南华大学黄智伟 备战 高频无线电类赛题分析.docx
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南华大学黄智伟备战高频无线电类赛题分析
南华大学黄智伟备战2013有关“高频无线电类”赛题的一些问题
1.“高频无线电类赛题”每届都有,共有9题
在10届电子设计竞赛中,“高频无线电类赛题”除了1994年外,每届都有:
●简易无线电遥控系统(1995年C题)
●调幅广播收音机(1997年D题)
●短波调频接收机(1999年D题)
●调频收音机(2001年F题)
●电压控制LC振荡器(2003年A题)(该题也可以划在信号源类)
●单工无线呼叫系统(2005年D题)
●无线识别装置(2007年B题本科组)
●无线环境监测模拟装置(2009年D题本科组)
●LC谐振放大器(2011年D题本科组)
1997年~2001年由于是SONY公司赞助的,所以都有收音机的赛题,从2003年起,赛题涉及到的范围就宽多了。
赛题频率范围:
几MHz~40MHz。
注意:
制作“高频无线电类”赛题是不允许采用现成的RF模块的。
2.从历届赛题可以看到:
从最近几届的赛题来看,主攻“高频无线电类”赛题方向的同学除了需要掌握模拟电路、数字电路、单片机电路和电子测量电路的知识外,还需要了解:
●RF(射频)接收电路设计与制作
●RF(射频)发射电路设计与制作
●RF(射频)小信号放大器电路设计与制作
●RF(射频)功率放大器(A~E类)电路设计与制作
●混频器电路设计与制作
●RF(射频)信号检测电路设计与制作
●LC振荡器电路设计与制作
●VCO(压控振荡器)电路设计与制作
●PLL(锁相环)电路设计与制作
●DDS电路设计与制作
●FM调制与解调电路设计与制作
●ASK调制与解调电路设计与制作
●FSK调制与解调电路设计与制作
●电路之间的阻抗匹配设计与制作
●天线阻抗匹配的设计与制作
●电感线圈的设计与制作
●RF电路的PCB设计与制作
3.建议:
“高频无线电类”赛题中所涉及到的的基础课程:
高频电路,通信原理。
一些基础知识在这两门课程中都有介绍。
“高频无线电类”赛题中所涉及到的一些知识点,对有些专业的同学来讲,在专业基础课程中是没有的,需要自己去搞清楚。
这一点很重要。
理论用来指导行动。
没有理论基础,盲人摸象,行动一定会有困难。
另外,“高频无线电类”赛题的实践性要求很强!
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例如:
电感线圈的位置、线圈之间的间距、PCB的导线长短等都会对电路参数带来影响。
站在岸上是学不会游泳的。
制作“高频无线电类”赛题作品,实践经验很重要。
建议从简单的基本的高频无线电类电路做起,如简单的无线电收发电路、PLL-VCO电路等,通过一些作品的制作和训练,找到感觉。
在“无线电”“电子制作”等杂志中有一些作品,可以参考做一下。
在一些电子制作的网站上,有一些无线电制作的小产品,也可以买来自己制作一下。
注意:
目前已出赛题的频率范围在几MHz~40MHz之间。
可以从历届赛题中选择一些来制作。
例如:
●简易无线电遥控系统(1995年C题)
●短波调频接收机(1999年D题)
●电压控制LC振荡器(2003年A题)(该题也可以划在信号源类)
●单工无线呼叫系统(2005年D题)
●无线识别装置(2007年B题本科组)
●LC谐振放大器(2011年D题本科组)
4.一些参考书籍
1.陈邦媛.射频通信电路.北京:
科学出版社,2002
2.顾宝良.通信电子线路.北京:
电子工业出版社,2002
3.于洪珍.通信电子线路.北京:
清华大学出版社,2005
4.刘长军等.射频通信电路设计.北京:
科学出版社,2005
5.谢沅清,邓刚.通信电子电路.北京:
电子工业出版社,2005
6..W.AlanDavis等.射频电路设计.北京:
机械工业出版社,2005年
7.逯贵祯等.射频电路的分析与设计.北京:
北京广播学院出版社,2003
8.胡树豪.实用射频技术.北京:
电子工业出版社,2004
9.黄智伟.通信电子电路.北京:
机械工业出版社,2007
10.黄智伟.射频电路设计.北京:
电子工业出版社,2006
11.周渭等.时频测控技术.西安:
西安电子科技大学出版社,2006
12.何丰.通信电子电路.北京:
人民邮电出版社,2003
13.AndreiGrebennikov.射频与微波功率放大器设计.北京:
电子工业出版社,2006
14.张玉兴.射频模拟电路.北京:
电子工业出版社,2002年
15.ReinholdLudwig.射频电路设计理论与应用.北京:
电子工业出版社,2002
16.BehzadRazavi.射频微电子.北京:
清华大学出版社,2006
17.UlrichL.Rohde.无线应用射频微波电路设计.北京:
电子工业出版社,2004
18.雷振亚.射频/微波电路导论.西安:
西安电子科技大学出版社,2005
19.沈琴,非线性电子线路.北京:
高等教育出版社,2004年
20.杨金法等.非线性电子电路.北京:
电子工业出版社,2003
21.高如云等.通信电子电路.西安:
西安电子科技大学出版社,2003
22.曾兴雯等.高频电子原理分析.西安:
西安电子科技大学出版社,2001
23.徐祎等.通信电子技术.西安:
西安电子科技大学出版社,2003
24.高吉祥,黄智伟等.高频电子线路.北京:
电子工业出版社,2003
25.高吉祥,黄智伟等.高频电子线路学习辅导及习题详解.北京:
电子工业出版社,2005
26.谈文心,邓速国,张相臣.高频电子线路.西安:
西安交通大学出版社,1996
27.胡见堂,谭博文,余德泉.固态高频电路.长沙:
国防科技大学出版社,1999
28.张义芳,冯建华.高频电子线路.哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,1993
29.申功迈,钮文良.高频电子线路.西安:
西安电子科技大学出版社,2001
30.沈慈伟.高频电路.西安:
西安电子科技大学出版社,2000
31.张肃文,陆兆熊.高频电子线路.北京:
高等教育出版社,1993
32.卢万铮.天线理论与技术.西安:
西安电子科技大学出版社,2002
33.黄智伟.射频小信号放大器电路设计[M].西安:
西安电子科技大学出版社2008
34.黄智伟.射频功率放大器电路设计[M].西安:
西安电子科技大学出版社2009
35.黄智伟.混频器电路设计[M].西安:
西安电子科技大学出版社2009
36.黄智伟.调制器与解调器电路设计[M].西安:
西安电子科技大学出版社2009
37.黄智伟.锁相环与频率合成器电路设计[M].西安:
西安电子科技大学出版社2008.
38.黄智伟.单片无线发射与接收电路设计.西安:
西安电子科技大学出版社2009
39.黄智伟.无线发射与接收电路设计(第2版)[M].北京:
北京航空航天大学出版社2007
40.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(1994~1999)[M].北京:
北京理工大学出版社,1997年
41.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2001)[M].北京:
北京理工大学出版社,2003年
42.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2003)[M].北京:
北京理工大学出版社,2005年
43.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2005)[M].北京:
北京理工大学出版社,2007年
44.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2007)[M].北京:
北京理工大学出版社,2009
45.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2009)[M].北京:
北京理工大学出版社,2011
46.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(2011)[M].北京:
北京理工大学出版社,2012
47.黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计(第2版)[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2011
48.黄智伟.全国大学生电子设计竞赛制作实训(第2版)[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2011
49.黄智伟.印制电路板(PCB)设计技术与实践[M].北京:
电子工业出版社,2009
参考书籍1~39主要与射频电路的原理与设计有关,主要的内容在“高频电路”课程中都有介绍,但不同的老师对同一个问题介绍的角度、深度不同,可以找其中的一部分来看一下。
参考书籍40~46是全国大学生电子设计竞赛组委会编辑的获奖作品的介绍,包括赛题的设计方案、算法、主要电路等内容。
参考书籍47:
在“全国大学生电子设计竞赛“十二五规划”教材全国大学生电子设计竞赛制作实训(第2版)”一书中,介绍了一部分射频小信号放大器、射频功率放大器、VCO(压控振荡器)、PLL-VCO环路、调频发射器、调频接收机等高频电路的制作实例。
“全国大学生电子设计竞赛“十二五规划”教材全国大学生电子设计竞赛系统设计(第2版)”由黄智伟编著,北京航空航天大学出版社2011.1出版
参考书籍48:
在“全国大学生电子设计竞赛“十二五规划”教材全国大学生电子设计竞赛系统设计(第2版)”一书,在详细分析了历届全国大学生电子设计竞赛题目类型与特点基础上,用多个设计实例,系统介绍了高频无线电类作品的设计要求、系统方案、电路设计、主要芯片、程序设计等内容。
“全国大学生电子设计竞赛“十二五规划”教材全国大学生电子设计竞赛系统设计(第2版)”由黄智伟编著,北京航空航天大学出版社2011.1出版
参考书籍49:
在“印制电路板(PCB)设计技术与实践”一书中,着重介绍了印制电路板(PCB)的焊盘、过孔、叠层、走线、接地、去耦合电路、电源电路、时钟电路、模拟电路、高速数字电路、射频电路的PCB设计的基本知识、设计要求、方法和设计实例,以及PCB的散热设计、PCB的可制造性与可测试性设计,PCB的ESD防护设计。
其中第11章介绍了射频电路PCB设计基础,射频接地、隔离、走线等射频电路PCB的设计技巧,射频小信号放大器PCB设计要求与实例,射频功率放大器PCB设计要求与实例,混频器PCB设计要求与实例,以及PCB天线设计例。
“印制电路板(PCB)设计技术与实践”由黄智伟编著,电子工业出版社,2009出版
历届题目可以从“全国大学生电子设计竞赛组织委员会”
赛题知识点分析:
历届赛题
1.简易无线电遥控系统(1995年C题)
2.调幅广播收音机(1997年D题)
3.短波调频接收机(1999年D题)
4.调频收音机(2001年F题)
5.电压控制LC振荡器(2003年A题)(该题也可以划在信号源类)
6.单工无线呼叫系统(2005年D题)
7.无线识别装置(2007年B题本科组)
8.无线环境监测模拟装置(2009年D题本科组)
9.LC谐振放大器(2011年D题本科组)
赛题1:
简易无线电遥控系统(1995年C题)
1.设计任务
设计并制作无线电遥控发射机和接收机。
(1)无线电遥控发射机
(2)无线电遥控接收机
(2)要求
基本要求
(1)工作频率:
fo=6~10MHz中任选一种频率。
(2)调制方式:
AM、FM或FSK……任选一种。
(3)输出功率:
不大于20mW(在标准75Ω假负载上)。
(4)遥控对象:
8个,被控设备用LED分别代替,LED发光表示工作。
(5)接收机距离发射机不小于10m。
发挥部分
(1)8路设备中的一路为电灯,用指令遥控电灯亮度,亮度分为8级并用数码管显示级数。
(2)在一定发射功率下(不大于20mW),尽量增大接收距离。
(3)增加信道抗干扰措施。
(4)尽量降低电源功耗。
注:
不能采用现成的收、发信机整机
2.电路设计
(1)6~10MHz发射与调制电路设计
调频振荡器采用由晶体管9018与电容C2、C3、C4、C5、变容二极管和电感L1组成西勒振荡器电路形式。
振荡信号通过C7耦合到射极跟随器,然后送至功率放大器。
(2)接收与解调电路设计
接收机高频放大器电路采用共射极谐振放大电路形式,以获得一定的电压增益。
接收机的解调器电路采用单片集成窄带FM解调芯片MC3371构成。
(3)键盘控制与编/解码电路设计
键盘控制与编码电路由按键、CC40147和MC145026组成。
解码电路采用MC145027,MC145027是与MC145026配套的解码器芯片。
(4)被控设备
被控设备采用LED代替。
驱动部分LED的工作电流小,可以直接采用74LS138译码输出直接驱动。
小电灯的亮度调节,通过三个能提供不同电流的晶体管射随器相加实现。
数码管采用MC14511驱动。
(5)电源电路设计
发射机采用电池供电。
接收机需要设计一个三端稳压器电路。
3.需要知道的知识点:
●调频振荡器
●射频功率放大器
●共射极谐振放大电路
●单片集成窄带FM解调芯片
●编/解码电路
●LED驱动电路
●三端稳压器电路
4.测试
需要知道如何测试输出功率:
不大于20mW(在标准75Ω假负载上)
赛题2:
电压控制LC振荡器(2003年A题)
(该题也可以划在信号源类)
1.设计任务
设计并制作一个电压控制LC振荡器。
基本要求
(1)振荡器输出为正弦波,波形无明显失真。
(2)输出频率范围:
15MHz~35MHz。
(3)输出频率稳定度:
优于10-3。
(4)输出电压峰-峰值:
Vp-p=1V±0.1V。
(5)实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值,精度优于10%。
