子信息科学与技术专业，有一部分涉及的是通信技术，所以对于这次设计，我选择了超外差式调频接收机的设计方案[2]。
随着人们生活水平的不断提高和电子科技的飞速发展，特别是近年来物质生活水平的提高,人们相互之间交往所利用的通信手段也越来越多。人们不断追求生活方式的多样化和个性化；电子科学的发展和无线通信的快速发展给人们工作和生活注入了新的色彩；人们可以随心所欲地享受着无线通信工具所带来的乐趣。调频模拟通信是最早的语音通信方式,广播电台就是它的一种形式,这种传统的通信方式在今天依然有着广泛的应用，并且也向着多样化、个性化和微型化的方向发展［3]；随着时代的发展，它的作用也在发生着变化，广播电台虽然现在已经不是人们获取信息的一种主要手段，但是它在很多方面依然发挥着主要的作用,它已经走进了我们的生活,在我们小集体范围内如学生宿舍、宾馆等场所,由于其使用方便、价格低廉、技术成熟、可进行一对多的无线广播等诸多优点，所以将依然会发挥重要作用。不仅如此，现在的人们都喜欢追求生活的个性化，它在家庭领域也将会给人们带来很大的乐趣，利用一个小型的无线广播台和一个微型的收音机就可实现在家庭的任何角落播放自己喜欢的音乐，会给人们带来无限的乐趣.
在当今社会,科技已经高度发达，现在的调频接收装置更多的是以集成模块的形式存在于一些大的电子设备中，例如手机、智能电视，这类装置一般满足年轻朋友的需求。而另外一种便携式收音机能做到操作简单、较大功率输出和声音输出,这类收音机主要满足老年人的需求。
1。2 设计方法
本设计使用EDA设计软件protel99se[4］。protel99se是所有电路画
图软件中使用最多的一种软件，采用设计库管理模式[5］。其可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源地层和16个机加工层。本设计以耳机充当信号接收天线，由于集成芯片很难集成大容值的电容器件，所以在集成芯片TDA7088的周围按一定的规则接入电容，组成相应的功能电路[6]。本设计的调试要点，参照电子线路设计实验测试［7]。
1.3 尚待进一步解决的问题
虽然在国内外调频接收技术已经得到长足发展，但是依然存在一些问题亟待解决。例如,接收机能够接收到的频道数非常有限；接收机的灵敏度不够高，调频广播收音机的灵敏度一般为5~30uV;调频接收机的选择性有待进一步提高。
1.4 设计的基本内容
本设计采用的是TDA7088芯片作为处理的核心部分[8］。TDA7088是飞利浦公司开发的FM收音机集成块,采用16脚双列扁平封装，工作电压为3V，包含了调频收音机中天线接收、振荡器、混频器、AFC(频率自动控制)电路、中频放大器(中频频率为70KHz）、中频限幅器、中频滤波器、鉴频器、低频静噪电路、音频输出等全部功能,还专门设有搜索调谐电路、信号检测电路及频率锁定环路。经过解调后的信号再经过由三极管组成的低频放大器,然后通过耳机输出到耳
朵［9]。在硬件设计过程中遇到了很多问题，通过查阅各方资料，我将
所有问题都一一解决［10］。
2 任务分析与方案论证
2.1 任务分析
任务分析包括设计任务、基本要求和发挥部分要求三个部分。
2.1.1 设计任务
设计并制作一个自动调频接收机。
2。1。2 基本要求
（1)实现自动调频接收；
（2)接收频率范围：88MHz~108MHz；
（3）最大不失真输出功率大于或等于10mW;
（4）接收灵敏度小于或等于50uV。
2.1。2 发挥部分要求
（1）可实现多种自动程控频率搜索模式(如全频率范围搜索，特定
频率范围内搜索等)，全频率范围搜索时间≤ 2分钟；
（2）能显示接收频率范围内的调频电台载频值，显示载波频率的误
差≤ ±5kHz；
（3）进一步提高灵敏度;
（4）可存储已搜索到的电台，存台数不少于20；
（5）其它。
2.2 设计方案论证
2.2。1 方案一
本方案使用芯片FS2004，其包含混频器、中频放大器、鉴频器
和低频功放模块,从天线接收到的信息经过高频放大电路放大.然后再将信号送入FS2004中的混频器，使该信号与本振信号混频产生差频信号，即得到中频信号。接着将中频信号放大,再经过鉴频器的作用解调出调制信号，送入低频功放模块增大功率，驱动喇叭发声.通过以上信号的变化过程分析可知，本设计较自动搜索电台调频接收机而言属于普通调频接收机.需要外加天线，还需通过调节可变电容的大小来实现调频.
