毕业论文XR2206芯片及其应用.doc

电苏州工业园区职业技术学院2005年05月30日毕业设计（论文） 2005 届课题名称： XR2206芯片及其应用 专业名称： 工业电子 姓 名： 肖珂卿 学 号： 200200177 班 级： 电子02308 指导教师： 李红益 苏州工业园区职业技术学院毕业论文（设计）苏州工业园区职业技术学院毕业设计（论文）任务书系部： 电子工程系 设计（论文）题目：XR2206芯片及其应用指导教师：李红益职称：工程师类别：毕业设计学 生：肖珂卿专业：工业电子班级：电子023081、设计（论文）的主要任务及目标主要任务：阐述XR2206的功能。目 标：设计基于XR2206的函数发生器。2、设计（论文）的主要内容1)单片机相关知识介绍2)XR2206芯片功能介绍3)电路原理4)软件程序3、主要参考文献【1】电子报四川科学技术出版社【2】 清华大学出版社【3】单片微型计算机原理及应用西安电子科技大学出版社 【4】模拟电子技术基础 清华大学出版社【5】屈有安 王应海 史小波 电子技术应用4、进度安排设计（论文）各阶段任务起止日期（1）收集有关资料3月10日-3月18日（2）整理并修改资料3月20日-4月1日（3）画出相关原理图4月3日-4月20日（4）用word对文字处理4月22日-4月25日（5）最初打印出设计4月27日-5月15日（6）再次校准，最后的整理和修改5月17日-5月30日- 2 -摘要随着现代通信技术的不断发展，数字通信技术占有越来越重要的地位。XR2206（ER2206）单片集成函数发生器，能产生高质量，高稳定，高精度的正玄波，方波，三角波，斜波及脉冲波形，可实现调频，调幅。本论文叙述了MSK和FSK工作原理，并应用XR2206单片集成函数电路设计具有MSK和FSK功能的函数信号发生器。实验表明，各项指标都满足设计要求。关键词：函数发生器 XR2206 MSK FSK目录一、概述1二、工作原理及电路2（一）MSK原理3（二）MSK调制解调器的具体电路设计4（三）FSK原理及电路5三、结论7结束语8参考文献9一、概述随着现代通信技术的不断发展，数字通信技术占有越来越重要的地位。但目前常用的数字通信传输信道仍为模拟信道，为了能使数字信号可靠和有效的在模拟信道中传输， 就必须将数字信号调制到模拟载波上。XR2206（ER2206）单片集成函数发生器，能产生高质量，高稳定，高精度的正玄波，方波，三角波，斜波及脉冲波形，可实现调频，调幅。适用于波形产生，扫描产生，AM/FM产生，FSK产生，锁相环等电路。由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，因而在国民经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。按照单片机的特点，其应用可分为单机应用与多机应用。在一个应用系统中，只使用一片单片机称为单机应用，这是目前应用最多的一种方式。单片机应用的主要领域有：测控系统、智能仪表、机电一体化产品、智能接口、智能民用产品。单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行我机处理及局部网络系统。目前单片机已用于工业控制、机电一体化设备、仪器仪表、信号处理、现代兵器、交通能源、商用设备、医疗设备及家用电器等各个领域，随着单片机性能的不断提高，它的应用将会更加广泛。随着现代通信技术的不断发展，数字通信技术占有越来越重要的地位。但目前常用的数字通信传输信道仍为模拟信道，为了能使数字信号可靠和有效的在模拟信道中传输， 就必须将数字信号调制到模拟载波上。 调制方式基本上可分为三类：FSK（频移键控）、ASK（幅度键控）、PSK（相移键控）； 在实际的工程使用中，使用者又根据不同的要求和用途发展了许多改进调制方式，如 MSK（最小频移键控）、CPFSK（连续相位频控）、GMSK（高斯最小频移键控）、QAM（正交幅度调制）、4DPSK（四相差分相移键控）。 这些改进的调制方式都具有鲜明的现代恒包络数字调制技术的特点，即：包络恒定或起伏很小，具有最小功率谱占用率，这使得调制信号所占用的频带率及资源利用率都大大的提高。