北京交通大学电子系统课程设计——模拟单工通信系统

1、国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设计报告 国家电工电子实验教学中心电子系统课程设计设 计 报 告设计题目：模拟单工通信系统目 录1 设计任务要求12 设计方案及论证12.1 任务分析12.2 方案比较22.3 系统结构设计32.4 具体电路设计43 制作及调试过程83.1 制作与调试流程83.2 遇到的问题与解决方法94 系统测试104.1 测试方法104.2 测试数据114.3 数据分析和结论115 系统使用说明125.1 系统外观及接口说明125.2 系统操作使用说明146 总结146.1 本人所做工作146.2 收获与体会146.3 对本课程的意见与建议157 参考文献151 设

2、计任务要求设计并制作一个如下图所示的模拟单工通信系统，实现话音信号和遥控信号在所给定的信道中的单向通信。语音通信部分：在发射机中设置一个音频接口，由此输入一路话音信号，由发射机对其进行调制、放大后通过双绞线送入模拟信道，且连接模拟信道后输出信号峰峰值应不小于1Vp-p。模拟信道为一个无源带通滤波网络，其元件参数和性能指标已经给定。接收机能对收到的信号进行放大、解调，还原出原来的的音频信号，经过音频功放后通过扬声器输出，声音应清晰响亮，无明显失真。遥控信号部分：在发射机和接收机各设置一个开关来切换当前的通信模式。在发射机中设置4个数字按键，接收机设置相应的4个LED灯，当按下发射机中任一按键时，

3、接收机上相应的LED灯被点亮。系统中发射机、模拟信道、接收机要应做在三块电路板上，相互之间只能用双绞线相连。2 设计方案及论证2.1 任务分析针对以上的任务要求，可以明确此模拟单工通信系统可分为三个部分：发射机、模拟信道和接收机。其中模拟信道的元件参数和性能指标已由任务书给出，在此不做分析。因此此处将重点分析发射机和接收机这两部分所需实现的功能和其理论实现方法。发射机部分需要实现的功能理论实现方法音频信号的接入利用3.5mm音频接口音频信号的放大利用运放制作单级或多级前级放大器遥控信号的产生数字按键和集成编码器信号的调制利用调幅或者调频的方式进行调制已调信号的放大三极管放大功率放大器功能的切换

4、利用单刀双掷开关实现功能切换系统的电源开关利用单刀双掷开关做电源开关接收机部分需要实现的功能理论实现方法接收信号的前级放大利用运放制作单级或多级前级放大器接收信号的解调根据发射机的调制方式选择对应的解调方式音频功率放大采用音频功率放大电路数字信号脉冲整形采用脉冲整形电路数字信号解码采用与发射机编码器配对的解码器数字信号显示采用LED灯功能的切换利用单刀双掷开关实现功能切换2.2 方案比较综上述分析，可知要实现设计要求，可以提出两种设计方案，即：幅度调制方案和频率调制方案。下面通过框图简单阐述两种方案的实现方法，并对二者可实现的效果和实现起来的难度进行比较。 通过分析两种方案的异同，可知二者的差

5、异仅体现在调制方法和对应的解调方法上。具体而言，采用幅度调制方案会使得检波电路十分简单，但是发射机需要添加载波发生器，这是一个难点；采用频率调制的话，发射机和接收机复杂程度相近，而且发射机的载波发生器并非必须。综上所述，两种方案均可较好的实现设计要求，而且复杂程度并无明显差异。因此在选择方案上，就需要着重考虑另外一个因素，就是调试的难易。由于幅度调制是利用载波幅度的变化来装在调制信号的信息，因此只需要利用示波器观察已调波形的幅度即可判断出调制的效果；然而频率调制是利用频率的变化来表示调制信号，相对不好观测。正是出于这个原因我们选择使用幅度调制方案。2.3 系统结构设计上一节已经表明我们选择了幅

6、度调制方案并阐述了原因。这里将具体展开说明，给出完整的系统原理和结构框图。由上图所示，发射机的前级放大模块利用LM324组成的2级同向比例放大器实现，增益可调，能使得放大之后的语音信号峰峰值可以达到5Vp-p左右。载波产生模块使用的是由NE5532组成的文氏振荡器，频率可调至190kHz，峰峰值5Vp-p左右。使用NE5532是因为它具有较大的增益带宽积，产生的190kHz信号幅度足够大。用来实现幅度调制的模拟乘法器我们选用AD633，因为其价格适中，性能良好，外围电路简单并且有较好的带负载能力。输出级功率放大器采用三极管共集电极放大电路，因为其有高输入阻抗，低输出阻抗，电流增益大的特性，适于

