鎖相環(huán)和頻率合成技術在數(shù)字式收音機中設計應用

1 引言

作為收音機重要組成部分的調諧電路和本振電路一直采用傳統(tǒng)的電容、電感手動調臺方式。近年來，隨著無線電通信技術的迅速發(fā)展，鎖相環(huán)和頻率合成技術在各個領域得到了廣泛的應用。由于鎖相環(huán)具有跟蹤特性、窄帶濾波特性和鎖定狀態(tài)無剩余頻差存在，因此在頻率合成技術中采用鎖相環(huán)路可以產(chǎn)生頻率準確度很高的振蕩信號源。利用這種振蕩信號源產(chǎn)生的頻率作為收音機電路的調諧頻率和本振頻率可以實現(xiàn)數(shù)字化收音。利用單片機控制鎖相環(huán)路中的分頻數(shù)就可以改變振蕩信號源的輸出頻率，以達到調臺的目的。設計要求主要有：

（1）接收FM信號的頻率范圍為88-108MHz；

（2）調制信號的頻率范圍為100-15000Hz，最大頻偏75kHz；

（3）最大不失真輸出功率）100mW（負載阻抗8n）；

（4）接收機靈敏度≤1mW；

（5）鏡像抑制性能優(yōu)于20dB；

（6）能實現(xiàn)數(shù)字化的自動搜臺、手動調臺、存臺和頻率顯示等功能。

2 設計方案

采用專用的芯片可以使整個系統(tǒng)體積小、重量輕、可靠性好、靈敏度高、功耗低。

2.1整機電路方案

設計中高放、混頻、中放、解調等電路采用CXA1019S；自動調諧、程控搜索、電臺載頻顯示等功能由鎖相頻率合成器芯片BU2614，MCS-51系列單片機及相應的外圍電路配合完成。通過BU2614的串行口與單片機通信來改變分頻比，用BU2614內部的分頻器和鑒頻鑒相器，與CXAl019S的本振VCO構成數(shù)控鎖相環(huán)，通過改變分頻比改變接收的頻點。選臺和頻率顯示、存臺等由單片機AT89C52和MAX7219，93C46芯片配合完成，系統(tǒng)框圖如圖所示1。

2．2各部分電路的設計

（1）收音單元。目前市場上收音機的集成芯片很多，CXAl019S用于便攜式收音機及頭盔式收音機，其接收靈敏度高、鏡像抑制性能好、外圍元件少且輸出功率大。FM時Vcc：5V，工作電流為5．3mA；在Vcc=6V、RL-8Ω時，輸出功率為500mW。收音單元電路如圖2。

（2）鎖相頻率合成單元。這一部分既是設計的重點也是難點，F(xiàn)M調頻收音機的接收頻率范圍是88-108MHz，因此所選用的頻率合成器芯片最高頻率須達到110MHz才能滿足要求。ROHM公司生產(chǎn)的鎖相頻率合成調諧集成芯片BU2614最高頻率可達到130MHz，完全滿足要求，另外該芯片內帶有高靈敏度的RF放大器，支持IP計數(shù)功能。利用鎖相環(huán)路法構成數(shù)字式頻率合成器，應用BU2614內部的數(shù)字邏輯電路把壓控振蕩器VCO頻率一次或多次降頻至鑒相器頻率上，再與參考頻率在鑒相電路中進行比較，所產(chǎn)生的誤差信號用來控制VCO的頻率，使之鎖定在芯片內參考頻率的穩(wěn)定度上。BU2614應用電路如圖3所示。

為了按要求保證搜索到所有電臺，標準頻率fr設定為25kHz，本振輸出頻率fo為98．7-118．7MHz，可采用分頻方式，環(huán)路的可編程分頻器的分頻比N為

N=fo\fr

BU2614分頻比變化范圍為

VCO為本振壓控振蕩器，實際測得的VCO增益為

BU2614的外圍電路工作原理：⑤腳接收單片機的串行數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為12腳反饋頻率FMOSC提供分頻系數(shù)N，內部標準頻率由串行數(shù)據(jù)位中的R0，R1，R2的取值確定。該設計選擇R0，R1，R2均為“1”，標準頻率為25kHz與頻率FMOSC／N比較，在PD輸出相位比較信號，根據(jù)PD輸出端的不同狀態(tài)，從低通濾波器得到相應的直流電壓，該電壓加在CX-A1019S收音機回路的調諧和本振回路中的變容二極管上，使得調諧頻率和本振頻率的改變與天線BPF輸出的載波信號諧振收到電臺，實現(xiàn)電調諧功能。而本振頻率通過電容耦合反饋到BU2614中使得頻率鎖定。

