（农业电气化与自动化专业论文）多路信号解调技术与方法的研究.pdf

摘要 本文采用理论分析与电路调试相接台的方法，研究了从输入调频信号中不失 真地解调出多路现场信号的关健技术，并得到了两种解调的方案。 方案一中首次提出了一种二次解调的思想，即该方案由一次解调( 鉴频) 电 路和二次解调( 多路信号分离) 电路两部分组成。仁次解调中研究了频谱分离法 和锁相法两种实现鉴频的技术。二次解涸中研究了采用a d 转换电路实现多路信 号的分离技术。通过对该方案整体电路的实际调试，验证了该方案的可行性。 方案二中首次将先进的a v r 单片机技术应用于调频信号的解调，主要研究 了采用a v r 单片机实现解调的硬件电路和相应的软件。f 软件设计中，通过测量 输入调频信号周期，查表得到该周期所对应的多路现场信号，从而实现解调。该 方案也在a v r 单片机开发系统中调试通过。毒 本文晟后对两种实现方案陛能作了比较，在实际的多路信号传输系统中，可 根据实际需要选用不同的实现方案。 关健词：解多路现场信号；a v r 单片机j 电路调试 ( a b s t r a c t a d o p t e dt h em e t h o do fc o m b i n i n gt h e o r ya n a l y s i sw i t hc i r c u i te x p e r i m e n t , t h i sp a p e r s t u d i e sk e y t e c h n i q u e so nu n d i s t o r t e d l yd e m o d u l a t i n gm u l t i - p a t hl o c a ls i g n a l sf r o mt h ei n p u tf ms i g n a l ，a n dg e t s n 、ok i n d so f d e m o d u l a t i o np l a n s i nt h ef i r s tp l a n ，w e f o rt h ef i r s tt i m e ，s u g g e s ta ni d e aw h i c hc a na c c o m p l i s hd e m o d u l a t i o ni nt w o p a r t s t h ef i r s tp a r ti sf m s i g n a ld e m o d u l a t i o nc i r c u i ta n dt h es e c o n dp a r ti sm u l t i - p a t hs i g n a ld i v i d e d c i r c u i tw eh a xem a i n l yr e s e a r c h e dt w of m s i g n a ld e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e sc a l l e df r e q u e n c ys p e c t r u m s e p a r a t i o na n dp h a s el o c kl o o pi n t h ef i r s t p a r t i nt h es e c o n dp a r t ，w eh a v es t u d i e dt h ed i v i d e d t e c h n i q u eo fm u l t i p a t hs i g n a lk vl l s eo fa n a l o g d i g i t a lc h a n g ec i r c u i t t h ef e a s i b i l i t yo f t h i sp l a nh a s b e e np r o v e dt h r o u g hd e b u g g i n gt h ew h o l ec i r c u i t i nt h es e c o n dp l a n ，w ei n t r o d u c et h ea d v a n c e da v rm c u t e c h n i q u et od e m o d u l a t et h ei n p u tf m s i g n a lf o rt h ef i r s tt i m e w eh a v em a i n l yr e s e a r c h e dt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d t h es u i t a b l es o f t w a r et h e d e m o d u l a t i n gp r o g r a mi sm a d eu po f t w om a j o rp r o c e s s e s ：m e a s u r e m e n tc y c l ea n dc o n s u l tt a b