无线调频话筒的设计与制作.docx
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无线调频话筒的设计与制作
毕业设计成果〔产品〕
设计题目:
无线调频话筒的设计与制作
二级学院
专业
班级
学号
姓名
指导教师
年月日
诚信声明
本人重声明：
所呈交的毕业设计，是本人在指导教师的指导下，独立进展设计所取得的成果。
尽我所知，除设计中特别加以标注的地方外，设计中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承当。
毕业设计作者签名：
指导教师签名：
年月日年月日
摘要
在整个录音音响系统中，第一个重要环节是话筒。
话筒的重要性是人们时常谈论的话题。
话筒的争论往往是最剧烈而革命性的，从电子管到晶体管、从动圈到电容等。
话筒又分为有线话筒和无线话筒，无线调频话筒系统简单、本钱低廉，音质优美。
无线调频话筒的原理是将声音通过麦克风转化为音频电信号，通过改变结电容来改变高频振荡器的输出频率，产生调频波，通过高频放大与选频，最终由天线辐射。
整个电路使用ProtelDXP2004软件设计，并最终做成一块8cm*5cmPCB板，通过焊接、装配、调试完成设计产品，使用普通调频耳机在82MHz～108MHz的频率围，话筒中心10米围能正常接收。
该设计具有电压低，受话灵敏，制作简易等特点。
关键词：
调频；振荡电路；印刷电路板
1设计背景
1.1无线电技术及无线话筒
随着无线电技术的不断开展，无线话筒已经成为人们生活中不可缺少的电子设备，无线话筒系统在播送、电影、戏剧和舞台制作以及公司和教育场所都是一个重要的组成局部。
但随着数以万计的无线电设备的使用以及用户对无线话筒系统需求的增加使播送频率变得拥挤，理解无线调频话筒系统的设计和操作概念已经成为一个具有挑战性的问题。
由于可用频谱变得越来越少，在北美DTV〔数字电视〕播送的出现使得无线话筒系统的运行变得更加复杂，DTV也同样出现在欧洲，它已成为未来可能出现的频谱拥挤现象的另一标志。
鉴于以上这些事实，随着无线话筒、部通讯网络系统、耳监听系统和其它应用在各类制作的无线电通讯设备的日益普及，对于无线系统扎实的技术性理解需前所未有的。
无线调频话筒的分类方式很多，比方说根据发射使用频率分类或无线调频话筒的接收方式来分类等。
1.按照发射使用频率分类
（1）FM无线话筒：
工作原理是利用FM收音机来承受，这一无线话筒的特点是系统简单，本钱低廉，但是现在已经逐渐被淘汰，原因是使用效果不佳，不能满足专业品质的要求。
（2）VHF无线话筒：
这一无线话筒可分为低频段和高频段两类型，现在人们常常使用的是高频段无线话筒，高频段无线话筒是频率较高，使用天线较短，甚至可以设计成隐藏式天线，方便、平安又美观，且受其他电器的杂波干扰又大为减少，电路设计极为成熟，零件普遍价格低廉，现在这样的无线话筒已经是当今市场的热门机种。
2.按照无线话筒的振荡方式分类
（1）石英晶振式话筒
它的特点是以石英振荡器产生发射与接收准确稳定的固定频率，电路简单，本钱低廉，是当今无线话筒的标准电路设计。
这种类型的话筒及接收机只能固定一个频率配对使用，因此无法改变或调整使用频率。
（2）相位锁定频率合成技术的话筒
它的特点是话筒采用PLL〔频率锁相环〕的电路来设计的，防止无线话筒在使用中受到其他信号的干扰而无法使用，或为了同时使用多支话筒的场合，具有随时方便有快速的改变频道这一功能。
1.2无线话筒的开展与运用
1.无线话筒的开展
无线话筒由一开场简易的一个无线调频发射器和无线调频接收器到现在的采用专门的PLL技术，这其间大致经历了三个阶段。
〔1〕简易调频发射与接收
最初人们为了摆脱话筒线缆的羁绊，想到了类似调频播送的发射和接收原理，通过话筒的换能原理及音频调制放大发射过程，然后通过调频收音机或专用接收机接收然后放音。
