如何設(shè)計(jì)無(wú)線音頻收發(fā)擴(kuò)音系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)線音頻收發(fā)擴(kuò)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(jìn)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(gè)獨(dú)立的運(yùn)放單元，可單獨(dú)控制每一聲道的聲音效果，信號(hào)疊加后，通過(guò)功放電路將信號(hào)放大，從而使兩個(gè)無(wú)線話筒發(fā)射出聲音信號(hào)混音與擴(kuò)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。

隨著無(wú)線電子及通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線設(shè)備的發(fā)送設(shè)備已十分普遍，而無(wú)線話筒因采用無(wú)線電波工作，在使用過(guò)程中可以移動(dòng)，因此適應(yīng)多種場(chǎng)合［1］。盡管目前對(duì)于無(wú)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(jī)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(shí)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(huì)導(dǎo)致頻道利用率降低，調(diào)整間隔過(guò)大，且不可調(diào)也會(huì)直接影響該話筒的實(shí)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(guò)10 m，兩支發(fā)射機(jī)的載波頻率同時(shí)使用，可實(shí)現(xiàn)兩支話筒分別擴(kuò)音或混音擴(kuò)音。

1無(wú)線音頻收發(fā)擴(kuò)音系統(tǒng)方案

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

無(wú)線話筒擴(kuò)音系統(tǒng)主要由兩個(gè)發(fā)射機(jī)和一個(gè)接收機(jī)構(gòu)成。發(fā)射機(jī)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(jī)的電路核心為單片收音機(jī)集成電路SC1088，主要包含F(xiàn)M信號(hào)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(guò)MIC（咪頭）與音頻輸入電路采集音頻信號(hào)，通過(guò)發(fā)射機(jī)的音頻放大電路將音頻信號(hào)進(jìn)行放大，之后音頻信號(hào)通過(guò)鎖環(huán)調(diào)制電路對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，最后通過(guò)高頻功率放大器將音頻信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)天線發(fā)送到接收機(jī)，接收機(jī)通過(guò)FM信號(hào)輸入電路接收信號(hào)，之后通過(guò)本振調(diào)諧電路穩(wěn)定接收發(fā)射機(jī)所發(fā)出的音頻信號(hào)，再送到鑒頻器檢出音頻信號(hào)，最后將信號(hào)通過(guò)功放電路從喇叭放出。系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。

1.2無(wú)線話筒頻率段區(qū)間可調(diào)實(shí)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(guò)試驗(yàn)后找到合適大小的電容阻值，我們可以直接通過(guò)自鎖按鍵對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)整，便可實(shí)現(xiàn)200 kHz頻率間隔及其他頻率間隔。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1發(fā)射機(jī)電路及其實(shí)現(xiàn)原理

無(wú)線話筒的原理如圖2所示。

（1）通過(guò)MIC（咪頭）采集音頻信號(hào)，再通過(guò)一級(jí)放大電路將聲音信號(hào)進(jìn)行放大。

（2）通過(guò)克拉潑（Clapp）振蕩電路對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行處理，將處理后的信號(hào)加到載波上然后通過(guò)調(diào)整電容改變載波頻率，通過(guò)頻率計(jì)測(cè)量載波頻率。

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

2.2接收機(jī)電路及其實(shí)現(xiàn)原理

通過(guò)采用以SP7021F芯片為核心的電路實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的功能。接收機(jī)實(shí)物如圖3所示。

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(dòng)偏置到電源電壓的一半，使得LM386適用于電池供電場(chǎng)合［3］。我們使用喇叭對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行播放，從而模擬會(huì)場(chǎng)擴(kuò)音的效果。

系統(tǒng)選用LM324四路運(yùn)算集成電路。LM324內(nèi)部集成有4個(gè)獨(dú)立的運(yùn)放單元，由于每個(gè)運(yùn)放單元的集成電路都具有放大功能，因此可使用其中兩個(gè)獨(dú)立運(yùn)放單元將不同頻率的聲音信號(hào)進(jìn)行疊加，再通過(guò)一個(gè)獨(dú)立單元將信號(hào)合并，最后通過(guò)功放電路將信號(hào)放大，從而達(dá)到聲音信號(hào)混音與擴(kuò)音的效果?；煲?、擴(kuò)音電路如圖4所示。

3無(wú)線音頻收發(fā)擴(kuò)音系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

3.1調(diào)頻接收機(jī)參數(shù)分析及設(shè)計(jì)

本部分選用的芯片為SP7021F，使用3 V電壓供電，在信號(hào)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(kuò)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≈1Ω，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 000μF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(yùn)放質(zhì)量RiUi/Ii。分別在兩個(gè)輸入端口接入200Ω電阻為運(yùn)放電路提供偏置電壓，兩個(gè)輸入端的輸入信號(hào)通過(guò)功放電路進(jìn)行疊加，最終通過(guò)音頻放大電路輸出。

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

本部分音頻信號(hào)先通過(guò)一級(jí)放大電路，因此選用22 nF電容對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，再通過(guò)克拉潑電路進(jìn)行二級(jí)放大，測(cè)定可滿足最小量檔值的電容，頻率為200 kHz。測(cè)得電容值為0.375 pF時(shí)與頻率200 kHz最接近，故將0.375 pF作為200 kHz頻率的一個(gè)量檔，之后自鎖開關(guān)對(duì)應(yīng)的電容值以2倍

速率遞增，通過(guò)調(diào)節(jié)電容值達(dá)到理想頻點(diǎn)。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(dá)到108 MHz，此時(shí)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(diǎn)穩(wěn)定在1.5 V。

為了保證芯片正常鎖住頻點(diǎn)，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(biāo)稱值為30～60 nH，變?nèi)?a target="_blank">二極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無(wú)線音頻收發(fā)擴(kuò)音系統(tǒng)測(cè)試方案及結(jié)果

4.1測(cè)試環(huán)境

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

4.2測(cè)試過(guò)程

（1）無(wú)線話筒頻率調(diào)整測(cè)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(guò)頻率計(jì)連接至發(fā)射機(jī)天線測(cè)得的無(wú)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(guò)板子上的多個(gè)自鎖開關(guān)選擇設(shè)定。

（2）調(diào)頻接收機(jī)測(cè)試

通過(guò)高頻頻率計(jì)對(duì)無(wú)線話筒的發(fā)射頻率進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定后將我們制作的接收機(jī)也調(diào)到相同頻率，之后由測(cè)試人員對(duì)無(wú)線話筒說(shuō)話，我們可以從接收機(jī)外界的喇叭清晰聽到測(cè)試人員的說(shuō)話聲。

（3）通信距離測(cè)試

在室外空曠的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，一名實(shí)驗(yàn)人員在原地觀察接收機(jī)發(fā)聲，另一名實(shí)驗(yàn)人員攜帶發(fā)射機(jī)一邊遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)，一邊說(shuō)話，直至在接收端不能接收到聲音停止，記錄兩名實(shí)驗(yàn)人員之間的距離。

4.3測(cè)試結(jié)果及分析

選取幾個(gè)頻段進(jìn)行距離測(cè)量，測(cè)量結(jié)果記錄見表1所列。

根據(jù)選取頻率的測(cè)量范圍可以得到，該無(wú)線話筒的通信范圍超10 m。

5結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上測(cè)試結(jié)果可知，無(wú)線音頻收發(fā)擴(kuò)音系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)頻率范圍的選擇及設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的混音與擴(kuò)音，通信范圍超10 m。