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1、湖 南 工 学 院毕业设计说明书课题名称: 基于锁相环技术的无线接收与发射系统专业名称:学生班级:学生姓名:学生学号:E-mail: 指导老师:制作日期:2007-5-29目 录一、绪论-2二、设计任务书-4三、系统的解调设计-53.1系统的方案论证与选择-53.2系统的任务分析之原理框图-63.3锁相环的单元电路设计-73.3.1锁相环技术的概论-73.3.2锁相环的构成及工作原理-7四、无线发射的电路设计-214.1主要技术指标-224.2设计原理之拟定发射机的组成方框图-234.3 LC振荡与调试电路-244.4缓冲隔离级-264.5功放激励级-284.6末级功放-284.7增益分配-2
2、8五、锁相环芯片的选择-305.1 芯片的介绍-305.2 芯片的串行接口介绍-315.3TRF4900芯片的设置-32六、电路装调与测试-36七、参数计算-367.1 LC部分的计算-36 7.2 缓冲隔离级-38 7.3 高频功放的参数计算-38 7.4 整机联调时常见故障分析-40八、接收电路-428.1调频接收机的实验电路图-42 8.2、图 7.1MC3361的引脚功能-42 8.3 调频接收机电路安装与调试-43九、附录-43一、 绪论早在中国的古代就有流传说某些人有特殊的功能:如千里眼、顺风耳等等,现在我们通过自己的智慧在前人的基础上结合自己的创造轻易实现了古人说的神话这就是大名
3、鼎鼎的无线电的发射与接收.无线发射与接收从诞生到现在已有上百年的历史,技术日臻完善,短短一段时间里很多误区禁区都得到了很好的改善,技术的突飞猛进着实让世人惊叹不已!无线电的出现实现了人们用科学创造社会的勇气和决心,为后来人的创造奠定了不可磨灭的基础,无数的科学家为此孜孜不倦的努力和奋斗.由于无线通信技术的高速发展，越来越多的高新无线发射与接收技术陆续问世，但就目前来说很多地方仍然不能满足现在人们对通信的需求,这是个不争的事实,有待于咱们的共同努力.能实现无线接收与发射的系统有多种，如有通过红外线的无线接收与发射系统、有通过电磁波的无线发射与接收系统和通过锁相环的无线接收与发射系统。鉴于锁相环的
4、稳定特性和我 们现在所处的实际情况我们在就采用锁相环来完成这次设计。在数据采集系统中，锁相环是一种非常有用的同步技术，因为通过锁相环，可以使得不同的数据采集板卡共享同一个采样时钟。因此，所有板卡上各自的本地80MHz和20MHz时基的相位都是同步的，从而采样时钟也是同步的。因为每块板卡的采样时钟都是同步的，所以都能严格地在同一时刻进行数据采集。 通过锁相环同步多块板卡的采样时钟所需要的编程技术会根据您所使用的硬件板卡的不同而不同。对于基于PCI总线的产品（M系列数据采集卡，PCI数字化仪等），所有的同步都是通过RTSI总线上的时钟和触发线来实现的；这时，其中一块版板卡会作为主卡并且输出其内部时
5、钟，通过RTSI线，其他从板卡就可以获得这个用于同步的时钟信号，对于基于PXI总线的产品，则通过将所有板卡的时钟于PXI内置的10MHz背板时钟同步来实现锁相环同步的。在物理学中产生调制载波,并将遥感数据调制到发射频段的这部分设备,我们称为发射机.传统方式的发射机由多个部件组成:中频调制器、中频本振源、变频器本振源、上变频器以及必需的滤波器、隔离器等.将所接收到的波进行解调、滤波、整流这部我们称之位接收部分.二、设计任务书 本次设计主要是为了实现如下目的 1、掌握基于锁相环电路调频发射机与接收整机电路的设计与调试方法;2、掌握高频电路的调试中常见故障的分析与排除;3、学会如何将高频单元电路组合
6、起来实现满足工程实际要求的整机电路的设计与调试技术.三、系统的调制设计 2.1系统的方案论证与选择方案一:用红外线做无线接收与发射优点: 1、本身发射任何类型的辐射少; 2、器件功耗小;3、价低廉;缺点: 1、容易受各种热源、光源干扰; 2、易受射频辐射的干扰; 3、被动红外穿透力差,传输距离不远;方案二:用电磁波做无线接收与发射优点: 1、传输的距离远; 2、 3、缺点: 1、发射各种类型的辐射大,对人体的伤害较大; 2、发射功率较大,所花的费用多; 3、方案三:用锁相环做无线接收与发射优点: 1、可以轻松控制多个频道数; 2、接收和发射的频率相对较稳定; 3、缺点: 1、 2、 3、综合上
