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2018年四川省TI杯大学生电子设计竞赛 无线话筒扩音系统（F题） 【XG-01-本-E组】 2018年7月23日
摘 要 本题设计了一个无线话筒扩音系统，以TI公司超低功耗的MSP430芯片模拟调频方式，控制实现无线话筒载波频率在88MHz~108MHz间任意设定，间隔200kHz或100KHz可调，搭建外围电路（包括音频放大、收发端、射频放大、Nokia5110液晶、DSP按键等），最后实现短距无线话筒扩音系统，音频信号无明显失真。通过手动控制实现分别对两只话筒扩音或混声扩音。最终完成了一个具备噪声消除、软静音、低音增强等功能、灵敏度高、噪声小、抗干扰能力强、具备收发频率显示功能的FM收发机。 关键词：MSP430 模拟调频 收发一体 低噪 Abstract Subject designed a wireless microphone sound amplification system, by TI company of ultra-low power MSP430 chip analog FM mode, control to realize the wireless microphone carrier frequency set arbitrary between 88 MHZ to 108 MHZ, interval adjustable 200 KHZ or 100 KHZ, structures, peripheral circuit (including audio amplifier, its origins, rf amplifier, Nokia5110 LCD, DSP buttons, etc.), finally achieve the short distance wireless microphone sound amplification system, audio signal no significant distortion. By manual control of two microphones amplification or mixed sound amplification. Finally completed a have the noise elimination, soft mute, bass boost, and other functions, high sensitivity, low noise, strong anti-jamming ability, have the FM transceiver to send and receive frequency display function. Keywords: MSP430 analog FM transceiver integrated low noise 目 录
无线话筒扩音系统（F题） 【XG-01-本-E组】 1系统方案本系统主要由接收和发送模块、音频放大模块、射频放大模块、F S K调相模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 1.1 接收和发送模块的论证与选择方案一：采用集成的PLL频率合成器MB15A02，仅作为单一功能模块，具有局限性，且外部电路较为复杂，杂散水平较高。 方案二：采用Si4720芯片对无线音频信号进行收发，i4720/21的数字集成降低了传统的产品所需的外部元件，设计简便，软件可编程，但成本较高。 方案三：采用RDA5820芯片，它是一种单片集成的具有完全集成的合成器、IF选择性和MPX译码器，且Ze是无调整的。而强大的低IF数字音频处理器，使得它具有最佳的声音质量和变化的接收条件。使用的双合成器使其具有良好的传输性能和捷变性，完全符合题目要求。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.2 音频放大的论证与选择方案一：自己搭建VCO（电容三点式）FM调制器与锁相环频率合成器，以及解调电路（见图），硬件工作量大，高频线路布线难度大，PCB工艺要求高。 方案二 ：采用OPA2333，由于带宽宽度积不够，且需要做电压抬升，硬件要求较高，不适合做MIC放大器，故不予采用。 方案三：采用TPA6211芯片，完全微分设计，具有良好的CMRR和较低的总谐波失真。但效率不高，且TPA6211A1是高性能CMOS音频放大器,需要足够的电源去耦，故本题不能达到要求。 方案四 ：采用OPA2365，属于低压运放的一种，效率高，有足够的带宽宽度，且失真度较低，各项指标均满足题目要求。 综合考虑采用方案四。 1.3 射频放大的论证与选择方案一：使用THS3092电流反馈型放大器。电流反馈型放大器较常见的电压反馈型放大器相比，具有更好的频率特性，没有固定的贷款增益积，在高频电路中对波形的失真较小。该芯片的噪音小，带宽高，适合于前级的小信号放大。 方案二：采用高带宽、大压摆率运算放大器实现大于 52dB 的增益。运放具备高开环增 益、高输入阻抗和低输出阻抗，由运放构成的放大器电路虽然具备良好的线性，但由于其 高开环增益以及反馈机制的存在，运放电路的频响一般较差。 方案三：使用9018三极管元件搭建共基级放大器。在三极管搭建的两级放大电路中，共基极放大器有电压增益大、电流增益小、输出电阻小、适合于高频工作等特点。且综合性价比较低，实现容易。 综合以上三种方案，选择方案三。 1.4 控制系统的论证与选择方案一：采用经典的STC89C51单片机作为主控电路，辅以5110背光液晶能够满足题目的3V供电要求， 但由于只有8位内部总线，受其结构本身限制很大，模拟功能控制功能受限制。 方案二：采用STC32F103系列单片机，本身功能十分强大，但功耗较大，不能满足3V供电要求。 方案三：采用TI公司的MSP430F5529开发板，具有超低电流，超低功耗，且16位的内部总线以及混合型的结构满足本题所需。 综合考虑采用方案三。 2系统理论分析与计算2.1 前置放大器的分析 OPA365 产品系列实现真正的轨至轨输入运行电源电压低至 ±1.1V (2.2V)。独特的零交叉输入拓扑消除了许多典型的轨至轨互补级运算放大器的输入失调电压转换区域。该拓扑还使 得 OPA365 能够在整个输入范围内（扩展到超过两个电源轨 100mV）提供出色的共模性能，如图2-1 所示。当驱 动 ADC 时，OPA365 的高线性 VCM 范围确保运算放大器或 ADC 系统线性性能不会下降。 file:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps9593.tmp.jpg file:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps9594.tmp.jpg 图2-1 OPA365共模范围内线性失调电压 图2-2运算放大器 前置音频信号放大采用TI公司的HT9032设计产生一个约10倍放大的信号，根据运算放大器放大公式file:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps9595.tmp.jpg，设置Rf=49KΩ，Rg=5KΩ，得到一个较稳定的放大信号。电阻分压器提供 VCM 的单电源驻极体麦克风应用。分压器还为驻极体元件提供偏置电压2.2 接收发送端的分析与计算
