经典电子设计教程及电子电路设计分析

1、目录1第1章软件使用介绍61.1 Wave使用介绍6 仿真器介绍6 软件安装步骤7 软件使用介绍8 开发流程281.2 Keil使用介绍311.2.1 Keil简介32 开发流程321.2.3 调试与汇编371.3 AT89s52在系统调试的原理与实现40 Isd51简介401.3.2 Isd51使用方法41 Isd51原理分析441.4 Quartus使用介绍44 Quartus基本设计流程451.4.2 设计输入471.4.3 工程项目的建立491.4.4 项目管理50 设计输入521.4.6 编译55 仿真58 配置和下载58第2章 常用器件使用介绍612.1 集成运算放大器的使用61

2、运算放大器结构分析61 精密型集成运算放大器622.1.3 宽带集成运算放大器632.1.4 通用集成运算放大器64 滤波器的实现65 小结662.2 AD620的使用及性能分析67 AD620介绍67 AD620应用682.3常用A/D转换芯片682.3.1 A/D转换器的选择与使用69 A/D转换芯片(1)ADC080972 A/D转换芯片(2)AD574752.3.4 A/D转换芯片(3)MAX197782.3.5 A/D转换芯片(4)TLC551081 A/D转换芯片(5)MAX114/MAX118842.4 常用D/A转换芯片872.4.1 D/A转换芯片(1)DAC0832/ DA

3、C080087 D/A转换芯片(2)MX7228912.5 集成DDS芯片AD9851应用922.5.1 AD9851概述92 AD9851引脚说明93 AD9851特性介绍94 AD9851控制原理94 AD9851在信号源中的应用95 小结972.6 LCD(液晶显示器)的应用97 字符型液晶显示器97 点阵式液晶显示器1032.7 传感器111 常用传感器介绍111 超声传感器及其应用115第3章 典型应用电路1203.1 限幅放大电路1203.2 运放参数测试电路1213.2.1 运放参数测量介绍122 辅助运放法通用测量电路设计1233.3锁相技术原理与应用1253.3.1 锁相环概

4、述1253.3.2 锁相环应用举例1263.3.3 集成锁相环芯片介绍1273.4 峰值、有效值测量的模拟实现130 峰值检波电路1303.4.2 真有效值检波1313.5 AGC电路1323.5.1 场效应管和运放实现1323.5.2 单片机控制实现1333.5.3 可变增益放大器实现1333.6 功率放大电路1373.7 步进电机的驱动与控制1393.7.1 步进电机概述1403.7.2 步进电机的控制原理1403.7.3 步进电机的的控制1413.7.4 步进电机的的驱动电路1413.8 手写板技术及其在单片机系统中的应用1433.8.1 手写板工作原理1443.8.2 手写板解码144

5、3.8.3 手写板与单片机的硬件连接1453.8.4 手写板实现的软件设计146 手写板功能扩展147第4章 典型应用技术1494.1 频率合成与DDS1494.1.1 信号产生方案与原理1494.1.2 DDS理论设计1504.1.3 DDS实现1514.2 等精度频率计的实现152 频率测量方案152 相关计数测频法的实现153 宽带高精度测频的实现1534.3 相位测量技术1544.3.1 波形分析法155 相位电压转换法155 计数法1564.3.4 相位测量的实现1574.4 峰值、有效值测量的数字实现1584.4.1 数字法实现峰值测量原理1584.4.2 数字法实现有效值测量原理

6、1594.4.3 峰值/有效值测量小结1604.5 交流功率控制技术1614.5.1 调功法1614.5.2 调相法162第5章 算法简介1645.1 数字PID 控制算法1645.1.1 PID控制系统简介164 PID参数控制效果分析164 数字PID控制的实现165 PID算法的饱和特性1665.1.5 PID参数整定方法1675.2 大林算法1715.3 模糊控制算法173 模糊控制概述173 模糊控制原理173 模糊控制器设计1745.3.4 小结1755.4 运动控制算法1765.4.1 产生线段的整数Bresenham算法176 产生圆的整数Bresenham算法1785.5 其

