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【参赛】导频制立体声信号发生器的设计和制作

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发表于 2024-1-13 12:40:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 oldwood_hmgh 于 2024-1-13 14:14 编辑

        调试调频收音机的立体声解码器需要有一个稳定的测试信号,以前调频广播电台开播时还发送一段测试信号,现在基本都不发送了,调试解码器只能摸石头过河,凭耳朵听。很想拥有一台导频制立体声信号发生器,可是这种仪器比较小众,而且价格不菲,又难以找到可以参考的实际电路,于是萌生了自己设计和制作的想法。

(一)导频制立体声信号的调制原理
符号的说明:
L:左声道音频信号
R:右声道音频信号
S:38KHz副载波
P:19KHz导频
设以上信号有如下表达式:
L=sin(ω1t), ω1=2πf1 ,f1=1KHz
R=sin(ω2t), ω2=2πf2 ,f2=2KHz
S=sin(ω3t), ω3=2πf3 ,f3=38KHz
P=sin(ω4t), ω4=2πf4 ,f4=19KHz
那么调制之后的导频制立体声信号MPX的表达式为:
MPX=(L+R)+(L-R)*S+0.1*P                                          
根据上面的表达式,用OrCAD仿真软件的理想元件建立下面的模型:
ABMSCH_page-0001.jpg
仿真原理图