l e t h i s p l a nh a sa l s ob e e ns u c c e s s f u l l yd e b u g g e di na v r m c u e x p l o r es y s t e m f i n a l l y , t h i sp a p e rc o m p a r e st h e “v od e m o d u l a t i o np l a n sa n ds u g g e s t sw es h o u l dc h o o s eo n eo f t h e mt oa p p l yt om u l t i - p a t hs i g n a lt r a n s f e rs y s t e ma c c o r d i n gt oa c t u a ld e m a n d k e yw o r d s ：d e m o d u l a t i o n ，m u l t i - p a t hl o c a ls i g n a l ，a v rm c u ，c i r c u i td e b u g g i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名弼苗硝 时间：) 秽矿年弓月加日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：鄙苏群导师签名：多露 时间：卵口- 年3 月妒日 第一章绪论 1 1研究目的和意义 目前，国内在车辆性能测试中仍采用传统的多条信号线传输方式。在测试过 程中存在许多不便，从而导致测量误差较大，测试效率较低。举例说明如下： 1 、在车辆牵引性能测试过程中被测车和负荷车之间要用钢丝绳进行连接， 被测车在前，上面装有多个传感器( 发动机转速传感器、转数传感器、拉力传感 器、燃油消耗传感器等) 。带有测试仪器的负荷车在后，同时测试仪器要通过电缆 与各传感器相连( 如图卜i 所示) 。这样势必会带来诸多问题： ( 1 ) 测试过程中被测车和负荷车之间的距离一般大于1 0 米。若两车距离 太近则会形成事故隐患：若两车距离太远则测试时不便于同步，且会形成信号干 扰，造成较大的测量误差。 ( 2 ) 在测试过程中转弯时操作者应随时注意收紧电缆，以免发生电缆的相互 缠绕或压断而影响测试过程。 图1 一i牵引性能测试示恿图 2 、在汽车底盘模拟测功系统中信号传输一般也是采用传统的多线传输方式。 为了避免噪声，控制室一般都要进行密封处理，而控制室与测试现场之间的信号 电缆一般采用地沟布线，这不但增加了施工难度，而且易受鼠类破坏，还往往给 线路的维护、检修等造成极大不湮( 如图卜2 所示) 。 3 、若对信号进行记录，通常采用多通道磁带记录仪。而多通道磁带记录仪， 般采用多磁头、多调制电路的f m 调制方式。其共有的缺点是：信号通道越多， 则频率响应越差；且电路结构越复杂，同时设备价格昂贵。例如日本生产的t e a c r 8 1 七通道磁带记录仪采用的是f m 调频制，其价格接近1 万美元，而且还要使用价格 昂贵的专用磁带。 为了解决上述问题，研究一种兼容性好、通用性强、低成本、使用方便的调 制、解调器对实现无线传输、改善测试手段、方便测试过程有着相当重要的意 图卜2 底盘猁功系统示意图 义。该课题的主要任务就是要研究一种适合于对多通道f - g 号进行调制和解调的装 置。该装置能对现场信号进行在线调制，实时性好、适应性强、适用范围广，它 既可对载波进行在线调制实现多路信号无线传输、又可用于信号记录仪等设备进 行信号记录。由此可见，该课题具有较高的实用价值，其应用和推广前景十分广 阔。 1 2 国内外研究现状 对于调制与解调技术，国内外研究很多，而且技术已经非常成熟，如拨号上 网码的 , t o d e i ，对c a t v 进行双向改造的c a b l em o d e m 等。但是它们均采用串行的 数据通信方式传输信息。若用于传输多路的现场信号，其传输速率和实时眭均不 能满足要求。对于采用调制与解调技术实现多路现场信号的实时传输技术，国内 ，、还未见有这方面的研究。 1 3 研究内容和方法 1 研究内容简介 本课题主要是研究一种多通道信号在线调制和解调技术，应用于车辆性能测 试中实现多路信号的无线传输，以解决目前国内在车辆性能测试中采用的多路信 号有线传输方式所带来的诸多问题。 该课题主要由调制和解调两大部分组成，本论文主要是对课题中解滑部分的 一2 一 实现方法和技术的研究。 信号解调部分有如下两种设计方案： 方案一采用二次解调技术完成，其原理框图如图1 3 所示。解调端接收到的 带有噪声的微弱信号首先经过限幅放大器进行限幅放大。该限幅放大器对信号进 行放大的同时通过限幅去除叠加在信号上的噪声。放大器的输出信号送入鉴频器， 由它完成对调频信号的一次解调。鉴频器可以把调频信号的频偏转换为电压的输 出，其转换函数可表示为 限 一次解调 二次解调测 幅 电路电路 试 放 ( 鉴频器)( a d 转换器) 仪 l 大器 圈i3方案一的原理摧爝 圪= k 。