吳家烜

(黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

基于PLL和TA31136的調(diào)頻接收機(jī)設(shè)計(jì)

吳家烜

(黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

基于PLL鎖相環(huán)頻率合成方法，研究一種采用單片機(jī)和 TA31136 實(shí)現(xiàn)FM接收機(jī)的方法。電路設(shè)計(jì)采用超外差結(jié)構(gòu)，電路控制采用STC12C5A60S2單片機(jī)，可通過(guò)按鍵直接設(shè)置接收頻率，用LCD1602液晶顯示頻率，接收頻率范圍為 70～110 MHz，最終實(shí)現(xiàn)基于PLL和TA31136的FM接收機(jī)。經(jīng)測(cè)試，兩本振信號(hào)頻率準(zhǔn)確，接收效果良好，符合設(shè)計(jì)要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

單片機(jī)；PLL；混頻；FM接收機(jī)

調(diào)頻接收機(jī)廣泛應(yīng)用于FM廣播、無(wú)線監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)让裼煤凸I(yè)領(lǐng)域。接收機(jī)的主要指標(biāo)有：噪聲系數(shù)、靈敏度、互調(diào)失真、三階截點(diǎn)、無(wú)雜散范圍和內(nèi)部雜散響應(yīng)等，比發(fā)射機(jī)更多，設(shè)計(jì)要求更高[1]。隨著技術(shù)的發(fā)展和器件的進(jìn)步，調(diào)頻接收機(jī)的方案從傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)方案發(fā)展到直接下變頻方案、鏡頻抑制接收方案、數(shù)字零中頻方案等。同時(shí)，芯片公司也設(shè)計(jì)了許多功能豐富的單片集成FM芯片，如RDA5807、TEA5990等，只要加上單片機(jī)控制和一些簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)民用公開頻段的FM接收功能。但這種集成FM芯片存在低噪大、靈敏度低、頻率范圍被限定、電路設(shè)計(jì)不靈活等諸多問(wèn)題，應(yīng)用范圍較為局限。而在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的直接下變頻方案、數(shù)字零中頻方案硬件成本較高，電路復(fù)雜，較適合運(yùn)用于在對(duì)電路成本不敏感的電子設(shè)備中。超外差接收機(jī)方案至今仍然是使用最為廣泛和成熟的技術(shù)，且具有性價(jià)比高、指標(biāo)好、頻率范圍大、雜散抑制特性好等特點(diǎn)。因此，本文所討論的就是一種基于超外差接收機(jī)原理和 STC12C5A60S2單片機(jī)控制，通過(guò)采用PLL和 TA31136來(lái)實(shí)現(xiàn) FM接收機(jī)的設(shè)計(jì)。

1 電路原理

典型的超外差調(diào)頻接收機(jī)，將接收到的射頻不失真地降低為一個(gè)固定的中頻(一般為450 kHz或者455 KHz)。但寄生通道干擾，特別是鏡像頻率干擾，是這種一級(jí)混頻的結(jié)構(gòu)面臨的嚴(yán)重問(wèn)題。而唯一的解決辦法就是提高中頻，但僅僅提高中頻亦會(huì)導(dǎo)致解調(diào)困難等問(wèn)題出現(xiàn)，因此選取折中方案，即改進(jìn)為超外差式二次混頻結(jié)構(gòu)[1-3]，如圖1所示。

圖1 超外差式二次混頻結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)主要是將RF射頻信號(hào)在解調(diào)前利用二級(jí)混頻和放大電路進(jìn)行逐級(jí)變頻和放大，最終達(dá)到可處理的低中頻解調(diào)信號(hào)頻率[2]。圖1中包含兩次混頻，一次混頻通常采用高中頻，以提高鏡像抗拒比，常見的高中頻有10.7、21.4、38.4和45 MHz等[2]；二次混頻采用低中頻，用于提高接收機(jī)的選擇性，常用的有450、455或者465 kHz等。這種超外差式二次混頻結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性和靈敏度高等特點(diǎn)，其電路復(fù)雜度高、集成度差。

2 調(diào)頻接收機(jī)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)框圖

本設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)頻率范圍為70～110 MHz，步進(jìn)0.1 MHz的調(diào)頻接收機(jī)，系統(tǒng)帶1602液晶顯示和4×4鍵盤控制，頻率可預(yù)設(shè)和步進(jìn)調(diào)節(jié)。接收機(jī)采用超外差二次混頻結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 調(diào)頻接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

