调频无线话筒的设计

吉林建筑大学

电气与电子信息工程学院

射频通信电路课程设计报告

设计题目：调 频 无 线 话 筒 的 设 计 专业班级： 学生姓名： 赵 盼 盼 学 号：指导教师： 设计时间： 2013.12.30 － 2014.1.10

摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 一、设计的作用、目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 二、设计任务及要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 三、设计内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 四、总体设计方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 五、各单元电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 5.1 音频放大部分„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 5.2 振荡调制部分„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 5.3 倍频缓冲放大部分„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 六、仿真与分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 6.1音频放大部分的仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 6.2振荡调制部分的仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 6.3倍频缓冲放大部分的仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 七、心得体会 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 八、参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 附录（电路原理图） „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16

无线话筒它就是一种通过无线电波传输声音的设备。焊制电路板上的电子元

件话筒将自然界的声音信号变成音频电信号，然后去调制振荡器产生的高频信号。最后，高频信号通过天线发射到空中，调频的信号设置在FM 波段，这样就可以用收音机几首调试。随着数字技术的广泛使用，无线话筒成为越来越多用户首选的对象，无线话筒系统在广播、电影、戏剧和舞台制作以及公司、宗教和教育场所都是一个重要的组成部分。

功率无线话筒实际上就是一台小功率的无线电高频发射机，因其具有体积小、重量轻、电路简单，成本低、无电缆传送等特点，因而得到了灵活广泛的应用。无线话筒按调制方式可分为调频式和调幅式，前者由于具有通频带宽、动态范围大、传输距离远和抗扰性强等特点，所以应用较多。

简易无线话筒的设计与实现结合了高频电子技术、电子线路设计、模拟电子技术等知识点，设计及实现这个实用性很强的课题，既可以在实践中巩固许多知识点，又可以根据自己的兴趣开发新功能，从而学习到新的知识点。 关键词：无线调频话筒、电路分析、仿真、实物调试

一、 设计的作用、目的

课程设计是理论学习的延伸，是掌握所学知识的一种重要手段，对于贯彻理论联系实际、提高学习质量、塑造自身能力等于有特殊作用。本次课程设计一方面通过对射频通信系统的设计，使我们加深对理论知识的理解，同时增强其逻辑思维能力，另一方面对课堂所学理论知识作一个总结和补充。

二、 设计任务及要求

1. 掌握调频发射机的工作原理及具体实现方法； 2. 掌握调频发射机的工作原理及具体实现方法； 3. 掌握MULTISIM 的电路系统仿真。

三、设计内容

设计内容：设计一个简易调频无线话筒，具体要求如下： 1. 电路发射频率在80-108MHz 之间，用收音机FM 段接收； 2. 在声音呗清晰接收的前提下，发射距离不小于1m ； 3. 天线阻抗为75Ω； 4. 输出功率大于200mW ；

5. 中心频率稳定度不低于1/1000； 6. 使用Multisim 进行仿真。

四、总体设计方案

图1 硬件系统框图

整个无线调频话筒由音频放大、调制振荡及倍频缓冲放大三部分组成。驻极体话筒MIC 采集外界的声音信号并将采得的音频信号转变成相应的电信号，经电容C 2耦合至由V 1等构成的音频放大器放大后，经C 1输送给电容三点式高频振荡器振荡管Q 4的基极，使其ce 结电容变化．从而使振荡频率随之变化。这种调频话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的，当声音电压信号加到三极管的基极上时，三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化，同时使三极管的发射频率发生变化，实现频率调制。FM 无线电台运作有关频率在88和108MHz 之间。电容器C 8和自制的电感L 2构成一个LC 环路，其发射频率将和FM 调频收音机的频率产生共振而被接收。在振荡回路环路中，电容通过两极板在电场中储存电能，电感通过线圈在磁场中储存能量。由法拉第电磁感应知道，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，而这边电场和磁场的变化都是以正弦波的形式传输的，所以在空间的，电场和磁场相互垂直传输从而达到发射效果。