( a + ) 其中f o 为载波信号的频率为频率偏移k 。为传输系数，圪为鉴频器输 出的模拟电压，它在理论上等于调制部分d a c 电路输出的模拟电压信号。圪送入 一模数转换器a d c ，由a d c 完成对信号的二次解调。a i ) c 输出的多路数字信号即为 调制端的多路现场信号，可送入后接的测试仪器进行处理。a d c 可选用转换速度 较陕的逐；失逼近比较型a d c ，如 d 7 57 4 ，其输出为8 位，转换速度为1 jus ，可 满足一股使用场合的要求。 本文自第二章与第三章将分别对方案一的一次解调电路和二次解调电路的设 计作详细的论述。 方案二的原理框图如图卜4 昕示。 图1 4方案二的原理框图 调制部分的输出是调频信号，多路现场信号的不同组合所对应的输出频率是 不周的，因此解调端可以将多路现场信号的各种组合所对应的输出频率以软件表 3 一 格的形式存储在单片机中。在解调时，只要测出信号的频率，就可以通过查表的 方式得到多路现场信号。实际电路采用a v r 系列单片机a t 9 0 s 2 3 1 3 实现测频、查 表，恢复多路现场信号，完成解调。该方案实时性较好，可在要求较高的场合使 用。 本文的第四章将对方案二作详细的论述。 2 研究方法 该课题在导师的指导下，利用理论分析和试验验证相结合的方法进行研究。 在充分研究解调系统的原理之后，设计出实现解调的多种可能方案，然后通过试 验对每一种方案进行可行性测试，经过比较各种方案的性能，最后得到最佳的设 计方案并设计出电路原理图，从而最终完成课题的研究。 2 1 概述 第二章一次解调( 鉴频) 技术研究 一次解调电路，即鉴频电路的功能是对调制端传送过来的调频信号进行解调，将 输入信号频率的变化转换为变化的电压输出，为二次解调电路提供模拟的输入电压。 其转换函数可表示为： v o = k d ( f o + 厂) 其中v o 为鉴频器输出的模拟电压，f o 为载波信号的频率，厂为频率偏移，k d 为 传输系数。 实现鉴频的方法很多，而对于载波频率二不高( 约i o o k h z ) 但频率偏移v 很大( 约 2 0 0k h z ) 的调频方波信号，可以采用由单稳态电路和低通滤波器组成的电路实现鉴频： 其基本原理是用滤波器实现调制信号的频谱与载波信号频谱的分离。也可以采用锁相 环技术鉴频。本章将对这两种鉴频技术的原理、电路作详细的论述：并通过对两种电 路性能的比较，选取较好的一种电路作为最终的鉴频电路。 2 2 采用频谱分离技术实现次解调的电路设计 2 2 1频谱分离法的理论分析 所谓解调，就是要不失真地恢复出调制端的多路现场信号。因此，在讨论解调原 理时必须首先对调制部分的工作原理作简要介绍。系统的调制部分采用二次调制技术 完成t 其原理框图如图2 - 1 所示。具体工作原理如下：先将由m 路传感器输出的现场 图2 - 1 调制部分框图 v 一5 一 信号进行归一化处理即将所有传感器信号( 包括模拟量和脉冲量信号) 转换成m 路 方波信号，以形成m 位并行信号的状态码，然后将其作为n 位数模转换器( d a c ) 的数 据输入信号，经d a c 电路转换后变为一路模拟信号，从而实现信号的一次调制。该模 拟信号作为压控振荡器( r e 0 ) 的输入信号进行二次调制。v c o 的转换函数为： 厂= f o + a f = f o + k ，a v ( 2 一i ) 式中足r 为v c o 的转换灵敏度，如为v c o 的中心频率，z 3 f 为输入调制信号av 引 起的频率偏移。v c 0 的输出即为携带多路信号信息的调频信号，从而实现了对多路现场 信号的调制。 v c 0 输出的调频信号就可以通过无线( 或单条电缆) 传输到解调端作为解调电路的 输入信号。 以两路现场信号为例画出图2 1 中的各点波形如图2 2 所示。设两路现场信号分 别为v 。j ( 1 k h z 方波) 和v 。2 ( 2 k h z 方波) ，并且分别加在d a c 的最高位和次高位。 ( ) 点波形 奉，8 点波形 咖衄0 衄姗脚咀口姗衄0 8 口脚咖0 吐 l( c ) 点波形 图2 2调制部分各点波形图 解调电路的原理框图见图l - 3 ，若也以调制端所加的两路现场信号为例，其输入信 号即为上图的( c ) 点信号，该调频信号通过鉴频器后输出波形即为上图的( b ) 点波 形，最后由模数转换电路( a d c ) 恢复出m 路现场信号即为上图中的( a ) 点波形。 下面对解调电路的输入信号( c 点波形) 的频谱进行分析。因直接分析多路方波的 调频信号的频谱非常复杂，所以为简化起见，首先分析最简单的情况，即在d a c 输入 一6 于由两个相位相反的调制信号矿。似和矿。n + j 分别对两个不同频率的载波信号j 川 和j 例调幅后得到的两个调幅波v t ( t ) 和m 的叠加，即v d o 。吩，+ d 2 ( o 。 芦j j h j l 一 倘6咖衄咖衄础，。 脚0 0咖衄咖衄 咄幽 ，。 