9二、工作原理及电路用单片机作为这一控制系统的核心, 接收来自ADC0809的数据, 并利用单片机内置的专用串行通信电路将数据进行并-串转换后输出至调制器; 单片机通过接口芯片与键盘相连, 由键盘控制采集方式是循环采集或选择采集, 同时也可以利用键盘进行其他扩展功能的切换。 此外, 为便于通道监视和误码率测试, 我们在发送端扩展了采集数据的显示功能。在单片机的选择方面, 考虑到题目基本要求码元速率为16kbps, 发挥部分要求尽量提高传输速率, 因此单片机的串口应可以比较精确地设定波特率, 且波特率可变。若采用89C51单片机, 由内部定时器作为波特率发生器, 其变化受限, 不够灵活,16kbps以上只有约30kbps一挡, 步进过大;而89C52单片机内置专门的波特率发生器, 可以以较小的步进精确设定波特率, 一方面满足了题目的要求, 另一方面也便于在发挥部分进一步提高波特率。常用的二进制数字调制方式有:对载波振幅调制的振幅键控(ASK)、对载波频率调制的移频键控(FSK)和对载波相位调制的相移键控(PSK)。这几种调制方式比较:首先从频带利用率来说,ASK和PSK丘都是2B(B为被调制二进制基带信号的带宽),FSK则相对大一些, 要2B十|f1-f2|, 其中 f1、f2为自FSK的2个载波频率。从误比特率来看,PSK的误比特率在相同信噪比的情况下, 要比FSK和ASK 低 3Db。这样看来用PSK似乎是最好的, 能够达到最好性能。但是PSK有相位模糊问题, 需要对源二进制信号进行差分编码, 然后再进行调相，才能解决相位 模糊问题。这样一来在解调端还要进行差分码的译码，不仅电路上更加复杂, 而且差分译码时 会引起误码扩散，导致误码率上升。FSK有一种特殊情况，就是当(f1-f2)=n(1/2)Tb(Tb为比特率), 能够产生一种恒定包络、连续相位的调制信号 MSK。它的优点是能量主要集中在频率的较低处。综合考虑三种调制方式的特点, 并结合电路的复杂度情况, 最终选择用FSK调制方式。考虑到要尽量提升码元率, 并且在16kbps时能满足MSK蜒的条件, 最终选择2个载波频率为32kHz和48kHz。并且用单片函数发生芯片XR2206为核心构成FSK调制电路, 它在进行FSK调制时相位是连续变化的。采用锁相环FSK解调方式, 锁相环相当于一个中心频率能够跟踪输入信号频率变化的窄带滤波器。利用锁相环的跟踪功能, 使载波和相位同步提取不仅频率相同, 而且相位差也很小。它的窄带滤波特性, 可以改善同步系统的噪声性能, 做到低门限鉴频。它的记忆特性, 可以使输入信号中断后, 在一定的时间内保持同步。由于模拟信道的噪声比较严重, 为正确通信, 有必要使用一定的编码方式进行检错和纠错。综合考虑系统CPU资源的占用情况, 我们选择简单有效的二维奇偶校验码作为基本校验码, 但二维奇偶校验码有明显的局限性:不能检出帧数据中构成矩形的4个错码元。为进一步提高通信可靠性, 我们在发送端多次发送同一帧数据, 接收端在连续接收到的3帧数据中, 如果发现有2帧完全相同, 则认为该数据发送正确, 称为三中取二的方式, 其效果相当于一个低通滤波器。用这种方法可以有效地提高通信的可靠性, 但需要注意的是, 如果接收端在某一帧的连续发送过程中始终没有接到其正确帧, 则拒收本帧, 也即这种纠错方式不能确保所有帧的有效传递。综上所述, 我们在发送端和接收端采用双CPU方案，用两片可以糕确设定波特率的89C52单片机分别控制数据采集、通信和采集结果显示。发端与收端之间为单向数据传输系统, 采用 FBK 调制、锁相环解调。为提高通信的可靠性, 通信编码用二维奇偶校验码，并采用连续发送 /三中取二接收的通信方式。用有源运放带通滤波器作为模拟信道滤波器。XR2206是单片函数发生器集成电路, 可产生高质量、高稳定、高精度的正弦波、方波、三角波等波形，可使用外部电压获得调频或调幅波形输出。工作频率可由外部选择，其范围为0.01Hz1MHz。