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1、数字式调频收音机设计数字式调频收音机设计数字式调频收音机设计数字式调频收音机设计内容摘要内容摘要内容摘要内容摘要：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。关键词关键词关键词关键词：调频 本振频率 锁相环 频率合成器 单片机 The Design of Digital Frequency Modulation Tunersynthesizing techno
2、logy to form the electric parts of the frequencymodulation tuner. This tuner owns the functions of tuning and selectingchannels, searching, storing and so on. In my paper, I emphasized on theFM frequency tuning circuit that consists of the ICs CXA1019S fromSony corp., the phase locking loop circuit
3、formed by BU2614 PLLfrequency synthesizer, MCS51 monolithic processor and the other circuitsof keyboards, screen and storage.Keyword:Frequency tuning, oscillating frequency by itself, phase locking loop,frequency synthesizer, monolithic processor.第一章第一章第一章第一章 引引引引 言言言言 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
4、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2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FM信号频率范围88MHZ108MHZ。2. 调制信号频率范围100HZ15000HZ，最大
5、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。 第二章第二章第二章第二章 方案设计与论证方案设计与论证方案设计与论证方案设计与论证 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合成器芯片BU2614、MCS-51系列单片机及相应的外围
6、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高频调谐放大器选发选看10.7M陶陶滤显给混发给限限限限给解解CXA1019S音发限限给解调保调调显本本VCO解调VCO低低滤显给发给给给给BU2614看看看保看AT8
7、9C52键键主主主给串进保数给93C46显显 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
8、、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灵敏度RF放大器，支持IF计数功能。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4片机内部系统资源比较大。为了简化
9、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。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
10、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
11、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DCDC模块升压得到+12V电压。第三章第三章第三章第三章 硬件系统硬件系统硬件系统硬件系统 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。从天线输入的信号经88MHZ108MHZ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：515FM/A
12、M OUT14FE GND13FM RF IN12NC10FM RF9REG OUT8FM OSC7AFC6AM OSC5VOL11AM RF4NF3DISCR12GND1GND16BAND17AM IF IN18FM IF IN19NC20METER21IF GND22AFC/AGC24DET OUT23AFC/AGC25AF IN26RIPPLE27VCC28AF OUT29GND30GNDCXA1019SR615010.7MHZ10.7MHZR1330C30.01uFR27. 2KE710uFE68. 7ufE510uFE40.47uFE310ufE2470uFC100.1uFC10.1
13、uFC20.22uF+5VE110uFLS?SPEAKERE99. 7uFR510KRV150KC93pFVD2C81000pFC715pFC40.01uFE810uFC63pFCAPVARL2L1C51000pFVD1R4R3100KPMOSCBPFVD(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
14、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，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
