毛利强通信专业方向课程设计

1、西南科技大学课 程 设 计 报 告课程名称： 通信专业方向课程设计 设计名称： 基于单片机的无线通信电路系统设计 姓 名： 毛利强 学 号: 20085356 班 级： 通信0802 指导教师： 李强 起止日期： 2011.12.052012.01.07 西南科技大学信息学院制课 程 设 计 任 务 书学生班级： 通信0802 学生姓名： 毛利强 学号： 20085356 设计名称： 基于单片机的无线通信电路系统设计 起止日期： 2011.12.05-2011.01.07 指导教师： 李强 设计要求：1.通过设计达到完成短距离无线通信目的2.编写基于单片机的无线通信电路的程序，完成设计目标3.

2、书写设计流程及实现流程4.进一步巩固学习单片机的相关功能方 向 设 计 学 生 日 志时间设计内容2011.12.13联系老师，选择方向设计题目，听老师讲解所需要求2011.12.15查阅相关设计资料，学习单片机实现短距离无线通信的原理2011.12.23结合单片机书籍上的内容查阅网络资料，梳理设计思路2011.12.26联系老师，将基本完成的内容以及还没解决的问题寻求老师帮助2011.12.28反复修改，生成初步的设计内容，完成所需的功能2011.12.29对初稿进行整理，按照规范格式进行整改2011.12.30联系老师，把资料发给老师查阅2012.1.06复习所做设计，准备答辩2012.1

3、.7正式答辩基于单片机的无线通信系统设计一、摘要简易无线通信系统由发射和接收两部分组成。接受部分采用锁相环式频率合成器技术，用mc145151锁相环芯片将载波频率精确锁定在35mhz-40mhz的某一频率上。在发射机中，mc2833现载波的调频调制。在接收机中采用低功耗双变频fm接收芯片mc3362，并结合数字锁相环技术，实现接收信号的准确解调。关键词：锁相环频率合成器 发射 接收 正弦信号源二、设计目的和意义简易无线通信系统具有低功耗、高性能、应用范围广泛等特点。在部分有线传输受阻的条件下，其功能有就是十分强大的，在应用时将系统作为一个模块可方便地移植，以便构建更为复杂的无线通信网络，可应用

4、于小型无线网络、无线抄表、小区传呼、工业数据采集系统、安全防火系统等领域，具有一定实用价值。三、 设计原理3.1 设计思路 题目要求设计一正弦信号源，通过无线收发系统，在接收端输出正弦信号。设计分为三部分，信号源部分、发射部分和接收部分。系统框图如下图所示。信号源部分，发射部分采用数字频率合成技术，由变容二极管和集成亚控振荡器芯片实现震荡频率的电压控制及对载波的调频调制；加入由频率合成芯片、运算放大器和晶体振荡器等组成的数字锁相环路，使输出频率稳定度达到与参考晶振同等水平；接收电路以大规模接收集成芯片为主体，用一个固定的电压值控制振荡器的振荡频率，使其接收频率与发射频率对应。发射及接收的显示部

5、分均利用液晶显示模块，显示信号频率（载波频率及解调信号的频率）等内容。为了尽量增加传输距离和降低系统的波形失真，必须采取有效的措施。3.2方案提出（1）信号源产生电路设计采用集成函数发生器max038，外接电路简单，可覆盖0.5hz20mhz的频率范围，输出幅值可调节，易于实现。（2）调制电路设计采用调频体制。由三部分组成：频率合成器、频率处理器和fm波的缓冲放大器。频率合成器的作用是产生一个振荡频率稳定度极高的fm信号，它是调制器的核心部件；频率处理器的作用是将各种各样的频率信号经过处理后，变成输出阻抗和电平基本一样的信号，再将这些信号加至压控振荡器的变容二极管上；射频缓冲放大器起缓冲、放大

6、、匹配和滤波的作用。（3）载波信号产生电路的设计采用晶体振荡器产生基准频率，再用选频网络加放大器选出它的谐波实现倍频。该方案稳定度高，但存在35mhz的1/n频率的晶体谐振器难以获得、n太大和选频网络调节较为麻烦等缺点。具体方框图如下所示。（4）压控振荡器模块采用专门的发射芯片mc2833p，mc2833p是摩托罗拉公司生产的单片调频发射集成电路。可构成发射极高频率的功率放大。由话筒放大器、可变电抗器、射频振荡器、输出缓冲器以及两个辅助晶体管构成。此芯片可应用于无线电话以及fm通信设备，调试方便简单。其内结构和各脚功能如下。（5）频率合成器的设计频率合成是整机的核心，为得到高度稳定的频率输出且