但是这种方式下的无线话筒的音质、稳定性、抗干扰能力均不能满足需求。
〔2〕石英振荡的调频发射与接收
由于采用电子电路产生的RC或LC振荡，其振荡频率的稳定性受到环境影响是很大的，所以频率也不可能很高，一般只能在200MHz，在这样的频段，极易受到其它信号干扰，此时便出现了采用石英振荡体的发射与接收电路。
石英晶体的振荡频率是非常稳定的，由它组成的无线话筒发射与接收器，工作起来较为稳定，与此同时，其工作频率可在V段〔30MHz~250MHz〕,U段〔200MHz~1000MHz〕，外界对其干扰不严重，因此给无线话筒的使用带来了较好的效果。
但是在使用上，由于石英晶体的振荡频率是不可调的，因此对于一套无线话筒来讲，它的发射和接收频率是固定的，而且要求一一对应，十分的不方便，如果在某地刚好在这频点上存在干扰，那么该无线话筒就无法使用了。
〔3〕采用PLL接收的无线话筒
PLL是频率相位锁定环路的英文字母缩写，在无线话筒的发射接收中，采用频率合成的方式，可以在一个频带，满意的接收信号，在此频带，还可以任意切换工作频道。
理论上，在24MHz的频带，如果以1MHz作为频道解析度，那么可以切换25个频道；如果以125KHz作为频道解析度，那么可以切换193个频道，至于频道数的多少与接收机的频道及频道解析度有关。
2.无线话筒在日常生活中的用途
〔1〕无线话筒：
用户在唱歌、讲话或者表演时可以360度的任意转动和移动，
不会有电线绊脚、扯后腿。
〔2〕无线助听器：
具有比拟好的隐蔽性和平安性，可在远处用收音机耳机收听。
〔3〕无线报警器：
实现一定距离的无人值守。
例如可以在二楼监听一楼之门锁声音，起防盗报警器的作用。
〔4〕无线电子门铃：
由于可无线传播声音，因此也可以无线传播门铃声音，配对还可以改装成无线对讲机。
〔5〕电子助听器：
通过调节收音机或者话筒的音量，将声音放大后在送入耳机，可以有效改善老人听力。
〔6〕声控小彩灯：
将大功率功放输出端的音响改接成瓦数相当的6V、12V汽车电灯泡，调节音量适宜位置。
〔7〕小型播送电台：
适合学校工厂等单位自行举办各种节目，可以播放音乐、新闻、通知等，用收音机听。
因为无线话筒在生活中的广泛用途，所以对无线话筒的研究以及设计都具有很重要的意义，可以使我们对电子设计产生很大的兴趣。
所以这次设计我制作了一款简易的FM调频无线话筒，设计要求话筒采用调频的方式发射信号，要求频率稳定，发射距离较远。
1.3无线话筒准用频段
无线电波可以在空间自由传播，不受用途和地域限制，因此造成各种无线电设备的频率穿插重叠。
如果不加以规定和约束，不可防止地会产生相互干扰，影响正常的通信。
为此，世界上无线频率管理部门对无线电频率的使用围作了统一规定，使它们之间的相互影响降到最低。
无线话筒使用的频段有：
1.VHF甚高频波段
VHF频段的频率围为30MHz～300MHz，波长为10m～1m，通常称为“米波〞，广泛用于调频播送、电视频道、民用对讲机和传呼机。
频道占用极为拥挤，工业干扰源多。
分配给无线话筒VHF频段的频率围为169MHz～230MHz，共占有61MHz的可用频带。
与电视6～12频道占用的频率围一样。
在61MHz可用频带，无线话筒又把它分成三个波段，VHF（A）为169MHz～185MHz；VHF（B）为185MHz～200MHz；VHF（C）为200MHz～230MHz。
2.UHF超高频波段
UHF频段的频率围为300MHz～3000MHz，波长为1m～0.1m，通常称为“分米波〞，主要用于电视频道、移动、微波通信和军用雷达等。
分配给无线话筒的频率围为690MHz～960MHz，占有270MHz的可用频率围，是VHF频段的4.5倍，因此可设置更多的无线话筒通道，并且干扰源少。
在UHF频段中，无线话筒还分配到另一个更高的民用通信频段，即2300MHz～2400MHz，简称2.4G波段。
