数字FM收音机设计基于TEA5767模块的.docx

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数字FM收音机设计基于TEA5767模块的

基于TEA5767模块的数字FM收音机设计

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指导老师：

摘要

本设计是一个数字调频收音机（FM），就是接受频率调制的无线电信号，经过解调还原成原信号的电子设备，利用单片机控制有FM功能的专用芯片，设计一个收音机系统。

本设计采用模块化设计，整个系统由控制模块，FM音频模块，电源模块和功放模块组成。

未处理系统采用单片机控制。

单片机自从20世纪70年代问世以来，以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。

STC89C52单片机的特点是体积小、集成度高、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。

本设计另一核心采用的是TEA5767芯片，它是由PHILIPS公司推出的针对低电压应用的单芯片数字调谐FM立体声收音机芯片。

TEA5767芯片内集成了完整的IF频率选择和鉴频系统，就可实现FM收音机的全部功能。

设计的液晶屏采用的是Nokia5110，该液晶屏的性价比高，接口简单，速度快，适合便携式供电设备。

本设计主要是体现单片机系统的自动控制能力，更重要的意义是单片机的应用改变了控制系统传统的设计思想和方法。

关键词：

STC89C52Nokia5110TEA5767

Abstract

ThedesignisadigitalFMradio（FM）,Itistoreceivethefrequencymodulatedradiosignals,electronicequipmentrestoredtotheoriginalsignalafterdemodulation,theuseofdedicatedchipMCUcontrolFMfunctions,designaradiosystem.Thesystemconsistsofthecontrolmodule,FMaudiomodule,powermoduleandpoweramplifiermodule.TheThemicro-processingsystemmicrocontroller.Thesinglechiphascomeoutsincethe1970s,comparedtoisvaluedpeople'sandtheattentionbytheextremelyhighperformanceprice,thereforetheapplicationisverybroad,thedevelopmentisveryquick.STC89C52Monolithicintegratedcircuit'scharacteristicisthevolumeissmall,theintegrationrateishigh,theweightislight,antijammingability,isnothightotheenvironmentrequest,thelowinprice,thereliabilityishigh,theflexibilityisgood,thedevelopmentiseasier.WhatthisdesignusesistheTEA5767chip,itispromotesbyPHILIPSCorporationinviewofthelowvoltageapplicationsinglechipdigitharmoniousFMstereophonicreceiverchip.IntheTEA5767chipintegratedthecompleteIFfrequencyselectionandthefrequencydiscriminationsystem,onlyneedtheveryfewlowcostperipherypart,bepossibletorealizetheFMradio'scompletefunction.ThedesignoftheLCDscreenisNokia5110,TheLCDscreenhavehighcost,simpleinterface,fast,andsuitableforportablepowersupplyequipment.Amorevitalsignificancewasmonolithicintegratedcircuit'sapplicationchangedthecontrolsystemtraditiondesignconceptandthemethod.

Keywords：

STC89C52,Nokia5110,TEA5767

绪论

如今，随着随身数码科技的发展，独立的半导体收音机已渐渐淡出了人们日常生活的视线，取而代之的是小巧精致的数字音频播放器。

在这种环境下，收音机更加受到了无线电行业、专业电子技术机构和无线电发烧团体人员的关注。

收音机的存在方式也发生了变化，从原来的独立式半导体发展成了内嵌到其他音频设备的模块化产品。

现今的用户对于收音机技术上的要求相对较高，这也促使了收音机的控制方式需要不断改进、音质水品等技术指标也需要不断提高。

本文开发了一套完整的FM调制接收系统，系统通过专用收音芯片进行解调，主控芯片通过相应通信协议对其进行频率选择控制，选定频率后，频率信息由液晶屏显示，音频信号经由功率放大模块放音，能够独立完成立体声收音和放音功能。