7、用做功率放大和输出级电路。接收机的前级放大模块选用的是LF356运放，其有较大的带宽，增益可调。检波器使用的是二极管包络检波，具体参数由计算和仿真选定为C=100nF、R=1k欧姆。音频功放选定LM386功率放大电路，增益可调。脉冲整形电路选用LM311，其判决门限电压可调。另外发射机和接收机的编码器和解码器选用配对的PT2262/PT2272。2.4 具体电路设计本节将依据上面的系统框图，依次给出各个模块的具体电路原理图，并作简单分析。基于LM324的前级放大电路 这里使用的是由两个LM324组成的两级同向比例放大电路。前级增益为11，后级增益可调。语音信号经3.5mm音频接口进入第一个LM

8、324的同向输入端，经两级放大后由第二个LM324的输出端输出。经过试验，根据情况调整放大增益，以使放大后的信号峰峰值可达5Vp-p左右，此时调制后的效果较好。基于NE5532的文氏振荡器 本电路中采用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，R1回路串联两个并联的二极管，如上图所示串联了两个并联的1BH62，这样利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输出电压稳定。RC振荡的频率为：f=1/(2RC)， 该电路中R=3.3K、C=100nF，f=1/(2*3.14*3300*250*10-12)193kHz。基于AD633的调幅电路 本调幅电路是基于模拟

9、乘法器AD633实现的。其中X1端口为载波输入，Y1端口为调制波输入，Y2端口控制直流成分。经过调制的信号经由W端口输出。AD633一般要求输入信号幅度小于10V。本电路外围电路简单，芯片价格适中，并且易于调试，性能优异，十分适合用在本系统中。三极管共集电极放大电路 共集电极放大电路有如下特性：输入信号与输出信号同向；电压增益接近于1，但是电流增益较大，有功率放大作用；适用于作功率放大和阻抗匹配电路，适于作为输出级使用。但是我们在设计时认为此电路不一定是必须的，因为上面说到AD633有较好的驱动能力，因此我们考虑暂时先不设置此电路，通过实测AD633输出接信道后的信号强度再来决定是否需要此共集

10、放大电路。基于PT2262的数字编码电路 此电路利用PT2262和数字按键产生数字编码信号。芯片1013管脚分别连接一个数字按键，其余地址位全部接地；17管脚为数字信号输出。当某一数字按键被按下时，电源给芯片18管脚供电，并且1013管脚中对应的管脚变为高电平；芯片自动对并行数据编码并从17脚串行输出。基于LF356的前级放大电路 此电路原理与基于LM324的前级放大电路类似。只是使用的是带宽较大的LF356作为运放，以便放大190kHz左右的已调信号。二极管包络检波电路 此电路为最简单和最经典的二极管包络检波电路。所取参数R=1k、C=100nF，满足包络检波对参数的要求。并且经过仿真和实物

11、测试，此电路检波效果良好。基于LM386的音频功率放大电路 此电路为参照LM386芯片手册修改而得的音频功率放大电路。其中音频信号由反相输入端输入，左侧电位器可以调节音量。上方电位器可以调节放大电路增益。电路中8电阻即为负载，实际电路中为一个2W、8的扬声器。基于LM311的脉冲整形电路 此电路为基于LM311的脉冲整形电路。解调后的数字信号由同向输入端输入，经过整形后变为高低电平分别为5V和0V的数字信号并从7管脚输出。其中反相输入端接的电位器起到调节判决门限电平的作用。实际使用时，先利用示波器观测解调后数字信号的波形，把判决门限设置在高低电平的中间位置，这样能起到最好的整形效果。基于PT2

12、272的数字解码电路 此处使用与发射机PT2262配对的PT2272作为解码器。其中不使用的地址位还是全部接地；整形后信号经由14管脚输入；1013管脚控制对应的LED灯；15和16管脚间接与发射机4.7M匹配的820k电阻；18管脚供电。当接收到信号时，芯片进行解码，并使相应管脚置为高电平，即可点亮与发射机被按下数字按键对应的LED灯。3 制作及调试过程3.1 制作与调试流程我们小组于6月27日开始电路板的制作，中间因为有其他事情耽搁了两天，在7月1日基本完成了系统三个部分电路的制作。我们没有选择分模块制作并调试的方式，而是选择先集中把所有必要和可能会需要的模块全部焊接好，但是各个模块之间并