7、它控制算法1815.6 压缩算法182 无损压缩182 有损压缩1835.6.3 压缩算法应用1855.7 软件滤波1865.7.1 限幅滤波1875.7.2 中值滤波1875.8.3 算术平均滤波1875.7.4 递推平均滤波1875.7.5 中值平均滤波188 限幅平均滤波188 一阶滞后滤波1885.7.8 加权递推平均滤波1885.7.9 消抖滤波189 限幅消抖滤波189第6章 系统设计1906.1 控制类系统设计1906.1.1 水温控制系统1906.1.2 悬挂运动控制系统1956.1.3 电梯控制模型2016.2 仪器类系统设计2046.2.1 函数信号发生器205 简易远程心

8、电监护系统210 低频相位测量仪219 宽带放大器2226.2.5 简易数字频谱分析仪230 集成运放参数测试仪238 简易数字存储示波器2496.3 其它类系统设计255 电话自动接听系统256 简易智能小车2606.3.3 单工无线呼叫系统268附录A 常用抗干扰技术2931.数字系统与模拟系统2932.电源的干扰与抑制2943.接地技术2944.隔离技术与屏蔽线的使用2955.滤波技术2966.常用芯片的抗干扰措施2977.自激振荡及其消除方法2988.PCB制版298附录B 8051&CYCLONE EVM板使用说明3001. 概述3002. 8051&Cyclone EVM工作原理和

9、资源配置3013. 底层驱动和常用模块示例304附录C 部分程序示例3131.整数Bresenham算法绘制线段程序3132.整数Bresenham算法绘制圆程序3153.显示程序320 TLC5510是美国德州仪器(TI)公司生产的8位半闪速结构(semi-flash architecture)模数转换器，并采用CMOS工艺制造，大大减少了器件中比较器的数量。TLC5510可以提供最大20Msps的采样率，广泛用于高速数据转换、数字TV、医学图像、视频会议以及QAM解调器等方面。TLC5510工作电源为5V，功耗只有100mW(典型值)，内含采样和保持电路，从而大大简化了外围电路的设计。TL

10、C5510具有高阻抗方式的并行接口和内部基准电阻，模拟输入范围为2V(0.6V2.6V)。1. TLC5510引脚说明TLC5510为24引脚的贴片封装，如图2-19所示，各个引脚功能如下：AGND：模拟信号地；ANGLOG IN：模拟信号输入端；CLK：时钟输入端；DGND：数字信号地；D1D8：数据输出端，D1为数据低位，D8为数据高位；OE：输出使能端，OE为低电平时数据端有效，否则数据端为高阻状态；VDDA：模拟电路工作电源；VDDD：数字电路工作电源；REFTS：内部参考引出端之一，当使 图2-19 TLC5510引脚图用内部电压分压器产生额定的2V基准电压时，此端短路至REFT端；

11、REFBS：参考电压引出端之四，当使用内部电压分压器产生额定的2V基准电压时，此端短路至REFB端。2. TLC5510内部结构以及工作原理TLC5510的内部结构如图2-20所示，内含时钟发生器、内部基准电压分压器、1套高4位采样比较器、编码器、锁存器、2套低4位采样比较器、编码器和1个低4位锁存器等电路。TLC5510的外部时钟信号CLK通过其内部的时钟发生器可产生3路内部时钟，以驱动3组采样比较器。输出A/D信号的高4位由高4位编码器直接提供，而低4位的采样数据则由两个低4位的编码器交替提供。图2-20 TLC5510内部结构图TLC5510的工作过程为：当第一个时钟周期的下降沿到来时，

12、模拟输入电压将被采样到高比较器和低比较器，高比较器在第二个时钟周期的上升沿确定高位数据，同时，低基准电压产生与高位数据相应的电压。低比较器在第三个时钟周期的上升沿的确定低位数据。高位数据和低位数据在第四个时钟周期的上升沿进行组合。这样，第N次采集的数据经过2.5个时钟周期的延迟之后，便可送到内部数据总线上。3. TLC5510应用TLC5510的基本应用原理图如图2-21所示。该芯片的基准电源接法有多种，可以根据不同的场合需要选择适当的接法，图2-21所示的电路采用了一种普通的接法，利TLC5510过实验，现总结如下：(1).为了减小数字系统和模拟系统的干扰，应该将数字和模拟电路尽量分离，并采

