一種優(yōu)化的無線音頻收發(fā)擴音系統(tǒng)設(shè)計

時間：2021-11-21 11:02:30

關(guān)鍵字：無線話筒 SP7021F 芯片無線接收音頻混合工作頻率選頻

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[導(dǎo)讀]摘要：文中設(shè)計了一種無線音頻收發(fā)擴音系統(tǒng)，利用克拉潑振蕩電路、自鎖開關(guān)與射極跟隨器進行選頻，優(yōu)化了集成芯片的調(diào)節(jié)方式，使系統(tǒng)頻率在 88 ～ 108 MHz 區(qū)間可調(diào)，調(diào)整間隔可自行設(shè)定。另外，在接收部分使用兩個獨立的運放單元，可單獨控制每一聲道的聲音效果，信號疊加后，通過功放電路將信號放大，從而使兩個無線話筒發(fā)射出聲音信號混音與擴音效果，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，增加了系統(tǒng)的可控性。

0 引言

隨著無線電子及通信技術(shù)的發(fā)展，無線設(shè)備的發(fā)送設(shè) 備已十分普遍，而無線話筒因采用無線電波工作，在使用過程中可以移動，因此適應(yīng)多種場合 [1]。盡管目前對于無線話筒的研究較為廣泛，但在雙話筒混頻放大方面的研究仍然不多，本系統(tǒng)所制作的發(fā)射機頻率在 88 ～ 108 MHz 范圍內(nèi)可調(diào)。目前市面上存在的可調(diào)模塊多為 BH1417F 集成芯片與外圍電路，但模塊實際可調(diào)區(qū)間為 87.7 ～ 88.9 MHz 與 106.7 ～ 107.9 MHz，調(diào)整間隔為 200 kHz 則不可調(diào)，這不僅會導(dǎo)致頻道利用率降低，調(diào)整間隔過大，且不可調(diào)也會直接影響該話筒的實用性。我們的方案極大地優(yōu)化了此類可調(diào)模塊的弊端。本系統(tǒng)的有效通話距離超過 10 m，兩支發(fā) 射機的載波頻率同時使用，可實現(xiàn)兩支話筒分別擴音或混音擴音。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

無線話筒擴音系統(tǒng)主要由兩個發(fā)射機和一個接收機構(gòu) 成。發(fā)射機主要由采集放大電路、克拉潑（clapp）電路、選頻電路以及三極管射極跟隨器組成。接收機的電路核心為單片收音機集成電路 SC1088，主要包含 FM 信號輸入、本振調(diào)諧電路、中頻放大、限幅與鑒頻電路、功率放大電路 [2]。通過 MIC（咪頭）與音頻輸入電路采集音頻信號，通過發(fā)射機的音頻放大電路將音頻信號進行放大，之后音頻信號通過鎖環(huán)調(diào)制電路對音頻信號進行調(diào)制，最后通過高頻功率放大器將音頻信號進行放大，通過天線發(fā)送到接收機，接收機通過 FM 信號輸入電路接收信號，之后通過本振調(diào)諧電路穩(wěn)定接收發(fā)射機所發(fā)出的音頻信號，再送到鑒頻器檢出音頻信號，最后將信號通過功放電路從喇叭放出。系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖 1 所示。

一種優(yōu)化的無線音頻收發(fā)擴音系統(tǒng)設(shè)計

1.2 無線話筒頻率段區(qū)間可調(diào)實現(xiàn)方案

利用克拉潑振蕩電路、自鎖開關(guān)與射極跟隨器選頻。經(jīng)過試驗后找到合適大小的電容阻值，我們可以直接通過自鎖按鍵對頻率進行調(diào)整，便可實現(xiàn) 200 kHz 頻率間隔及其他頻率間隔。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 發(fā)射機電路及其實現(xiàn)原理

無線話筒的原理如圖 2 所示。

一種優(yōu)化的無線音頻收發(fā)擴音系統(tǒng)設(shè)計

（1）通過 MIC（咪頭）采集音頻信號，再通過一級放大電路將聲音信號進行放大。

（2）通過克拉潑（Clapp）振蕩電路對音頻信號進行處理，將處理后的信號加到載波上然后通過調(diào)整電容改變載波頻率，通過頻率計測量載波頻率。

（3）將調(diào)整頻率后的信號經(jīng)射極跟隨器后通過天線向外發(fā)出。信號由三極管基極輸入，從發(fā)射極輸出。

2.2 接收機電路及其實現(xiàn)原理

通過采用以 SP7021F 芯片為核心的電路實現(xiàn)接收機的功能。

接收機實物如圖 3 所示。

一種優(yōu)化的無線音頻收發(fā)擴音系統(tǒng)設(shè)計

LM386 音頻功率放大器輸入端為差分放大器形式，輸出端由于采用了 OTL 電路形式，因此輸出端靜態(tài)電壓被自動偏置到電源電壓的一半，使得 LM386 適用于電池供電場合 [3]。我們使用喇叭對放大后的信號進行播放，從而模擬會場擴音的效果。