系统以STC89C52为核心，控制收音模块、显示模块、音频放大模块，完成一套多功能、立体声的数字收音机。

　　本文深入结合单片机软硬件技术，阐述了这款数字立体声收音机的设计过程。

首先介绍了设计的工作原理和涉及到的关键技术，其次分别从硬件和软件两方面详细介绍并说明了该设计的结构，最后对设计成品进行了各项测试，并对设计成果的应用范围进行了估计。

1FM收音机概述

1.1发射系统的简单概述

无线电发射机是产生和发送无线电信号的装置，与一般的无线电发讯机的基本组成一样，无线电广播发射机也是由载波发生器，调制器，变频器，高频放大器和发射天线这些基本部分组成。

它的工作原理是：

通过调制器，声音信号调制载波产生已调波信号，然后由变频器将已调载波信号搬移到发生频率上，接着经高频功率放大后推动发射天线，由发射天线将射频信号功率转变成电磁波辐射出去。

图1.1无线电发射机方框图

1.2接收系统的简单概述

天线接收到的高频信号通过输入电路与收音机的本机振荡频率（其频率较外来高频信号高一个固定中频，我国中频标准规定为465KHZ）一起送入变频管内混合——变频，在变频级的负载回路（选频）产生一个新频率即通过差频产生的中频，中频只改变了载波的频率，原来的音频包络线并没有改变，中频信号可以更好地得到放大，中频信号经检波并滤除高频信号。

再经低放，功率放大后，推动扬声器发出声音。

已调载波（调幅收音机的中频为465KHz,调频收音信号的中频为10.7MHz），接着通过中放通道的选频网络选出要接收的已调载波，随后，进行放大和解调（检波），从已调载波中提取出原电信号。

这就完成了无线电信号的接收和解调。

然后听过前置放大和功放驱动器驱动扬声器还原成声音（对于收音机）。

收音机的接收原理就是把从天线接收到的高频信号经检波（解调）还原成音频信号，送到耳机变成音波。

由于广播事业发展，天空中有了很多不同频率的无线电波。

如果把这许多电波全都接收下来，音频信号就会象处于闹市之中一样，许多声音混杂在一起，结果什么也听不清了。

为了设法选择所需要的节目，在接收天线后，有一个选择性电路，它的作用是把所需的信号（电台）挑选出来，并把不要的信号“滤掉”，以免产生干扰，这就是我们收听广播时，所使用的“选台”按钮。

选择性电路的输出是选出某个电台的高频调幅信号，利用它直接推动耳机（电声器）是不行的，还必须把它恢复成原来的音频信号，这种还原电路称为解调，把解调的音频信号送到耳机，就可以收到广播。

图1.2无线电接收方框图

1.3典型数字式收音机模块组成

本设计是一个数字调频收音机，调频就是频率调制，所谓频率调制就是原来等幅恒频的高频信号的频率，随着调制信号（音频信号）的幅度变化而变化，调频收音机（FMRadio）就是接收这些频率调制的无线电信号，经过解调还原成原信号的电子设备。

FMRadio电路一般主要由接收天线、振荡器、混频器、AGC（自动增益控制）、中频放大器、中频限幅器、中频滤波器、鉴频器、低频静噪电路、搜索调谐电路、信号检测电路及频率锁定环路、音频输出电路等组成。

