100 MHz高頻發射機設計

摘 ?要：發射機是一種用低頻有效信號對高頻載波信號進行調制，而后將其變為中心頻率上具備一定帶寬并且能經過天線發射的電磁波的裝置。發射機依照調制方法可分為調頻、調幅、調相和脈沖調制四大類。故該文要做的是以芯片BA1404為核心器件，設計一種發射頻率為100 MHz的調頻發射機。該調頻發射機包括信息識別與提取電路，音頻控制與調制電路，射頻振蕩和功率放大電路等部分，可將載波信號調制成調頻波并發射出去。

關鍵詞：調頻;發射機;PCB設計;BA1404

中圖分類號：TN934 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0036-07

The Design of 100 MHz High Frequency Transmitter

XIONG Longyu

（School of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University，Wuhu ?241002，China）

Abstract：The transmitter is a device that modulates the high frequency carrier signal with low frequency effective signal，and then converts it into an electromagnetic wave device with a certain bandwidth at the central frequency and can be transmitted through the antenna. According to the modulation method，the transmitter can be divided into four categories：frequency modulation，amplitude modulation，phase modulation and pulse modulation. Therefore，taking the chip BA1404 as the core device，this paper designs a frequency-modulation transmitter with the emission frequency of 100 MHz. The frequency-modulation transmitter includes information recognition and extraction circuit，audio control and modulation circuit，radio frequency oscillation and power amplifier circuit and other parts，which can modulate carrier signal into frequency modulation wave and transmit it out.

Keywords：frequency modulation;transmitter;PCB design;BA1404

0 ?引 ?言

當今社會離不開信息通信，通信系統具有十分重要的作用。同時無線電技術在其中具有核心作用，發射機就是無線電技術應用的產物。發射機依照調制方法一般分為調幅，調頻，調相和脈沖調制四大類。在我國，一般比較常見的是調頻發射機，故本文要研究的就是調頻發射機。調頻發射機實際上就是調頻廣播電臺發射機，它能通過無線傳輸的方式來傳送廣播電臺發出的音頻信號，其中就包括電臺的語音或者音樂節目。在這個過程中，調頻發射機能夠將輸入的音頻信號以及高頻的載波信號通過有效的低頻信號來調制成調頻波信號，然后再將調制后的高頻載波信號通過射頻功率放大器電路進行一系列的放大和激勵，最終利用天線以電磁輻射的形式發射出去。調頻發射機作為一種無線電技術應用的產物，其不受地理位置的限制和自然環境的影響，具有性價比高、施工便利、收聽靈便和穩定性高等特點，廣泛地應用于人們的生產生活等的小范圍移動通信中，用于建設城市、鄉鎮和農村的無線廣播通信系統。

1 ?調頻發射機的設計

1.1 ?方案論證與選擇

調頻一共有兩種實現方案，一種是間接型調頻，另一種是直接型調頻。對于直接型調頻來說，顧名思義，就是利用可調制的信號直接地調節或控制高頻振蕩器的振蕩頻率，在這個過程中，調頻信號的瞬時頻率能按照調制信號的規律變化而相應地進行同步變化，所以直接型調頻能通過高頻振蕩器頻率的變化來直接地且未失真地反映出用于調頻的調制信號的規律性變化。直接型調頻按照高頻振蕩器的振蕩信號波形分為針對正弦波的直接型調頻和對于非正弦波的直接型調頻（實際過程中非正弦波要處理成正弦波信號）。其中對于正弦波的直接型調頻可采用電抗管組成振蕩器諧振回路進行直接地調頻或者采用變容二極管接入振蕩器電路中進行直接地調頻這兩種方法來實現。對于間接型調頻，由于調頻和調相存在著某種聯系，所以間接型調頻就是利用調相間接地來得到調頻信號。具體來說就是先對調制信號用積分器電路進行積分操作，然后將積分后的調制信號利用調相器電路進行調相，最終可以得到經過間接調頻后的調頻信號。間接型調頻有三種方法，分別是向量法、時延法和相移法，直接型調頻和間接型調頻技術都有它們各自的優點和缺點。直接調頻技術相比于間接調頻的電子線路更加簡單，且頻偏更大，但同時也伴隨著頻率的穩定性相對較差。但考慮到電子線路的復雜程度，故本次設計采納直接型調頻的方案。但是振蕩電路并不采用三點式電容或者電感電路，因為其頻率很不穩定，且抗干擾性較差，調試也較為困難。這也是分立元件在高頻電子線路中的劣勢。所以綜合考慮，本次系統硬件電路采取了以集成的電路芯片BA1404作為調頻調制核心控制器件的設計方法。