V1、V2分别是L、R声道信号,V3是副载波信号,V4是导频信号,DIFF是减法器,SUM1、SUM2、SUM3是加法器,MUL是乘法器。PARAMETERS是参数集,控制L、R、P三个信号的振幅。
运行时域仿真结果如下:
(1)L、R声道都加振幅0.9V信号,L声道频率1KHz,R声道频率2KHz,导频振幅0.1V
绿色线:L声道,
蓝色线:R声道,
红色线:MPX输出信号
1k2k_page-0001.jpg
上图MPX信号的频谱分布
fft_page-0001.jpg
可见这就是教科书中解说导频制立体声调制方法时经典的波形图和频谱图。
下面几个图是改变几个参数后的仿真波形:
(2)L声道加振幅0.9V信号,R声道0V,导频振幅0.1V
L_page-0001.jpg
(3)L声道0V,R声道加振幅0.9V信号,导频振幅0.1V
R_ONLY_page-0001.jpg
(4)L、R声道都是0V信号,导频振幅0.1V
P_only_page-0001.jpg
注意上图的波形,导频幅度0.1V。
(5)L、R声道都加振幅0.9V信号,频率都是1KHz,导频振幅0.1V
RL_page-0001.jpg
(二)实际电路的设计
实际电路就是用真实元件替换仿真电路中的理想元件。
图纸如下:
SCHEMATIC.jpg
(电路图中R28、R29、R33、R35四颗电阻阻值更正为100K)
如果看不清楚,可以下载这个PDF文件:
SCHEMATIC.pdf (38.56 KB, 下载次数: 51)
整个电路划分为四个模块:音频信号产生模块,平衡调制器模块,导频和副载波产生模块,电源模块。分别解说如下:
(1)音频信号产生模块
黄色方框内的电路是音频信号产生模块,该电路使用一块ICL8038集成电路,通过调节R50可以产生10Hz——15KHz范围内正弦波、方波、三角波,正弦波通过R59送到平衡调制模块产生立体声信号。方波、三角波也都分别引出到各自的输出插座,可用于调试音频设备。
(2)平衡调制器模块
绿色方框内的电路是平衡调制器模块,该模块使用了两块双运放电路TL082和一块乘法器电路AD633。
运放U19A构成反向器,输出-R信号,U19B构成加法器,输出L+(-R)即L-R信号。
U21B构成加法器,输出L+R信号。
AD633内含一个乘法器和一个加法器,仅有8个引脚,它有五个输入端X1、X2、Y1、Y2、Z,一个输出端W,它的传输函数是:
W=(X1-X2)*(Y1-Y2)/10 + Z
在本电路里X2、Y2接地,X1输入10*S信号,Y1输入 L-R信号,Z输入0.1P,那么输出端
W= X1*Y1/10 + Z = S*(L-R)+0.1P
即AD633实现了仿真模型中红色方框中的功能。
U21A构成加法器,输入端分别是W、L+R,其输出端是
MPX = W+(L+R) = S*(L-R)+0.1P+(L+R)         
完成了调制。
为设计简单,L、R声道共用一个音频信号源,用两刀四掷开关SW1、SW2切换工作模式(见棕色方块内电路),工作模式有四种:
Both L and R :L、R声道都加音频调制信号
L only :仅L声道加音频调制信号,R声道接地
R only :仅R声道加音频调制信号,L声道接地
Nor L or R :L、R声道都接地
其输出波形如下:
1)L、R声道都输入信号(Both L and R)
SL R P.jpg
2)仅L声道输入信号,R声道接地(L Only)
SL P.jpg
3)仅R声道输入信号,L声道接地(R Only)
R.jpg
4)L、R声道都接地(Nor L or R)
P.jpg
(3)导频和副载波产生模块
电路图中红色方框内的电路是导频和副载波产生模块,U23A、U23B与晶振Y1构成4.864MHz振荡器,经U23C、U23F缓冲后由U20、U18分频得到38KHz和19KHz的方波,38KHz方波由U23D倒相,推动由Q2、Q4以及变压器T1组成的推挽放大器,变压器T1的初级接有电容C3,与初级电感谐振在38KHz,在T1次级得到峰值大于12V的正弦波,经接在次级的电位器R20调节到峰值10V(即10*S),送到平衡调制器的U4输入端X1,19KHz方波的处理方法与前类似,产生的导频0.1P送到U4的输入端Z。这里T1、T2的作用非常重要,它们不仅把方波变成正弦波,还需通过微调它们的电感量保持19KHz导频与38KHz副载波有相同的相位。本模块产生的19KHz正弦波和38KHz正弦波可由J11、J12分别引出到面板。
(4)电源模块
蓝色方框内是电源模块,本机使用+15V、-15V电源供电,需外加整流、滤波、稳压电路(可使用7815、7915),其中+15V通过稳压集成电路7805输出+5V给数字集成供电,电路图中VCC=+15V,VSS=-15V。
(三)关键元件说明和制作
(1)T1、T2的制作:使用录音机偏磁线圈骨架,0.06mm漆包线三线并绕400匝左右,其中两组首尾串联做初级,带磁芯电感量10mH左右,另一组做次级。
(2)所有运放的外围10K电阻精度尽量高些,至少应使用1/8W精度1%金属膜电阻,有条件的话应该用电表挑选一下。
(3)关于AD633:这个集成电路是AD公司(阿诺德公司)的产品,AD公司称它为“廉价的乘法器”,AD公司的产品价格都不低,购买时注意不要买到假货。
(四)调整方法
调试时需要用一台双踪示波器,带宽20M足够了,最好还有一台频率计。按以下顺序调整各个模块。
(1)电源模块的调整
+15V、-15V要外加整流、滤波、稳压电路,推荐使用7815、7915正负稳压集成电路,+15V电压经过本模块的7805稳压块降压到+5V供给三块数字电路,R19是分压电阻,功率应该用0.5W以上的。
(2)音频信号产生模块的调整
用示波器观察J18的波形,R48调节音频正弦波的对称度,R53、R55调节波形的圆滑度,电位器R50调节音频频率,按图中的参数可调范围是10Hz—14KHz,如有频率计可实际测量一下。
(3)导频和副载波产生模块的调整
副载波的调整:先把R26的滑臂调到接地端,用示波器观察J12的波形,调节T1的磁芯使波形幅度最大。
导频的调整:先把R27的滑臂调到接地端,用示波器观察J11的波形,调节T2的磁芯使波形幅度最大。
导频与副载波相位调整:示波器两个通道分别接J11、J12,微调T1、T2的磁芯,使两个波形的初相对齐,即导频的零点与副载波的零点重合,如下波形图: PS.jpg
把示波器置于XY模式,应该出现如下的李莎如图形:
SLSY.jpg
(4)平衡调制模块的调整
调整音频输入电平:音频频率调节到1KHz左右,示波器双通道探针分别接R5、R6的输入端,监视L、R声道的输入电平。工作模式开关置于Both L and R档,调整R60、R62使示波器显示的两路音频正弦波幅度都是0.9V。
副载波幅度的调整:示波器探针接J8,监视MPX信号输出波形,工作模式开关置于L only档位,调节R20逐渐加大副载波幅度,使MPX波形的基线刚好平直。
L_noP_page-0001.jpg
副载波幅度合适