（一）MSK原理为了讨论 MSK 原理和性能，首先需对 2FSK（基本的二进制频移键控）进行一些分析，2FSK 是利用两个频率相差为 f 的两个正弦信号进行二制数字传输，它的表达式如下： Zfsk(t)=ACosWcT+Wdt-D(t)dt+ 2FSK 信号的瞬时角频率 Wi=d/dtWcT+Wdft-oo(D(t)dt+O =Wc+WdD(t) 式中D(t)是传输的二进制数据，即D(t)=1（分别表示数字0和1）所以 2FSK的瞬时角频率为 Wi=WcWd，这里Wd就被称为调制的角频偏。当传输数字1时，Wm=Wc+Wd （称为传号频率 Mark）； 传输数字0 时， Ws= Wc- Wd （称为空号频率Space）。 调制指数 H 定义如下：H=(Wm-Ws)/2Rb =(Wm-Ws)Tb/2 F/Rb其中Tb指数据的码元宽度，Rb指数据的传输速率，F为 2FSK 的频差。当数据码元发生跳变时，2FSK 的传号频率Wm与空号频率Ws 转换相位路径并不一定连续变化，在二进制码元转换的瞬间两个调制频率有可能出现相位突变的情况，这将会造成调制信号占用的频带较宽，整个频带的滚降特性变差。为了取得良好滚降特性，就必须使频率在转换时相位连续变化，这种相位连续变化的调制方式又叫CPFSK（连续相位频控）。经研究发现，当CPFSK的调制指数H=0.5时， 调制信号的频谱衰减速率最快，这种调制方式称为最小频移键控MSK，也叫快速频移键控FSK。MSK 的信号表达式定义如下： Zmsk(t)=ACosWcT+tPn/2Tb+n 式中Wc为载波频率，Tb为码元宽度，Pn为第N个码元数据，Pn=1 （分别表示数字0和1），n为第N个码元的相位常数。 当Pn=+1时，MSK的传号角频率Wmark=Wc+/2Tb，频率Fmark= 1/2 ( Wc+ /2Tb)；Pn=-1时，MSK的空号角频率Wspace=Wc-/2Tb，频率Fspace=1/2（Wc-/2Tb)；频差fFmark-Fspace=1/2Tb MSK 的调制指数H=F/Rb =(1/2Tb)/Rb =0.5MSK作为一种正交调制方式，其相关系数为0。由相关系数的定义得 2FTb=K成立，令K=1 则 F=1/2Tb 即调制指数H=0.5。由通信理论可可知，当接收具有正交特性的码元信号时，系统将有较好的抗噪声能力。而在设计MSK时，令Fc=N*1/4*Rb成立，Fc为MSK的载波频率，Rb为码元速率，即载波Fc为码元速率Rb四分之一的整数倍。MSK的相位常数n有如下递归公式： n-1+h Pn-1为1 n-1-h Pn-1为1式中n为当前的初相位，n-1及Pn-1分别是前一码元的初相位及码元数据，H为常数。由此式可得相位累计在一个码元期间内严格相差180度。例如当输入的码元数字为（1111）时，调制信号的初相位将分别依次按0，h，0，h， 2h变化。可见调制信号变化时并无相位跳变的现象的产生。通过以上讨论可知MSK信号必须具有以下特点： 调制信号的振幅恒定 调制信号频偏严格等于1/4Rb，调制指数H=1/2 在数字码元转换时，调制信号相位连续 以载波相位为基准的调制信号相位在一个码元期间准确地线性变化/2 在一个码元期间内，调制信号包括四分之一载波周期的整数倍在实际使用中，可以通过选择适合的调制频率及保证相位连续，使之满足MSK的信号要求。（二）MSK调制解调器的具体电路设计这里将具体的给出一个9600BPS无线 MSK MODEM的设计电路。9600BPS 无线 MSK MODEM 设计中，选用载波频率 Fc=12Khz 传号频率 Fmark=14.4Khz 空号频率 Fspace=9.6Khz ，F=4.8Khz，调制指数H=0.5 调制信号的相位连续。在设计中，选用了EXAR公司的XR-2206/XR-2211的芯片组，XR-2206组成MSK调制方式的调制器，XR-2211组成MSK调制方式的解调器。XR-2206的VCO实际上是一个输出频率与输入电流成正比的可变压控振荡器， 其中振荡频率取决于5，6脚的定时电容Co和7，8脚的两个定时电阻R1,R2，在2脚输出正弦波 频率F=1/R定时电阻C定时电容；XR-2206的两个定时电阻的转换受从9 脚输入TTL电平的控制，当9脚输入的电平大于1.4伏时，7脚的电阻R1有效，反之当电平小于1.4伏，8脚的电阻R2有效；由于9脚输入控制电平所切换的是VCO的定时电阻，所以XR-2206输出调制信号的相位可以保证连续的。