此频段的干扰源最少，但设备的生产本钱高。
2设计任务与设计方案
2.1设计任务与要求
了解无线调频话筒的构成，并设计并制作一小功率无线调频话筒。
本次设计制作调频无线话筒，要分析高频发射系统各功能模块的工作原理，提出系统的设计方案，对电路进展调试。
在此根底上可进展创新设计，如改善电路性能，故障分析，对系统进展仿真分析等。
设计一款微型调频无线话筒，发射频率在82MHz~108MHz之间，利用FM调频耳机可以实现短距离接收。
2.2设计方案选择与论证
根据设计任务和要求设计一款无线调频话筒。
无线调频话筒是将声音通过麦克风转化为音频电信号，通过改变结电容来改变高频振荡器的输出频率，产生调频波，通过高频放大与选频，最终由天线辐射。
设计框图如图2-1所示：
图2-1无线话筒结构框图
1.调制方式的选择
无线话筒按调制方式可分为调频式和调幅式，调幅是使高频载波的频率随信号改变的调制〔AM〕。
其中，载波信号的振幅随着调制信号的某种特征的变化而变化。
调频是使载波频率按照调制信号改变的调制〔FM〕。
由于调频式无线话筒相对调幅式无线话筒具有通频带宽、动态围大、传输距离远和抗干扰性强等特点，所以选择了设计并制作调频式无线话筒。
2.调频方式的选择
调频主要分为两大类：
直接调频和间接调，调频一般想到的方法就是用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号的变化规律。
通常将这种直接调变振荡器频率的方法称为直接调频法；间接调频与直接调频相比频偏较大，中心频率不太稳定，间接调频的优点是载波频率比拟稳定，但电路较复杂，频移小，且寄生调幅较大，通常需屡次倍频使频移增加。
对调频器的根本要调频频移大，调频特性好，寄生调幅小；由于间接调频电路复杂，设计要求对频率的稳定性要求不高，所以选择直接调频。
3.LC三点式振荡器的选择
LC三点式振荡器是一种广泛应用的振荡电路，其工作频率可以到达几百兆赫兹。
之所以称为三点式振荡器，是因为作为选频回路的LC并联回路有3个端点，分别与晶体管的e、b、c3个电极相连。
常见的LC三点式振荡器有电容三点式振荡器和电感三点式振荡器。
〔1〕电容三点式振荡器
图2-2电容三点式振荡器
电容三点式振荡器如图2-2所示，也称为“考毕兹〞振荡器，该种振荡器由电感和两个电容构成振荡回路,由其中的一个电容提供正反响。
其工作过程是振荡器接通电源后，由于电路中的电流从无到有变化，将产生脉动信号，因任一脉冲信号包含有许多不同频率的谐波，因振荡器电路中有一个LC谐振回路，具有选频作用，当LC谐振回路的固有频率与某一谐波频率相等时，电路产生谐振。
虽然脉动的信号很微小，通过电路放大及正反响使振荡幅度不断增大。
当增大到一定程度时，导致晶体管进入非线性区域，产生自给偏压，使放大器的放大倍数减小，最后到达平衡，即AF=1，振荡幅度就不再增大了。
于是使振荡器只有在某一频率时才能满足振荡条件，于是得到单一频率的振荡信号输出振荡频率如公式2-1所示。
1
f=
2πLC1C2〔公式2-1电容三点式振荡频率〕
C1+C2
这种电路的优点是输出波形好、振荡频率可达90MHz以上，缺点是调节频率时需同时调C1、C2两个电容不方便，适宜于作固定的振荡器，相比之下该电路较容易制作，由于其振荡频率可到达上90MHZ,所以可以用来制作成无线电发射电路，可以用来制作无线话筒，对讲机等，放大管可以用高频管9018。
〔2〕电感三点式振荡器
图2-3电感三点式振荡器
电感三点式振荡电路，又称“哈特莱〞振荡电路，如图2-3所示，交流通路如图2-4所示。
L1、L2、C1组成谐振回路，L2兼作反响网络,通过耦合电容C3将L2上反响电压送到三极管的基极。
由交流通路看出,谐振回路有三个端点与三极管的三个电极相连,而且与发射极相接的是L1、L2,与基极相接的是L2、C1即满足“射同基反〞的原那么。