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采用RDA5820芯片与单片机通信，RDA5820支持全球和校园频带:50 -115 MHz，IIC串行数据总线接口通讯,支持外部基准时钟输入方式。基于RDA的专利“双”
合成器——RF结构，它具有完美的调频接收和发射性能，同时也有至少一个外加分量。除了FM、接收和传输之外，RDA5820还具有I2S输入/输出、音频放大、集成PCB天线功能等。2.3 后级射频放大的分析计算 file:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps9597.tmp.png 射频放大部分采用晶体管级联放大，后接LC 滤波网络滤除干扰，LC滤波主要是电感的电阻小，直流损耗小。对交流电的感抗大，滤波效果好。电感的感抗公式file:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps9598.tmp.jpg 可知，电感L 越大，频率f越高，感抗就越大。因为电容器的容抗file:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps9599.tmp.jpg 。又会随信号频率升高而变小，而电感器的感抗file:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps959A.tmp.jpg 会随信号频率升高而增大，把电容、电感进行串联、并联或混联应用，以致能让该频率信号顺利通过或阻碍它通过，从而起到选取某种特定频率信号和滤除某种频率信号的作用。 功率放大电路是一种以输出较大功率为目的的放大电路。它一般直接驱动负载，带载能力要强。功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级。本次设计采用TI公司超低功耗的MSP430系列的开发板作为主控系统，运用TI公司的HT9032芯片实现前级音频信号的放大，后面用单片机控制占用 88-108MHz的频段，运用调相方式，将信号发出，通过5820接收模块接收信号进行解调，最终通过射频放大模块将音频信号发出。 系统总体框图如图3-1、3-2所示， file:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps959B.tmp.jpg图3-1 file:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps959C.tmp.jpg图3-2 3.2 接收段5820模块电路原理图接收电路采用RDA5820芯片与单片机进行频率通信，达成IIC协议后，将数据流传入单片机对数据进行解码，得出频段信息并由单片机控制显示。 file:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps959D.tmp.jpg 图3-4 4程序的设计4.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述 据题目要求软件部分主要实现对频率的设定调节，对主系统的控制以及功能的显示。当系统加电时，通过单片机调节频段值，从咪头产生的声音，可通过调频收音机调到相应频段时接收到。利用键盘调节频段的选择。 1）键盘实现功能：调节频率值、控制步进值。 2）显示部分：显示可调频段以及所处频段，运行错误进行报错。 2、程序设计思路 4.2程序流程图1、主程序流程图（见图4-1） file:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps95AE.tmp.jpgfile:///C:\Users\LZY\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps95AF.tmp.jpg 图4-1 图4-2 2、RDA5820程序流程图（见上图4-2） 4测试方案与测试结果4.1 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。 测试仪器：双踪示波器，学生电源，数字万用表，普通调谐收音机 4.2 测试结果及分析4.2.1测试结果(数据)距离远近对接收效果的影响结果如下表所示： （单位/米） 放大倍数对功率倍数的影响： （单位/米） 前置放大倍数对功率的影响： （单位/米） 4.2.2测试结论综述，本次设计载波频率范围为 88MHz~108MHz，最大频偏为 75kHz，音频信号带宽为 40 Hz~15 kHz，天线长度小于 0.5 米，频信号应无明显失真。无线话筒载波频率可以在 88MHz~108MHz 间任意设定，频道频率间隔200kHz。 制作与无线话筒相应的接收机，通信距离大于 10m。8Ω负载下，最大音频输出功率为 0.5W。手动控制实现分别对两只话筒扩音或混声扩音。两只无线话筒在开机时可以自动检测信道占用情况，如果发现相互存在干扰或存在其他电台干扰，可以通过自动选择载波频率规避干扰信号。响应时间小于 1 秒。本设计达到设计要求。 5总结设计采用MSP430开发板为控制核心，实现了一款能够进行无线传输的话筒扩音系统。通过测试，系统不但完成了基本要求，也完成了发挥部分的要求。经过几天的努力实践，不断的测试，不断的改进电路和程序，我们最终圆满完成了设计任务。在设计过程中，我们不仅仅使自身水平得到了检验，更重要的是学到很多课本上没有的知识，使自己得到了进一步的提高。同时也特别感谢各位老师和同学的帮助和支持，使我们这次设计能够顺利完成。 6参考文献[1] 童诗白 华成英、《模拟电子技术基础》 高等教育出版社 2004年10月 [2] 张肇仪，徐承和等译.《射频电路设计一理论与应用》.电子工业出版社.2002. [3] 黄智伟．《全国大学生电子设计竞赛训练教程》.电子工业出版式社，2005年第1版 [4] 高吉祥，黄智伟，陈和.《高频电子线路》.电子工业出版社，2003年第1版 [5] 黄智伟.《电子电路计算机仿真设计》. 电子工业出版社，2004年第1版 [6] 黄智伟.《射频集成电路原理与应用》. 电子工业出版社，2004年第1版 [7]Carl J.Weisman《The Essential Guid To RF and Wireless( Second Edition)》 中译本、刘志华等译，清华大学
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