【《某调频发射器系统的硬件和软件设计案例》5100字】

某调频发射器系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u5575某调频发射器系统的硬件和软件设计案例 114547一、系统硬件设计 1290341.1数控调频发射器的设计电路 1244211.2调频发射器单片机数控电路 259851.3BH1415F的调频电路 2199871.1.1限幅电路 383821.1.2预加重电路 3195601.1.3立体声调频电路 416861.1.4低通滤波电路 4266191.1.5BH1415锁相环电路 5321761.4BH1415F的调频发射电路 645641.5数码管的显示电路单元 732771.6电源电路单元 84133二、系统软件及程序设计 966572.1系统主程序流程图 9119582.2BH1415F写频率数据子程序 1020462五、系统仿真与调试 12一、系统硬件设计1.1数控调频发射器的设计电路数控微机调频信号发射器的软硬件控制系统结构设计如软件图1.1所示,软件控制系统的整体结构设计主要包括BH1415F调频信号发射控制电路、STC89C51单片式微机调频控制电路、LED数字信号采集管理和显示控制电路、按键电路及高频功率放大电路组成。依据前面的设计方案进行分析和选择，调频电路采用锁相环电路BH1415F芯片，由使用STC89C51的单片机电路进行稳定的频率控制。单片机的集成电路是采用STC89C51单片机，该集成电路将变频器输出的信号通过BH1415F控制终端传送到BH1415F的控制信号。图1.1硬件系统总体设计框图1.2调频发射器单片机数控电路STC89C51单片机控制电路通过输出数据连接BH1415F芯片有四个输入输出控制端口。STC89C51的P1.3连接18接口（静音控制端），STC89C51的P1.1与BH1415F的17接口（DA数据输入端），STC89C51的P1.0连接BH1415F芯片的16接口输入端（CLK时钟），有控制延时的作用，P1.2连接BH1415F的15接口（CE芯片允许端）。单片机控制器芯片STC89C51的P1.0为一个串口接收端，P1.1为一个串口输出端，P1.2为外部中断0。P1.4是频率增加按键，P1.5是减频按键，P1.6为立体声开关。单片机控制电路可以实现按键控制加减频率以及立体声开关。图1.2单片机控制电路接口图1.3BH1415F的调频电路从BH1415F芯片的介绍我们可以看到，它的引脚1和引脚22控制立体声音频输入信号，立体声的开关由STC89C51的P1.6控制。第一步的音频调制后，产生了基于立体声的一个基带音频信号。其中预射频调制集成电路的主要组成部分分别是射频限幅调制电路、射频振荡电路、预射频加重调制电路、LPF调制电路和立体声射频调制集成电路。如果电路内没有一个锁相环电路，传输的信号频率性和稳定性就会变得很差。锁相环电路采用的是一种全新型的自动相位控制(APC)系统，锁相环（PLL）最初主要用于增强调频发射信号的抗干扰性能，改善调频发射信号的行同步和帧同步，它是现代通信技术和系统的基础组成部分。锁相环的主要特征有：它们利用外部输出的参考信号来控制环路内部的振荡信号频率及其相位。许多的电子装置为了想要正常地工作，往往都需要外部输入信号和内部振荡信号进行同步,利用一个锁相的环路即可实现此目的。1.1.1限幅电路所谓的限幅控制电路，就是用来泛指限制电路中特定地点的信号幅值和频率的大小，当一个信号幅值变化达到一定范围时，不让其信号幅值再次增大。当一个信号的幅值没有达到约束或者限制在这个幅值时，限幅电路不工作。如图1.3，两个二极管和一个反相放大器共同组成了BH1415F芯片的限幅控制电路。图1.3限幅电路1.1.2预加重电路预加重补偿法其实就是一种通过在终端发出信号对被终端发出信号的高频信号进行加重补偿。这种方法是增大信号跳变边沿后第一个bit（跳变bit）的幅度（预加重）。比如对于一个00111的序列来说，做完预加重后序列里第一个1的幅度会比第二个和第三个1的幅度大。由于跳变bit代表了信号里的高频分量，所以这种方法有助于提高发送信号里的高频分量。本次设计选用了预加重和去加重技术来增加信号抗的干扰能力，去除噪声影响。