因此电路必然满足相位平衡条件，其振荡频率计算参看公式2-2。
图2-4振荡电路图2-5负反响电路
11
f==（公式2-2电感三点式振荡频率）
2π（L1+L2+2M）C2πLC
该电路的特点与变压器反响式振荡电路极为相似，如图2-5所示。
必须指出它的输出波形较差,这是由于反响电压取自电感的两端,而电感对高次谐波的阻抗较大,不能将它短路,从而使Uf中含有较多的谐波分量。
因此，输出波形中也就含有较多的高次谐波。
用集成运放构成的电感三点式振荡电路如公式2-3所示,不难证明其振荡频率为：
1
f=（公式2-3电感三点式振荡频率）
2π（L1+L2）C
通过比拟结合本电路的实际情况分析，我选择了电容三点式振荡器。
3无线调频话筒硬件电路设计
3.1设计考前须知
三极管选用9018硅NPN型小功率晶体管，为B>60的高频管，耗散功率为400mw，因其在AM/FM的中频放大器和FM/UHF调频器的振荡器中作放大和振荡用。
经对其电气特性进展测试，其主要特点是：
特征频率高，能到达fT＝1100MHz〔典型值〕，而且对电源频率变化和环境温度变化具有稳定的振荡和很小的频率偏移，工作温
度围在－55～＋150°C。
它的这些特点使其能很好的应用于调频无线设备的设计中。
高频信号很容易由于幅射而产生干扰，导致振铃、反射、串扰等；而电路对此又特别敏感，因此在PCB板设计时，必须加以重视。
为此电源设计时，应尽量减少板上的通孔〔包括插件元件的引脚、过孔等〕；多增加一些地线；隔离敏感元件；在信号线边上可放置电源线，以最小化信号环路面积，减少环路数量。
传输互布线应尽量满足以下规那么：
防止传输线阻抗不连续〔阻抗不连续点是传输先突变点，如直拐角、过孔等，它将产生信号的反射。
为此，布线时应防止走线的直拐角，可采用45°角或弧线走线，尽可能地少用孔〕。
其次，要减少串扰。
串扰是信号间产生的耦合，分容性串扰和感性串扰两种，通常感性串扰远大于容性串扰。
串扰可通过一些简单的方法抑制：
1.由于容性串扰和感性串扰的大小随负载阻抗的增大而增大，所以应对串扰引起的干扰敏感信号进展适当的端接。
2.增大信号线间的距离，以减小容性串扰。
3.为减小容性串扰，可在相邻信号线间插入1根地线；但须注意，此地线每1/4波长要接入线层。
4.对感性串扰，应尽量减小环路面积，如允许，应消除次环路。
5.防止信号共用回路。
最后，随着电路速度的提高，电磁干扰越发严重，还须减小电磁干扰。
3.2无线调频话筒硬件电路
硬件电路如图3-1所示，该电路共有两局部组成，音频放大局部和高频振荡局部，主要由驻极体话筒和一只高频三极管9018组成。
三极管外围元件L1、C4、C5等外围元件组成高频振荡电路。
驻极体话筒MIC将声音信号变成电信号，通过电解电容C1耦合到三极管的基极，对高频等幅振荡电压进展调制，经过调制的高频信号通过C6，由天线向外发射。
R3、R4是三极管的直流偏置电阻R4组成直流负反响电路，使得三极管的工作更加稳定。
L1和C5决定振荡频率，调整L1的匝数及间距可改变振荡频率。
R1为驻极体话筒的供电电阻。
图3-1电路原理图
4印刷电路板的制作
4.1ProtelDXP2004软件介绍
1.ProtelDXP2004的开展历史
1985年，Protel公司成立于澳大利亚悉尼，推出第一代DOS版软件PCB软件；
1988年，在美国硅谷建立研发中心，推出升级版DOS版，ProtelforDOS,由美国传入中国；
1991年，发布世界上第一个基于Windows操作系统的EDA工具，ProtelforWindows；
1998年，推出了Protel98,将原理图设计，PCB设计，无线网络布线器等集成于一体化环境中，之后又推出Protel99,Protel99SE；
2001年，公司更名为Altium公司；