本设计就是用单片机控制集成了上述所有FM功能的专用芯片，并在诺基亚5110液晶上显示当前的频率信息，设计一个数字FM收音机系统。

本设计采用模块化设计，整个系统由控制模块、FM模块、电源模块、显示模块和功放模块组成，系统的整体方案框图如下图1-3：

图1.3系统方案设计框图

1.4收音机的调制方案介绍和该方案原理介绍

1.4.1收音机的调制方案简单介绍

收音机的主要性能指标

一、频率范围

频率范围是指收音机能够接收到的信号的频率范围。

二、灵敏度

当收音机的输出功率达到额定功率时，在输入端所需要的最小信号的强度称为灵敏度，单位为（微伏）。

它用于表示收音机接收微弱信号的能力。

显然这个输入信号越小，收音机的灵敏度越高。

三、选择性

选择性表示收音机从包括各种频率的复杂信号中选出有用信号而抑制其他干扰信号的能力，选择性以输入信号失谐±9kHz时灵敏度下降的程度来表示，单位为dB（分贝）。

dB数越大，表示收音机的选择性越强。

四、输出功率输出功率是指收音机输送给扬声器的音频信号的功率，单位为W（瓦），也可用mW表示，1W=1000mW。

输出功率越大，收音机能发出的声音越响。

所谓调制，就是指用音频信号去改变载波信号的幅度，频率或者相位，使他们按照音频信号的规律变化，即将声音信息寄载在载波的幅度，频率或者相位参数上。

发送端发射的是被音频信号调制的载波（称为已调波）而不是直接发送音频信号。

当然，在接收时，就可以从接收到已调波中解调出其所带的音频信号。

调制的目的是为了能可靠地和有效地发射，传送和接收信号。

现在收音机的调制方式主要用两种：

AM：

改变载波的振幅称振幅调制。

AM是指对信号进行幅度调制。

一般做法就是先在原信号上叠加一个直流信号以保证信号f（t）+A>0，然后乘上一个高频的余弦信号，即得到g（t）=[f（t）+A]coswt。

在频域上的效果就是将原信号的频谱移动到w处，以适合信道传输的最佳频率范围。

g（t）的包络线即f（t）+A,用一个简单的包络检测电路就可以接收并还原信号了。

FM：

改变载波的频率称频率调制。

音频信号的改变往往是周期性的，一个最容易理解音频调制解调的范例是小提琴和揉弦，揉弦通过手指和手腕在琴弦上快速颤动，使琴弦的长度发生快速变化，从而最终影响小提琴声音的柔和度。

与“FM无线电波”相同，“FM合成理论”同样也有着发音体（载体）和调制体两个元素。

发音体或称载波体，是实际发出声音的频率振荡器；调制体或称调制器，负责调整变化载波所产生出来的声音。

载波频率、调制体频率以及调制数值大小，是影响FM合成理论的重要因素。

我们习惯上用FM来指一般的调频广播（76~108MHz，在我国为87.5~108MHz、日本（76~90MHz），FM是一种调制方式，即使在短波范围的27~30MHz之间，做为业余电台、太空、人造卫星通讯应用的波段，也有采用调频（FM）方式的。