年v ? ? l t j 咖0咖0咖0咖0 - v ? ( t 1 岫咖瑚咖蚴删衄衄咖衄删皿衄00 0 - 圈2 - 3d c 端加二路调制信号时的波形图 调制信号v 。例可表示为： 。，、：，”r 三，s ；+ 片r 。：。，。，： o 2 1 。，。丁+ 吾s ，二。r + r ”2 。1 ，2 其中e 为幅值，t 为周期。 v 。为周期性方波信号，可将其展开为博立叶级数： ( ，) = 研三+ 昙c 。s q r 一磊2c 。s 3 亿+ 易2c 。s 5 q 一瓦2 c 。s 7 q + 】 ( 2 2 ) 一7 一 隧 叫 喜淼c o s m 叫刚 s ， 同理，矿or f + j 可展开成下式 v o ( t + 厅) ：e 委一三c 。s q + 三c 。s 3 q 兰c 。s 5 q h 尝c 。s 7 q ，+ 】 己覆5 冗j冗la 叫圭+ 喜高浠c o s 叫刚 由上式可以看出，调制信号中含有直流分量、基波分量及各次奇次谐波分量，有 较丰富的频率成分，其频带较宽。但是随着谐波次数的增加，谐波幅值迅速减小，而 其中基波分量包含了信号9 0 的能量。通过计算可知，其7 次谐波的幅值为最大幅值的 0 0 9 l 倍，因此实际调制信号可取直流分量、基波、3 次谐波及5 次谐波组成的频谱。 载波也为方波信号，所以其频谱与调制信号类似，只是频率不同而己，如图2 4 ( a ) 所示。y 。对频率为“，的载波信号调幅后的频谱如图( b ) 所示，v 。r f + n ，对频率 rm 。一 图2 4 各信号波形的频谱示意圈 为u 二的载波信号调幅后的频谱如图( c ) 所示。两调幅波叠加后的频谱如图( d ) 所示。在 一8 一 叠加时靠近直流分量的谱线因其相位相反而相互抵消( 由式2 - 3 和2 3 可以看出) 。 该频谱即为一路信号加到d a c 输入端后输出的调频信号的频谱。多路调制信号加到d a i s 输入端得到的调频信号的频谱与( d ) 形状类似，是多个( d ) 图的叠加如图( e ) 所示。 由以上频谱分析可以看出，该调频波的频谱表现为调制信号( b 点信号) 频谱与载 波信号频谱混叠在一起其中没有单独的调制信号频谱分量。因此要想从该调频信号 中分离出调制信号，必须使之通过一非线性器件，该器件的输出信号中应该包含调制 信号的频率成分，输出信号的频谱应如图2 - 5 所示。单稳态电路即可实现上述功能。 在单稳态电路后接低通滤波器，就可将调制信号分离出来。低通滤波器的截止频率应 不小于调制信号的5 次谐波频率。当然，其截止频率也不能很高。如果低通的截止频 率很高，将会导致对载波信号的衰减程度不足，形成干扰。 图2 - 5 单稳态电路输出信号的频谱示意图 2 2 2 单稳态电路的设计 单稳态电路的输入信号为调频信号，其波形如图2 6 ( a ) 所示；而输出信号中应 包含调制信号频谱成分。其波形如图2 6 ( 1 3 ) 所示。 a l i d 1111rf 1f 1f 1f 1 盯i p r 一 7 【b ) 图2 6 单穗态电路的输入输出波形 很显然，图( a ) 波形的平均分量为 一9 一 7 1 脚：旦踟：丝踟：堡 ( 2 4 ) r丁2 而图( b ) 波形的平均分量为( 脉冲宽度a 为定值) ： v a v = 兰v m = d f v m = 口v m f o + k ，v n ( f ) 】 ( 2 5 ) 1 由上式可以看出，单稳态电路的输出波形的平均分量中含有调制信号v n ( f ) 。因此， 可以在其后接一低通滤波器取出平均分量，滤除高频载波分量，便可还原出调制信号 v n ( f ) ，从而完成对调频信号的一次解调。 单稳态电路可以由四2 输入与非门c d 4 0 9 3 和电阻、电容组成。其电路原理如图2 7 所示。若假设输入的调频信号载频而为1 0 0 k h z 时，输出波形平均值幅度大约为1 v ， 则图中元件参数计算如下： 渡器 囤2 一i单稳态电路原理图 因为单稳态电路的输出波形均值决定于r 、c 的充电时间常数rrr = r c j ， 昕以根据电容充放电方程虬：u ( 1 一p 彤) 可求出r 。由图2 8 可以看出 5 v 25 v j o o s 圈2 - 8 电容c i 充电过程示意圈 一1 0 一 稳态电路输出宽度恒定的脉冲的时间f 为2 ps 。 则由方程 “。= “，( 1 一pn ) 求得一再t i 事观敝脚 求得 1 n ( 1 一生) l n ( 1 一譬) “ j 即r c = 2 8us 。若c = 4 7 0 p f ，则r = 5 9 1 ( q 。 所以电路中实取c = 4 7 0 p f ，r = 6 8 k o 。试验测得均值为1 2 2 3低通滤波器的设计 ( 2 - 6 ) 15 6 v ，基本符合。 为了得到较好的滤波效果，采用二阶有源r c 低通滤波器a 电路原理如图2 - 9 所示a 图中的元件参数计算如下： r f 图2 9 二阶有源低通滤波器电路腺理图 由21 节分析可知低通滤波器的截止频率 可取调制信号频率的5 次谐波若调 制信号频率口取2 k hz ( 因实际传送的多路传感器信号的频率均不超过2 k h z ) ，则 ：，= 1o k hz 。