S1_page-0001.jpg
副载波幅度不足

S2_page-0001.jpg
副载波幅度过大

调好后再把工作模式开关置于R only档,复核一下仅有R声道信号的波形,看上去应与L only档基本相同(其实与副载波的相位关系不同)。
再把工作模式开关置于Both L and R档,应该看到下面的波形,这条红线越细说明L、R声道对称性越好。
LR_page-0001.jpg
导频幅度的调整:
工作模式开关置于Nor L or R档,MPX信号应该是一条水平直线,调节R27逐渐加大导频信号输入电平,使示波器显示的19KHz正弦波幅度达到100mV。再把工作模式开关切换到其他档位,应该看到所显示的波形都带上了19KHz的“导频毛刺”。
这个立体声信号发生器可以输出峰值2V的MPX信号,绝大多情形下都用不到这么大,输出端可以加个衰减器,分段式最好,我是简单地用一个10K电位器调节输出信号的大小。
(五)组装实例
图纸的电路制成印刷电路板如下图(核心板)
核心板_1.jpg
如果想简易的话,只需把核心板安装在一个支架上,支架上安装模式转换开关、音频频率调节电位器、必要的输出接口、衰减电位器,电源外接。用时摆在桌面上,不用时扔角落里,如下图所示:
核心板_2.jpg
如果想用起来方便,可以添枝加叶做得完善些,下图是我做的另一个样机,利用一台带有简易示波器的不知名仪器的身子骨,掏出它的内脏,再加一个频率计用来指示音频频率,示波器用来监视导频和副载波的相位关系,音频频率也显示在示波器上(面板上原来仪器的印字与本机功能无关)。
ALL_1.jpg
ALL_2.jpg
ID_1.jpg
ID_2.jpg
(六)后记
2018年,我设计了一款全电子管锁相环立体声解码器(见矿坛第九届DIY大赛我参赛的那个帖子),当时我是用一块制作调频无线话筒的集成电路BA1404做信号源调试的,这个电路产生的波形并不理想,而且各项参数都不能调整。后来这个信号源坏掉了,我就自己设计了这个导频制立体声信号发生器,制作成功后发现它产生的信号波形比BA1404的波形要好,经过这几年的使用,感觉很是顺手,于是借第十五届大赛的平台介绍给各位坛友,欢迎大家提出进一步改进的意见和建议。






















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 楼主| 发表于 2024-2-2 00:44:50 | 显示全部楼层
创业爱好者 发表于 2024-2-1 02:48
楼主厉害!06年的时候我根据很少的一点导频制立体声编码理论,资料来自《录音机电视机收音机600问》,自行 ...

《录音机电视机收音机600问》我也有这本书.
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发表于 2024-1-13 13:24:01 | 显示全部楼层
论坛里真是藏龙卧虎,这大侠有水平
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 楼主| 发表于 2024-1-14 11:24:56 | 显示全部楼层

补一张图

L声道输入1KHz音频信号,R声道输入2KHz音频信号,但两个声道信号电平不相同,MPX信号的输出波形
S1K2K P.jpg

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发表于 2024-1-14 15:00:45 | 显示全部楼层
本帖最后由 hujingdi 于 2024-1-14 15:01 编辑

感谢作者oldwood_hmgh的作品《导频制立体声信号发生器的设计和制作》参赛
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发表于 2024-1-14 17:20:21 | 显示全部楼层
AD633很贵,接近100元
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 楼主| 发表于 2024-1-14 18:05:11 | 显示全部楼层
yest 发表于 2024-1-14 17:20
AD633很贵,接近100元

我用的是拆机的,20元一片。
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发表于 2024-1-14 21:34:44 来自手机 | 显示全部楼层
很有实用价值!
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发表于 2024-1-15 07:52:55 | 显示全部楼层
实用的设计,楼主厉害!
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发表于 2024-1-15 19:53:07 | 显示全部楼层
不明觉厉
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发表于 2024-1-17 14:16:48 | 显示全部楼层
玩调频立体声的利器,赞!
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发表于 2024-1-17 16:19:36 | 显示全部楼层
老师厉害,有了这个器件可以单独用来调试立体声解码了
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发表于 2024-1-25 18:18:39 | 显示全部楼层
这可是高水平作品,仿制是不是得要一台老旧示波器?
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 楼主| 发表于 2024-1-25 22:42:00 | 显示全部楼层
awfi 发表于 2024-1-25 18:18
这可是高水平作品,仿制是不是得要一台老旧示波器?

示波器是要有一台的,但不一定要老旧的,新的更好啊。
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发表于 2024-1-25 22:44:46 | 显示全部楼层
oldwood_hmgh 发表于 2024-1-25 22:42
示波器是要有一台的,但不一定要老旧的,新的更好啊。

自己有一台普通20MHZ示波器有一台,是不是还要一台用来改装做显示?
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 楼主| 发表于 2024-1-25 22:48:23 | 显示全部楼层
awfi 发表于 2024-1-25 22:44
自己有一台普通20MHZ示波器有一台,是不是还要一台用来改装做显示?

那倒不必,那块核心板直接能用了,至于频率计、示波管那是添枝加叶,为了使用方便而已。
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