13、不固定连接，而是用排针和跳线做成活动连接。这样既能提高制作的效率，也可以方便的单个模块测试或者几个模块间联调。电路板制作完成后，我们采用单模块调试多模块调试链路调试整体调试的顺序进行调试。首先检测单个模块能不能满足设计时赋予它的功能，例如放大模块能不能实现放大、调制模块能不能实现调制等。需要注意的是在这一步没有进行模块间的相联，即前级的输入用信号源模拟，而不是通过前一模块产生。第二步，在实现了单个模块的测试之后，进行两个或多个模块的检测。此处连在一起检测的模块都是相互之间有联系，互为前后级。例如：发射机的前级放大器、载波发生器和调制模块共同测试；接收机的检波器和脉冲整形模块共同检测等。这样可以

14、测试出功能上紧密相连的模块组能否正常工作。第三步，进行链路测试。本系统大致可以分为模拟（语音）和数字（遥控信号）两条链路。这一步我们要分别测试两条链路的通断。首先我们并没有之间连接上所测试链路的所有模块，而是采用从前往后连一级、测一级、解决一级的方式。逐级调试解决问题，并且实现整个链路的贯通和所要求功能的实现。最后一步是进行整体调试。上一步已经分别调试成功了模拟和数字两条链路，在此步将进行整个系统的最终完成和测试。我们要做的首先是删除掉初次制作时认为可能会用到但是链路测试时发现不必要的模块；其次是去掉不必要的排针和跳线，用导线把各个模块连接好；把电源开关、电源灯、功能切换开关等部分检测并连接好

15、；然后调整个别元件的位置和导线的分布，微调总体布局并改善系统外观；最后按照设计要求对系统做最终的功能测试，记录各项数据和性能指标，并设置必要的标签和使用说明。至此，本系统的设计、制作、调试告于断落。以上工作我们于7月4日下午全部完成。3.2 遇到的问题与解决方法上一节详细介绍了系统的制作和调试流程，本节将针对整个调试过程中遇到的问题，分析其产生原因，并说明解决问题的方法和过程。在单模块测试时遇到了两个问题。第一个是文氏振荡器的芯片选用，初次设计时我们使用的是LM324，并没有考虑到其增益带宽积较小的问题。后来经过同学的提醒，改用了增益带宽积较大的NE5532，才使得振荡器能产生效果较好的载波。

16、第二个是接收机的前级放大，初次设计时也没有考虑其放大带宽的问题，也是在咨询了别人后选择了更合适的LF356。其他的模块由于我们都是尽量使用最简洁最典型的应用电路，所以没有遇到太大的问题，调试的较为顺利。在多模块测试时，遇到的问题主要就是各个可调的电路究竟调在什么地方合适，例如放大器的增益、调制器的直流成分、脉冲整形的判决电平等。针对不同的模块解决方法也不同。在调节发射机前级放大的增益和振荡器的输出幅度之前，我们先利用信号源模拟各个输入信号输入到调制器中，调节各个信号输入的幅度，选择一个调制效果最好的点（调制信号和载波幅度峰峰值都在5Vp-p左右）。然后按照这个指标去调整前级放大器的增益和载波的

17、输出。至于接收机前级放大增益，由于无法得知经过信道后的信号幅度，因此此时我们把其增益调制较小，以免影响电路的安全性。而脉冲整形电路的判决电平就只能等到链路测试时根据实测数据来修改了。链路测试分成模拟链路和数字链路两部分。模拟链路的测试比较顺利。按照上面说的从前往后一级一级测试，已调信号效果很好，而且当接入信道后其输出并没有没明显拉低，因此我们决定暂时去掉发射机的共集电极放大器，由调制器直接做输出级。中间遇到一个问题，即信道的噪声和衰减都较大，于是我们对信道部分电路板进行了再加工，改善了其性能。经过信道传输后的信号幅度尚可，包络清晰。之后调节接收机的前级放大增益，使得放大后的已调信号包络宽度达到