本次方案选用的是FM调制。

理由有以下几点：

1）在同样的频率、功率等条件下，用调频方式传输信号比调幅方式要远得多。

因为调幅方式的载频电平要高出噪声电平三四十分贝才能得到良好的图像指标，而调频方式只要高出噪声电平几分贝即可。

2）调频比调幅抗干扰能力强：

外来的各种干扰、加工业和天电干扰等，对已调波的影响主要表现为产生寄生调幅，形成噪声。

调频制可以用限幅的方法，消除干扰所引起的寄生调幅。

而调幅制中已调幅信号的幅度是变化的，因而不能采用限幅，也就很难消除外来的干扰。

3）另外，信号的信噪比愈大，抗干扰能力就愈强。

而解调后获得的信号的信噪比与调制系数有关，调制系数越大，信噪比越大。

由于调频系数远大于调幅系数，因此，调频波信噪比高，调频广播中干扰噪声小。

4）调频波比调幅波频带宽。

1.4.2调频广播收音机的原理

一个典型的调频广播收音机的电路原理图如下：

1.图1.4调频广播收音机电路原理图

一、调频高频头电路

i.调频高频头电路的组成与作用调频高频头电路主要包括输入电路、高频放大电路和变频电路。

调频高频头的作用是选择所要接收的调频电台信号，并将它放大、混频，变成载频为10.7MHz的中频信号，然后输送到中频放大器。

ii.输入电路调频收音机输入回路的作用是从天线接收到的各种高频信号中选择出调频波段的信号，它分为固定调谐式输入回路和可变调谐式输入回路两种电路形式。

iii.高频放大电路高频放大电路的主要作用是对高频调频信号进行放大，以提高调频收音机的接收灵敏度。

高频放大电路一般采用共基放大电路，这是因为共基电路的截止频率高，适用于高频率放大，并且共基电路的输入阻抗低，容易与天线的阻抗相匹配。

iv.变频电路变频电路的作用是把高频调频信号变换成载频固定为10.7MHz的中频信号。

v.AFC电路AFC电路是调制收音机的特殊电路，它的作用是当本振频在工作过程中发生漂移时，能自动地控制本地振频率回到原来的正确频率上，使调频收音机处于最付佳状态。

二、中频放大电路

调频收音机的中放电路与调幅收音机的主要区别：

一是调谐回路的谐振频率不同，二是调频中放电路不加自动增益控制，使中放电路保持较大的增益，以便实现限幅。

三、限幅器

1、限幅器的作用限幅器的作用就是抑制这种寄生调幅干扰。

2、常用限幅器分立元件电路中一般采用二极管限幅电路或三极管限幅电路，集成电路内部一般采用差动限幅电路。

四、鉴频器

1、鉴频器的作用鉴频器的作用是对调频信号进行解调，还原产生原调制信号，对调频收音机来讲，是从10.7MHz的中频信号中解调得到音频信号。

2、鉴频的方法鉴频过程分为两步，先把等幅的调频信号经线性变换电路转换为幅度随调频信号的频率变化规律而变化的调频调幅信号，这时调频信号的幅度变化就是解调所需的音频信号，然后再用检波器从调频调幅波中把音频信号解调出来。

2方案论证与硬件选择

2.1本方案的硬件选型

本设计采用模块化设计，整个系统由控制模块、FM模块、电源模块、显示模块和功放模块组成，系统的整体方案框图如下图：

图2.1系统方案设计框图

FM模块选择TEA5767模块来实现，通过TEA5767收音模块自带的收音功能进行收音。

控制模块选择STC89C52芯片来实现，通过按键对芯片的调节完成对TEA5767的控制调台。

功放模块选择TDA1308，对调频后的电台进行放大。

显示模块选择诺基亚5110液晶显示当前收音机的频率。

下面将一一介绍简单硬件基本资料和选择该硬件具体原因。

2.2收音模块

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。

目前提供数字FMRadio解决方案的厂商很多，其中市场反响非常好的就有Philips公司提供的TEA5767及TEA5768数字FM处理芯片，该芯片为低电压、低功耗和低价位的全集成单芯片立体声无线电产品，只需要极少的外部元器件，并且基本上不需要外部对高频信号的手动调准，并且其频带范围宽，可以完全免费调到欧洲、美国和日本的调频波段。

2.2.1TEA5767特点

TEA5767芯片，通过I2C接口与单片机进行通信。

单片机按键对TEA5767进行初始化输入接收频段的频率，TEA5767内部对信号滤波、放大、解调处理，输出信号经过功放进行放大，插上耳麦即可收听到电台节目，接收频率为87M~108MHz。

（该芯片以及模块的详细介绍见第3章）

无线芯片选择是本设计的关键，有两种方案可以选择：

方案

（1）采用无线芯片TEA5767，自己设计外围电路。

方案

（2）采用相关厂家生产的TEA5767模块来实现。

很显然，第一种方案需要自己设计电路、画PCB和焊接，而TEA5767采用的是FVQFN40（耐热的薄型四脚扁平封装）封装，在短时间内和有限的条件下实现硬件功能的难度相当大。

所以本设计采用第二种方案——使用现成的模块。

2.2.2TEA5767的接口介绍

I2C（Inter－IntegratedCircuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。

是微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准。

它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。

I2C总线简介

I2C总线简介:

I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，是具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。