13、取一定的屏蔽措施；(2).TLC5510内部的数字地和模拟地是分接的，所以要在片外连接。如果是制作PCB板，则要考虑留有适当模拟地平面和数字地平面；(3).模拟电源和模拟地，以及数字电源和数字地之间都要有去耦电容，使用0.1F和4.7F的电容并接，TLC5510有三个模拟电源引脚和两个数字电源引脚，为了提高滤波效果，每个引脚都接上去耦电容。另外，部分引脚要用到磁珠或者电感进行隔离(如图中的FB1FB3)；(4).布线时，要尽量避免数字部分和模拟部分的线路交叉，最好进行隔离。另外还要避免CLK引脚与数据输出引脚的交叉，尽量避免输入信号线与其他线隔离，最好进行屏蔽；(5).初次使用TLC5510时

14、，往往会遇到输出的信号不稳定、有抖动、毛刺较多。根据实际应用中的经验和分析可以知道，为了使输出信号更加稳定，就必须：使输入信号稳定、没有毛刺；使基准源的电压稳定。所以，就要将输入信号处理好，最好在输入芯片时将输入信号屏蔽。另外就是芯片的模拟电源要稳定，因为该芯片的基准源是由模拟电源提供，所以稳定的模拟电源才有可能获得稳定的基准源，这样在比较器内转换的时候才会减小抖动和毛刺；(6).如果在芯片的CLK引脚接上一个1F左右的电容(最好是用标称值为681和331的电容并接)，这样可以让输出的数据更稳定。但是由于接上了电容，电容的充放电会导致芯片的采样率下降。如果要兼顾采样率和数据稳定性，应将时钟信号

15、接到CLK引脚上，尽量的缩短两者之间的连线，并且避免与其他线交叉。引脚图以AT89S52单片机为运算核心，以FPGA,ACEX1K30为控制核心，通过FPGA来控制键盘的扫描，LCD的显示，A/D的转换以及呼叫和响应信号（表现为二极管的熄或灭）运用FPGA强大的可编程性极大程度的简化了硬件连接的复杂性。而且驱动电动机的脉冲由FPGA提供，所需信号脉冲容易获得而且稳定，操作简单。使用与电机配套的驱动块，内含分配器和功率放大器，电流可以调节。电路简单容易控制，工作效率高。为了响应发挥部分的第一点要求，在加载0500g重物时，显示分辨率为1g，而8位AD的分辨率是1/28, 小于题目所要求的1/50

16、0的分辨率，所以8位的AD是无法满足要求的，必须采用10位或10位以上的AD，为了提供精确的数据，因此我们采用12位ADAD574，为了保持信号的稳定性，可以加入取样保持电路，可以用芯片LF398完成这样的功能，由于一般信号的频率并不高（重量不变化，就是恒定的电压值），因此这样做的目的只是为了扩展其他功能而用（当重量连续变化，如沙袋的漏沙，便可通过他来测量漏沙的流量。）。所以，我们选择12位A/D转换AD574A。 系统框图如图6-18所示由于我们采用的是步进电机驱动桥厢的方案，所以我们用对脉冲计数的方法来控制桥厢运行的距离，单片机本身有计数器，但考虑到驱动电机的脉冲是经FPGA分频后给出的，

17、单片机的P1、P2、P0等口都与FPGA相联所以把计数器坐在FPGA内部比较方便，降低了硬件的复杂程度，也提高了软件的效率。(1) 软件的功能时实现桥箱响应的方向和楼层，以及控制呼叫和响应的信号（表现位二极管的熄后灭），负载重量的显示等功能。(2) 软件的部分流程图及其说明：软件中任意种类的平层都是通过先移动一层后，改变标志位相应的标志位，在判断标志位的大小来控制是否移动和下一步行进的方向。软件中有两个重要的子程序。一个为每平一层后的中断服务程序，它的主要任务是判断这一层要不要停；另一个为等待子程序，它的主要功能通过检测到的楼层数和呼叫请求来判断要不要启动及启动的方向。本程序除了完成了题目要求

18、的基本功能外，还有良好的用户界面，同时还考虑较好的通用性，以方便调试阶段的修改以及相应模块在以后设计中的再次使用。 软件流程图如图6-19 (1) 本系统完成了题目的基本要求，实现了桥厢的准确移动和准确平层等功能，能自动记录、显示桥厢模型当前到达的楼层编号，加载400g时从5层到1层和从1层到5层所用时间均小于12秒，往返时间差不大于1秒，并记录显示每一层的运行时间。 (2) 本系统完成了题目发挥部分的要求，能加载0500g的重物，显示并存储该物体的重量，显示分辨率达到1g,误差基本小于3。同时桥厢的额定负荷可预置，当加载物体超过预置值时，将在LCD上发出警报信号，还能提示当前的额定负载设置量