7、输出频率可调，采用锁相环频率合成技术，输出频率稳定度与晶振稳定度相当，达到105，频率步进可以为任意值。此法采用单片机实现控制。数字锁相环路法如下图所示，通过数字逻辑电路把接收频率送到鉴相器的参考频率。可灵活方便的与数字电路结合做成数控可变分频，得到任意的频率，并且便于集成化，大大简化电路连线，缩短电路制作时间，降低整机体积。（6）接收模块设计无线接收机的功能是在强干扰和噪声存在的情况下成功解调出所需信号。采用摩托罗拉公司生产的单片集成芯片mc3362作为接收电路的核心。mc3362是低功能耗窄带双变频超外差式调频接收集成电路，包含两个本振、两个混频器、两个中放和正交鉴频器等功能电路。（7）功

8、率放大电路设计采用电子管作为高频功放的电子器件。在高频大功率中，电子管在输出功率和最高工作频率方面具有巨大优势。四、 详细设计步骤系统主要由发射和接收两大模块组成，其组成框图分别如下所示。其中，发射部分的集成电路mc1648、mc14515、低通滤波器和晶振构成锁相环频率合成器，单片机进行数据处理、按键处理、led驱动。接收部分由收音模块、音频输出模块、信号接收模块、波形存储与回放及控制模块组成，单片机起控制作用。由于电路中既有数字电路又有高频电路，需将高频和数字分开以及高频电路用金属屏蔽遮隔以减小交叉调制等干扰。（1） 正弦信号源由icl8038设计函数发生器icl8038的内部原理框图如下

9、所示，共有5个组成部分。2个电流源的电流分别为is1和is2，且is1=i,is2=2i，2个电压比较器i和ii的阀值电压分别为1/3vcc和1/3vee，他们的输入电压等于电容两端的电压uc，输出电压分别控制rs触发器的s端和输出端q端以及控制电子开关s，实现对电容c的充放电，2个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够小，以增强带负载能力，三角波变正弦波用于获得正弦波信号。（2） icl8038的工作原理当给函数发生器icl8038接通电源时，电容c的电压为0v，电压比较器i和ii的输出电压均为低电平，因而rs触发器的输出q为低电平，q为高电平；使电子开关

10、s断开，电流源is1对电容充电，充电电流时间的增长而线性上升。uc的上升使rs触发器的r端从低电平跃变为高电平，但其输出不变，一直到uc上升到1/3vcc时，电压比较器i的输出电压跃变为高电平，q才变为高电平，q则为低电平，导致电子开关s闭合，电容c开始放电，放电电流为is2-is1=i，因放电流是恒流，所以，电容上电压uc随时间的增长而线性下降。起初，uc的下降量虽然使rs触发器的s端从高电平跃变成低电平，但其输出不变，一直到uc下降到1/3vee，使电压比较器ii的输出电压跃变成低电平，q才变为低电平，q变成高电平，似的电子开关s断开，电容c又开始充电。重复上述过程，周而复始，电路产生了自

11、激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为对称三角波形，q为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦电路输出正弦波电压。可知，改变电容充电放电电流即改变ra,rb的数值，或改变电容c的数值就改变了充放电的时间，因而改变其频率。如图，是icl8038的引脚功能图，脚1、12：正弦波失真度调节；脚2：正弦波输出；脚3：三角波输出;脚4、5：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6：正电源1018v；脚7：内部频率调节偏置电压输入；脚8：外部扫描频率电压输入；脚9：方波输出，为开路结构；脚10：外接振荡电容；脚11：伏电源或地；脚13、14：空脚。icl8038单片函

12、数发生器有两种工作方式，即输出函数信号的频率调节电压可以由内部供给也可以由外部供给。在初始阶段我们用以下几种由内部供给偏置电压调节的接线图对芯片进行测试，观察其特性，下图分别为：基本接法、可调节占空比由于第7脚频率调节电压偏置一定，所以函数信号的频率和占空比由ra、rb和c决定，其频率为f，周期为t,t1为振荡电容充电时间，t2为放电时间。 t=t1+t2 f=1/t由于三角函数信号在电容充电时，电容电压上升到比较器规定输入电压的1/3倍，分得时间为 t1=cv/i=(c+1/3*vcc*ra)/(1/5*vcc)=5/3ra*c在电容放电时，电压降到比较器输入电压的1/3时，分得的时间为 t

13、2= cv/i=(c+1/3*vcc)/(2/5*vcc*rb-1/5*vcc/ra)=(3/5*ra*rb*c)/(2rb-rb) f=1/(t1+t2)=3/5rac1+rb/(2ra-rb)本信号源要求频率在400600hz可调；取f=500hz,ra=rb=5k,求得c=12*10-8 f=0.12uf对图a中，如果ra=rb,就可以获得占空比为50%的方波信号，即可获得对称的正弦波，其频率为f=1/(10rac)。电路可用一电位器来调节ra和rb的大小，使得ra=rb。为实现正弦波正负失真的可调，由于该芯片所产生的正弦波是由三角波经非线性网络变换而获得。芯片 第1脚和第12脚就是为调

