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D题H067
单工无线呼叫系统
摘要
本单工无线呼叫系统,具有1个主站和8个从站。
主站的单片机发送二进制码,作为呼叫从机的地址;编码器TP5088将地址码流转换成双音多频的模拟信号,作为调制信号;发射芯片MC2833将调制信号加载在载波上发射出去。
接收芯片MC3362将接收到的信号进行混频、鉴频;解码器MT8870将解调信号转换成地址码;从站的单片机根据收到的信息,控制LCD显示。
主站具有选呼和群呼的功能,在发射功率不大于20mW,通信距离达到10米以上。
Abstract
Thesystemofsimplexwirelesscallincludeoneleadstationandeightsubjectstations.TheMCS-51ofmainstationexportsbinarysystemcode,whichregardastheaddressofsubjectstation.TheencoderTP5088transformsitintoDTMFanalogsignals.ThemodulatorofFMtransmitMC2833makesthemodulatesignalloaddownthecarrier,thensendout.ReceiverICMC3362couldmixanddetectsignalswhichisreceived.MT8870trasformthedemodulationsignalintobinarysystemaddresscode.Accordingtothereceivedsignal,MCS-51ofsubjectstationcontrolsLCDtodisplay.Leadstationcanselectorcallallsubjectstations.Inthecoditionoflaughingpowerlessthan20mW,thecorrespondencedistanceismorethan10meters.
一、方案论证
1、调制方法的选择
调制就是将低频信号加载到高频载波的过程,调制方法主要有振幅调制和频率调制两种方式。
方案一:
采用振幅调制。
振幅调制就是使载波的振幅受调制信号的控制,使它依次按照调制频率作周期性的变化,变化的幅度与调制信号的幅度成线性关系。
设调制信号
,载波
,调幅信号可以表示为
由于调幅信号的瞬时振幅与调制信号成线性关系,所以
为比例常数,
为调制系数。
调幅波表达式为
因此,调幅波的频率和相位保持不变,不受调制信号的影响,而振幅变化反映调制信号的信息。
方案二:
采用频率调制。
频率调制就是使载波的频率受调制信号的控制,调制信号的振幅控制载波频率的移动量,而调制信号的频率则控制载波频率的移动速度。
设调制信号
,载波
。
调频信号的瞬时频率与调制信号成线性关系,所以
,调频波表达式为
其中,
为调制系数,
越大,抗干扰性能越好,频带越宽。
因此,调频波的幅度不受调制信号的影响,保持不变,而频率变化反映调制信号的信息。
振幅调制的电路比频率调制简单,但频率调制电路的稳定性高。
从以上已调波的表达式可以看出,调频信号的幅度不受调制信号的影响,可以通过限幅器滤除杂波。
为了得到更加稳定的传输信号,采用频率调制方式。
2、发射电路的选择
方案一:
采用变容二极管调频电路。
用分立元件构成变容二极管调频电路,可以采用高频晶体管C1906或9018进行放大,选择丙类功放,提高功放级的效率。
该电路可以发射较高功率的信号,但结构复杂,较难调试。
方案二:
采用FM发射芯片MC2831,该芯片具有低功耗,外围电路简单的优点。
但发射功率太低,与接收机的通信距离太近,难以达到要求。
方案三:
采用FM发射芯片MC2833,该芯片是低功率单片调频发射系统,工作频率可达100MHz。
芯片内部具有两级放大,当负载为50Ω、谐波衰减不低于50dB时,输出功率可达10mW以上。
根据要求,功率不能超过20mW,MC2833经过一级放大可以使输出功率达到20mW左右。
综合考虑,MC2833具有低功耗、电路简单的优点,发射功率也能达到要求。
所以,采用方案三。
3、接收电路的选择
接收机包括选频网络、本振振荡电路、混频器、中频滤波器、中频放大器和鉴相器等几个部分。
方案一:
采用分立元件和混频器、鉴相器等集成芯片制作。
选频网络由LC带通滤波器实现;晶体振荡电路产生本振信号;混频器、鉴相器由相应的芯片组成;将接收机的各个部分组合起来,电路复杂,而且较难调试。