即在噪声引入之前先加重高频分量，然后在接收机鉴频器的输出端，再进行相反的处理，就是把采用预加重的高频分量去加重，恢复原来的信号功率。这样既可以避免干扰和噪声，又不会造成解调信号失真。如图1.4所示，预加重电路的内部工作点为1/2Vcc，而预加重时间则取决于内部电阻和外部电容。图1.4预加重电路1.1.3立体声调频电路因为一个音频的输入器是同时存在一个左声道的音源(L信号)与右声道的音源(R信号)两个双声道的，所以把左声道与右语言音源(R信号)进行了混合或者叠加，这样就可以直接实现立体声的调制，左右声道的混合叠加可以是相加或相减的。相加后计算得到的信号为M信号（L+R），相减后计算得到的信号为S信号（L-R）。将通过上面的三个混频电路后的载波分频信号依次传输出来到一个载波混频器中，然后通过一个晶振转换电路把载波分频信号(S载波信号)再次接入以后，经过多次的载波分频后它就产生了一种新的一个S载波信号。之后一个新的S信号被第二次分频后就会产生一个导频信号。音频信号和S信号通过多音频复合器直接输出并对其进行音频调制后，产生M信号（L+R）和S信号（L-R）。最后M信号、S信号、和导频信号共同组成的一个复合信号。1.1.4低通滤波电路低通信号滤波处理电路调制是一种对截止频谱信号进行滤波过滤的调制方式，在低通滤波调制电路中，低与截止频率的滤波信号可以正常快速地进行通过，高于临界截止频率极限值的滤波信号则被进行拦截。拦截的幅度会根据频率信号的高低而变化。低通信号滤波处理电路调制是一种对截止频谱信号进行滤波过滤的调制方式，在低通滤波调制电路中，低与截止频率的滤波信号可以正常快速地进行通过，高于临界截止频率极限值的滤波信号则被进行拦截。拦截的幅度会根据频率信号的高低而变化。巴特沃斯滤波器虽然是滤波器的一种基本设计划分,但在各个通频带内外均具有平稳的幅频特征,但也具有较长的过渡区,在这些过渡区域上很容易产生失真。二阶的低通反馈放大电路可以构成BH1415F芯片的低通滤波电路，二阶滤波器对于减少高频信号损耗能够达到更好的效果。切比雪夫滤波器也可以说是对滤波器的一种设计划分,与巴特沃斯滤波器相比,切比雪夫滤波器的幅频过渡区域宽带很狭窄，内部幅频特性很不稳定。如图1.5所示，低通滤波电路的品质因素Q大小决定电路滤波的高低。调节通带增益，就可以调节品质因数。截止频率（FC）决定过滤频率信号的高低。图1.5低通滤波电路1.1.5BH1415锁相环电路调频发射电路采用锁相环技术（PLL），利用相位同步产生的电压，去调谐压控振荡器以产生目标频率的负反馈控制，由高频放大器放大信号使发射机末级获得足够大的发射功率，使高频振荡器及锁频器用来控制振荡器的振荡频率。高频振荡器可以对复合信号进行直接调频调制，是一种具有锁相环控制功能的高频压控复合振荡器。如图1.6所示，高频振荡器由内部的的集成电路和外部的的LC型高谐振集成回路两个大部分共同构成，因此，无法直接产生高谐波，不适用于高频振荡电路。高频振荡电路通常使用LC振荡电路，也就是固态振荡电路。需要注意设定一个输出频率，当输出超过锁相环的设定输出频率时，其输出的降低电平就可能会开始降低；而当低于设定输出频率时就会升高，导致此时输出的被降低电平也会升高；而当等于在设定的输出频率范围上时，电平会恒定不变。图1.6BH1415F锁相环电路1.4BH1415F的调频发射电路本控制电路主要核心控制元件是BH1415F，主要控制电路是由低通射频滤波电路、预加重电路、调制电路和射频功率发射电路等部分组成。BH1415F的引脚15（CE芯片允许端）和引脚16（CLK时钟输入端）分别连接单片机的P1.2和P1.0，引脚17脚（DA数据输入端）连接P1.1。另外从下图1.7上我们就可以知道，需要给BH1415F调频发射电路供给12V的电源，不过也需要提供不5V的电压来保证单片机的正常运行。图1.7BH1415F的调频发射电路1.5数码管的显示电路单元显示电路模块考虑到价格高低的问题，本次测试中我们所需要的显示频率也相对比较简单，我们选择LED数码管。数码管的显示工作原理很简单，由多个基础数码管上的发光二极管进行封装在一起，组合而成的数字形元件，引线已经通过内部连接完成，显示所需的数字或者英文字母只通过添加一个驱动电路即可实现，直到点亮整个数码管需要点亮的段码才能实现。