2。2.2 方案二
自动调频接收机与普通调频收音机的主要区别就在于它们的调台方式不同。普通调频收音机是利用输入回路接收调频信号,调节输入回路电容，以手动调谐的方式来实现调台目的，而自动搜索调频收音机采用电调谐方式选择电台，省去了可变电容器。由于不使用可变电容器，所以使用寿命长(可变电容器容易损坏），它的缺点是没有频率指示。
本方案使用TDA7088集成芯片，其能够实现自动选台操作.本电脑选台调频收音机设置了“搜索"和“复位"两个轻触式按钮。使用时只要按下搜索按钮，收音机就会自动搜索电台,当它搜索到一个电台后，会准确地调谐并停止下来。如果想换一个电台，只需再次按下搜索按钮,收音机就会继续向频率高端搜索电台.当调谐到频率最高端后，就需要按下复位按钮，让收音机本振频率回到最低端才能重新开始搜索电台.
这种脑选台自动搜索调频收音机使用方便，调谐准确,所以选用
方案二。
电脑选台自动搜索调频收音机其核心器件是一块TDA7088集成电路，其内部框图见图2.1。集成电路中包含了调频收音机中天线接收、振荡器、混频器、AFC（频率自动控制)电路、中频放大器(中频频率为70kHz)、中频限幅器、中频滤波器、鉴频器、低频静噪电路、音频输出等全部功能，还专门设有搜索调谐电路、信号检测电路及频率锁定环路.
图2。1 核心器件TDA7088集成电路内部框图
取代可变电容器的是变容二极管，它是一种特殊的二极管。它的PN结电容随着PN结上的偏压(反向电压)变化而改变。偏压增大,PN结变厚，PN结电容变小；偏压降低，PN结变薄，则PN结电容增大。因此改变PN结上的偏压,就可以改变PN结的电容.电路中变容二极管接在本机振荡电路上,可以改变振荡频率。
3 原理分析
3.1 超外差接收机
本设计采用超外差式接收机的工作原理，所谓超外差接收机即输入信号和本机振荡信号产生一个固定中频信号的过程。如果把接收机收到的广播电台的高频信号，都变换为一个固定的中频载波频率（仅是载波频率发生改变，而其信号包络仍然和原高频信号包络一样），然后再对此固定的中频进行放大、解调，再加上低频放大器，就成了超外差式接收机。对于超外差接收机，由接受天线、高频带通滤波器、高频放大器、本振、混频、陶瓷滤波器、宽带中频放大器、鉴频器、低频放大器及功放还有扬声器等组成。
常用的超外差调频接收机原理框图如图3。1，当天线接收到的高频信号经过输入调谐回路选频为f1再经高频放大器放大，进入混频器；本机振荡器输出的另一高频信号f2亦进入混频器，则混频器的
输出为含有f1、f2、(f1＋f2)、（f2—f1）等频率分量的信号。混频器的输
图3。1 调频接收机原理框图
出接有选频回路，选出中频信号(f2-f1）,再经中频放大器放大，获得足够高的增益，然后经过鉴频器解调出低频调制信号,再由低频功放级放大,驱动扬声器。从天线接收到的高频信号经过混频成为固定的中频f2-f1，故成为超外差式接收机。这种接收机的灵敏度较高,选择性较好，性能也比较稳定.
3.2 调频通信系统
如下图3.2所示的调频广播系统.调频接收机是整个调频广播系统中的一部分，调制信号经过发射机发射变成已调信号，并由信道传输到达接收机。在调频发射阶段通过频谱搬移的方式，将调制信号的频谱搬到高频段，因为高频信号便于传输。接着在调频接收阶段解调，还原出调制信号。
图3.2 调频广播系统
（1）调频信号的一般表达式为式3。1;
Ufm（t)=Ucosф(t) （式3.1）
式中U是FM波的振幅，ф(t）是FM信号的瞬时相位.且
ф(t)＝ωct+Kf∫UΩ（t）dt （式3。2)
其中ωc是FM波的中心角频率，即载波频率。Kf是FM波的调频灵敏度,UΩ(t)是调制信号。
（2）调频信号的带宽；
B＝2(m+1)F （式3。3）
其中m是调频指数F是调制信号的频率.
（3)调频信号的解调；
调频信号的解调就是利用鉴频器从调频波Ufm(t）中恢复出原调制信号UΩ（t）的过程。鉴频器的类型和种类很多，有振幅鉴频器，相位鉴频器，正交鉴频器。Philip公司的TDA7088芯片则采用正交鉴频的方法，所谓正交鉴频即将输入FM信号经移相网络后生成与原FM信号正交的参考信号电压，它与输入FM信号电压同时加入乘法器，乘法器输出再经过低通滤波器滤波后，便可还原调制信号。
（4)调频制中的噪声和门限效应.