18、1V左右，根据之前经验这样检波的效果十分出色。事实证明检波之后的波形也较好，之后进入音频功放，调节音量，可以听到较为清晰地音阶声（调制信号为单正弦波）；在接入音频信号（广播）后，能分辨出绝大部分话语的内容，但是噪声较大。尽管如此，证明此模拟链路已通。数字链路的调试遇到了一些的问题。第一个是在初次焊接时没有考虑PT2262和PT2272电阻匹配的问题，在查阅了一些资料后才发现应将PT2272的电阻改为820k。第二个是脉冲整形电路判决电平的选择。由于在检波输出有一个电容，使得解调后的方波信号电平会一点一点下降，难以选定合适的判决电平；解决方法是在数字链路中将此电容去掉，只在模拟链路中保留，这样解

19、调后的数字信号幅度稳定，便于选择判决电平。第三个问题是遇到了一个电路故障，链路接通后有三个数字键及对应的LED灯功能正常，但是有一个LED灯无论发射机按哪个键其都会亮。经过分析电路的逻辑，我们认为故障的原因是PT2262某个管脚总是高电平，实测结果也是如此。导致此现象的原因可能是某二极管被击穿或者此管脚和地间的电阻断路。在更换了两个器件后，故障被排除。至此数字链路已通。整体调试阶段的工作主要是优化系统的性能和外观，并做一些必要的小修改。因此并未遇到什么困难和问题。4 系统测试4.1 测试方法本节将简述系统的各项功能，并说明系统整体以及各主要模块性能指标的测试方法。本系统有两个主要功能。当功能切

20、换到模拟链路时，可以从手机、电脑或MP3等设备通过3.5mm音频线向系统输入音频信号，接收机扬声器可以清晰洪亮的播放出所接入的音频信息内容，并且音量可调；功能切换到数字链路时，在发射端按下一个或多个数字按键，接收端对应的LED灯会被点亮，即可以进行遥控信号的传输。系统和各主要模块性能指标的测试方法如下图所示： 在每个主要模块前后都设置了测试点，在系统正常工作时，通过示波器逐个测量各测试点的波形。记录波形数据，有需要时可通过所测数据计算出放大器增益等性能指标。4.2 测试数据测量项目实测数据对应参数或指标模拟链路部分模拟的音频输入（单正弦波）Vp-p=500mV , f=1.5kHz前级放大器增

21、益约为10倍经放大后音频信号Vp-p=4.9V , f=1.5kHz载波发生器输出Vp-p=4.7V , f=191kHz经调制后输出音频信号Vp-p=3.9V , 载波f0=191kHz包络频率f1=1.5kHz包络清晰；信道衰减约为-5.5dB；对频率没有影响接收机接收音频信号Vp-p=1.1V , 载波f0=191kHz包络频率f1=1.5kHz接收机前级放大后音频信号Vp-p=7.1V , 载波f0=191kHz包络频率f1=1.5kHz接收机前级放大增益约为6.5倍检波后音频信号Vp-p=1.8V , f=1.5kHz波形完整，无明显失真数字链路部分按下某键时PT2262输出Vp-p

22、=11.6V高低电平分明，码子清晰经调制后输出数字信号Vp-p=5.3V包络清晰,；信道衰减约为-5.5dB；对频率没有影响接收机接收数字信号Vp-p=1.5V接收机前级放大后数字信号Vp-p=9.3V接收机前级放大增益约为6.2倍检波后数字信号高电平3.9V，低电平1.8V判决电平设置为2.8V；整形前后高低电平相互对应脉冲整形后数字信号高电平5.6V，低电平0V4.3 数据分析和结论经过上节的计算，将系统各主要模块性能指标总结如下：。通过分析可知，各项指标都比较适中，能使各部分在稳定的环境下工作。并且各项实测数据与理论预期并无较大差异，均在可接受的范围内。综上可以认为，经过仔细的设计、制作

23、与调试，本系统的最终制作成品可以满足设计任务书上规定的各项要求，并且实现效果较好。5 系统使用说明5.1 系统外观及接口说明下图为系统的各部分连接好后的效果图。图中左侧为发射机，中间为信道，右侧为接收机。之后将分别介绍发射机和接收机中按键、显示单元、接口等输入输出单元的位置和功能。 下图为发射机的实物图。图中用贴纸标示出了电源、地线和输出等接口和功能切换开关的位置。图中上排左侧黑框内为PT2262数字信号编码模块；上排右侧为基于NE5532的载波产生器；最下排为基于LM324的音频接入和前级放大模块；中间为基于AD633的调制模块；在电路板的最右侧为发射机的输出接口。 下图为接收机的实物图。图中用贴纸标示出了电源、地线和输入等接口和功能切换开关的位置。上排黑框中为基于LM386的音频功率放大模块；下排左一为基于LF356的前级放大模块；下排