方案二:
采用一次变频芯片(例如MC3361、MC3357、TDA7021等芯片),电路简单,易于实现。
但是,若采用较低中频,接收频点的镜像频率与接收频率相差较小,这将使得接收机的镜像抑制比低,选择性差等。
若采用高中频,则难以提高中放增益,鉴频器也不易制作。
方案三:
采用二次变频芯片(如MC3362、MC3363等),则可以克服方案二存在的问题。
第一中频较高,选频网络选用带通滤波器,可以滤除镜像频率;第二中频低,中放增益可以做得比较高,对鉴频器的制作要求也比较低。
MC3362是从天线输入到音频前置放大的FM窄带接收芯片,其内部包括振荡器、二级混频、平方检波器、音频前置放大,具有灵敏度高、功耗低等优点。
变频芯片内部含有混频器、中频放大器和鉴相器,本振振荡电路可以采用晶体振荡电路,滤波器使用陶瓷滤波器,电路简单。
而二次变频芯片比一次变频芯片的灵敏度高、抑制镜像干扰的能力强。
调制信号频率为300—3400KHz,在窄带FM接收机MC3362的接收范围内。
综合考虑,采用方案三。
4、发射机主振级晶体振荡器的选择
方案一:
根据载波频率为30—40MHz之间的某一频率的要求,采用频率与载波一致的晶振,晶振振荡产生的信号直接作为载波,不用倍频,而且振荡频率高,发射功率高。
但是,振荡频率越高,石英晶体越薄,越容易振碎。
方案二:
采用12.1MHz的晶振,通过3倍频,得到36.3MHz的载波频率。
十几MHz的晶振来源广泛,工作稳定。
故采用方案二。
5、接收机本振振荡电路的选择
方案一:
采用LC振荡调谐。
根据振荡频率
通过调整谐振电路的电容值或电感值来改变主振级的振荡频率,频率连续可调。
这种调谐方式容易得到所需的频率,但频率的稳定性差。
本系统的发射频率虽然具有一定的选择范围,但必须保持与接收频率一致,否则将直接影响接收效果。
方案二:
采用晶体振荡器产生振荡频率。
石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件,基频等效电路如图1-1-1:
图1-1-1晶振在基频附近的等效电路
石英晶体谐振器的串、并联谐振频率分别为
晶片的等效电感很大(一般L的值为几十mH到几百mH),而等效电容C很小(一般只有0.0002~0.1pF),R也小(约为100Ω)。
根据品质因数:
可知,回路的品质因数Q很大,可达1000~10000。
加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度:
±100ppm,而精确度也能达到10-5~10-6。
方案三:
采用PLL(锁相环)频率合成方式。
PLL频率合成系统主要由压控振荡器(VCO)、相位检测器(PD)、可编程计数器、高稳定度的晶体振荡器、低通滤波器(LF)等组成。
根据锁相环锁定条件:
fO/N=f/R,即fO=fR/N
晶振频率f和分频比R确定后,只要设定相应的N值即可得到所需的频率fO。
利用频率合成器,可得到稳定性与晶振一致的谐振频率。
但是,本系统只需要单一频率,该电路的性价比低。
由于本系统发射、接收的信号为单频点,选用电路简单的晶体振荡电路即可实现。
而且,晶体振荡电路的稳定性好、精度高。
因此,接收机本振振荡电路采用方案二。
二、电路原理及分析
本系统由发射系统和接收系统组成,以下分两部分进行分析。
(一)发射系统
发射机系统以FM发射机MC2833为核心,框图如下:
1、调制信号的编码
编码器选用编码芯片TP5088,设置为双音多频(DTMF)方式,电路如图2-1-1:
图2-1-1
数据端D0—D3由单片机控制,传送4位二进制码,编码器TP5088将其转换成对应的双音多频模拟信号,不同的二进制数对应不同频率的模拟信号。
单片机控制编码器产生不同频率的信号。
从站的地址确定后,由按键输入英文字母,单片机给TP5088送二进制码,TP5088将其转换成对应的双音多频模拟信号,作为调制信号,加载在载波上。
2、主振级振荡电路及调制电路
该单元电路以FM发射机MC2833为核心,电路原理图如图2-1-2:
图2-1-2
音频信号从麦克风输入,麦克风正极接上拉电阻,抬高输入信号的电平。
信号从MC2833的Pin5输入进行放大,输出接一电位器,用来控制调频信号的频偏。
同样的,当输入正弦波等调制信号时,也是通过电位器来调节调频信号的频偏。
调制信号从Pin3输入,在内部调制器的作用下,将调制信号加载到载波上。
发射芯片MC2833的Pin1、Pin16之间串联12.1MHz的晶振和可调电感,产生12.1MHz的基频信号。