15、88MHz108MHz频率,高端频率fmax=108MHz,低端频率为fmin=88MHz,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1minmaxCC从 min2minmaxCCCCCpxPx6有minmaxmin2minmaxminmaxCCCCCCCCCpxpx+由上式有pxpxCCCCCC+minmaxminmax设Kd为波段覆盖系数则有Kd=minmaxminmaxminCCCCCCffpxpxamx1.5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
16、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+88maxmaxCCCCVDVD+=29.78p、Cmin=C7+88minminCCCCVDVD+=20.96pKd=7.10887.10108+=1.1 96.2078.29minmax=CC=1.19 KdCD永远成立。)(210DCCLf+=变容二极管采取部分接入法，这种接法线性度很好。实际应用中，压控振荡特性的线性范围是有限的，超出这个范围之后，控制灵敏度将会下降。在实际应用中我们常取线性，在本电路中考滤实
17、际使用故Uc取2.6v-9.8v段。13D、程分频器( N )本设计利用集成芯片BU2614内部的移位寄存器构成分频器，其分频系数N由单片机程序来决定，最后通过单片机与BU2614通讯来实现。BU2614有三个串行通信端口(CE、CK、DATA)，这三个端口与单片机的通讯时序和数据传送格式如图-9：D0D1D2D3D4D5 D6D7D8D10D9D11D12D13D14D15P0P1P2*CTR0R2R1SPS*GTTS*:irrelevantinput done from D0internal dataCEDACKD0D1D2*GTTST11msT2、T3500usT4100usT515us
18、T1T2T3T4T5图-9其中R0、R1、R2位为标准频率位，本设计选择为000即25KHZ；S位为FMIN和AMIN选择开关，0表示FM输入，1表示AM输入，本设计为FM，故S位为0；其余位在BU2614作为频率合成时无关，皆选为0；对于前十六个数据位(D0D15)其传送格式为：分频数N：从D0到D15 （当S=1时，用D4到D15位）14D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15例：N=1107（D）=453（H） S=0，PS=01011100000000001N=1100（D）/2=550（D）=226（H） S=0，PS=10110001001000
19、000N=926（D）=39E（H） S=1，PS=0*01*1110111000本设计选择为S=0，PS=0的格式。本设计中对锁相环电路而言，其核心元件是BU2614锁相频率合成芯片。它与外围调谐回路和本振回路构成完整的锁相频率合成电路。它是通过单片机为它预置的分频比来调节本振频率的。如果压控振荡器的角频率发生变化，这时输入到鉴相器的电压和输出电压必定会产生相应的相位变化，鉴相器将输出一个与相位误差成比例的误差电压经过环路滤波器取出其中缓慢变化的直流电压，控制压控振荡器输出信号的频率，使锁相环输入与输出信号之间的相位差减小，直到压控振荡器输出信号的频率等于输入信号频率、相位差等于常数，锁相环
20、路进入锁定状态为止。从而完成了收音机接收调谐稳频功能。3.3 显示电路该部分设计采用了MAX7219串行显示控制芯片，代替常规的非门驱动芯片，如74LS00，大大的简化了显示电路，实现了以最少器件、最小功耗、在最短时间内提高电路的稳定性的要求。MAX7219是串行接口8位数字静态显示芯片，功能齐全，占用系统资源少，只使图-10用了AT89C52的P3.3、P3.4、P3.5三个口。电路如图-10所示。3.4 键盘电路对于功能键的设计，我们采用了查询的方式，即将单片机89C52的P1.2P1.714A16B20C23D21E15F17G22DF2DIG011DIG16DIG27DIG34GND9
21、GND19181DIN13CLK12LOAD3DIG410DIG572191234679101112131415161718192021222310K+5VP3.3(8031)P3.4(8031)P3.5(8031)MAX721910k+5V15口用作功能键接口，将单片机的P0、P2口都作为I/O口使用，采用P0.6，P0.7与P2.0P2.4构成10个编码动态扫描矩阵键，这10个键既作为数字键09，又作为10个存储电台的台号。另外，还利用P0.0P0.5六个口接六个发光二极管作为六个功能键的工作状态指示。其具体的电路如图-11 所示。 7*R-1K+5V6M22P22P0123456789+
22、5V6*R-510EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1080316*R-510+5v10K+5V123A74LS321K22uF100Q9图-113.5 掉电数据存储电路由于串行EEPROM 93C46具有在线擦写功能，因此本设计用它来存储电台数据，使重新开机时所有存储
23、的电台能被调出。93C46是64*16（1024）位串行存取的电擦除可编程只读存储器，具有在线改写数据和自动擦除功能；无论电源开或关，数据不丢失；其与单片机的连接如图10，主要通过端口CS、SK、DI和DE来进行通信完成。其中CS为片选线，输入高电平有 图-12效。当CS=1时，可对芯片读写。加于CS端信号的下降沿启动片内定时电路开始擦写操作。SK为串行数据输入或输出的外加触发时钟信号输入，输入时钟频率为0250KHZ。DI为串行数据输入端。DE为串行数据输出端，读写操作时，OUT可用作擦写状态指示相当于READY/BUSY信号，其它状态时OUT处于高阻态。BPE接高电平时片擦片写指令有效。3.6 程序运行监视电路 P3.2P2.5P2.6P2.7AT89C5293C46CSSKDIDEGNDBPENCVcc1234+5V8765CC409316程序运行监视系统又称为看门狗电路（WATCHDOG），其主要作用就是用来防止程序弹飞到一个临时构成的