(6)可实现输出频率步进,步进间隔为1MHz100kHz。
发挥部分
(1)进一步扩大输出频率范围。
(2)采用锁相环进一步提高输出频率稳定度,输出频率步进间隔为100kHz。
(3)实时测量并显示振荡器的输出频率。
(4)制作一个功率放大器,放大LC振荡器输出的30MHz正弦信号,限定使用E=12V的单直流电源为功率放大器供电,要求在50Ω纯电阻负载上的输出功率≥20mW,尽可能提高功率放大器的效率。
(5)功率放大器负载改为50Ω电阻与20pF电容串联,在此条件下50Ω电阻上的输出功率≥20mW,尽可能提高放大器效率。
(6)其它。
2.电路设计
题目要求设计一个电压控制的LC振荡器,振荡器的输出为正弦波。
本系统设计采用数字频率合成技术,利用锁相环的原理,使输出电压稳定在一固定频率上;采用电压负反馈和自动增益控制(AGC)电路使输出电压幅值稳定在1V±0.1V;控制部分采用MCU来完成;显示部分采用液晶显示模块,显示设定频率、输出频率及输出电压峰-峰值Vp-p。
并且增加了自制音源储存、立体声编码等功能,使系统更加完善。
(1)压控振荡器电路设计
采用压控振荡芯片MC1648和变容二极管MV209,外接一个LC谐振回路构成变容二极管压控振荡器。
只需要调节变容二极管两端的电压,便可改变MC1648的输出频率。
由于采用了集成芯片,电路设计简单,系统可靠性高,并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。
(2)频率合成器电路设计
采用数字锁相环频率合成器技术,由晶振、鉴频/鉴相器(FD/PD)、环路滤波器(LPF)、可变分频器(÷N)、和压控振荡器(VCO)组成。
利用锁相环,将VCO的输出频率锁定在所需频率上,可以很好的选择所需频率信号,抑制杂散分量,并且避免了大量的滤波器。
频率合成采用大规模集成PLL芯片MC145152,前置分频器选用芯片MC12022,VCO选用MC1648,环路滤波器采用运放LM358和RC电路组成,即可完成锁相环路的设计。
(3)控制模块电路设计
利用单片机或者FPGA控制集成芯片MC145152的分频系数A和N,以改变输出频率的大小。
注意:
所采用单片机的I/O口,而MC145152就需要19个I/O口,再加上显示部分,I/O口是否资源紧张?
(4)测频模块电路设计
方案一:
采用专用的频率测量芯片,如用INTERSIL公司的ICM7216B,只需少量的元件就能构成高精度的数字频率计,并且该芯片可以直接驱动8个数码管进行动态扫描显示。
但该芯片价格昂贵,并且系统对芯片的资源利用较少。
方案二:
采用FPGA来实现测频功能。
将压控振荡器的输出频率经过另一个前置分频器MC12022进行固定分频后送FPGA进行测量,并实时送入液晶显示器显示出测得的频率。
由于MC12022可对输入正弦波整形,所以不需外加整形电路,这样硬件电路十分简单,只利用软件编程便可实现一系列的功能。
功能集成在FPGA一块芯片上,可靠性高,准确性好,容易实现,并且充分利用了FPGA的资源
(5)峰-峰值检测电路设计
利用二极管和运放LM324构成一个检波电路,来测量电压的峰峰值。
利用该方法准确度高,稳定性好,构成也比较简单,再通过一个AD转换器,便可将数据直接送入FPGA显示。
利用该方法电路测量容易,也比较准确。
(6)稳幅电路的设计方案论证与选择
采用交流电压并联负反馈电路和自动增益控制(AGC)电路一起实现的稳幅电路。
由于VCO芯片MC1648内部有AGC电路,因此在引入了交流电压并联负反馈的基础上,输出电压再经过一个AGC电路,在输入信号电平变化时,用改变增益的办法维持输出信号电平基本不变。
利用该方法可以进一步提高输出电压的稳定性,保证在15~35MHz的频率范围内,输出电压峰-峰值控制在1V±0.1V。
(7)末级功率放大电路设计
采用丙类功率放大电路。
三极管用3DA5109。
调整放大管的导通角θ=70°左右,可以提高功放的效率。
为了防止失真过大,输出端采用并联谐振回路。
当负载为容性时,采用串联谐振回路。
这样可以使输出功率和效率都达到最大值。
(8)显示电路
采用字符型LCD显示。
可以显示英文及数字,利用FPGA来驱动液晶显示模块,设计简单,且界面美观舒适,耗电小。
(9)电源方案的选择
系统需要多个电源,FPGA使用5V稳压电源,振荡器的变容二极管需要1~10V电压,运放,功放等需要12V稳压电源。
采用三端稳压集成7805与7812分别得到5V与12V的稳定电压。
利用该方法方便简单,工作稳定可靠。
3.需要知道的知识点:
●压控振荡器电路
●数字锁相环频率合成器
●单片机或者FPGA
●频率测量技术
●峰-峰值检测电路
●自动增益控制(AGC)电路
●交流并联负反馈电路