2002年，推出ProtelDXP，用户界面更加友好，操作更加便利；
2004年，推出ProtelDXP2004，功能和界面有了很大提高。
目前，最新版本为AltiumDesigner6。
2.ProtelDXP2004简介
ProtelDXP2004已不是单纯的PCB〔印制电路板〕设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是SCH〔原理图〕设计、SCH〔原理图〕仿真、PCB〔印制电路板〕设计、AutoRouter〔自动布线器〕和FPGA设计等，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计过程，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。
该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。
与较早的版本Protel99相比，ProtelDXP不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且极强化了电路设计的同步化，同时整合了VHDL和FPGA设计系统，其功能大大加强了。
3.ProtelDXP2004的主要组成
ProtelDXP2004主要由四大局部组成：
〔1〕SCH（原理图）设计系统
主要用于电路原理图的设计，为印制电路板的制作做准备工作。
〔2〕PCB〔印制电路板〕设计系统
主要用于印制电路板的设计，由它生成的PCB文件将直接应用到印制电路板的生产中。
〔3〕FPGA设计系统
主要用于可编程逻辑器件的设计。
设计完成之后，就可以制作具备特定功能的元器件。
〔4〕VHDL设计系统
硬件描述语言设计编译系统
4.ProtelDXP2004的特点
〔1〕层次化多信道原理图编辑环境；
〔2〕混合模式的SPICE3f5/Xspice仿真；
〔3〕布局前后的信号完整性分析；
〔4〕基于FPGA设计的现场交互式开发；
〔5〕PCB和FPGA项目之间的自动FPGA引脚同步；
〔6〕规那么驱动的板极布线和编辑；
〔7〕综合集成化的库；
〔8〕改良的Situs型自动布线；
〔9〕完整的CAM输出和编辑性能。
4.2PCB板的制作流程
1.印刷电路板的制作工艺
制电路板的过程较为复杂，它涉及的工艺围较广有机械加工工艺、光化学、电化学、热化学等。
任何环节出现出现问题都会造成制板失败而且无法回收再利用所以必须严格按照工艺流程进展。
PCB根据结构不同分为单面板、双面板、多层板。
本次毕业设计的制板相对简单没有大规模电路所以采用的工艺是是单面板、热转印利用静电成像原理，将打印在含树脂电墨粉的热转印纸上的线路图，通过静电热转印，在覆铜板上生成电路板图的防腐蚀图层，然后用腐蚀液进展留下防腐蚀图层。
2.原理图设计
〔1〕要用ProtelDXP2004软件画出原理图如图4-1所示，首先新建一个工程；
〔2〕在工程里添加一个新的原理图文件；
〔3〕图纸规格要根据电路图的容和标准化要求来进展；
〔4〕装载元件库，添加需要用的元件库，查找需要的元件，放到原理图中；
〔5〕找到所有元件后，把元件位置、方向调整到适宜地点；
〔6〕根据电气关系，用导线和网络标号将各个元器件连接起来；
〔7〕对原理图进展必要的文字注解和图片修饰；
〔8〕用软件提供的验证工具，检查各种规那么。
图4-1原理图
3.PCB布线图的设计
〔1〕生成原理图网络表；
〔2〕装载元器件封装库；
〔3〕新建一个PCB文件；
〔2〕将原理图转成PCB封装图；
〔3〕将转换后的封装，调整到适宜位置；
〔4〕规那么设置，设置线径、布线板面、平安距离等〔普通线径60mil,电源线径80mil,单面底层布线，平安距离20mil〕；