根据r c 低通滤波器的截止频率公式： 厂n = 二一= 1 0 k z 可解得： 。”2 斌c 肥钉2 嘉。1 5 9 2 芦 若r = r ：= r 。：1 5 k o ，则c = 1 0 6 0 p f ，电路中可取c = c z 2 c 。1 0 0 0 p f 。 根据理想运放输入电流为零，以及差动输入电压为零的原则可求得： = 吒= 毛r + 4 r ，v 。= 1 4 o _ 旦，1 ( 2 7 ) 一扣( 妄+ ，爿一j c o c z o 一去等= 。 c z s ， 一去+ ( 去+ ，卅= 。 。， 以等。丽盎一。碉 式中，取r , = r f = 1 2 k q , 爿。= t + 鲁= z ：= ：矾= 志：q = 击叫。 2 3 电路调试及测量数据处理 电路的调试分两步完成。第一步为静态调试，即在电路未加输入信号时对电路的 直流特性的测试。第二步是动态调试是指在电路直流特性良好的情况下输入端加 实：i 信号时对电路交流特胜的测试， 2 3 1静态调试 静态调试的基本方法是首先在单稳态电路的输入端加一定频率的信号，用电压表 测量低通滤波器输出端对应的电压僮；然后改变输入信号的频率，再测量输出端对应 的电压值：不断重复以上过程，就可得到一组输入多个频率下对应的多个输出电压值： 最后对测量数据进行分析，便可得到电路的静态特性。由单稳态电路和低通滤波器构 成的一次解调电路的实测数据列于表2 一l 中。表中f 为输入信号的频率，为低通滤 波器的输出电压，k or ，i ，k h ：) 为f - v 转换灵敏度，k 。：垒兽，将表中数据作成f v ， 特性曲线，如图2 1 0 所示。 一1 2 一 表2 1 f ( k h z 3 v ，。( v 1 ( o ( 1 1 v k h z )f ( k h z ) v ，。c v ) x ，( m v ，x h z ) 1 0 7 3 8 ll5 61 9 2 7 2i 9 0 l87 4 l l2 7 51 2 0 l8 4 01 9 8 0 7l9 4 98 9 7 1 1 80 3i 24 990 92 0 34 51 9 9 58 5 j 12 3 3 6l2 9 48 4 42 0 8 9 020 4 48 9 9 1 2 8 6 313 4 l8 9 22 1 44 02 0 9 592 8 l3 3 9 0i3 8 88 9 22 1 9 8 52 i4 59 i7 l3 9 3 91 4 3687 42 2 52 92 1 9 38 8 2 l 4 4 8 8l 4 8 48 7 42 3 07 72z 4 28 9 4 l5 0 0 4l52 98 7 2 2 3 6 2 22 2 9 29 17 i5 j 3 01 57 38 372 4 1 5 42 33 88 6 j l6 057l6 198732 4 68 823 8 j8 8 0 l6 5 9 9l6 67 88 62 5 23 92 4 32853 l7 i ，3 31 7 l 88 02 576 824 8 l9 2 6 l7 6 8 0l7 6 0 8 422 6 30 02 5 2 684 6 18 204l8 0 89 1 62 6 832 257490 2 l87341 854 86 827 3 72 2 6 2 l8 ? 0 30 2n 10 j o dj 2 dd 6 0j 8 d2 0 02 2 02 4 02 6 0 2 8 03 0 0 n 础 图2 - 1 0 实测，r 曲线 特性曲线的线性可以用线性系数( 线性系数越接近1 ，线性越好) 表示 线性绺港= 嚣乩 一1 3 一 从曲线及线性系数可以看出，用单稳态电路和低通滤波器构成的，矿转换器在较宽 频率范围内具有较好的线性，可以满足对输入调频信号解调的线性要求。 2 3 2动态调试 当调制端电路的d a c 输入端加入多路信号时，如果本电路的低通滤波器的输出端 波形与调制部分的d a c 电路输出端( 图2 1 的b 点) 的波形一致，则说明电路的动态 响应较好。动态调试时需要调制端电路配合进行。 i 调制端加一路信号的调试 在调制端加一路信号，如2 k t f z 方波信号，用示波器测试低通滤波器输出端的波形， 比较该波形与调制端加入的波形是否一致。在电路设计之初，构成低通滤波器的r 和c 均取的较大，( r = 5 1 kq ，c = o 1uf ) 。在静态测试时，电路具有非常好的线性，但当在 调制端加上一路信号时( 2 k h z 方波信号) ，低通滤波器的输出波形与输入的信号波形相 比较，有明显的失真，如图2 一l l ( a ) 所示。经过对低通滤波器的截止频率计算可知， 其截止频率太低( 约3 1 h z ) ，低通电路在滤除高频载波的同时，也将调制信号的基波衰 减很多，各次谐波几乎不能通过低通，因此导致其输出信号的变形。如果低通的r 和c 取值变小如取r = 15 kq ，c = 1 0 0 0 p f 则输出的波形失真很小，如图2 1 l ( b ) 所示： 其静态特睦略莲，但仍可满足线眭要求。 