内部调制器调制后,通过缓冲器由Pin14输出至谐振回路。
缓冲器采用射极跟随器,是一个低增益、高输入阻抗的线性放大器,它的作用是将振荡器和功率放大器隔离。
缓冲器是振荡器的负载,其负载相对恒定,这样就不会影响振荡频率。
谐振频率
=36.3MHz
取电容值为18pF,
计算得:
L≈1uH。
通过调节倍频谐振回路的中周,使其谐振在基频的3倍频36.3MHz。
倍频后的信号经过双调谐回路,耦合到次级线圈,送入Pin8进行放大,由Pin9输出经过双调谐回路后送入放大电路。
两级调谐回路采用相同的参数。
3倍频谐振电路中,电感采用中心抽头的形式,可以提高调谐回路的Q值,
本电路中的静音电路实际上是应用三极管的开关作用。
对于NPN型的三极管,当集电结反偏,发射结正偏时,正常工作。
当静音控制端为低电平时,NPN型三极管9013的发射结反向偏压,三极管截止,对音频信号没有影响;当静音控制端为高电平时,NPN型三极管9013导通,使音频信号的电压降低,音频信号不能进入调制器。
用单片机控制静音控制端,发送语音信号时,输出低电平,
麦克风正常工作;不发送语音信号时,输出高电平(约为5V)。
此时,电压在电阻的分压作用下,晶体管的基极电压为2.5V,晶体管处于饱和状态。
麦克风的音频信号直接由晶体管短接到地,从而起到关闭麦克风的作用。
3、放大及滤波电路
电路图如图2-1-3:
图2-1-3
MC2833发射芯片的输出功率为10mW左右,通过高频三极管C1906进行放大,可以适当提高发射功率。
晶体管输出阻抗高,输出回路采用三级LC滤波电路,起到选频、滤波和输出匹配的作用。
(二)接收系统
接收系统的框图如下:
1、选频网络及射频放大
选频网络及射频放大电路图如图2-2-1:
图2-2-1
在发射功率不能大于20mW的前提下,接收距离大于5m,这就需要提高接收机的灵敏度。
接收芯片MC3362的灵敏度很高,接收系统的灵敏度很大程度上取决于选频网络。
由于发射、接收频率为单频点,其频带宽度只要能达到频偏的两倍即可。
所以,可提高选频网络的Q值,以改善选择性。
选频网络的天线输入端采用电容分压式电路,接入系数
ac端电压
对于相同电压的接收信号,C3增大时,接入系数p减小,
增大。
但是,谐振频率
谐振频率一定时,电容C(由C1、C3并联组成)增大,电感就必须减小,根据品质因数的公式:
电容的增大和电感的减小都会导致Q值的降低,综合考虑接入系数和品质因数,
取C1=15P,C3=25P,则谐振回路电容值
=9.375P。
由电感公式
计算得电感L1约为2uH,由中周绕制可以实现,调节谐振频率为36.3MHz,然后固定不变。
为了获得更高的灵敏度,在信号送到MC3362接收端之前先经过谐振放大。
在晶体管的集电极接LC谐振电路,电容C2、C4均取15p,按照上面的公式可以计算出电感L2约为2.56uH,由中周绕制可以实现,调节好谐振频率后固定不变。
利用扫频仪观察选频网络的特性曲线,如图2-2-2:
图2-2-2
2、MC3362接收电路
接收机芯片采用MC3362,其内部具有两级混频器、限幅放大器、移相鉴频器和比较器,电路如图2-2-3:
图2-2-3
本电路用来接收调频信号。
接收信号经过选频网络、射频放大后,送入MC3362的接收端Pin1。
Pin22、Pin23内部连接一个变容二极管,由于接收单一信号,不需要通过控制变容二极管两端的电压来改变第一本振的频率,所以将Pin22、Pin23短接。
Pin21、Pin22外接晶体振荡电路,由于接收频率为36.3MHz,第一中频为10.7MHz,所以,第一本振频率为(36.3-10.7)MHz=25.6MHz,采用25.6MHz的晶振。
第一本振信号与接收信号进行混频。
设调制信号为1KHz,载波频率36.3MHz,则已调波为:
本振信号为:
两个信号的乘积为:
混频后的信号通过10.7MHz的陶瓷滤波器,滤除频率为61.9MHz的高频分量。
由于第一中频为10.7MHz,第二中频为455KHz,所以,第二本振频率为(10.7MHz-455KHz)=10.245MHz,第二本振采用10.245MHz的晶振。
二次混频后的信号经过455KHz陶瓷滤波器滤波,得到频率为455KHz的第二中频,在芯片内部进行中频放大、限幅。
Pin12与电源之间并联一个39K的电阻和黄周,适当调节黄周的电感量,使其振荡频率与第二中频的频率一致。
黄周的振荡信号与放大后的第二中频进行鉴频,从而解调出调制信号,放大后从Pin13输出。