实际上，信道内存在噪声和干扰是不可避免的，它们在经过前级带通滤波器后，与有用信号一起加至解调器，这使解调器输出端除了有用的FM信号外，必然伴随有干扰和噪声。这将影响信号传输的质量，在严重的情况下，有用信号甚至完全淹没在噪声中，而无法进行调频信号的接收。这个一定的数值的输入信噪比,就是所谓门限值。当输入Si/Ni低于这个门限值时所发生的现象叫做调频信号解调时的门限效应。
4 电路设计
4。1 TDA7088引脚图
TDA7088引脚排列如图4。1：

TDA7088
1636
15
14
136
122
111
1000
9
1
2
3
4
5
6
7
8
TUNE NE
CAP
GND
CLM

VIRF
VIRF
CLP2
VILF
MUTE
VOAF
LOOP
VP
OSC
IFFB
CLP1
VOIF

图4.1 TDA7088引脚排列图
TDA7088各管脚说明如下表：
表4.1 各管脚说明
管脚
功 能
符号
管脚
功 能
符号
1
静噪电路
MUTE
9
中频输入
VILF
2
音频信号输出
VOAF
10
中频限幅、低通滤波
CLP2
3
外接环路滤波
LOOP
11
射频信号输入
VIRF
4
电源“＋"
VP
12
射频信号输入
VIRF
5
本振电路
OSC
13
环路滤波
CLM
6
中频反馈
IFFB
14
电源“－”
GND
7
低通滤波
CLP1
15
搜索电调谐输入端
CAP
8
中频输出
VOIF
16
电调谐AFC输出端
TUNE
4.2 天线输入电路
如图4.2所示，本设计以耳机作为天线，因为L3具有较小的对地直流阻抗，接入L3是为了使接收到的信号流入芯片TDA7088，从而避免被耳机旁路.电容C10和C11起耦合的作用，能够使接收到的高频信号顺利通过电路进入芯片TDA7088，同时阻止直流和50Hz工频信号进入电路系统,从而将机内和机外隔离开来。天线接收到的高频信号与来自压控振荡器的本振信号混频,通过选频得到70KHz中频信号.
图4.2 天线接收电路
4.3 本机振荡电路
如图4.3所示，压控振荡器（VCO）输出信号的频率是随着输入电压的变化而变化的。振荡器的输出频率是和负载电容相关的，压控
图4。3 本机振荡电路
振荡器外部接有一个变容二极管BB910，改变电压可以改变负载电容的大小。当负载电容变化时，它与电感L1产生的震荡频率大小也跟着改变,从而改变输出频率。
4.4 TDA7088外围电路
如下图4。4，芯片内和1脚相连是静噪电路，电容C1起到静噪
图4.4 TDA7088外围电路
的作用,去除交流噪音；2脚是音频信号输出，将音频信号输出到音频信号放大单元的输入端进行放大;3脚外接一个0.047微法拉的电容，与芯片内的电阻和运放构成环路滤波，在鉴频器的输出端衰减高频误差分量,以提高抗干扰性能；6脚所接电容C4是中频反馈电
容，和与6脚和8脚相连的运算放大器给成反馈电路；7脚所接电容C6与芯片内的阻值为2。2kΩ的电阻构成RC低通滤波器；8脚输出的70KHz中频信号经过电容C6，接入9脚中频输入端；10脚是中频限幅输出,所接电容C7与芯片内阻值为6KΩ的电阻构成低通滤波器；15脚为搜索调谐输入端，C12为滤波电容器；16脚为电调谐、AFC输出端。
4.5 音频放大
如下图4.5所示,此放大器由一个M28S型号的NPN型三极管构成单级放大,分析三极管的基级、集电极和发射级电压大小。使三极管集电极反偏发射极正偏,从而Q1工作在放大状态。通过调节电位器来改变放大电路的输入电流，从而改变放大器的输出电流，音频信号的输出功率也跟着改变,直观地体现为耳机音量的大小变化.