19、；增设了模拟桥厢内表示乘客欲到达层数的按钮，桥厢模型将按照电梯模型运行规则作相应的运动。 (3) 本系统还在题目要求基础上扩展了一些功能，比如，能预置开始时电梯所在的楼层，这样，电梯能从15层中的任意一楼启动，并按规则运行。开始系统初始化显示开机信息设置最大重量设置初始楼层Wait-flag=1等待程序移动一层 数据存储充分利用FPGA的逻辑阵列和嵌入式阵列，将双口RAM写入到FPGA内部，这样可以免除外接RAM，既可以减少硬件电路的复杂，又可以提高简易数字示波器的可靠性。(4) POSITION的调节a.行扫描调节 通过对FPGA中双口RAM（1k）读出数据的起始地址的偏移控制来控制波形的左

20、右移动。其具体方法是：将滑动变阻器R上的电平通过模数转换器化为数字信号传给FPGA，通过与初始电平数字信号（显示位置复位时对滑动变阻器R上的电平的采样值）的比较来决定起始地址ADR0偏移值。利用FPGA强大的数字处理功能，直接对双口RAM的数据进行处理。譬如向上平移，可将波形的所有数据都加上一个偏移值。然后送到DAC0800，直接将输出的模拟信号加在y轴上。而偏移值的大小也是通过采样滑动变阻器R上的电平，通过模数转换器化为数字信号传给FPGA，与初始电平数字信号（开机是对滑动变阻器R上的电平的采样值）的比较来决定的。由于MAX197有8个通道，可以有它来对A、B上下偏移电平及两路的左右偏移电平

21、进行采样。同时在显示双通道波形时，A和B各占据上下半屏幕，故只须将各路数据加或减64即可。(5) 频率测量在预定的闸门时间T0内，分别用计数器1和计数器2同时对被测信号fx和基准信号f0进行计数，设所得值为Nx和N0，则被测信号的频率为：fx（Nx/N0）*f0；在测量中，闸门的开启和关闭都由被测信号的上升沿（或下降沿）来控制，因而与Nx的计数保持同步，因而Nx不存在误差，但是对于基准信号f0来说，闸门的开启和闭合仍然是随机的，因而N0存在1的误差，测频的最大相对误差为：fx/fx(N0/N0/f0/f0) 。由上式看出，测频精度与被测信号频率没有关系，只要N0和f0足够大，系统可以满足很高的

22、精度要求。因此，参考计数器的最高计数频率的限制，选取合适的基准信号频率和恰当的闸门开启时间，便可以在0.1Hz16MHz的范围内使测频精度不变，即等精度测量。 (6) 系统架构 系统框图如图6-75所示A、B通道的模拟信号通过信号调理模块（包括程控放大，触发电路），将模拟信号调理到TLC5510所需的电压范围0-2v。然后通过TLC5510对信号进性采样。实验证明，以恒定的采样率20MHz输出的数据较为理想，于是在FPGA内部增加波形存储控制模块，变采样为抽样存储，抽样频率由可分频模块控制。将抽样的通道A、B的数据分别存储到双口RAM(A1)和双口RAM(B1)中,其中RAM(A2)和RAM(

23、B2)分别为双口RAM(A1)和双口RAM(B1)的映射,专门为单片机处理和分析数据所用。将数据送入行列扫描电路（2片DAC0800）前经过了波形显示控制模块，它的作用是对RAM的数据及读入起始地址的进行处理。配合从MAX197采样的positonA、positonB及主时基的电位器上的电平采样值，来对RAM的数据和对RAM的数据起始地址进行加减。从而实现波形在模拟示波器上的上下平移和左右平移。同时FPGA也读入通道A、B的触发电平，控制存储时机和用它来测量周期信号的频率。再者，键盘的扫描和显示的驱动都是由FPGA完成的。图6-75 系统框图 表6-1扫描S1s2s5s10s20s50s100

24、s200s500s1ms2ms5ms10ms20ms50ms100ms200ms采样率fs20MHZ10M Hz4M Hz2M Hz1M Hz400K Hz200K Hz100K Hz40K Hz20K Hz10K Hz4K Hz2K Hz1K Hz400 Hz200 Hz100 Hz表6-2垂直灵敏度（mv/div）10205010020050010002000放大倍数2512.552.51.250.50.250.125(1) 波形显示控制模块该模块根据当前的通道模式将A通道、B通道或AB双踪的波形数据送到列扫描DAC显示，同时生成相应速率的阶梯波数据送到行扫描DAC显示；在一次显示之前控制