对于 9600BPS MSK Modem XR-2206 的定时电容、电阻计算如下： 取 C0=0.01uf Fmark=14.4Khz Fspace=9.6Khz 根据公式 F=1/R定时电子C定时电容 R16.94K R2=10.42K根据标称值适当的选取电阻值（三）FSK原理及电路该系统调制器由ER2206构成。ER2206是单片集成函数发生器，它能产生高稳定度和高精度的正弦波，方波，三角波，谐波和矩形脉冲波，输出信号可受外加电压控制实现振幅调制或频率调制。工作频率可从0.01Hz1MHz。 由ER2206构成的单片CPFSK调制器电路如图所示。在7脚与地之间接入内部VCO的一个定时电阻R1，在8脚与地之间接入内部VCO地另一个定时电阻R2，依赖于9脚上的键控信号电平，使其中之一的定时电阻有效。键控信号的典型切换电平为1.4V。9脚电平大于1.4V时，R1有效；9脚电平小于1.4V时，R2有效。因此输出频率受键控信号电平控制，在f1和f2之间移频，由于键控信号切换的是VCO的定时电阻，所以移频信号的相位是连续的，从而实现了CPFSK调制。其中f1和f2可由如下关系式决定：在数据传输速率fs2400bit/s时，根据CCITT推荐的标准，副载波频率f03.3kHz时，移频频率f14.1kHz，f22.5kHz。选取C0.01F，则由式（104），式（105）计算得：R124.4k，R240k。CPFSK信号幅度正比于3脚上得外接电阻R3，对正弦FSK信号而言，峰峰值幅度Vopp为若R350k，则Vopp3V左右。为满足FSK输出幅度Vopp可调，图例105中供电电压采用10V单电源，由稳压管2CW18直接送入4脚，12V电压又经过两只5.1k电压分压以后，经R3送入3脚作偏置电压。为了改善正弦波的失真，13脚，14脚间串入200电阻，这时正弦波的典型失真优于2.5。如果对正弦波失真有更高的要求，则可在13脚，14脚间串入330电位器，同时在15脚，16脚间再串入68k电位器进行调节。调节方法是将68k电位器置在中点，调节330电位器失真最小，然后再调节68k电位器使失真最小。经仔细调节后，谐波失真可减小到0.5以下。数字键控信号可直接接入9脚，或由RS232接口芯片MC1489将EIA电平换成TTL电平后送入9脚。我们设计的电路中，省去了MC1489接口芯片。三、结论XR2206单片数传MODEM由于集成化程度高，因此电路可靠性，频率稳定度，解调相位抖动等性能指标，都优于用集成运放和锁相环组成的数传MODEM，而体积则大大缩小，因此可以作为机内电路的一部分直接安装在小型通信机内，这对要求具有数传功能的通讯电台和移动通信机来说，是极为方便的。由于ER2206的工作频率可以从0.01Hz300kHz以上，因此数传频率还可以相应提高。我们对数据传输速路分别为300bit/s，2400bit/s，1200bit/s，4800bit/s，9600bit/s等的电话线数据传输做过试验，传输效果都很理想。下图为锁相环解调电路框图。来在接收机的CPSFK信号经滤波，整形后得到矩形移频波，并经锁相环解调，由电平判决电路变换为脉冲数字信号，最后由接口电路MC1488变换成EIA电平数据信号，送入计算机，到此完成了数据传输。A1接成跟随器，起隔离作用；A2接成带通滤波器；3k电阻，二极管及A3组成整形电路。数字锁相环CC4046起调节作用，环路中VCO固有振荡频率取决于外接电阻R1，R2和电容CT，该频率应等于CPFSK的载波f03.3kHz。R3，R4，C0组成环路滤波器。锁相环调解输出经RCL无源滤波器除杂散干扰和副载漏，就得到十分平滑的包含数据信息的低频信号，并送入电平判决电路，电平判决电路由A4组成一迟滞器，即施密特触发器。为防止因频率抖动、鉴相泄漏等因素产生的误码，要求有75mV左右的回差。若RB选300k，则,取1k。A2接成的带通滤波器为文氏桥正反馈有源带通滤波器，具有滤波能力强，中心频率f0和Q值独立可调等特点。其主要参数计算式如下：试验表明，该系统可靠性高，抗