洲惴渡彤厂 厂 厂厂 厂 厂 解端女形、一一一n 几n ( a )( b ) 囝2 - 】1输入一路信号时( 2 k h z ) 低通滤波器的输出波形比较 2 调帝0 瑞加多路信号的调试 ( 1 ) 在调制端加两路频率不同的信号时( 如2 k h z 和l k h z 的方波信号) ，用示波 器测量低通滤波器输出的波形与调制端d a c 电路的输出波形基本一致，略有微小的变 形。如图2 1 2 所示。 ( 2 ) 在调制端加五路信号且五路信号的频率互不相同但都不超过2 k h z ( 因实际传 送的多路传感器信号的频率均不超过2 k h z ) 。用示波器测量低通滤波器输出的波形与调 制端d a c 电路的输出波形基本一致，有微小的变形( 波形太复杂略) 。对于这种一次 解调电路输出的有微小变形的波形，二次解调电路能够不失真分离出五路信号。 4 一 调制端波形 解调端波形 b 凸凸巴 图2 l2输入多路信号时低通滤波器的输出波形比较 ( 3 ) 将调制端所加的五路信号的频率逐渐提高但不超过5k h z 时，用示波器测 量低通滤波器输出的波形与调制端d a c 电路的输出波形比较，变形略大，但二次解调 电路仍能正确地分离出五路信号。 ( 4 ) 若调制端所加的五路信号中有一路或几路信号的频率超过了5 k h z ，则在示波 器上显示的低通滤波器输出的波形与调制端d a c 电路的输出波形比较，会发现有较大 的失真：对于这样的波形二次解调电路就很难分离出多路现场信号，不能实现解调。 由以上的动态测试可知，该电路的动态响应满足设计要求。 2 4 采用锁相环技术实现一次解调的电路设计 2 4 1 锁相环的鉴频原理 锁相环( p ll ) 是一个闭环相位反馈控制系统，它能够自动跟踪输入信号的频率和相 垃。当输入信号是调频信号时，它能在跟踪输入信号的频率变化的同时输出一个大小 与频率变化戎正比的误差电压，因此锁相环电路可以实现对输入调频信号的嘏调。下 面首先分忻锁相环的鉴频工作原理。 锁相环路是由鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l f ) 和压控振荡器( v c o ) 组成的闭环系统， 如图2 一l3 所示。下面逐一介绍。 v ? m 图2 13锁相环路的组成框图 一1 5 一 1 鉴相器( p d ) 及其相位模型 鉴相器是相位比较器，其功能是用来比较输入信号的相位和压控振荡器输出信号的 相位，其输出电压与这两个信号的相位差成正比。鉴相器的鉴相原理可以用相乘器来 模拟，在鉴相器上输入的两个信号电压分别为外输入信号电压v 俐和压控振荡器输出 电压v ，俐，输出电压为v d r 砂。 设v ，( r ) = s m c o ，t + 占( f ) 】 ( 2 1 1 ) v ，( f ) = c o s c o o f + 占，( f ) 】 ( 2 12 ) 式中，u ，为外输入信号的角频率，口，为外输入信号以其载波相位。，t 为参考的 瞬时相位；“o 为压控振荡器输出信号的中心角频率，口，为压控振荡器输出信号以 相位u 。t 为参考的瞬时相位。 一般情况下，两个信号的频率是不同的，因而它们的参考相位也就不同。为了便 于比较两信号之间的相位差，现规定统一以压控振荡器在控制电压v 。= o 时的振荡角 频率u 口确定的相位u 。f 为参考相位。这样外输入电压可改写为 v ，( r ) = 。s i n c o o ，+ ( 翻。一国o ) r + 只( ，) = s i n c o o ，+ a c o o ，+ 0 ，( ，) = 。s i n o r o ，+ 口l ( ，) 】 ( 2 1 3 ) 式中，臼l ( ，) = ( 国，一c o o ) ，+ 目，( f ) 称为输入信号以相位u 。t 为参考的瞬时相位。 经相乘器，v ，与、相乘后，其输出为 k ，( ，) v ，( f ) = k i ，k 。s i n c o 。，十口j ( f ) _ 情c o s c o o ，+ p ，( ，) 1 = k l ，k 。 s i n 2 c o o ，+ 0 l ( f ) + p 。( ，) + s i n 0 】( f ) 一口，( f ) 】) 式中，k ，为相乘器的系数，单位为l v 。由于环路中有环路滤波器，它只允许低 频甘量通过。高频分量( 上式中第一项) 将被环路滤波器滤掉，因此相乘器的输出只 有低频分量。则 v 巾) = 吾“吃s i n 0 l ( ，) 一引f ) ( 2 - 1 4 ) 令局= 晏瓦为鉴相器的最大输出电压，以( ，) = 只( ，) 一目，( ，) 为鉴相器输入信 号的瞬时相差，则上式可改写为 一1 6 一 ( ，) = 巧s i n 0 。( f ) ( 2 一1 5 ) 该式即为鉴相器的鉴相特性。因鉴相器的作用是将两个输入信号的瞬时相差口。m 变为输出电压v d ，因此可以画出鉴相器的数学模型如图2 1 6 中所示。 2 压控振荡器( y c o ) 及其数学模型 压控振荡器的振荡频率up 受电压v c r u 控 制，它是一种电压一频率转换器，特性曲线如图 2 一1 4 所示。