25、12位AD转换器MAX197，对控制A、B通道垂直位置移动及左右平移的电位器电压采样，根据当前位置电压与启动位置复位时的电压比较，根据垂直平移电压差值对波形数据加减实现垂直位置移动；根据左右平移的电压值对在波形数据存储RAM中的波形显示区首地址重定位，实现波形的左右平移。双踪显示时还对波形数据进行相应加减，使两个通道的初始波形分别显示在模拟示波器的上下半屏。其模块示意图如图6-76所示：图6-76 波形显示控制面模块图(2) 程控放大电路采用模拟开关AD7501,宽带运放AD844,配合精密电位器实现从10mv/div到2v/div的多挡垂直分辨率.P2口的3条数据线(CH1,CH2共需要6条

26、地址线)控制模拟开关选通不同的接入电阻,从而实现不同的放大倍数,是信号调理在满足ADC的0-2v的范围内,具体的电路如图6-77:图6-77 程控放大电路(3) 触发信号产生电路边沿触发信号产生电路的核心是比较电路。比较器采用LM311，该芯片可以处理1M左右的输入信号。如图6-78所示，施密特触发器为了将比较器出来的方波整形得更加完美（减少毛刺）图6-78 触发信号产生电路(1)设计并制作一个主站，传送一路语音信号，其发射频率在30MHz40MHz之间自行选择，发射峰值功率不大于20mW(50W假负载电阻上测定)，射频信号带宽及调制方式自定，主站传送信号的输入采用话筒和线路输入两种方式；(2

27、) 设计8个从站，构成一点对多点的单工无线呼叫系统。要求从站号码可任意改变，主站具有拨号选呼和群呼功能； (3) 当传送信号为300Hz3400Hz的正弦波时，去掉收、发天线，用一个功率衰减20dB左右的衰减器连接主、从站天线端子，通过示波器观察从站耳机两端的接收波形，波形应无明显失真；(4) 主、从站室内通信距离不小于5米，题目中的通信距离是指主、从站两设备(含天线)间的最近距离；(5) 主、从站收发天线采用拉杆天线或导线，长度小于等于1米。(6)增加英文短信的数据传输业务，实现主站英文短信的输入发送和从站英文短信的接收显示功能；(1).调制体制的选择采用调幅体制。一般调幅发射机的组成框图如

28、图6-93所示，其工作原理是：载波振荡器产生标准的载波信号，一路是线路输入和话筒输入的语音信号经语音放大后在AM调制器中进行幅度调制；另一路是呼叫信号或英文短信进入基带信号放大与整形电路后与载波信号进行幅度调制；调制后，功放级将调制后的信号的功率放大到所需发射的功率，再经天线发射出去。 图6-93 调幅发射组成框图采用调频体制。它由三部分组成，即频率合成器、音频处理器和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；音频处理器的作用是将各种各样的音频信号经过处理后，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

29、缓冲放大器起缓冲、放大、匹配和滤波的作用。本系统可以采取调幅体制或调频体制。调频系统与调幅系统相比，具有较强的抗干扰能力。故本系统采用调频体制，数据收发也采用2FSK方案。(2). 载波信号产生电路采用LC振荡电路。比如西勒振荡电路，具体电路图如图6-94所示。该电路较易起振，输出振荡频率和振幅也较为稳定，波形好，调谐范围也比较宽。电路的振荡频率为，式中。但其调试比较复杂。图6-94 西勒振荡电路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。该方案稳定度较高，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。具体方框图如图6-95所示

30、。图6-95 晶振电路产生载波方框图 PLL频率合成。用MC145152和VCO电路进行频率合成，采用闭环控制。故存在反馈，能得到精度和稳定度很高的频率信号，本题目要求发射频率在30MHz40MHz之间，选定35MHz作为载波信号。原理框图如图6-96所示。图6-96 频率合成原理框图载波信号发生器是主机发射部分的重要组成部分，应能产生等幅高频正弦信号，其振荡频率应十分稳定。方案和方案的电路比方案的电路简单，但是其短期频率稳定度均只能达到10-210-3；而采用频率合成法产生的高频振荡信号的频率稳定度接近晶振的频率稳定度，可达10-510-6；且失真度很小。故本设计采用方案。(3).接收模块的