调频无线发射机将声音信号变成无线电波信号通过无线方式在另一地点用普通的收音机就可以将声音信号还原。工作原理如下：调频无线话筒是一种可以将声音或者歌声转换成88~108MHz的无线电波发射出去，距离可以达到30~50m，用普通调频收音机或者带收音机功能的手机就可以接收。将声音调制到高频载波上，可以用调幅的方法，也可以用调频的方法。与调幅相比，调频具有保真度好，抗干扰性强的优点，缺点是占用频带较宽。调频的方式一般用于超短波波段。话筒MIC ：驻极体小话筒，灵敏度非常高，可以采集微弱的声音信号。话筒底部有两个接点，用两根粗铜丝焊牢在PCB 印制电路板上。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。并且，外围电路中需要有相应的偏置电阻为其提供偏置。

对于天线来说，只须设置一根电线（线状天线）。一般天线的长度设定为电波波长的1/2（为了在天线上产生驻波）。如果载波频率80MHz ，那么波长λ为：

c 3⨯108m /s

λ=≈=3.75m

f 80MHz

式中，c 是电波的速度（＝光速）。所以天线的长度为1.9m 。

但是，这个电路中如果接1.9m 的天线的话，会发射很强的电波，有可能超出电波法所规定的范围。所以把天线的长度限制在30cm 的程度。

无线话筒的类别，依不同的定义，可区分为许多不同的类型。 1．依发射使用频率而区分：

a. FM 无线话筒：俗称FM 是指FM 88-108MHz 国际调频广播频段。早期消费 性无线话筒是利用FM 收音机来接收，系统简单，成本低廉。

b. VHF无线话筒：又分为低频及高频段两类型，前者使用VHF50MHz 的频段，因频率较低，使用天线长度太长，又最容易受到各种电器杂波的干扰，因此这一类型的产品，目前已经被高频段所取代而逐渐从市场上消失。后者使用VHF200MHz 的频段，因频率较高，使用天线较短，甚至可以设计成隐藏式天线，方便，安全又美观，受电器的杂波干扰又大为减少，电路设计极为成熟，零件普及价格低廉，所以成为当今市场上的热门机种。 2．依接收方式而区分：

a. 自动选讯接收无线话筒系统：由于电波舆中会产生“死角”的物理现象使 接收机的声音输出，产生断断续续或不稳定的缺点，为了解决这种缺陷，专业用的机种必须采用双天线及双调谐器的“自动选讯接收”方式来改善

b. 非自动选讯无线话筒系统：由于上述机型的电路设计复杂精密，装配较难，成本较高，一般低价的机型就没有采用自动选讯的设计，所以也无法消除无线话筒在使用中产生声音中断的缺点。这种机种当然不能符合专业场合使用的基本要求。

3．依振荡方式而区分：

a. 石英锁定机种：以石英振荡器产生发射与接收精确稳定的固定频率，电路简单，成本低廉，是当今无线话筒的标准电路设计。这种类型的话筒及接收机只固定单一个频率配对使用，无法改变或调整使用频率。

b. 相位锁定频率合成机种：为了避免无线话筒在使用中遇到其他讯号的干扰而无法使用，或为了同时使用多支话筒的场合，需要随时方便又快速的改变频道，来达到这种功能的要求。 4．依接收机频道数而区分：

a. 单频道机种：在一个接收机的机箱内只装配一个频道的非自动选讯或自动选讯接收机。后者因使用简单，特性稳定，是适合专业场合多频道同时使用，避免讯号干扰的最佳机种。

b. 双频道机种：在一个接收机的机箱内，装配两个频道的非自动选讯或自动选讯接收机，充分利用机箱的空间，降低成本。后者因为机构及电路复杂，内部互相干扰的处理及天线混合匹配不易，只有少数在生产专业机种的厂商才有的机型。

c. 多频道机种：在一个接收机的机箱内，装配四个频道以上的接收机，大都 采用模组化接收模组的机构设计。主要适用于装架式专业机种的使用场合。

五、各单元电路设计

5.1 音频放大部分

图2 音频放大部分仿真原理图

Q 1音频放大管，可选为2SC1815型，也可用复合管替代，β≥ 150；电阻R 1可改变话筒的受话灵敏度, 电阻R 2、R 3为VT1提供静态偏置，控制R 3的大小可以输入音频的大小；C 2为耦合电容，采用CDll 型电解电容. 5.2 调制振荡部分