14、节输出正弦波失真度而设置的。选用两只100k的多圈精密电位器，用来调节正弦波的失真，设计电路采用一个调节输出正弦波失真度的典型应用，其中第1脚调节振荡电容充电时间过程中的非线性逼近点，第12脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近点，在安装调试中，把第9脚方波输出接一15k的电阻到+vcc，用于调节方波输出的占空比，调试过程中首先调节方波的占空比为50%，再调节1脚和12脚的电位器，达到正弦波的对称调节。（3） 发射机的设计mc2833采用16脚双列直插式封装，其主要参数为：工作电压2.89v；静态电流2.9ma；工作温度-30+75c；工作频率小于60mhz。附加晶体管的主要参数为：v(b

15、r)cbo=45v,v(mceo)=15v，v（br）=6.2v，h=150,ft=500mhz。 mc2833的应用电路如图所示，低顿调制信号由脚输入，经话筒放大器放大后送入可变电抗器，通过调制信号改变可变电抗，从而改变发射振荡器的频率实现调频。射频振荡器的中t5振荡频率fo由和脚外接晶体决定，晶体为基频晶体，经过调频后的信号由缓冲器脚输出，缓冲器的负载为lc构成的并联谐振回路，谐振频率为晶体的三倍，不仅实现了三倍频，而且还扩展了调频频偏。倍频后的信号经电容耦合给内部晶体管vt1的基极。vt1与电感、电容等构成高频功率放大器，电感、电容的谐振频率为晶体频率的三倍。经vt1放大后的调频信号经电

16、容耦合给内部晶体管vt2的基极，由vt2进一步放大，vt2与vt1的电路完全相同。vt2放大后的信号经另一个电路耦合给天线向外发射。电路中所有的线圈均是7mm屏蔽电感，可以使用m1175a、m1282am1289a，m1312a等，电容应使用云母镀银电容。当vcc-8v时，50mhz输出功率约为10mw.(4)锁相环电路设计压控振荡器的输出频率受自身参数、控制电压的稳定性、温度、外界电磁干扰等因素的影响，往往是不稳定的。因此可以加入自动相位控制环节，即锁相环，来稳定发射频率。发射频率经反馈，与晶振产生的标准信号做比较，在锁相环的跟踪下，发射信号始终向标准信号逼近，最终被锁定在标准频率上，达到与

17、参考晶振同样的稳定度。锁相环电路mc145151是大规模集成锁相环，集鉴相器、可编程分频器、参考分频器于一体，分频器的分频系数可由并行输入的数据控制，其内部框图如下。a参考分频 参考晶振从oscin、oscout接入，芯片内部的r参考分频器提供8种不同的分频系数，对参考信号进行分频。r值由ra0，ra1，ra2设定，如表所示。参考晶振为4mhz,所以取ra0ra1ra2=010时，即r=128分频。b可编程分频 单片机通过对频率合成器的送数控制n计数器的计数，电路图如上所示。由fo=pn*fr知道，输出频率由n来控制，考虑到单片机口线的利用以及对编码、解码的锁存，接收电路中用一片74ls164

18、来连接单片机和mc145151的n计数器，实现串行并行传送。采用吞咽脉冲计数方式，只要适当选取n值，就能得到任意的分频比。为实现锁相，必须有fo/(pn)=fr。反过来，由于fo=fr*(pn),改变n值，也能改变fo，这就是输出频率数字化控制的原理。c鉴相 模拟鉴相器对输入其中的两个信号进行相位比较，一个是由稳定度很高的标准晶振经过分频得到的，另一个是由压控振输出频率经分频反馈回来的，这两个信号通过鉴频器，也就是经过一个模拟乘法器后得到的一个相位误差信号，设两个输入信号为，将两信号相乘得到，再经过一个低通滤波器，取出其中的误差信号，滤去其高频成分，将直流分量用来调整压控振的输出频率。五、 设计结果及分析无线通信系统初步达到了预定目标，在报告中所包含的各种原理图可以直接的证明各个板块的功能实现情况以及组合后的总体需求。在设计任务目标十分明确的前提下学生采用了一定的资料进行组合，使得基于单片机的无线通信系统得以将目标传输对象转化为电信号后传送到接收端，发射端的功能足以体现。对于信息源部分的处理也得到了认证。六、 总结基于单片机的无线通信系统设