31、设计方案论证与选择FM专业收音电路常采用大规模集成IC CXA1019、CXA1238等大规模集成芯片来实现。采用CXA1019作为接收机电路的核心IC。CXA1019是日本索尼公司研制的单片大规模接收机电路，它包含了AM/FM收音机从天线输入、高频放大、混频、本振到中频放大、检波直至低频（音频）功率放大的所有功能。除此之外，还具有调谐指示，电子音量控制等一些辅助功能。采用CXA1238作为接收机电路的核心IC。CXA1238是索尼公司在20世纪80年代后期正式推出的集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体的AM/FM立体声收音集成电路。它的电源电压适应范围宽：210V范围内电路均能正常工

32、作，且具有立体声和调谐指示LED驱动电路以及FM静噪功能等。上述两种方案实现的功能基本相同，但CXA1238具有耗电小、调整简单等优点；且它的宽电压适应范围和立体声指示及静噪功能也是CXA1019所力所不能及的。故选用方案。因CXA1238内部带解调电路，可以对语音及数据调制后的信号进行解调。(4).数据传输的设计方案论证与选择单工无线呼叫系统要求一点对多点传送，且主站具有拨号和群呼功能，同时增加英文短信的数据传输业务；从主站输入的英文短信经转换后形成连串的数字信号，这就需要把这数字信号调制发射出去，并且在接收端应把调制信号解调并加以识别显示出来；发射部分预置从站号码发送或群发，接收部分则只有

33、相应的台号接收。采用二进制振幅键控（ASK）调制与解调法。ASK有乘法器实现法和键控法两种实现方法，乘法器实现法的原理方框图如图所示，其数字信号与载频为fc的余弦信号进行混频得到调制信号；振幅键控信号解调有两种方法，即同步解调法和包络解调法，同步解调方框原理如图6-97所示。图中uASK(t)信号经过带通滤波器抑制来自信道的带外干扰，相乘器进行频谱反相搬移，以恢复基带信号。低通滤波器用来抑制相乘器产生的高次谐波干扰，解调的相干载波用2cos2fct。图1.2.6 ASK调制器框图图6-97 ASK同步解调方框图采用微控制器和PT2262/2272组成的编码/解码电路。PT2262/2272是一

34、对CMOS工艺制造的低功耗低价位带地址、数据编码/解码功能，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别和数据传输最常用的芯片之一。PT2262/2272发射接收电路原理框图分别如图6-98和图6-99所示。在发射端，微控制器对PT2262的地址位进行预置（即设定台号的代码），同时输入短信内容，通过微控制器进行短信编码后产生相应的数据去预置PT2262的数据位后，再调制发射出去；接收端，把接收到的信号进行解调放大后，送至PT2272，解码后在数据位产生对应的数据，通过微控制器进行短信解码后在液晶上显示所发送的短信内容。图6-98 采用PT2262编码电路的发射原理框图图6-99 采用2272解码电路的

35、接收原理框图上述两种方案都可以发送并且接收数字信号，但它们的原理不同，方案是采用数字调制，而本设计发射部分的主体是频率合成技术，数字调制则无法把数字信号调制发射出去；方案采用常用的PT2262/2272编码/解码电路，可靠性高，且与系统兼容；综上所述，本设计采用方案。(5).自动控制模块的设计方案论证与选择单工无线呼叫系统的自动控制部分直接关系到系统 “智能化”与“自动化”的实现，其控制方案的拟定，考虑了以下两个方面。发射和接收的控制方框图分别如图6-100和图6-101所示。图6-100 发射部分控制方框图图6-101 接收部分控制方框图采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心

36、。由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于进行功能扩展，特别是结合了EDA，可以达到很高的效率。系统的多个部件如频率测量电路，键盘控制电路，显示控制等都可以集成到一块芯片上，大大减小了系统的体积，并且提高了系统的稳定性。基于单片机技术的控制方案。相对于FPGA的并行处理方式，单片机是通过对程序语句的顺序执行来建立与外部设备的通信和完成其内部运算处理，从而实现对信号的采集、处理和输出控制。它最主要的特点是其串行处理特性。上述两种控制方式除了在处理方式和处理能力(速度)上的差异外，在实现的效果以及复杂程度等方面也有显著的区别。FPGA将器件功能在一块芯片上，相对于单片机外围电路较少，集成度高