图3 调制振荡部分仿真原理图

Q 为振荡管，要有较高的特征频率，为了易于起振，β要尽量大一些，可选 用ZTX1049A 型，也可用国产管3DG56、3DG80等．β≥150，fT ≥500MHz 。R3R4为VT 2提供静态偏置，R 1为反馈电阻。C1，C3,C5,C6均为CCl 型高频瓷片式，L1为自制电感方法如下:用线径为O ．51mm 漆包线在φ3．5mm 的骨架上绕制成空心线圈。绕上10匝，L1的中心处抽头绕制，可用20W 内热式电烙铁的电热芯作模具，然后脱胎而成。最后拉长为8mm 。 5.3 倍频缓冲放大部分

图4 倍频缓冲放大部分仿真原理图

Q6选用2SC1915、D467C 、3DGl2C 等中功率管，fT ≥250MHz ，β≥100。C1和L 1构成LC 选频网络，谐振频率为92M ，其作用是对已调信号2倍频，最后通过天线发射。L 1为自制电感，其制作方法同L 1一样，L 2为10匝，最后拉长为 6mm 。天线w 可用80cm 长的较粗的多股软塑线代替。 元器件清单：

表1：元器件清单

六、仿真与分析

Multisim 介绍

工程师们可以使用Multisim 交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim 提炼了SPICE 仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE 技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim 和虚拟仪器设置，PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim ，您可以立即创建具有完整组

件库的电路图，并利用工业标准SPICE 模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE 分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabⅥEW 和SignalExpress 软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。对电路进行仿真运行，通过对运行结果的分析，判断设计是否正确合理，是EDA 软件的一项主要功能。为此，Multisim 为用户提供了类型丰富的虚拟仪器，可以从Design 工具栏，或用菜单命令。

EDA （就是“Electronic Design Automation”的缩写）技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB 版图、单片机程序、机内结构、FPGA 的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB 钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA 技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA 已经成为集成电路、印制电路板、电子整机的主要技术手段。美国NI 公司（美国国家仪器公司）的Multisim 9软件就是这方面很好的一个工具。而且Multisim 9计算机仿真与虚拟仪器技术（也是美国NI 公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。 EDA 软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了该EDA 软件的质量和易用性。Multisim 为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器件，使得用户能够自己添加所需要的元器件。Multisim 以库的形式管理元器件，通过菜单Tools/ Database Management打开Database

Management （数据库管理）窗口（如下图所示），对元器件库进行管理。在Database Management 窗口中的Daltabase 列表中有两个数据库：Multisim Master 和User 。

其中Multisim Master库中存放的是软件为用户提供的元器件，User 是为用户自建元器件准备的数据库。用户对Multisim Master 数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中Multisim Master 时，窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色，如下图所示。但用户可以通过这个对话窗口中的Button in Toolbar显示框，查找库中不同类别器件在工具栏中的表示方法。据此用户可以通过选择User 数据库，进而对自建元器件进行编辑管理。

在Multisim Master 中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到Ultiboard 中进行PCB 的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用户可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同，但虚拟器件的按钮有底色，而实际器件没有。

NI Multisim 软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA 工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim 计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。

6.1 音频放大部分的仿真

话筒输入信号用理想正弦波代替，其参数为Vp-p=12mV，f=1kHZ。用双踪示波器观察音频输入与音频放大输出端的波形, 如下：

音频放大输出波形：

图5 音频放大部分的仿真结果

下面的为话筒输入波形，灵敏度为20mV/div，上面的为音频放大输出波形，500mV/div。

可见，在保证输出波形不失真的情况下，VT1起到了放大作用。

6.2 振荡调制部分的仿真

振荡调制部分的仿真分为两部分进行。首先，不加入调制信号，看振荡器能 否振荡，且看振荡频率是否为理论计算的46MHz 。然后，再加入调制信号，看能 否看到调制波形。