當(dāng)天線接收到RF射頻信號(hào)后，經(jīng)過(guò)第一級(jí)的低通濾波器和LNA放大弱小信號(hào)，再經(jīng)過(guò)一級(jí)帶通濾波器后進(jìn)行第一級(jí)混頻。第一中頻為10.7 MHz，則第一級(jí)混頻本振頻率范圍為59.3～99.3 MHz，本振信號(hào)由PLL頻率合成器電路產(chǎn)生。鎖相環(huán)部分主要由鎖相環(huán)芯片MC145170和VCO芯片MC1648兩個(gè)芯片組成的鎖相環(huán)頻率合成電路，而MCU部分由STC12C5A60S2單片機(jī)負(fù)責(zé)送控制命令和實(shí)現(xiàn)顯示鍵盤功能。第一級(jí)的混頻電路選用雙柵mos管BF1212WR進(jìn)行混頻?；祛l輸出10.7 MHz的第一中頻，經(jīng)過(guò)10.7 MHz的陶瓷帶通濾波器和低噪放，抑制雜散信號(hào)，然后進(jìn)入中頻解調(diào)芯片TA31136進(jìn)行二次混頻。二次混頻的本振頻率為10.25 MHz，本振信號(hào)由無(wú)源晶振搭設(shè)的皮爾斯振蕩器產(chǎn)生。二次混頻后輸出450 kHz的第二中頻。經(jīng)過(guò)中頻解調(diào)芯片TA31136進(jìn)行鑒頻解調(diào)出低頻信號(hào)，最后由低頻功放放大輸出。

2.2關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.2.1 59.3～99.3 MHz的PLL頻率合成器

在系統(tǒng)中，最重要也是核心部分就是PLL頻率合成器，其作用是給系統(tǒng)的第一混頻提供高質(zhì)量的本振。頻率合成器框圖如圖3所示。

圖3 59.3～99.3 MHz PLL頻率合成器

59.3～99.3 MHz的PLL頻率合成器的鎖相環(huán)的核心部分主要由兩個(gè)芯片：MC145170鎖相環(huán)芯片和VCO芯片MC1648組成的，而單片機(jī)MCU部分負(fù)責(zé)控制鎖相環(huán)芯片MC145170和實(shí)現(xiàn)液晶顯示鍵盤等功能。MC145170鎖相環(huán)芯片是一片可用于最高工作頻率185 MHz、可用SPI串行碼輸入編程的單模CMOS單片鎖相環(huán)頻率合成器芯片，而MC1648是最大輸出頻率為225 MHz的集成VCO芯片。12 MHz的晶振產(chǎn)生本振信號(hào)送到芯片MC145170內(nèi)部的分頻器和鑒相器處理；MC1648芯片負(fù)責(zé)產(chǎn)生壓控振蕩，同時(shí)送到MC145170芯片內(nèi)部的分頻器和鑒相器進(jìn)行處理，在芯片MC145170的第13管腳輸出一個(gè)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器，得到一個(gè)直流分量。該直流分量控制壓控振蕩器，從而達(dá)到鎖相目的。

單片機(jī)控制芯片采用教學(xué)中經(jīng)常使用的STC12C5A60S2單片機(jī)，其中P2為數(shù)據(jù)線，P1作為4×4的按鍵使用，而P0口作為L(zhǎng)CD1602液晶的顯示控制。主程序先對(duì)LCD1602進(jìn)行初始化，再根據(jù)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分。之后設(shè)定一個(gè)初始頻率值80 MHz，并且判斷送來(lái)的頻率是否在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。在范圍之內(nèi)，則顯示頻率值，否則顯示為“out of range..”。其程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程

為了保證該芯片正確工作，編程前應(yīng)該對(duì)芯片進(jìn)行復(fù)位操作。復(fù)位后, 就可以按照C、N、R的順序進(jìn)行3個(gè)寄存器的操作。這里取R 值等于100 ，選定鑒相器工作頻率為晶振頻率的1/100 ( 即100 kHz) 。N的值可按所需要的頻率編程。由于頻率合成器的輸出頻率范圍是59.3～99.3 MHz， 因此，該數(shù)值的設(shè)定值應(yīng)在593～993之間。

2.2.2 一次混頻電路

混頻器的構(gòu)成一般為本振、非線性器件和濾波器。常用于混頻的非線性器件有二極管、三極管和雙柵場(chǎng)效應(yīng)管等分立器件[2]。隨著IC電路設(shè)計(jì)的發(fā)展，混頻器也往往會(huì)集成到芯片中，成為芯片設(shè)計(jì)中的一部分。雙柵場(chǎng)效應(yīng)管相對(duì)于二極管、三極管混頻電路，有增益大、噪聲小，動(dòng)態(tài)范圍大，混頻失真小等特點(diǎn)[2]。為了降低成本和便于調(diào)試測(cè)試，采用基于對(duì)講機(jī)電路中常用的雙柵極N溝道場(chǎng)效應(yīng)管BF1212WR作為混頻器?；祛l電路如圖5所示。

圖5 一次混頻電路

在此混頻電路中，射頻信號(hào)(ANT)和59.3～99.3 MHz的本振信號(hào)分別輸入兩個(gè)柵極，利用雙柵mos管的乘法運(yùn)算特性進(jìn)行混頻。輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)10.7 MHz的陶瓷濾波器濾除干擾后送到下一級(jí)。在上圖中，R1～R4為電壓偏置電阻，用來(lái)導(dǎo)通mos管。