图4。5 音频放大电路
5 电路调试与测试
5。1 电路调试
在焊接完成之后，当装上电池检验的时候，出现了第一个问题——芯片引脚短路。用万用表二极管档测量，将红黑表笔放到两个芯片引脚上有声音提示,表示存在短路。经过分析才知道，在焊接贴片封装芯片时烙铁头停留在芯片引脚上的时间过长，导致芯片持续升温,最后破坏了芯片的内部连接。
在开始调台的时候，遇到了第二个问题——没有声音。在用手机拨号,用手机信号干扰收音机时,可听到有干扰声，说明喇叭没有问题。后来询问同学才想起，原来是在用protel9se软件画PCB图时将三极管的发射集和集电极接反了.通过改正后，电路系统工作正常。
5.2 测试方法和结果
5。2。1 测试所用仪器
HH1713双路直流稳压电源,DT9202A数字万用表,BT—3GII
频率特性测试仪，HP8648A 100KHz～1GHz信号发生器,GDS—1062A
示波器，8欧姆负载电阻。
5.2.2 测试方法和数据分析
由于88MHz~108MHz是调频广播波段,试验不是在屏蔽室进行的，所以在测试中，收音机随时都有可能接收到其中信号,只有选择当时频率较弱的信号的频率用信号源模拟输入进行测试，我们选择95MHz为测试点，试验现场空间中的95MHz的信号经过验证极其微弱，可以忽略。
（1)接收频率范围和接收正常FM信号测试;
打开收音机，直接设定本地FM电台频率接收FM广播，能够正常接收。用HP6848A产生88MHz，95MHz，108MHz的FM信号，能够正常接收。
（2）使用示波器测量音频最大不失真输出电流和电压;
表5。1 音频输出电流和电压
频道
1
2
3
4
5
电压U（V）
1.743
1。750
1.681
1.724
1。705
电流I（mA）
26。72
25。58
25.41
25。50
25.29
电压平均值U平均=(1.73+1.750+1。681+1.724+1。705）/5=1。721
电流平均值I平均=（26.72+25.58+25.41+25.50+25。29)/5=25。70
(3）最大不失真功率;
分别用示波器观察耳机两端的输出波形，加大音量达到波形有失真时计算功率。
最大不失真功率为：P=U平均•I平均=44。22(mW）。
（4）灵敏度；
根据国家标准，测试灵敏度必须在无外界电磁场干扰的屏蔽室内
进行,利用环形天线，通过仪器设备测量。由于条件所限，无法采用此方法.由此我们采用在要求的输出功率和输出信号不失真的条件下,测试最小的输入信号。我们用HP8648A作信号源，接至收音机的天线处，由大到小逐渐减小输入调频波的幅度，直至接收机输出信号有明显失真。
测得：95MHz时，灵敏度为 m = 50uV.
（5）自动搜索功能测试。
由HP8648A产生载频为95MHz，调制信号频率为1KHz,频偏为75KHz，幅度为100mV的FM信号，将HP6848A的探头缠绕在收音机的天线上（不接触)，进行自动搜索电台功能的测试。
测试结果:全频段搜索－能够搜索到95MHz。
设定频段搜索(设定在90MHz ~ 100MHz）－搜索到95MHz。
6 结论
参考文献
［1] 高吉祥。高频电子线路（第二版）［M］。北京：电子工业出版社,2009:66～88。
［2] 高吉祥。高频电子线路习题解析（第二版)［M］。北京:电子工业出版社,2009:124～178。
［3] 樊昌信.曹丽娜.通信原理（第6版）［M］。北京:国防工业出版社,2010：86~132。
［4］ 崔玮。 protel99se电路原理图与电路板设计教程[M］.北京:海军出版社，2005：1~279。
[5] 潘永雄，沙河。电子线路CAD实用教程［M].西安:西安电子科技大学出版社，2007：1~337。
［6］ 许谨谨.小型自动调频收音机[D］.淮安:淮安信息职业技术学院,2006：1～20.
［7］ 谢自美，罗杰.电子线路设计•实验•测试[M］.北京：电子工业出版社，2010:1～6。
[8] Philips.TDA7088芯片资料［J]。2003：1~16。
[9] 高吉祥.模拟电子技术(第二版）［M］.北京：电子工业出版社,2009：34～55.
[10] 甘晓铭。TDA7088电调收音机[DB/OL].http://www。xndzw。com/Article/2008/200803
/1298。html,2010-08—14/2011—07—25.
致 谢
在毕业设计和论文完成之际，首先要感谢我的指导老师周群老师。从前期的选题，到最后论文的完成，都是在指导老师的悉心指导和严格要求下进行的。周群老师工作认真负责、治学严谨。他不仅在学习上给了我很多帮助和启发，而且让我学会了做事、做学问的态度和方法，将使我终身受益。
在此向帮助和指导过我的各位老师表示最忠心的感谢，同时感谢各位授课老师，在我学习期间，正是你们孜孜不倦的教诲使我能够顺利完成学业,让我在这四年的学习生涯中积累了一笔宝贵的财富,这将使我在今后的学习工作中受益终生。同时也感谢我的同学给予我莫大的支持和帮助，没有你们就没有我今天的收获和成果。在本论文撰写过程中，参考并引用了许多作者的文献，他们的研究成果给了我极大的帮助和启迪，在此谨表示衷心的感谢！
最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授!
附录A 整机原理图
图A 整机原理图
附录B 整机PCB图
图B 整机PCB图
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