由特性曲线可以看出，在一定范围 内，ur 与v 。是近似线性关系即 ( - 0 f ，( ，) = o + k 。v 。( f ) ( 2 1 6 ) 6 3 。是固有振荡频率，即v 。r u = 口时的频率， j-u v 0 r 0 图2 一l4压控振荡器特性曲线 ce t ) k ，是特陛曲线直线部分的斜率，通常称为压控灵 敏度，单位为r a d s v 。在锁相环路中，压控振荡器的输出作用在鉴相器上。由鉴褶特 性可知压控振荡器对鉴相器直接发生作用的不是瞬时频率而是瞬时相位，因此就整 个锁相环路来说，压控振荡器应该以它的输出信号的瞬时相位作输出量。对上式积分 得： 肛( t ) d t = 吣+ k 。j v 。( t ) d t 上式与( 2 1 2 ) 式比较知以u 。为参考的输出瞬时相位为 p = k ，j v l ( t ) d t ( 2 圳) 昔用微分算子p = 万d 表示删上甍表示抛( f ) = 等v 再) 由该式可画出压控振荡器的数学模型。如图2 1 6 中所示， 3 环路滤波器( l f ) 其数学模型 环路滤波器为低通滤波器，用来滤除相位比较器 输出的高频部分，并抑制噪声。在锁相环路中，可 采用普通r c 低通滤波器，如图2 1 j 所示。其传输 函数为 图2 - 15低通滤波器 一1 7 一 1 州沪丽v a s ) 2 五s c = 击2 而1 ( 2 - 1 9 ) s c 式中r = r c ，由上式可画出低通滤波器的数学模型。如图2 1 6 中所示。 4 锁相环路的数学模型和基本环路方程 锁相环路的数学模型如图2 1 6 所示，由它可宜接得出锁相环路的基本环路方程： p d il f ! v c o 图2 1 6 锁相环路的相位模型 0 ( ，) ：t 9 1 ( f ) 一日，( ，) ：o i ( ，) 一髟k 足，( s ) ! s i n 口。( ，) ( 2 2 0 ) p 5 环路闭环传递函数 由式( 2 2 0 ) 知 目。( ) ：髟k 。k f ( s ) 土s i n 0 。( ，) p ( 2 2 1 ) 当日e 在一g ，r 瞻) ， ：肾它送入d a c 转换扁输出的吁与瞻在模拟比较器中比较，比较后依据“大者弃，小 者留”的原则；夹定该位的“l ”是保留还是舍弃。 ( 4 ) s a r 由高到低依次将生成的8 b i t 数字信号中的各位置“1 ”，然后不断重复 以上的转换、比较和弃留的过程，直至最后一位。 ( 5 ) b u s y 管脚此对由低电平变为高电平，指示转换完成。s a r 最后生成的8 b h 数字洁号即为转换结果，它通过三态驱动电路输出到d b 。一d b t 管脚。 ( 6 ) 葡或砺控制端由低电平变为高电平，a d 转换器复位。输出到d b 。一d b ；管 脚的数据被清除，准备开始下一次转换。 a d 7 j7 4 有三种工作模式，即静态r 枷接口模式、r o m 接口模式和低速存储器接口 模式。其中低速存储器接口模式将而和两控制端接在一起，电路简单，工作过程清 晰，因此本文采用该模式。该模式下的时序图见图3 - 5 ，真值表见表3 2 。工作时的相 关参数列于表3 - 3 中。 - 嘶似石晒肼吨嘶哑 吣h = h 表3 - 2 c s r d b u s y d b 7 - - d b o 图3 5低速存储器接口模式下的时序图 a d 7 5 7 4 输入a d 7 5 7 4 输出 功能说明 c s r db u s yd b 7 - d b o hhh i g hz未选中 llh i g hz转换开始 llh i g hz转换中 l 1h i g hz d 芦i i a转换完成输出数据 fhda ：i a h i g hz转换器复位 lhhh i g hz未选中 表3 - 3 参数名称取值说明 输入电阻v ref ( 2 脚) ：5 1 5 k n b 。fs ( 3 脚) ：1 0 3 0k f d c a i 、( 4 脚) ：1 0 3 0 k n 参参考电压范围- 5 - 1 5 v 数输入电压范围单极性：0 ev r e f f 双极性：1v r e f l jv r e f i 输入电源电】玉+ 5 v 5 trb p n 9 0 n s l50 n s c s 由高变低到b u s y 由高变低的延迟时间 a ctr t al2 0 ns 30 0 ns 转换结束到数据输出所需时间 参tr h 口5 0 n 5 120 ns复位信号到来后的数据保持时间 数t l 叭 e rt约1 5us一次转换所需时间 t lese t3usa d 转换器复位所需时间 3 3 3 由a d 7 5 7 4 构成的模数转换电路的设计 1 模数转换电路 由a d 7 57 4 构成的模数转换电路如图3 - 6 所示。待转换的模拟输入电压由a d 7 5 7 4 的4 脚输入，对于单极性的输入信号，3 、4 脚应接在一起。5 脚为参考电压输入端， 根据表3 3 ，电路中接一5 v 电源电压作为参考电压。