一种优化的无线音频收发扩音系统设计

                      2019-11-06 06:11:49 物联网技术 2019年9期

                      周健 刘婷 王艺超 刘星

                      摘 要:文中设计了一种无线音频收发扩音系统,利用克拉泼振荡电路、自锁开关与射极跟随器进行选频,优化了集成芯片的调节方式,使系统频率在88~108 MHz区间可调,调整间隔可自行设定。另外,在接收部分使用两个独立的运放单元,可单独控制每一声道的声音效果,信号叠加后,通过功放电路将信号放大,从而使两个无线话筒发射出声音信号混音与扩音效果,大大降低了系统的复杂程度,增加了系统的可控性。

                      关键词:无线话筒;SP7021F芯片;无線接收;音频混合;工作频率 ;选频

                      中图分类号:TP39;TN924文献标识码:A文章编号:2095-1302(2019)09-00-03

                      0 引 言

                      随着无线电子及通信技术的发展,无线设备的发送设备已十分普遍,而无线话筒因采用无线电波工作,在使用过程中可以移动,因此适应多种场合[1]。尽管目前对于无线话筒的研究较为广泛,但在双话筒混频放大方面的研究仍然不多,本系统所制作的发射机频率在88~108 MHz范围内可调。目前市面上存在的可调模块多为BH1417F集成芯片与外围电路,但模块实际可调区间为87.7~88.9 MHz与106.7~107.9 MHz,调整间隔为200 kHz则不可调,这不仅会导致频道利用率降低,调整间隔过大,且不可调也会直接影响该话筒的实用性。我们的方案极大地优化了此类可调模块的弊端。本系统的有效通话距离超过10 m,两支发射机的载波频率同时使用,可实现两支话筒分别扩音或混音扩音。

                      1 系统方案

                      1.1 系统构成

                      无线话筒扩音系统主要由两个发射机和一个接收机构成。发射机主要由采集放大电路、克拉泼(clapp)电路、选频电路以及三极管射极跟随器组成。接收机的电路核心为单片收音机集成电路SC1088,主要包含FM信号输入、本振调谐电路、中频放大、限幅与鉴频电路、功率放大电路[2]。通过MIC(咪头)与音频输入电路采集音频信号,通过发射机的音频放大电路将音频信号进行放大,之后音频信号通过锁环调制电路对音频信号进行调制,最后通过高频功率放大器将音频信号进行放大,通过天线发送到接收机,接收机通过FM信号输入电路接收信号,之后通过本振调谐电路稳定接收发射机所发出的音频信号,再送到鉴频器检出音频信号,最后将信号通过功放电路从喇叭放出。系统的总体构成如图1所示。

                      1.2 无线话筒频率段区间可调实现方案

                      利用克拉泼振荡电路、自锁开关与射极跟随器选频。经过试验后找到合适大小的电容阻值,我们可以直接通过自锁按键对频率进行调整,便可实现200 kHz频率间隔及其他频率间隔。

                      2 硬件电路设计

                      2.1 发射机电路及其实现原理

                      无线话筒的原理如图2所示。

                      (1)通过MIC(咪头)采集音频信号,再通过一级放大电路将声音信号进行放大。

                      (2)通过克拉泼(Clapp)振荡电路对音频信号进行处理,将处理后的信号加到载波上然后通过调整电容改变载波频率,通过频率计测量载波频率。

                      (3)将调整频率后的信号经射极跟随器后通过天线向外发出。信号由三极管基极输入,从发射极输出。

                      2.2 接收机电路及其实现原理

                      通过采用以SP7021F芯片为核心的电路实现接收机的功能。接收机实物如图3所示。

                      LM386音频功率放大器输入端为差分放大器形式,输出端由于采用了OTL电路形式,因此输出端静态电压被自动偏置到电源电压的一半,使得LM386适用于电池供电场合[3]。我们使用喇叭对放大后的信号进行播放,从而模拟会场扩音的效果。