〔5〕根据电气关系，手动用导线将各个焊盘连接起来；或画出禁止布线区确定布线围，再采用自动布线；
〔6〕检查是否规，得出PCB布线图如图4-2所示；
〔7〕生成输出制造文件。
图4-2PCB布线图
4.钻孔
钻孔利用AltiumDesigner一体化的电子产品开发系统，这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进展设计；翻开AltiumDesigner软件，设置好比例、孔径等把制造输出文件导入AltiumDesigner，生成钻孔文件自动钻孔相比人工钻孔保证PCB的质量。
钻孔点位图如图4-3所示，图4-4为钻孔过程。
图4-3钻孔分布图
图4-4钻孔过程
5.刷板
覆铜板放置在空气中会被氧化为了保证转印的质量必须保证覆铜板的光洁度，防止转印失败必须通过刷光机进展刷板，同时刷板能去除钻孔时留下的毛刺防止刮伤转印纸影响转印质量。
刷板过程如图4-5所示。
操作步骤如下；
（1）旋转调节手柄，调节上、下刷轴的距离；
（2）开启水阀，查看喷出的水流是否流畅，水流不畅或干刷易损坏刷轴；
（3）启动上刷检查是否工作正常；
（4）开启风机和加热开关，使温度到达恒定温度；
（5）启动传动开关把覆铜板放置传送口；
（6）传送带出口检查洗刷的覆铜板，合格后进展热转印，如不合格再重复上述步骤。
图4-5刷板
6.打印丝印层和布线层
打印布线层和丝印层是用激光打印机在热转印纸上打印，打印后的PCB布线图如图4-6所示。
打印图纸步骤如下：
〔1〕页面设置对打印纸的尺寸和打印方向进展设置；
〔2〕打印预览对设置完成的数据进展查看确认准确无误；
〔3〕分层打印出底层和丝印层。
图4-6覆铜板与热转印纸
7.热转印线路图
热转印线路图过程如图4-7所示，步骤如下：
〔1〕热转印机需要时间加热所以先开启打印机，将转印温度设置在160℃至180℃；
〔2〕用热转印纸打印出线路图覆盖在覆铜板上对准元器件孔位并用耐热胶带进展固定；
〔3〕将转印纸面朝上送到传递口，一般转印一次即可完成油墨的覆盖。
图4-7热转印过程
8.蚀刻
腐蚀是利用氧化复原反响把没有油墨覆盖的局部去除,步骤如下：
〔1〕由于喷蚀机需要时间加热所以先开启喷蚀机进展设置，腐蚀时间一般设
置40s、温度一般为50℃；
〔2〕转印成功线路后撕去转印纸把覆铜板放置在喷蚀机的夹板上固定；
〔3〕根据腐蚀情况酌情设置腐蚀时间进展2次、3次屡次腐蚀防止一次长时间腐蚀过头造成不可补救。
9.热转印丝印层
将蚀刻好的电路板洗去转印油墨露出铜线路在电路板元器件安装面进展热转印，方便安装调试步骤和转印线路一样。
热转印元器件标识后的成品如图4-8所示。
图4-8成品图
5安装与调试
5.1元器件的检测
1.为了保证一次装调成功，防止因为元器件的损坏造成的装调失败必须对表5-1中元器件进展准确的识别和检测。
表5-1元件清单
元件清单
序号
名称
型号规格
位号
数量
1
三极管
9018
VT
一只
2
振荡线圈
ST
L1
一只
3
驻极体
BM
一只
4
色环电阻
100
R4
一只
5
色环电阻
120
R1
一只
6
色环电阻
4.7K
R2
一只
7
色环电阻
36K
R3
一只
8
电解电容
0.47uf
C1
一只
9
瓷片电容
6pf
C4、C6
两只
10
瓷片电容
36pf
C5
一只
11
瓷片电容
68pf
C3
一只
12
瓷片电容
102
C2
一只
13
开关
K
一只
14
发射天线
15～25cm
TX
一根
15
印刷电路板
8cm*5cm
一块
16
电池架
5号电池
一个
17
电池弹簧
一个
18
电池极片
一片
19
螺丝
2*4
两粒
20
导线
数根
2.三极管的检测
三极管是个含有两个PN
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