●丙类功率放大电路
●液晶显示模块
●三端稳压器电路
4.测试
需要知道如何测试输出功率:
50Ω纯电阻负载上的输出功率≥20mW;负载改为50Ω电阻与20pF电容串联,在此条件下50Ω电阻上的输出功率≥20mW。
赛题3:
单工无线呼叫系统(2005年D题)
1.设计任务
设计并制作一个单工无线呼叫系统,实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务。
基本要求:
(1)设计并制作一个主站,传送一路语音信号,其发射频率在30MHz~40MHz之间自行选择,发射峰值功率不大于20mW(50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)设计并制作一个从站,其接收频率与主站相对应,从站必须采用电池组供电,用耳机收听语音信号;
(3)当传送信号为300Hz~3400Hz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。
发挥部分:
(1)从站数量扩展至8个(实际制作1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;
(2)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;
(3)当发射峰值功率不大于20mW时,尽可能地加大主、从站间的通信距离。
(4)其他。
说明:
(1)主站需留出末级功率放大器发射功率的测量端,用于接入50假负载电阻,以测试发射功率;
(2)为测试方便,作品中使用的衰减器(可以自制),应与作品一起封装上交。
2.电路设计
单工无线呼叫系统分发射和接收两大部分。
(1)发射部分电路的设计
①压控振荡器电路(VCO)
压控振荡器电路(VCO)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,电源采用+5V的电压,振荡器的输出频率稳定在35MHz。
②锁相环电路
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。
因此需要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。
锁相环电路采用MC145152芯片,它是一个集鉴相器、可编程分频器、参考分频器于一体的大规模集成电路,分频器的分频系数可由并行输入的数据控制。
③功率放大电路
功率放大电路采用丙类功放。
功放管为2SC1970,采用感性负载,输出幅度较大。
丙类功放的基极电压-VEE是利用发射极电流的直流分量IE0在射极电阻RE2上产生的压降来提供的。
当放大器的输入信号υt为正弦波时,集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。
利用谐振回路L2C2的选频作用获得输出基波电压υc1、电流ic1。
④阻抗变换电路
要使发射机的输出阻抗50Ω与天线匹配,必须设计降阻匹配网络,又因1m长天线呈容性阻抗,必须采用串联谐振,使之天线辐射出去的功率最大。
本设计采用的是L型的LC网络来实现阻抗匹配。
(2)接收部分电路的设计
①接收电路
接收电路以CXA1238为主体,CXA1238是索尼公司推出的集调幅、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。
②天线输入网络
天线匹配网络设计,首先必须计算出拉杆天线的等效阻抗和接收机的输入阻抗。
对于L=1m,D=5mm的拉杆天线,利用MATLAB仿真,在f=35MHz时其等效阻抗为Z=R-jX=5.44-j115.1。
拉杆天线阻抗可等效一个纯阻R=5.44Ω和一个容量C=115.1pF的电容串联。
③天线输入选频回路
本设计要求接收部分所接收的频率值为35MHz,输入选频回路采用LC回路。
④本机振荡器谐振回路
本机振荡器电路用于产生本地振荡信号,它始终比接收信号高出10.7MHz,连接至CXA1238的引脚端22和引脚端21。
本设计采用的本振电路的调谐回路和输入选频回路电路一致,原理相同,只是参数不同。
⑤音频功率放大器电路
音频功率放大器采用音频功率放大器芯片LM386。
现在也可以采用D类放大器芯片。
(3)编码/解码电路设计
编码/解码电路采用PT2262/2272。
PT2262/2272是一对带地址、数据编码/解码功能的芯片,PT2262具有地址和数据编码功能,PT2272具有地址和数据解码功能。
数据输出具有“暂存”和“锁存”两种方式,方便用户使用
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