1.2 ?工作原理總述

本次設計要做的實物是以芯片BA1404為核心調頻控制器件，且中心發射頻率為100 MHz（可以調節的）的調頻發射機。該調頻發射機包括信息的識別與提取電路，音頻信號控制與調制電路，射頻信號振蕩器電路和高頻信號。

功率放大電路等部分。對于此調頻發射機，首先通過信息識別與采集電路對輸入的音頻信號（或者經過麥克風處理的語音信號）進行信號的識別與采集，接著將采集的音頻信號或者語音信號經過外圍電路的阻抗匹配和加重處理后再送入以BA1404為核心控制器件的音頻與控制電路中進行立體聲混合調制，而后輸出的導頻調制信號經過射頻信號振蕩電路完成調頻操作，最后的調頻信號通過以高頻特性管S9018為核心元器件的高頻功率放大電路進行功率上的放大和激勵，并最終通過天線以電磁輻射的形式發射出去。該調頻發射機的總電路設計框圖，如圖1所示。

1.3 ?芯片介紹

BA1404是一款由羅姆半導體集團公司設計制造的調頻發射集成電路芯片。作為一款集成的電路芯片，BA1404在高頻電子線路中具有很好的抗干擾性，能有效地彌補用傳統的分立元器件設計出的調頻電路容易頻率不穩定的缺陷，BA1404主要由前置的音頻信號放大器電路，調頻調制器電路，立體聲混合調制器電路和高頻信號放大器電路等集成電路組成，故具有立體聲混合調制、調頻調制和高頻信號功率放大等功能，并且其需要的外圍元器件電路相對較少，相比于其他的調頻集成電路芯片，BA1404能更加有效且更加簡單地進行對音頻信號的調制和對高頻載波信號的調頻。

1.3.1 ?BA1404功能和特性

BA1404采用了雙列直插式的封裝制作工藝，總共有18個外部引腳，其正常工作電壓的范圍為1.0 V～3.0 V，工作電壓典型值為1.3 V;該芯片由前置的音頻放大器（左聲道音頻信號放大器和右聲道音頻信號放大器），立體聲混合調制器，緩沖放大激勵電路，38 KHz振蕩器電路，調頻調制器及高頻信號放大器等集成電路組成。集立體聲混合調制、調頻調制和高頻信號功率放大電路功能于一身;其電路集成度較高，需要的外圍元器件電路相對較少，具有飽和電壓較低，功率損耗低和工作溫度范圍大的電路特性，最大耗散功率為495 mW，飽和靜態電流為2.9 mA，且其抗干擾性較強;立體聲音頻信號放大系統中的左聲道和右聲道之間的隔離程度較高，其立體聲隔離度的典型值為44 dB;射頻信號輸出端的飽和電壓的典型值為595 mV。

1.3.2 ?引腳功能及工作原理

BA1404的內部結構框圖如圖2所示，由圖可知BA1404由左聲道音頻信號放大器電路，右聲道音頻信號放大器電路，MPX（立體聲混合調制器）電路，38 KHz振蕩器電路，緩沖激勵電路，高頻放大器電路和射頻振蕩器電路等組成。

BA1404采取了18引腳的封裝制作工藝，表1為BA1404的引腳功能表。由該引腳功能表可知，立體聲音頻信號經過外圍電路處理后由1腳和18腳。

輸入到前置的音頻信號放大器電路中進行左聲道和右聲道的音頻信號放大處理，然后在芯片內部經過立體聲混合調制器電路，緩沖放大激勵電路，調頻調制器電路，高頻信號振蕩器電路和射頻信號放大器電路等內部功能電路以及其他引腳所連接的外圍電路進行系列的調頻調制操作，并最終可由引腳7射頻輸出。

2 ?硬件電路設計原理

2.1 ?信息識別與提取電路

本電路部分主要使用音頻插口來識別和采集聲音或者語音信號，該音頻插座可以直接插入音頻傳輸線來連接外部多媒體設備，也可以插入有線麥克風或者話筒采集語音信號（物理聲音通過有線麥克風或者話筒轉換成的電平信號）如圖3所示，音頻信號能通過音頻插口輸入電路中。電路中的L1，L2和L3分別與音頻插口的三個引腳串接，其中的L1接地，主要起到濾波作用，而L2和L3分別連接音頻插口的右聲道和左聲道，不僅能起到濾波作用，而且還有利于降低信號的噪聲干擾，增強防EMI效果，得到比較干凈的語音或者音頻信號，然后傳送給后面的音頻控制與調制電路做進一步地音頻信號的處理與調頻調制。