（3）顯示單元。常用的顯示接口電路多由8155，8279等芯片構成，由于這些芯片與單片機連接時需占用P0，P2口，且動態(tài)掃描方式占用單片機內部系統(tǒng)資源比較大。為簡化單片機的外圍電路，用MAX7219構成一個6位靜態(tài)顯示模塊，它只需占用AT89C52的3個口線，即可完成顯示功能。

（4）鍵盤電路。由于本設計中使用的按鍵較多，因而采用了功能鍵與數(shù)字鍵分開識別的方式，即功能鍵采用查詢方式，數(shù)字鍵采用編碼動態(tài)掃描方式，這樣既可減少掃描占用的時間，又可以簡化程序。

（5）關機數(shù)據(jù)存儲單元。根據(jù)設計要求，該機具有掉電后能夠保存所存儲電臺的功能。目前市場上并行EEPROM類型很多如2764A，2864A等，體積大且無關電保存數(shù)據(jù)功能。而串行EEPROM體積小、價廉、電路連接簡單，如93C46是電擦除可編程只讀存儲器，具有在線擦除和改寫數(shù)據(jù)功能，能滿足關電保存數(shù)據(jù)的要求。另外采用串行的形式，能節(jié)省單片機的口資源。

（6）程序運行監(jiān)視單元。為加強程序運行的可靠行，需要對程序的運行狀況進行監(jiān)視，以防止程序彈飛到一個臨時構成的死循環(huán)中，導致整個系統(tǒng)完全癱瘓。因此有必要在電路中設置看門狗電路（WATCHDOG電路）?，F(xiàn)在常用的看門狗電路既有硬件構成的，也有純軟件構成的，但純軟件的WATCHDOG系統(tǒng)需要設置高級中斷子程序，占用較多的單片機內部資源，必將影響整機的運行速度。硬件構成的WATCHDOG系統(tǒng)的硬件部分完全獨立于CPU，可靠性大大提高。

（7）電源單元。由于BU2614，CXAl019S以及單片機系統(tǒng)需要5V電源電壓，而變容二極管需要9V以上的電壓，若采用單電源+5V供電，則必須采用DC-DC模塊升壓得到+12V電壓。

3 軟件系統(tǒng)設計

在收音機開機后，首先把上次關機時的電臺調出來，并把上次關機前的各個臺號存儲的電臺頻率數(shù)據(jù)還原。然后開始動態(tài)掃描各個數(shù)字鍵，判斷是否直接調用已存好的電臺。如果有數(shù)字鍵按下，則調用已存在該鍵下的電臺，并顯示該電臺頻率。如果沒有數(shù)字鍵按下則轉入判斷功能鍵。當有功能鍵按下時，則執(zhí)行相應的功能。若沒有功能鍵按下，則存儲當前電臺數(shù)據(jù)后再返回繼續(xù)進行循環(huán)掃描。主程序流程圖如圖4所示。

4測試結果分析改進措施

設計制作完成后，對整機進行了測試，結果完全達到了預想的要求，可實現(xiàn)全頻段范圍搜索、選擇存儲電臺，在特定范圍搜索選擇存儲電臺，調用已存儲的任意電臺，載波頻率顯示等功能，接收機鏡像抑制比極高，但也存在著各頻點靈敏度略有不同的問題，經(jīng)調整天線輸入端的帶通濾波器及相關電路，效果有較大改善。

從本調頻收音機所采用的器件來實現(xiàn)的功能上看，還有可以改進和完善的地方，如顯示采用LCD液晶顯示可提供漢字信息、增加時間顯示，功能鍵采用復合鍵以減少按鍵的數(shù)量；從整機供電、攜帶方便等角度考慮，整機應采用更低的電源供電。

總的來看，該設計的接收性能達到了要求，有的已遠超過設計要求，控制功能基本完善。