系統(tǒng)選用 LM324 四路運算集成電路。LM324 內(nèi)部集成有 4 個獨立的運放單元，由于每個運放單元的集成電路都具有放大功能，因此可使用其中兩個獨立運放單元將不同頻率的聲音信號進行疊加，再通過一個獨立單元將信號合并，最后通過功放電路將信號放大，從而達到聲音信號混音與擴音的效果。混音、擴音電路如圖 4 所示。

一種優(yōu)化的無線音頻收發(fā)擴音系統(tǒng)設(shè)計

3 系統(tǒng)理論分析與計算

3.1 調(diào)頻接收機參數(shù)分析及設(shè)計

本部分選用的芯片為 SP7021F，使用 3 V 電壓供電，在信號處理部分選擇基于 LM386 的音頻功率放大電路與基于 LM324 的混擴音電路。LM386 的主要參數(shù) ：電源電壓VCC=4 ～ 12 V，輸入電阻 Ri ≈ 50 kΩ，輸出電阻 Ro ≈ 1 Ω，放大倍數(shù)為 20 ～ 200 且可調(diào)，使用 104 瓷片電容作為輸入耦合電容，使用 1 000 μF 電容作為電源濾波電容，使用104 瓷片電容作為去耦電容，直流靜態(tài)電流為 4 mA[4]。借助LM324 的輸入電壓變化量與輸入電流變化量之比衡量運放質(zhì)量 Ri Ui/Ii。分別在兩個輸入端口接入 200 Ω 電阻為運放電路提供偏置電壓，兩個輸入端的輸入信號通過功放電路進行疊加，最終通過音頻放大電路輸出。

3.2 無線話筒區(qū)間可調(diào)參數(shù)分析及設(shè)計

本部分音頻信號先通過一級放大電路，因此選用 22 nF電容對信號進行濾波，再通過克拉潑電路進行二級放大，測定可滿足最小量檔值的電容，頻率為 200 kHz。測得電容值為 0.375 pF 時與頻率 200 kHz 最接近，故將 0.375 pF 作為200 kHz 頻率的一個量檔，之后自鎖開關(guān)對應(yīng)的電容值以 2 倍速率遞增，通過調(diào)節(jié)電容值達到理想頻點。當(dāng)把與按鍵相接的電容全部斷開后，調(diào)整載波頻率，使其達到 108 MHz，此時的頻率值即為最大值，按下自鎖開關(guān)，并聯(lián)相應(yīng)200 kHz 量檔的電容，從而降低 200 kHz 頻率。在射極跟隨器部分，使用 100 kΩ 的基極電阻使其靜態(tài)工作點穩(wěn)定在 1.5 V。

為了保證芯片正常鎖住頻點，系統(tǒng)使用壓控振蕩器。系統(tǒng)采用普通的磁芯可調(diào)式電感，電感量標稱值為 30 ～ 60 nH，變?nèi)荻O管的電容隨偏置電壓的變化而改變，其極限范圍為7 ～ 35 pF。

4 系統(tǒng)測試方案及結(jié)果

4.1 測試環(huán)境

本項目的開發(fā)環(huán)境為 Proteus8 和 DXP，使用有50 MHz ～ 1.3 GHz 頻率計、信號發(fā)生器、示波器和直流穩(wěn)壓電源。為了使測試結(jié)果更明顯，在 88 ～ 108 MHz 范圍內(nèi)以 200 kHz 為間隔進行測量。

4.2 測試過程

（1）無線話筒頻率調(diào)整測試

制作電路板后，在電路板上的電源接口接入 3 V 直流電，通過頻率計連接至發(fā)射機天線測得的無線話筒載波頻率可在88 ～ 108 MHz 間任意設(shè)定，頻道頻率間隔為 200 kHz，該頻率通過板子上的多個自鎖開關(guān)選擇設(shè)定。

（2）調(diào)頻接收機測試

通過高頻頻率計對無線話筒的發(fā)射頻率進行測定，測定后將我們制作的接收機也調(diào)到相同頻率，之后由測試人員對無線話筒說話，我們可以從接收機外界的喇叭清晰聽到測試人員的說話聲。

（3）通信距離測試

在室外空曠的區(qū)域進行測量，一名實驗人員在原地觀察接收機發(fā)聲，另一名實驗人員攜帶發(fā)射機一邊遠離發(fā)射機，

一邊說話，直至在接收端不能接收到聲音停止，記錄兩名實驗人員之間的距離。