2.2.3 10.25MHz皮爾斯振蕩器

二次混頻所采用的10.25 MHz本振信號(hào)有兩種方案：一種是直接用10.25 MHz的有源晶振，另一種是用無(wú)源晶振去搭設(shè)一個(gè)皮爾斯振蕩器。相比較而言，有源晶振結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但成本高；皮爾斯振蕩器有低功耗、低成本及良好的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，完全可以取代有源晶振。而皮爾斯電路是一種設(shè)計(jì)接地的并聯(lián)型晶體振蕩電路，如圖6所示。

圖6 10.25 MHz皮爾斯振蕩器

圖6中V1是用于振蕩晶體管，晶體12.25 MHz位于c極和b極之間，與C1和C2構(gòu)成并聯(lián)型振蕩電路。晶體管V2用來(lái)當(dāng)做一個(gè)輸出緩沖器，提高輸出帶載能力。

2.2.4 基于芯片TA31136的二次混頻和鑒頻輸出

本接收機(jī)的關(guān)鍵芯片是中頻解調(diào)芯片TA21136fn，它的作用是用于第二中頻的混頻和解調(diào)基頻信號(hào)。一中頻IF-IN的10.7 MHz經(jīng)過(guò)放大后送到中頻解調(diào)芯片TA21136fn，與10.25 MHz皮爾斯振蕩器產(chǎn)生的二本振混頻LO2混出450 kHz的二中頻，經(jīng)過(guò)450 kHz的陶瓷濾波器二次濾波后，再經(jīng)過(guò)中頻放大后用CF1陶瓷鑒頻器450 kHz進(jìn)行鑒頻解調(diào)信號(hào)，最后從AF腳輸出低頻語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)過(guò)下一級(jí)低頻放大器放大后輸出。電路如圖7所示。

圖7 基于芯片TA31136的二次混頻和鑒頻輸出

2.3電路測(cè)試

由于使用的都是無(wú)源晶振，頻率會(huì)偏差幾kHz，可以通過(guò)調(diào)整晶振的補(bǔ)償電容，用頻譜儀來(lái)標(biāo)定頻率，最終使LO1和LO2的頻率準(zhǔn)確度達(dá)到要求。采用北京RIGOL公司的DSA815頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試LO1和LO2的輸出特性。單片機(jī)設(shè)置LO1的中間輸出頻率為85 MHz，DSA815頻譜儀設(shè)置中心頻率85 MHz，SPAN為100 kHz，RBW為1 kHz，觀察并截頻，頻譜如圖8所示。

圖8 LO1在輸出85MHz時(shí)的輸出頻譜特性

用頻譜分析儀直接觀察LO2的輸出特性，設(shè)置中心頻率10.25 MHz、SPAN為100 kHz、RBW為1 kHz，觀察并截頻，如圖9所示。

圖9 LO2 的輸出頻譜特性

結(jié)果表明：頻率與設(shè)置值一致，且可在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)更改，符合設(shè)計(jì)要求。LO2的10.25 MHz頻率也符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

研究一種采用PLL和 TA31136 實(shí)現(xiàn)FM接收機(jī)的方法。提出電路設(shè)計(jì)，采用超外差結(jié)構(gòu)，給出關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠高，成本較為低廉，便于調(diào)試。測(cè)試表明：頻率設(shè)置范圍為70～110 MHz，兩本振信號(hào)頻率準(zhǔn)確，接收效果良好，符合設(shè)計(jì)要求。因此，該設(shè)計(jì)方法在無(wú)線電通信和工業(yè)控制領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 陳飛.小型化短波接收機(jī)低噪聲射頻前端研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)， 2014：20.

[2] 耿永端.超短波接收機(jī)射頻前端電路的研究與設(shè)計(jì)[D].大連海事大學(xué)，2014：14.

[3] 趙秋明.VHF波段頻率合成器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].大眾科技，2012(4)：26.

Abstract: A circuit realization method of FM receiver by using MCU and TA31136 has been discussed in his paper based on the phase-locked loop frequency synthesis method. Adopting super heterodyne structure as the circuit design, and using STC12C5A60S2 microcontroller as the control circuit, the receiver has been devised and receive frequency, whose range is from 70 MHz to 110 MHz can be set up by keys and displayed on LCD1602. Based on PLL and TA31136, the VHF FM receiver has been realized at length with accurate frequency of the local oscillator 2 signal, good receiving effect, and the receiver meets the requirements of the design with certain application value after testing.

KeyWords: MCU；PLL；mixing; FM receiver

(責(zé)任編輯：黃韡 英文審校：楊德權(quán))

DesignofFMReceiverBasedonPLLandTA31136

WU Jiaxuan

(College of Information and Electronic Engineering, Liming Vocational University, Quanzhou 362000, China)

TN 74

A

2017-02-17

吳家烜(1980-)，男，講師，主要從事無(wú)線電通信和微波電路研究。

泉州市科技局科技項(xiàng)目(2016G053)；黎明職業(yè)大學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(LZ2013101)

1008-8075(2017)03-0083-06

10.13446/j.cnki.jlvu.20170048