另外，如圖4所示，與L2和L3分別串接的阻值均為10 kΩ的R2和R1可以在音頻插口外插麥克風或者話筒時，能為該麥克風或者話筒提供一定的偏置電壓。原理圖中的LED一端與電阻R1和R2相連，另一端接地，其在電路中除了作為電源指示燈顯示外，又由于LED具有單向導電性，其接地后可為芯片BA1404提供1 V左右的偏壓，所以又具有穩壓的作用。

2.2 ?音頻控制與調制電路

如圖5所示，容量均為1 μF的有極性電容C1和C2可作為耦合電容，有利于阻斷直流信號，傳遞交流信號，即所謂的隔直通交，還可以在高頻電子線路中濾去低頻電流信號，提供高頻電流信號通路，即所謂的隔低頻通高頻。RP1和RP2可作為可變電阻與有極性電容C1和C2分別串聯，在實際電路中，RP1和RP2用的是一個6腳電位器代替。該電位器可通過控制電平信號的電流大小間接地控制音頻或者語音信號的音量大小。再由圖5可知，與RP1串聯的C3和R3構成了RC并聯回路（與RP2串聯的C3和R4亦構成RC串聯回路），該并聯回路與其后的有極性電容串聯對傳輸的電流信號繼續進行濾波，主要濾去低頻信號，使得更加干凈的高頻信號通過電路。而且兩RC并聯回路還具有預加重的作用，滿足時間常數t=RC的預加重電路有利于補償高頻信號分量在傳輸過程中的較大損耗和衰減，以保證調頻發射機的頻率特性和調頻廣播收音機的頻率特性保持一致。

圖5屬于音頻控制與調制部分電路中的音頻控制電路，下面介紹其中的立體聲調制部分電路如圖6所示。

從圖中，我們能看出來立體聲音頻信號經過音頻控制電路進行濾波和預加重等一列阻抗匹配的操作后由BA1404的引腳1與18輸入并進行左右聲道地的音頻信號的放大，然后將放大后的左右音頻信號由引腳 2 連接外圍的濾波有極性電容C13再接地完成對于音頻放大器的偏置（引腳3名稱為AFGND，即為音頻放大器的接地端）同時經過前置放大器的音頻信號進入MPX（立體聲混合調制器）中進行立體聲混合調制操作。引腳16和17可用于調節左聲道和右聲道音頻信號的平衡。其中要注意的是為了簡化電路并且能夠保證左、右兩個聲道的具有較高的隔離度，立體聲混合調制器（MPX）電路的外圍引腳16和17可懸空而不接任何電阻、電容或者電感等元件。左右雙聲道復合信號經過立體聲混合調制器調制后，再經過芯片內部電路的緩沖和放大以及激勵然后由引腳14輸出。

2.3 ?射頻信號振蕩電路

如圖7所示，立體聲混合調制電路需要足夠的振蕩信號用于對左右聲道音頻放大信號進行混合編碼，所以引腳4外圍接濾波電容并接地用作BA1404中的38 KHz的振蕩器的偏置。然后引腳5和6分別接入38 KHz晶振和濾波電容C17并形成回路。綜上所述，引腳4、5和引腳6的外圍電路元器件和內部的38 KHz振蕩器構成了完整的可以起振的38 KHz振蕩器回路。該振蕩器回路可產生38 KHz的振蕩信號，再經過緩沖、放大和激勵后一部分傳送給立體聲混合調制器電路用于起振，另一部分送往二分之一分頻電路進行，然后經過電路分頻產生頻率為 19 KHz的振蕩信號，該信號具有單一的頻率特性，可由引腳13輸出。引腳13外圍串接的電阻R6和電容C16構成了一個選頻網絡，引腳14串接電阻R5和有極性電容C15也構成選頻網絡，并且兩外圍電路形成回路最終構成雙RC匹配網絡（具有選頻濾波的作用）由引腳14輸出的經過立體聲混合調制編碼的左右聲道音頻放大信號和由13引腳輸出的二分之一分頻信號。