图6振荡调制部分的仿真结果

可见振荡器可以振荡，且输出波形较完美。

6.3 倍频放大部分的仿真

将已调制好的FM 信号输入VT 3的基集，观察LC 回路的波形如下：

倍频输出波形：

图7 倍频放大部分的仿真结果

可以看出通过倍频器后，已调信号的频率加倍。因为仿真时，LC 回路的Q 值 比较高（较为理想），使得看到的倍频后的波形有些失真。

七、心得体会

经过两周的时间，我们组终于完成这次调频无线话筒的课程设计任务。我们首先查阅了大量的书本资料，接着又上网搜集了许多有用信息，有时候为了找到一个合适的电路而苦恼，有时候又为取得一点成功而由衷的高兴。当最终的电路方案设计出来以后，我们请教了电气学院的几位学长，他们的一个小小指点就给我们很大启示和灵感，对我们的电路原理图提出了很多有价值的建议，在此对热心帮助我们的学长表示衷心感谢。

在此次课程设计中，我充分体会到了熟练运用相关软件的重要性，不像之前的数电课设，并没有多少工作在计算机里实现的，就仅仅画出了电路图之后用元器件在面包板上搭电路就行了。此次课设绝大多数工作都高度依赖计算机，从仿真到绘制原理图，再到参数调节，可以说每一步都很艰难，每一步都是我们一步

一个脚印结结实实踩下去的。

通过课程设计，我们学会查寻资料﹑比较方案，进一步提高了分析解决实际问题的能力，真正实现由课本知识向实际能力的转化。最最重要的是我熟练掌握了仿真软件的应用。 “纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以本次课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电路的认识，而且还及时、真正的做到了学以致用。历时两个星期的课程设计即将在这次的答辩中画上圆满的句号。回头看看，不禁感慨众多，没有想到我们的科学家，哪怕是我们身边的老师，原来也是如此这般的努力才能够换来今天的幸福生活；离不开你们这些辛勤的工作者，我们的身边这一切才能够如此快捷方便；没有了这一切，我不敢想象社会会如何发展，难道是倒退到那种封建社会，还是奴隶时代？并且通过了这次模拟电子电路课程设计，我才了解到我们所学的只是原来是如此地贴近我们，其实他们就在我们身边，就在我们身边或大或小的地方，甚至是我们不能发现的地方，而并不是我原先所想象的那样遥不可及，总是好像在那种大房子里面的大机器才会用到这些东西，感觉那些是科学家做的事情，对于我们来说是天方夜谭。而如今，我才知道了这一切。我才会，并有这样的动力将我所学的知识来赋予实践。

对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

八、参考文献

[1].刘泉主编 《通信电子线路》 武汉理工大学出版社 2002

[2].方维，高荔主编 《电路与电子学基础》 科学出版社 2004

[3].徐国华主编 《模拟及数字电子技术实验教程》 北京航空航天大学出版社 2004

[4].周南生，张文敏编 《晶体管电路设计》 科学出版社 2004

[5].李祥臣，卢留生编 《模拟电子技术教程》 北京清华大学出版社 2005

[6].康华光，陈大钦编 《电子技术基础--模拟部分》 华中理工大学出版社 2004

[7].李永平，董欣，刘媛编 《电路设计与实现》 国防工业出版社 2005

[8].方厚辉，谢胜暑编 《电子技术 》 中国水利水电出版社 2005

[9].徐晓光主编 《电子技术》 机械工业出版社 2004

[10].谢自美主编 《电子线路设计实验》 华中科技大学出版社 2000

[11].邹华跃主编 《数字集成电路基础学习参考》 南京大学出版社 2001

附录（电路原理图）