37、。而单片机技术比较成熟，开发过程中可以利用的资源和工具丰富、价格便宜、成本低。鉴于本设计中，仅单片机的资源已经能满足设计的需求，而FPGA的高速处理的优势在这里却得不到充分体现；因此本设计的控制方案模块拟选用上述基于单片机技术的方案。单片机采用Atmel公司生产的AT89S51，实现对收发模块的控制。(6).关于尽量增加传输距离的分析传输距离是单工无线呼叫系统的综合性能指标。根据单工无线传输距离 式中，Pt为发射机天线端辐射的有效功率，Smin为接收机的最小检测功率，Gt、Gr分别为发射机天线和接收机天线的增益，K值在发射频率确定的情况下基本是一个常量。要增大传输距离Rmax应从如下几个方面考

38、虑： 在发射机接50假负载，其功率不大于20mW的情况下，尽量提高发射机天线辐射的有效功率Pt。当f=35MHz时，=8.5657m，当拉杆天线长1m，直径3mm时，通过MATLAB仿真计算可得，拉杆天线的等效阻抗Zr为由此可见，发射机输出端阻抗与天线严重失配。为使天线辐射功率最大，如图6-102所示必须在天线端口接一个电感L，使L与CL形成串联谐振，抵消CL的作用。同时使发射机输出阻抗Ri=50与RL匹配，中间必须接一个降阻网络。图6-102 发射部分阻抗匹配示意图 提高接收机灵敏度。由公式可知，提高接收机灵敏度（即降低接收机的Smin）与提高发射机天线辐射功率Pt对增加传输距离是同等重要的

39、。故接收机采用超外差体制，并且对接收机要调准，使接收机灵敏度最高。 在接收机输入端和拉杆天线之间必须加装升阻网络。一方面使天线阻抗与接收机输入阻抗匹配，同时加装一个电感，使之与天线等效电容形成串联谐振，接收机高放电路采用低阻抗输入的共基电路。本设计采用的CXA1238S芯片内部已集成了该电路。如果在天线输入端再加一级低噪声天线放大器，会提高接收机的灵敏度从而增加作用距离。 因本设计收发天线均采用拉杆天线或导线，其长度1m。为提高收发天线的增益，应使拉杆天线的长度等于1m或略小于1m。并且要注意收发信号时，使收发天线的极化一致，且方向调在最合适的位置。 当频率为35MHz时，波长为8.6m，其传

40、输特性按直线传输，如果中间有障碍物则会产生反射和折射现象，对传输距离有很大的影响。所以测试应在空旷地方，中间不能有障碍物或屏蔽物。 根据电波传输理论，如图6-103所示。在距离为(2n-1)/4时，会出现波谷，收听效果最差；在距离为n/2时，会出现波峰，收听效果最好。其中n为自然数。 图6-103 电波传输理论示意图(7).关于尽量减小系统输出信号失真度的分析输出信号失真度也是单工无线呼叫系统的重要指标。该指标的优劣取决于接收和发射两个分机。对可能产生波形失真的原因要分析清楚，从而采取有效措施，才能保证系统输出波形无明显失真。从发射机方面考虑，应该注意以下几个方面： 音频放大部分。音频输入来自

41、两个方面，一是话筒，其输入阻抗为高阻（10K）或低阻（600），电平较低，一般要加低频放大电路。二是线路输入，阻抗为600，输入电平为0dBmW（即0.775V），一般不需要放大。对于需要进行放大的低频信号，其放大器应工作在放大器件的线性段，且负反馈深度要大，确保音频信号经过音频放大器后不产生失真。应采用低噪声放大器，有利于提高整机的信杂比，也有利于改善输出波形失真这项指标。 调制器部分。由上述分析可知，收发系统均采用调频（FM）体制，要求调频波的瞬时频率与输入信号（即调制信号）u(t)或线性关系即 而调制器采用的VCO电路，以变容二极管做调谐元件。其变容二极管结电容，式中r为电容变化指数。若