电路采用内部时钟，在l7 脚应接 决定时钟频率的电容和电阻，它们的具体取值可依据图3 7 选择。由图可知，若 r ，o = 12 5 k q ，c ；1 0 0 p f 时，转换速度可达到1 5us 左右。 一3 4 图3 6 a d 757 4 掏成的摸数转换电路 由低速存储器接口模式的时序图知，电路要正常工作，必须在孺和而端加一个 控制电路转换开始和复位的控制信号；转换输出的数据应根据b u s y 端的输出电平指示 在规定时刻读取。一般情况下该电路恢复的多路数字信号直接送到微处理机进行处理， 因此加到蕊和雨端的控制信号由微处理机提供，读取转换结果也由微处理机完成。 所以在图3 4 中对这些信号不傲处理。 iii ，r p c t x ，- ， t qi w l f ，r l j i j o f1 一 跫晓函! 苎鬯濑鲤! 妇一 铡冒釉i 姆w i ：一 l 、j 一一 - 一 c 州u 奄t ，哆l *_-* iq 4 环境温度( 。c ) 图3 7 内时钟元件参数选择参考曲线 如果恢复出的多路数字信号送给其他电路处理，则需要设计专门的电路产生c s 和 丽端的控制信号，输出数据也必须进行锁存。根据要求设计出的电路如图3 8 所示， 它包括控制信号产生电路、锁存电路和锁存脉冲形成电路三部分。在电路调试时，必 须由图3 - 8 所示电路产生一个加到西和丽端的控制信号，a d c 电路才能正常工作。 2 控制信号产生电路 控制信号产生电路可以产生一个加到西和前端的控制信号。由a d 7 5 7 4 的工作时 序图可知，加到西和1 西端的控制信号应为周期大于1 8us 且占空比大约为1 6 的脉 一3 5 一 转换时间雌 冲波，该波形可以采用5 5 5 定时器构成多谐振荡器产生。在图3 - 8 中，该部分电路由 5 5 5 定时器及外围元件c j 、c 。、r 、r t s 、d 、d 。构成。因5 5 5 集成电路是常用器件，所 以其内部结构及工作原理在此不多做介绍，本文只对电路中所用元器件参数的选择做 来自a d 转换电路 图3 8数据锁存和控制信号产生电路 些说明。多谐振荡器的输出波形是由定时元件r 。r ，和c “的充、放电形成的其j - 作 波形如图3 9 所示。波形的周期及占空比估算如r ： ( 1 ，_ _ 0 ， k - r 图3 95 5 5 多谐振荡器的工怍波形 ( a ) t - ，的估算 凡，是由电容c 。经过r 。充电形成的充电时间常数r 产r 。cs ，充电起始值 虬( o + ) ：阜，终了值( ) ：吃，转换值致( ，。1 ) ：型，代入r c 过度渡程进行计算：“。( o + ) = 等，终了值( ) = 吃，转换值“。( ，。1 ) = = # ，代入 过度渡程进行计算： 1 h 黼1 h 糍咱h z 一3 6 一 多 路 数 字信 号 输 出 端 若r ，。- - 5k n ，c6 ：1 0 0 0 p f ，则凡，= r ，i n 2 = 3 5us 。 ( b ) 的估算 n ，是由电容c 。经过r ，s 放电形成的，放电时间常数r ，= r ，s c s 。放电起始值 k ( o + ) ：翌每，终了值“。( 。) ：o ，转换值虬( ，。：) ：每，代入r c 过度过程进行计算： 弘h 黼h 畿妣 若r 5 = 2 5k n ，c 6 = 1 0 0 0 p f ，则= r ? l n 2 = 17 5 s 。 ( c ) t 的计算 融强r = t - | + t f 2 = l n 2 ( - - i4 - f ) = 2 1us ( d ) 占空比q 的计算 口：血： ! ! 垫!：墨! !：1 1 r ( f l + f 2 ) i n 2r 1 44 - r 1 5 6 3 锁存电路 由a d 7 5 7 4 的工作时序图( 图3 5 ) 可知，其 转换输出的8 位并行数字信号只保持很短的时间就 被清除，而本课题要求恢复出的多路信号应该保持 到f 一次转换结果到来之前不改变，因此我们应该 将模数转换输出的信号进行锁存。锁存电路可采用 两片t t l 型双稳态d 锁存器集成电路7 4 l s 7 7 构成， 如图3 8 中所示。7 4 l s 7 7 的真值表见表3 4 ，其管 脚排列如图3 10 所示。数据锁存过程简述如下：模 l d 2 d 3 c ，4 c v c c 3 d 4 d n c 1 q 2 q i c ，2 c g n d n c 3 q 4 q 图3 107 4 l s 7 7 管脚排列 数转换电路输出的8 位数字信号送到锁存电路输入端( d 端) 后，在7 4 l s 7 7 的c p 脉 冲端送入一个由锁存脉冲形成电路产生的上升沿就可以将数据锁存：在7 4 l s 7 7 输出端 ( 0 端) 的数据保持到下次转换结果到来才会被刷新。 表3 4 输入输出 d3d ?d ld oc pq 。qzq -q o d ，d2d idof d3d2d 1d o 4 锁存脉冲形成电路 锁存电路在工作时需要一个上升沿锁存信号，电路中可以用a d 7 5 7 4 的b u s y