北交大电子系统课程设计报告(最终版)

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： 模拟机车信号系统

学 院: 专 业: 学生姓名： 学 号: 任课教师:

2016

年5 月18 日

目录

1设计任务要求 ......................................................... 3 2 设计方案及论证 .. (3)

2.1 任务分析（分模块方案分析） (3)

2.1.1 信号发生 ................................................ 3 2.1.2

调制电路与解调电路 . (4)

电子信息工程学院 自动化

王睿

2.1.3 功放电路. (7)

2.1.4 耦合通信. (9)

2.1.5 前置放大电路. (9)

2.1.6 正弦波转换电路. (10)

2.1.7 显示电路. (11)

2.2 方案比较 (12)

2.2.1 发射部分. (12)

2.2.2 接收部分. (12)

2.3 系统结构设计 (14)

2.3.1 发射部分. (14)

2.3.2 接收部分. (14)

2.4 具体电路设计 (14)

2.4.1 发射部分. (14)

2.4.2 接收部分. (15)

2.5 单片机软件算法流程 (16)

2.5.1 发射部分. (16)

2.5.2 接收部分. (17)

3 制作及调试过程. (17)

3.1 制作与调试流程 (17)

3.1.1 资料查阅. (17)

3.1.2 设计电路，确定方案. (17)

3.1.3 电路焊接. (18)

3.1.4 分模块调试. (18)

3.1.5 各模块组合调试. (18)

3.2 遇到的问题与解决办法 (19)

3.2.1 方案确定问题. (19)

3.2.2 电路调试问题. (20)

3.2.3 其他问题. (21)

4 系统测试. (21)

4.1 测试方法（含接线图） (21)

4.2 测试数据（表格） (22)

4.3 数据分析和结论 (22)

5 系统使用说明. (22)

5.1 系统外观及接口说明（含实物照片） (22)

5.2 系统操作使用说明 (23)

6 总结. (23)

6.1 本人所做工作 (23)

6.1.1 方案确定及电路设计. (23)

6.1.2 电路焊接. (23)

6.1.3 系统调试. (23)

6.2 收获与体会 (24)

6.2.1 能力方面. (24)

6.2.2 思想方面. (24)

6.3 对本课程的建议 (25)

7 参考文献. (25)

* 100%

1设计任务要求

设计并制作一个如图所示的模拟机车信号系统， 接收机）通过无线方式从轨道中提取地面信号发射机 号并进行显示的功能。

图1-1模拟机车信号系统示意图

2设计方案及论证

2.1

任务分析（分模块方案分析）

2.1.1

信号发生

a.频率可调555方波发生器

由555定时器构成的多谐振荡器可以产生频率可调的方波，且由于其内部的比较器灵敏 度较高，而且采用差分电路形式，利用 555定时器产生的频率受电源电压和温度变化的影响

很小。

振荡频率为：

1+43

电路输出波形占空比为:

电路图如下

系统能够模拟车载接收设备（以下简称 （以下简称发射机） 注入到轨道中的信

10cm

电源DC

电源指示灯

数字发送键

|1 2 3

地面信号（发射机）

模拟轨道

TTUL

传感器

电源指示灯

信号指示

试:迖.这车载设备

1

2 3

（接收机）

学号发送键

b.利用单片机实现

利用单片机可产生频率可调的方波。通过改变编程即可改变方波频率，且编程较为容易

实现。

2.1.2 调制电路与解调电路

概念：调制就是用调制信号去控制载波信号，让后者的某一特征参数按前者变化。常见调制方法有调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）等。常见的调制电路有乘法器、开关电路调制、信号相加调制等。

原因：信号调制的原因主要有三方面。一是将基带信号的低通频谱搬移到较高的载波频率上，可以使发送信号的信号频谱符合传输信道的频谱特征。简单理解，就是信号调制以后

可以传得更远，提高无线通信时的天线辐射效率；二是可以把多个基带信号分别搬移到不同

的载频处，以实现信号的多路复用，提高信道利用率；三是可以扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰弱能力。本实验中使用调制电路，主要考虑到可以增加传输距离，增强抗干扰能力。