42、变容二极管作为振荡回路的总电容时，则瞬时角频率(x)为 为使角频率(x)与调制信号u(t)成线性关系，必须选取r=2的变容二极管。 若变容二极管部分接入振荡回路时，应取电容变化指数r=1。 根据单元电路设计，本方案采用变容二极管作为振荡回路的总电路设计，故取r=2，且变容二极管静态反偏电压取在合适位置，从而保障失真度最小。 从接收机方面考虑，应该注意以下几点： 鉴频/鉴相器部分。如图6-104所示，鉴频/鉴相器鉴频特性应取其线性部分，线性度要好，且静态工作点应选择在图形的中点，最大频偏。广电总局标准fmax为75KHz。实际工作时应使小于75KHz，这样鉴频/鉴相器引起的波形失真才会最小。图6

43、-104 鉴频/鉴相器鉴频特性 音频低放与功率放大器部分从鉴频/鉴相器出来的音频信号是很弱的，需要经过低频小信号放大和低频功率放大。这里需注意的是鉴频/鉴相器到低频小信号放大级之间应防止干扰信号串入，如输入线较长应采用屏蔽线。低放与功放应采用线性放大电路，以确保输出波形失真小。从系统方面考虑：收发系统要调整正常，两者的频率要对准，直流稳压电源纹波要小，还要防止外部干扰（特别是市电干扰）串入系统。故发射机音频放大级最好能屏蔽。系统主要分为发射和接收两大模块，经过方案比较与论证，发射和接收部分的组成框图分别如图6-105和图6-106所示。其中发射部分的集成电路MC1648、MC145152、MC

44、12022、低通滤波器和晶振构成锁相环频率合成器、音频处理器、数据编码器、单片机进行数据处理、按键处理、LCD驱动。接收部分由收音模块、音频输出模块、数据接收模块以及控制模块四大部分组成，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，需将高频地和数字地分开以及高频电路用金属屏蔽隔离，以减小交叉调制等干扰。图6-105 发射部分组成框图 图6-106 接收部分组成框图(1).单元硬件电路设计 发射部分电路的设计a .压控振荡器的设计压控振荡器主要由压控振荡器芯片MC1648、变容二极管V149以及LC谐振回路构成。MC1648需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路。为达到最佳工作性能

45、，在工作频率时要求并联谐振回路的QL100。电源采用+5V的电压，一对串联变容二极管背靠背与该谐振回路相连，调整加在变容二极管上的电压大小，使振荡器的输出频率稳定在35MHz。图6-107为压控振荡器电路图。图6-108为MC1648的内部电路图。图6-107 压控振荡器电路图图6-108 MC1648内部电路图压控振荡电路由芯片内部的VT8、VT5、VT4、VT1、VT7和VT6，10脚和12脚外接LC谐振回路（含V149）组成正反馈（反相720）的正弦振荡电路。其振荡频率由式2.1.1计算。 其中 ， 即VCO的芯片管脚3为缓冲输出，一路供前置分频器MC12022，一路供放大后输出。该芯片

46、的5脚是自动增益控制电路（AGC）的反馈端。将功率放大器输出的电压Vout1通过一反馈电路接到该脚，可以在输出频率不同的情况下自动调整输出电压的幅值并使其稳定，由于本设计的频率固定在35MHz，且其反馈幅度不大，因此5脚直接接地。VCO产生的振荡频率范围和变容二极管的压容特性有关。CVD的大小受所加偏置电压U控制，它们之间的关系可由图所示电路测出。方法为：从扫频仪输入0300MHz的扫频信号，同时用扫频仪检测该电路的谐振频率。调节电位器Rp3使变容二极管的偏压以0.5V为间隔从1V10V变化，从扫频仪观测电路的谐振点频率并记录下来。由于Cj是全部接入谐振回路，为减少波形非线性失真，取变容二极管

47、电容变化指数r=2。利用Matlab计算出频率与容量的关系，进而得到偏置电压与容量关系曲线，如图6-110所示。Rp3图6-109 变容二极管特性测定电路图6-110 变容二极管特性曲线从CVD/U曲线上易见，偏置电压取值3.5V7.5V时，CVD的变化近似线性，从25 pF18 pF。又fc为35MHz，根据式2.1.1，有：取CVD=20pF，fc=35MHz，得L=1.04H。因此，取L=1.04H可满足要求。b. 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，发射频率始终向标准信号逼近，最终被锁定在标准频率上，达到与参考晶振同样的稳定度。锁相环电路MC145152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，其内部框图如图6-111所示。图6-111 MC145152内部框图1. 参考分频参考晶振从OSCin、