锁相环和频率合成技术在数字式收音机中设计应用

1 引言

作为收音机重要组成部分的调谐电路和本振电路一直采用传统的电容、电感手动调台方式。近年来，随着无线电通信技术的迅速发展，锁相环和频率合成技术在各个领域得到了广泛的应用。由于锁相环具有跟踪特性、窄带滤波特性和锁定状态无剩余频差存在，因此在频率合成技术中采用锁相环路可以产生频率准确度很高的振荡信号源。利用这种振荡信号源产生的频率作为收音机电路的调谐频率和本振频率可以实现数字化收音。利用单片机控制锁相环路中的分频数就可以改变振荡信号源的输出频率，以达到调台的目的。设计要求主要有：

（1）接收FM信号的频率范围为88-108MHz；

（2）调制信号的频率范围为100-15000Hz，最大频偏75kHz；

（3）最大不失真输出功率）100mW（负载阻抗8n）；

（4）接收机灵敏度≤1mW；

（5）镜像抑制性能优于20dB；

（6）能实现数字化的自动搜台、手动调台、存台和频率显示等功能。

2 设计方案

采用专用的芯片可以使整个系统体积小、重量轻、可靠性好、灵敏度高、功耗低。

2.1整机电路方案

设计中高放、混频、中放、解调等电路采用CXA1019S；自动调谐、程控搜索、电台载频显示等功能由锁相频率合成器芯片BU2614，MCS-51系列单片机及相应的外围电路配合完成。通过BU2614的串行口与单片机通信来改变分频比，用BU2614内部的分频器和鉴频鉴相器，与CXAl019S的本振VCO构成数控锁相环，通过改变分频比改变接收的频点。选台和频率显示、存台等由单片机AT89C52和MAX7219，93C46芯片配合完成，系统框图如图所示1。

2．2各部分电路的设计

（1）收音单元。目前市场上收音机的集成芯片很多，CXAl019S用于便携式收音机及头盔式收音机，其接收灵敏度高、镜像抑制性能好、外围元件少且输出功率大。FM时Vcc：5V，工作电流为5．3mA；在Vcc=6V、RL-8Ω时，输出功率为500mW。收音单元电路如图2。

（2）锁相频率合成单元。这一部分既是设计的重点也是难点，FM调频收音机的接收频率范围是88-108MHz，因此所选用的频率合成器芯片最高频率须达到110MHz才能满足要求。ROHM公司生产的锁相频率合成调谐集成芯片BU2614最高频率可达到130MHz，完全满足要求，另外该芯片内带有高灵敏度的RF放大器，支持IP计数功能。利用锁相环路法构成数字式频率合成器，应用BU2614内部的数字逻辑电路把压控振荡器VCO频率一次或多次降频至鉴相器频率上，再与参考频率在鉴相电路中进行比较，所产生的误差信号用来控制VCO的频率，使之锁定在芯片内参考频率的稳定度上。BU2614应用电路如图3所示。

为了按要求保证搜索到所有电台，标准频率fr设定为25kHz，本振输出频率fo为98．7-118．7MHz，可采用分频方式，环路的可编程分频器的分频比N为

N=fo\fr

BU2614分频比变化范围为

VCO为本振压控振荡器，实际测得的VCO增益为

BU2614的外围电路工作原理：⑤脚接收单片机的串行数据，该数据为12脚反馈频率FMOSC提供分频系数N，内部标准频率由串行数据位中的R0，R1，R2的取值确定。该设计选择R0，R1，R2均为“1”，标准频率为25kHz与频率FMOSC／N比较，在PD输出相位比较信号，根据PD输出端的不同状态，从低通滤波器得到相应的直流电压，该电压加在CX-A1019S收音机回路的调谐和本振回路中的变容二极管上，使得调谐频率和本振频率的改变与天线BPF输出的载波信号谐振收到电台，实现电调谐功能。而本振频率通过电容耦合反馈到BU2614中使得频率锁定。

（3）显示单元。常用的显示接口电路多由8155，8279等芯片构成，由于这些芯片与单片机连接时需占用P0，P2口，且动态扫描方式占用单片机内部系统资源比较大。为简化单片机的外围电路，用MAX7219构成一个6位静态显示模块，它只需占用AT89C52的3个口线，即可完成显示功能。

（4）键盘电路。由于本设计中使用的按键较多，因而采用了功能键与数字键分开识别的方式，即功能键采用查询方式，数字键采用编码动态扫描方式，这样既可减少扫描占用的时间，又可以简化程序。

（5）关机数据存储单元。根据设计要求，该机具有掉电后能够保存所存储电台的功能。目前市场上并行EEPROM类型很多如2764A，2864A等，体积大且无关电保存数据功能。而串行EEPROM体积小、价廉、电路连接简单，如93C46是电擦除可编程只读存储器，具有在线擦除和改写数据功能，能满足关电保存数据的要求。另外采用串行的形式，能节省单片机的口资源。

（6）程序运行监视单元。为加强程序运行的可靠行，需要对程序的运行状况进行监视，以防止程序弹飞到一个临时构成的死循环中，导致整个系统完全瘫痪。因此有必要在电路中设置看门狗电路（WATCHDOG电路）。现在常用的看门狗电路既有硬件构成的，也有纯软件构成的，但纯软件的WATCHDOG系统需要设置高级中断子程序，占用较多的单片机内部资源，必将影响整机的运行速度。硬件构成的WATCHDOG系统的硬件部分完全独立于CPU，可靠性大大提高。

（7）电源单元。由于BU2614，CXAl019S以及单片机系统需要5V电源电压，而变容二极管需要9V以上的电压，若采用单电源+5V供电，则必须采用DC-DC模块升压得到+12V电压。

3 软件系统设计

在收音机开机后，首先把上次关机时的电台调出来，并把上次关机前的各个台号存储的电台频率数据还原。然后开始动态扫描各个数字键，判断是否直接调用已存好的电台。如果有数字键按下，则调用已存在该键下的电台，并显示该电台频率。如果没有数字键按下则转入判断功能键。当有功能键按下时，则执行相应的功能。若没有功能键按下，则存储当前电台数据后再返回继续进行循环扫描。主程序流程图如图4所示。

4测试结果分析改进措施

设计制作完成后，对整机进行了测试，结果完全达到了预想的要求，可实现全频段范围搜索、选择存储电台，在特定范围搜索选择存储电台，调用已存储的任意电台，载波频率显示等功能，接收机镜像抑制比极高，但也存在着各频点灵敏度略有不同的问题，经调整天线输入端的带通滤波器及相关电路，效果有较大改善。

从本调频收音机所采用的器件来实现的功能上看，还有可以改进和完善的地方，如显示采用LCD液晶显示可提供汉字信息、增加时间显示，功能键采用复合键以减少按键的数量；从整机供电、携带方便等角度考虑，整机应采用更低的电源供电。

总的来看，该设计的接收性能达到了要求，有的已远超过设计要求，控制功能基本完善。