經過該選頻網絡回路進行合成，然后將混合后的信號饋送給引腳12。引腳12為調制信號的輸入端。其連接的是芯片內部集成的射頻振蕩器電路（主要起FM調制器作用）。復送到引腳12的合成的調制信號進入該射頻振蕩電路中對內部的高頻振蕩器進行一系列的載波調頻和調制操作。集成的射頻振蕩器電路外圍引腳為9和10引腳，兩引腳連接的外圍電路元器件和內部的射頻振蕩器電路構成了OSC諧振網絡，并且兩引腳直接通過電容C23連接，其中9引腳接入濾波電容C19并串接引腳8（射頻放大器的輸入端），將經過調制后的調頻信號通過引腳8饋送給內部集成的射頻信號放大器進行第一級的射頻功率的放大，并且可由引腳7輸出。引腳10外圍連接LC振蕩回路，該振蕩回路可對由引腳10輸出的射頻振蕩信號進行諧振。對于LC諧振回路來講，其諧振頻率即為發射頻率。所以該電路中的電感與電容對回路中的發射頻率起到決定性作用，LC諧振回路的頻率計算公式為f=1/（2π），其中電容C的單位為F，電感L的單位為H。引腳10連接的LC振蕩回路由電感L4、電容C20和可變電容CV1相互并聯所構成。所以該射頻振蕩的中心頻率由LC并聯回路所決定。在實際電路中，可變電容為雙聯型可調電容，通過調節雙聯型可變電容可以控制該調頻電路的發射頻率。根據雙聯型可調電容的調節范圍，該電路能實現88 MHz～108 MHz范圍內的連續可調節。故本課程設計要研究的一種100 MHz的調頻發射機完全可以滿足其要求。另外為了控制引腳7輸出的射頻放大信號與引腳10經過LC諧振回路后的射頻振蕩信號保持同步以獲得最大的射頻信號輸出功率。雙聯型可變電容另一聯CV2和電感L5以及電容C20A構成另一個LC并聯諧振回路用于連接引腳7和引腳10的LC并聯諧振回路。實際電路中，可以看成引腳10的LC諧振回路和引腳7的LC并聯回路耦合，然后共同構成一個大的LC網絡。所以雙聯可調電容在電路中具有重要作用。一方面可變電容的一端CV1可通過調節自身的電容值來改變LC諧振回路的總電容進而達到調節調頻電路的發射頻率的目的，另一方面雙聯可變電容另一端CV2同時改變以保證7引腳上連接的LC振蕩回路與其本機振蕩信號的頻率特性變化保持一定的同步，并且此時引腳7和引腳10輸出的射頻振蕩信號經過外圍大LC諧振回路亦是保持同步然后饋送給功率放大電路用作進一步的功率上的放大和激勵。

另外，引腳15為芯片BA1404的電源端，其外圍連接3 V左右的供電電源，實際電路中用兩節7號電池串聯。同時該引腳外圍連接有極性電容C9和電容C10、C11、C12并聯接地如圖8所示，該電路主要是構成選頻網絡，對電源信號進行較為有效的濾波。

2.4 ?功率放大電路

如圖9所示，采用了以三極管S9018為核心元器件的共射極放大電路構成高頻信號功率放大電路。其中三極管S9018是一種具有高頻特性的NPN型硅管，三極管具有非常好的電流放大作用，尤其是S9018這種具有高頻特性的硅管，在高頻電子線路中具有低噪聲特征、高功率放大倍數、大動態調節范圍和較為理想的電流電壓特性等特點，廣泛應用于調頻發射電路和高頻信號功率放大電路等。該功率放大電路中的S9018高頻管的基極通過電容C24與引腳7連接構成輸入端，同時該三極管的集電極通過偏置電阻R9與自身的基極相連接，通過電感L6與電源開關連接，最后通過電容C29與音頻插口連接作為輸出端，然后發射機接地，構成了共射極放大電路。該電路可將引腳7輸出的射頻放大信號做進一步的功率上的放大，即為第二次的功率放大，以便能使該調頻發射機的發射距離變得更遠，不至于由于距離傳輸而損耗殆盡。其中要注意的是該調頻電路的天線發射是通過將第二次功率放大后的射頻信號通過電容C29耦合到音頻信號插口上實現的。所以插入音頻插口的音頻傳輸線或者有線麥克風話筒可以替代發射天線的作用。并且與電感L6相連的由C26、C27和C28三個電容并聯接地構成的電路亦是起到選頻濾波的作用。