方式：调制的方式是由载波信号的可变参数决定的，以下是一个简单的载波信号：

|c（o =虫仲（险+哄）

这里的卜［是载波信号的中心频率，卜』是振幅，’是相位。载波信号的可变参数只有振幅、频率和相位，所以调制方式也就有三种。

基本的数字调制解调有ASK FSK PSK三种。

a. ASK调制与解调

调制：

载波幅度是随着调制信号而变化的。其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通

断。2ASK是利用代表数字信息“ 0”或“ 1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载

波时断时续地输出。有载波输出时表示发送“ 1”，无载波输出时表示发送“ 0”。

其信号的产生方法通常有两种：

模拟相乘法：通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号， 这种直接利用二进制

数字信号的振幅来调制正弦载波的方式称为模拟相乘法， 在该电路中载波信号和二进制数字

信号同时输入到相乘器中完成调制。电路图如下：

${" ------------ 总（f ）

_______ J 乘法器 _____________

CDS

图2-2 ASK 模拟相乘法调制电路

数字键控法：用开关电路控制输出调制信号， 当开关接载波就有信号输出， 当开关接地就

没信号输出，其电路如下图所示：

解调:

2ASK 有两种基本的解调方式： 非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）

图2-4 ASK

相干解调电路

凍冲

e

2ASK (0

r 綁

-----------—

憾波器

判蜩

图2-3 ASK 非相干解调电路

就

冲

ASK 调制解调方式电路简单，易于实现，但抗干扰能力较差。

b. FSK 调制与解调

调制：

FSK 的信号调制有两种方法：直接调频法和频移键控法。

直接调频法，就是将输入的基带脉冲去控制一个振荡器的某种参数, 率的目的。虽然方法简单，但频率稳定度不高，同时转移速度不能太高。

图2-5 FSK 直接调频法电路

频移键控法就是利用矩形脉冲序列控制的开关电路，对两个不同的独立频率源进行选

通。一般来说，键控法采用两个独立的振荡器，得到的是相位不连续的 2FSK 信号；而且直接 调频法

f1,f2由同一个谐振电路产生，则得到相位连续的 2FSK 信号。

解调:

2FSK 信号的解调方法有：非相干解调法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等。

锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化 ，环路锁定后输入参 考信号和输出参考信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益被控制在所需数值范围

内。这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性 ?利用此特性 可以做载波跟踪型锁相环及调制跟踪型锁相环。 为了实现信息的远距离传输，收信端接收到 信号后必须进行解调才能恢复出原信号。 所谓的解调就是用携带信息的输出信号， 来还原载 波信号的参数，载波信号的参数有幅度、频率和位相。

调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器， 经鉴相器获得变化的 相位误差的电压，该误差电压通过低通滤波器被滤出高频成份， 从而获得随调制信号频率变 化而变化的解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。 其原理框图如下（锁相环解调）：

而达到改变振荡频

图2-6 FSK 移频键控法调制电路

图2-7锁相环解调电路

FSK的优缺点介于ASK与PSK中间，电路复杂程度与抗干扰能力均处于另外两种调制方

式中间。

cPSK调制解调

相移键控是利用载波的不同相位来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。在2PSK中, 通常用初始相位0和n分别表示二进制“ 0 ”和“ 1 ”。

调制方法有模拟调制和键控法：

戏极性不归供册(t)

图2-8 PSK

图2-9 PSK

解调：

图2-10 PSK相干法解调电路

PSK的主要优点是抗干扰能力非常强，但电路颇为复杂。

2.1.3 功放电路

功放电路是以输出较大功率为目的的放大电路，一般直接驱动负载，带载能力要强。该

电路的主要考虑因素有输出功率要大，效率要高，非线性失真要小。

功放电路按照输出级与后级电路的连接方式可分为：OTL OCL BTL等；按功率管的偏

置又可分为甲类、乙类、甲乙类及丙类四种。考虑到电路的难易程度，一下讨论OTL功率放大。

a.OTL功率放大

Is