                      系统选用LM324四路运算集成电路。LM324内部集成有4个独立的运放单元,由于每个运放单元的集成电路都具有放大功能,因此可使用其中两个独立运放单元将不同频率的声音信号进行叠加,再通过一个独立单元将信号合并,最后通过功放电路将信号放大,从而达到声音信号混音与扩音的效果。混音、扩音电路如图4所示。

                      3 系统理论分析与计算

                      3.1 调频接收机参数分析及设计

                      本部分选用的芯片为SP7021F,使用3 V电压供电,在信号处理部分选择基于LM386的音频功率放大电路与基于LM324的混扩音电路。LM386的主要参数:电源电压VCC=4~12 V,输入电阻Ri≈50 kΩ,输出电阻Ro≈1 Ω,放大倍数为20~200且可调,使用104瓷片电容作为输入耦合电容,使用1 000 μF电容作为电源滤波电容,使用104瓷片电容作为去耦电容,直流静态电流为4 mA[4]。借助LM324的输入电压变化量与输入电流变化量之比衡量运放质量RiUi/Ii。分别在两个输入端口接入200 Ω电阻为运放电路提供偏置电压,两个输入端的输入信号通过功放电路进行叠加,最终通过音频放大电路输出。

                      3.2 无线话筒区间可调参数分析及设计

                      本部分音频信号先通过一级放大电路,因此选用22 nF电容对信号进行滤波,再通过克拉泼电路进行二级放大,测定可满足最小量档值的电容,频率为200 kHz。测得电容值为0.375 pF时与频率200 kHz最接近,故将0.375 pF作为200 kHz频率的一个量档,之后自锁开关对应的电容值以2倍

                      速率递增,通过调节电容值达到理想频点。当把与按键相接的电容全部断开后,调整载波频率,使其达到108 MHz,此时的频率值即为最大值,按下自锁开关,并联相应200 kHz量档的电容,从而降低200 kHz频率。在射极跟随器部分,使用100 kΩ的基极电阻使其静态工作点稳定在1.5 V。

                      为了保证芯片正常锁住频点,系统使用压控振荡器。系统采用普通的磁芯可调式电感,电感量标称值为30~60 nH,变容二极管的电容随偏置电压的变化而改变,其极限范围为7~35 pF。

                      4 系统测试方案及结果

                      4.1 测试环境

                      本项目的开发环境为Proteus8和DXP,使用有50 MHz~1.3 GHz频率计、信号发生器、示波器和直流稳压电源。为了使测试结果更明显,在88~108 MHz范围内以200 kHz為间隔进行测量。

                      4.2 测试过程

                      (1)无线话筒频率调整测试

                      制作电路板后,在电路板上的电源接口接入3 V直流电,通过频率计连接至发射机天线测得的无线话筒载波频率可在88~108 MHz间任意设定,频道频率间隔为200 kHz,该频率通过板子上的多个自锁开关选择设定。

                      (2)调频接收机测试

                      通过高频频率计对无线话筒的发射频率进行测定,测定后将我们制作的接收机也调到相同频率,之后由测试人员对无线话筒说话,我们可以从接收机外界的喇叭清晰听到测试人员的说话声。

                      (3)通信距离测试

                      在室外空旷的区域进行测量,一名实验人员在原地观察接收机发声,另一名实验人员携带发射机一边远离发射机,一边说话,直至在接收端不能接收到声音停止,记录两名实验人员之间的距离。

                      4.3 测试结果及分析

                      选取几个频段进行距离测量,测量结果记录见表1所列。

                      根据选取频率的测量范围可以得到,该无线话筒的通信范围超10 m。

                      5 结 语

                      通过以上测试结果可知,该系统可以较好地实现频率范围的选择及设定,可实现无线信号的混音与扩音,通信范围超10 m。

                      参 考 文 献

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                      [4]陈光梦.模拟电子学基础[M].上海:复旦大学出版社,2005.

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