不同种类的数码管除了它们的软硬件集成电路存在着很大的差别之外，编程的方式也都是不一样的。因此根据LED数码管驱动模式的特性来进行分类，我们可以将其划分为静态模式和动态模式两个类型。数码管静态显示驱动也叫直流驱动，静态驱动的每个数码管在显示数值时需要持续对每一个被点亮的段码用单片机驱动电路供电，一直到显示的数字出现变化。数码管静态显示的优点是数码管的显示光源亮度高，单片机的编程简单，它缺点显然：需要耗费的接口多，比如驱动一个数码管需要占用8个I/O接口，增加了硬件电路的复杂性，要知道STC89C51接口不是很多。动态显示的优点是端口资源占用少，功耗低。本系统设计中采用的显示电路为图1.8所示，采用的动态显示，段选驱动和位选驱动都是选用锁存器74HC573。动态系统驱动控制的主要原理是将所有八位数码管的8位共阴段码管连接线端口都连接到一起，连到锁存器的共阳输出端口，每个八位数码管的共阴或共阳输出端口都被自动接入另一个锁存器以使它作为一个位驱动控制电路，单片机用来控制锁存器。例如当一个单片机需要显示字形码时，单片机先输入这个字形码，然后再直接利用轮流控制各个数码管公共端，来自由抉择选通某个数码管的亮，在这个数码管上显示该位的字形，没有选通的那个数码管就不会出现亮，这样轮流控制各个数码管显示。本系统在硬件设计中主要采用了数码管来进行信号动态显示的控制电路，具体电路如下图1.8。图1.8数码管显示电路模块1.6电源电路单元本次大学毕业设计中需要使用的新型数控直流调频信号发射器模块，采用双控制单元5V三相稳压电源和12V非三相稳压直流控制电路组成的模块。BH1415F数字锁相控制电路、STC89C51单片式微机调频控制电路和数字显示控制电路均根据预先设置好的电源大小设定成5V的直流稳压调频电源，调频信号接收器和调频发射器的电路中各根据模块所需要的电源大小都设置为12V的非直流稳压调频电源。电源电路中变压器是作为交流输入220伏，9V/1A输出，经过一个桥式整流后输出大约12V非稳压直流，提供给一个高频功率放大器。该电源的大小直接决定了传输电路的传送功率。本次测试所设计的发射功率测量指标为0.5W,能够满足要求。另外，桥式稳压整流器的稳压输出通过一个稳压电源开路7805，输出一个通过稳压得到的5V的直流电源，提供了给单片机的微控制器、显示器的电路和一个BH1415F的模块。电源模块中还添加了一个输入保护工作电路。即便工作电路电流短路，7805三端稳压器和输入电路也不会造成损坏或被击穿。如图1.9电路原理图所示。220V50Hz交流电通过220V/12V交流电源变压器口与直流电连接得到12V电源，5V电源由12V直流电通过7805三端稳压管道与直流电连接得到。图1.9电源模块电路图二、系统软件及程序设计2.1系统主程序流程图系统启动后，将进入立体声发射模式，数控调频发射器的发射频率显示在LED数码管上，按下频率调整键，LED数码管上的数值每次增减0.1MHz的发射频率值。BH1415F对信号频率进行了逻辑结合处理以便于调整信号频率，并向信号发送机输出一个经过频率信号调整后的信号。BH1415F的15、16、17三个控制端口分别负责接收一个不同频率信号控制的首次数据，BH1415F端口遵循了一种低位、低字节数据先发送的控制规律，接收到的BCD编码的控制数据为四个字节，BCD码方便快捷，节省了不少运算时间。系统主程序流程图如图2.1所示。图2.1系统主程序流程图2.2BH1415F写频率数据子程序图2.2BH1415F写频率数据子程序流程图STC89C51单片机按照从低到高的规则向BH1415F发送频率控制字节。最低位传输到BH1415F的端口DA，经过延时锁存数据到8位频率控制码传输完成。BH1415F频率控制发送子程序流程图如图2.2所示。程序写入BH1415F后，通过的它的三个端口进行频率控制。1、芯片的控制端口是CE端，只有在它为高电平时单片机控制电路才能通过CE端口向BH1415F输入数据，CE端低电平时，BH1415F无法输入数据。2、芯片的时钟信号是CK端，锁相电路CK端作用是锁存数据。当CK端由一个低电平转换成一个高电平时，锁存器就会接受输入的数据。设置C