解调信号滤波后,由耳机输出音频信号或送至解码芯片解码,为了防止干扰信号进入解码芯片,导致解码错误,滤波器的参数选择很重要。
调制信号频率范围为300—3400KHz,为低频信号,应采用低通滤波器,截止频率
取电容值为0.01uF,
取电阻值为4.7
。
由于耳机需要的信号电压较低,而解调信号已经在芯片内部进行低频放大,电压可以驱动耳机。
电位器用来调节音频信号的大小,由射随器输出,可以增强带载能力。
射随电路如图2-2-4:
图2-2-4
3、DTMF解码电路
解码芯片MT8870的解码电路如图2-2-5:
图2-2-5
当解码器MT8870接收到信号时,通过频率比较,检测出解调信号的频率,并将此频率的模拟信号转换成4位与编码器相对应的二进制码,存在寄存器中。
接收信号提醒端发送出提醒信号,由接收允许端控制读出寄存器的二进制码。
单片机根据接收到的地址码,将英文字母传送给相应的从站,并控制从站的LCD显示字母。
(三)功率衰减器的制作
为了测试方便,采用电阻电路做一个功率衰减20dB左右的衰减器。
电路如
下:
图2-3-1
三个电阻构成T型功率衰减器,取R1=R2,则为对称固定衰减器,适合不平衡电路。
因为衰减器要求衰减20dB,根据公式:
N=10。
特性阻抗R=50,
三、软件系统
1、发射系统
为了实现英语短信数据传输的功能,用26个按键对应26个字母A—Z。
按键接法如图3-1-1:
图3-1-1
芯片74164将串行数据转化成8位并行数据,采用5×8按键扫描的方法,利用7个I/O即可做到40个按键,减少大量的I/O口。
2、发射系统软件流程图如图3-1-2:
图3-1-2
由于在选呼和发送数据处于两个不同的阶段,先确定呼叫对象,再发送数据,所以,选呼和发送数据时按键可以复用。
利用四个拨盘,可以组成24=16种地址,即控制16个从站。
3、接收系统流程图如图3-1-3:
图3-1-3
四、测量仪器
五、测试方法与数据
1、频率测量
用示波器观察发射信号的频率,读数为:
36.300MHz。
2、发射功率的测试
在发射端与地端接50Ω的电阻作为负载,用示波器测量发射信号的电压值。
接法如图5-1-1:
图5-1-1
由示波器读出50Ω电阻两端的电压峰-峰值
。
由计算公式电压及功率公式
,
经过测量,50Ω电阻两端的电压峰-峰值
为:
2.6V。
代入公式计算得到发射功率为:
16.9mW。
3、接收波形的测试
调制信号为300—3400Hz的正弦信号,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,波形无明显失真。
4、接收距离
主、从站收发天线采用拉杆天线,长度不大于1米。
发射功率为16.9mW时,主、从站的最大通信距离大于10米。
从站使用电池供电。
5、从站的数目
从站共8个,地址设置为1—8。
6、英文短信功能
在主、从站的通信距离为5米时,主、从站均能完全正确显示英文信息。
测试过程中没有出现误码。
7、选呼和群呼功能
选呼时,从站的地址由主站设置,当从站的地址与主站所设置的地址一致时,才能接收到主站发出的信息;群呼时,所有的从站均能接收到主站发出的信息。
六、测试结果及分析
本系统能够较好地实现题目中的各项要求。
为了减小电路本身以及外部环境等干扰,接收、发射系统采用双面板制作,顶层为地端。
七、问题及改进措施
在功率有限的前提下,要尽量加大通信距离,这就要求减小发射机的谐波功率,而接收机又要具有较高的灵敏度。
要加大通信距离,必须从两个方面考虑:
1、发射机发射信号的滤波
该部分电路采用三级LC滤波,主要是为了滤除谐波分量和其它干扰。
在调试时,我们利用频谱仪观察发射信号的频谱。
通过磁芯和铜丝来改变电感线圈的电感量,当磁芯靠近线圈时,电感量增大,若频谱有所改善,则应增大电感线圈;反之,则应减小电感线圈。
铜丝则具有相反的性质。
由于电感采用粗的漆包线绕制,调节不方便,难以调节到最佳状态,输出阻抗可能不匹配。
功率一定时,若产生驻波,则发射距离减小。
由于通信距离的要求不高,采用LC滤波即可。
若要求更远的通信距离,则应选用滤波效果好,阻抗匹配,调节方便的其它滤波器。
2、选频网络
该选频网络的天线输入端,我们采用电容分压式电路,能够提高灵敏度和实现输入阻抗匹配。
在接收信号输入接收芯片之前,采用高频谐振放大,可以提高接收机的灵敏度。
由于电路中存在分布电容等因素,使得理论值和实际值有所偏差。
可以通过扫频仪观察选频网络的特性曲线,进行调试。
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