3 ?整體系統電路與調試

該調頻發射機包括信息的識別與提取電路，音頻控制與調制電路，射頻信號振蕩電路和高頻信號功率放大電路等部分，如圖10、11所示，為系統整體原理圖和PCB圖。

3.1 ?制作與調試過程

經過方案的論證與選擇，局部電路的設計后，最后進行該調頻發射機的制作與調試，具體步驟為：

（1）運用軟件Altium Designer畫出該調頻發射機的系統整體電路原理圖和PCB圖。

（2）利用調頻發射機的電路原理圖和PCB圖制作相應的實物印刷電路板。

（3）將購買的元器件焊接在所制作的印刷電路板上，注意芯片BA1404和雙聯可調電容CV在焊接的過程中速度一定要快。其他元器件的焊接也要按照金工實習的要求來進行。

（4）PCB板焊接完成后準備一個領夾式的有線麥克風、一部手機、一臺調頻收音機和兩節七號干電池。

（5）將領夾式有線麥克風的插頭插入板子上的音頻插口中，然后裝入兩節七號電池，打開開關，此時電路板上的LED燈亮起紅光。

（6）將手機揚聲器對準麥克風的呼麥處，然后播放音樂或者音頻。

（7）將準備的調頻收音機進行調節，直到調頻收音機能收到和手機播放音樂比較類似的聲音信號，然后繼續調節收音機，直到能收到較為清晰的聲音。

3.2 ?調試結果分析

經過上述的制作與調試過程，便能測出本調頻發射機原始的發射頻率為99.8 MHz，由于該調頻發射機能在88 MHz～ 108 MHz的范圍內連續性可調，所以調節雙聯可調電容便能調節出調頻范圍內所需要的中心發射頻率。本次畢業設計要設計的是一種中心發射頻率為100 MHz的調頻發射機。所以采用控制變量的調試方法，繼續對調頻發射機的發射頻率進行調節。先將調頻收音機調到100 MHz，再調節調頻發射機的雙聯可變電容（左右微微旋轉試探電路板的發射頻率），直到調頻收音機出現“沙沙”聲。然后繼續微調雙聯可變電容，調到調頻收音機能較為清晰地收到音頻信號。此時若繼續調節可調電容，卻無法提高收到的音頻信號的清晰度，這是因為此時達到電容調節的臨界點，若要用于調試的調頻收音機能更加清晰地獲取調頻發射機發射的調頻信號，可以調節電位器來控制輸入調頻發射機的音頻信號的音質。（調節電位器可改變音頻信號音量大小，調節到合適的阻值能抑制信號失真，使得傳輸信號的音質最佳）多次調試，最終調頻收音機能收到清晰的與手機播放的音樂同步的音頻信號。此時調頻發射機的發射頻率便是100 MHz，完全滿足本文要研究的設計的要求，測試實物圖如圖12、13所示。

4 ?結 ?論

作為通信系統的代表產物之一，調頻發射機在人們日常的生產生活中起到了重要作用。其中，大型的調頻發射機多用于廣播電臺調頻發射語音或者音樂節目。而小型調頻發射機主要用作對講機應用于日常生活的小范圍通信中。

本文要研究的是一種中心發射頻率為100 MHz的調頻發射機，主要從以下幾個方面進行對其進行分析、論證以及實現：

（1）進行方案的論證與選擇。本設計采用的是直接型調頻的方案，且由于三點式振蕩電路等分立元件電路的頻率特性不穩定，容易產生失真，所以采用集成的BA1404芯片用作調頻調制的核心控制器件。

（2）參考BA1404的內部結構和外部引腳功能，并參考相關文獻，設計出系統整體電路，該調頻電路包括信息的識別與提取電路，音頻控制與調制電路，射頻信號振蕩電路和功率放大電路等部分。

（3）利用軟件Altium Designer畫出該調頻發射機的系統整體電路原理圖和PCB圖，然后按照該調頻發射機的電路原理圖和PCB圖制作出相應的實物印刷電路板，最后將準備的元器件按照金工實習的要去焊接到實物電路板上。

（4）對調頻發射機進行調試，并將準備的調頻收音機用作于調試的接收機。經過不斷地依次調試調頻收音機，調頻發射機上的雙聯型可調電容和六聯型可調電位器，最終完成100 MHz調頻發射機的中心發射頻率要求。

由于筆者正處于本科學習階段，儲備知識和實踐能力相對有限，再加上準備的時間不足等原因，對調頻發射機的學習和理解必定有著不足之處，本次設計的實物調試還沒有達到非常理想的結果，筆者后續還會對該調頻發射機作進一步地研究，并對其加以改良以達到更加理想的實物調試效果。

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作者簡介：熊龍雨（2000—），男，漢族，安徽六安人，本科，研究方向：電子信息工程。