它只有两根双向信号线，一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。

典型的I2C结构如图所示

图2.2.1典型的I2C总线结构

I2C总线需通过上拉电阻接正电源，当总线空闲时，两根线均为高电平。

连到总线上的任一器件输出的低电平，都将使总线的信号变低，即各器件的SDA及SCL都是线“与”关系。

每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址。

主机与其它器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。

由总线上接收数据的器件则为接收器。

在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。

为了避免混乱，I2C总线要通过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。

I2C总线的数据字节必需保证是8位长度。

数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送的字节后面都必须跟随一位应答位（即一帧共有9位）。

图是I2C总线字节传送与应答时序

图2.2.2I2C总线字节传送与应答时序

由于某种原因从机不对主机寻址信号应答时（如从机正在进行实时性的处理工作而无法接收总线上的数据），它必须将数据线置于高电平，而由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。

如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过对无法接收的第一个数据字节的“非应答”通知主机，主机则应发出终止信号以结束数据的继续传送。

当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发出一个结束传送的信号。

这个信号是由对从机的“非应答”来实现的。

然后，从机释放SDA线，以允许主机产生终止信号。

I2C总线上传送的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。

在起始信号后必须传送一个从机的地址（7位），第8位是数据的传送方向位（R/T），用“0”表示主机发送数据（T），“1”表示主机接收数据（R）。

每次数据传送总是由主机产生的终止信号结束。

但是，若主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。

在总线的一次数据传送过程中，可以有以下三种组合方式：

（1）主机向从机发送数据，数据传送方向在整个传送过程中不变：

注：

有阴影部分表示数据由主机向从机传送，无阴影部分则表示数据由从机向主机传送。

A表示应答，A非表示非应答（高电平）。

S表示起始信号，P表示终止信号（下同）。

（2）主机在第一个字节后，立即从从机读数据

（3）在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相。

I2C总线的寻址在协议有明确的规定：

采用7位的寻址字节（寻址字节是起始信号后的第一个字节），寻址字节的位定义如下

其中D7～D1位组成从机的地址。

D0位是数据传送方向位，为“0”时表示主机向从机写数据，为“1”时表示主机由从机读数据。

主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的地址进行比较，如果相同，则认为自己正被主机寻址，根据R/T位将自己确定为发送器或接收器。

从机的地址由固定部分和可编程部分组成。

在一个系统中可能希望接入多个相同的从机，从机地址中可编程部分决定了可接入总线该类器件的最大数目。

由于本设计采用的STC89C52单片机没有I2C总线接口，所以要通过模拟来实现，利用软件实现I2C总线的数据传送，即软件与硬件结合的信号模拟。

为了保证数据传送的可靠性，标准的I2C总线数据传送有严格的时序要求。

I2C总线的起始信号、终止信号、发送“0”及发送“1”的模拟时序如下图所示。

图2.2.3I2C总线数据传送模拟时序

2.3控制模块

控制模块是本设计的核心，通过外围电路和向TEA5767芯片写入相关程序，控制部分要实现能够改变收音机的接收频率、工作模式、音量等各项参数的功能。

因此必须需要一个微控制器才能达到要求，本设计采用STC89C52单片机作为系统的控制核心。

2.3.1STC89C52外形和引脚

本设计采用的STC89C52芯片，芯片采用40脚双列直插式封装，32个I/O口，芯片工作电压3.8~5.5V，工作温度0-70°C（商业级），工作频率可高达30MHz，芯片的外形和引脚见下图

图2.2STC89C52芯片外形图2.3STC89C52芯片引脚图

图2.2和图2.32STC89C52外形和引脚图STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

1、STC89C52具体介绍如下：

①主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

②外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin1）：

片内振荡电路的输出端

③控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号。

④可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

PO口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

2.3.2STC89C52主要功能

STC89C52主要功能如下表所示。

表1STC89C52主要功能

主要功能特性

兼容MCS51指令系统

8K可反复擦写FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个串行中断

可编程UART串行通道

2个外部