7、述考虑结合我们自己的实际情况我们采用锁相环做无线的接收与发射.2.2系统的任务分析之原理框图2.3锁相的单元电路设计2.3.1锁相环技术的概论 锁相环（英文名Phase-locked loop 简称PLL）是一种反馈电路，其作用是使得电路上的时钟和某一外部时钟的相位同步。PLL通过比较外部信号的相位和由压控晶振（VCXO）的相位来实现同步的，在比较的过程中，锁相环电路会不断根据外部信号的相位来调整本地晶振的时钟相位，直到两个信号的相位同步。 2.3.2锁相环的构成及工作原理1、锁相环的构成 工程实践中使用的锁相环是各种各样的，但无论多么复杂的锁相环都包含鉴相器（PDPhase Detector
8、）、环路滤波器（LFLoop Filter）以及压控震荡器（VCOVoltage Controlled Oscillator）这三个基本部件。由这三个基本部件组成的锁相环如荼1-1所示，我们称之为基本锁相环。 基本组成框图如下：(图1-1) 图1-1 基本锁相环组成实际使用的锁相环还可能包含有放大器、混频器、分频器、滤波器等部件，但这些部件不影响锁相环的工作原理，可不予考虑。由图1-1可见，锁相环是一个反馈系统（或叫闭环控制系统）。基本锁相环是一个全反馈系统，它的反馈信号uf（t）等于输出信号u0（t）。PD对输入信号ui（t）和反馈信号uf（t）的相位作比较、运算处理，其输出信号可表示为Ud
9、（t）=fe（t）式中的e（t）表示输入信号与反馈信号的相位差，f表示运算关系。LF是一个线形低通网络，用来滤除ud（t）中的高频成分和调整环路参数，它对环路的性能指标有重要影响。LF的输出信号uc（t）被用来控制VCO的频率和相位。常称ud（t）为误差信号，uc（t）为控制信号，它们之间的关系可表示为uc（t）=F（p）ud（t）式中p为微分算子符号，F（p）为LF的传输算子。 VCO是一个电压/频率变换装置，它的频率wv（t）随uc（t）变化，一般可把它们表示为线形关系W v（t）=wo +Kou c（t）式中Ko 为VCO的控制灵敏度，简称为压控灵敏度，单位是rad/（sV）或Hz/Vo
10、 wo为VCO的固有震荡频率，即控制电压为0时的震荡频率。2、闭环控制系统的工作原理 为了说明锁相环的工作原理，我们先简单介绍一下闭环控制系统的工作原理。闭环控制系统的原理框图如图1-2所示。 图 1-2 闭环控制系统 控制系统的目的是使系统的输出量按照预定规律变化，或达到某一预定值。系统的输出量与预定值成对应关系。反馈网络测量输出量并形成反馈量。控制器用来检测输出量与反馈量之间的偏差并产生一个控制信号。在这个控制信号的作用下，控制对象的输出向着预定值变化，最终消除或减小偏差。我们用遥控器对空调器设置某一温度，在空调器的控制板上就形成了一个与这一温度相对应的电信号，这个电信号就是输入量，感温头
11、用来测量环境温度，形成一个反馈电信号。只要反馈电信号和输入电信号不相等，空调就产生冷风（或热风），使房间温度向预定温度方向变化。此温度控制系统中，房间是控制对象，房间温度是输出量，空调器中包括了控制器和反馈网络两个部件。可见，闭环控制系统的工作原理可简单地概括为：检测偏差，产生控制信号，消除或减少偏差。检测偏差，就是用输入量减反馈量。所以此处所说的闭环控制系统是一个负反馈系统。闭环控制系统的指标主要是稳定性、准确性、快速性。比如打开空调器，我们希望房间温度快速、准确地达到设定值，而且不出现周期性的高低温变化。为了使这些指标满足一定要求，往往需要在控制器和控制对象之间串接一个校正网络。这种带有校
12、正网络的闭环控制系统如图1-3所示。(见下页) 图 1-3 有校正网络的闭环控制系统在自动控制理论中，常称输入量为控制量，输出量为被控制量，控制对象的输入信号为控制信号3、锁相环的工作原理 在锁相环中，PD为控制器，VCO是控制对象，LF是校正网络，基本锁相环中反馈网络的传递函数为1。反馈网络传递函数为1的环路称为单位反馈环，它的反馈信号等于输出信号，反馈量等于输出量。在本书中，无特殊说明的锁相环皆是单位反馈环。 鉴相器检测输入信号与反馈信号之间的相位偏差，利用相位偏差产生控制信号，从而减小或消除相位偏差。这就是锁相环的工作原理。 在锁相环中把相位偏差叫相位误差，简称相差。由于偏差是输入量与反
13、馈量之差，所以锁相环的输入量是输入信号 的相位，输出量是输出信号的相位。下面我们在对锁相环的工作原理作一简单的定量分析。为方便分析，设输入为固定频率信号ui(t)=Uisina(i+)环路的输入相位为i+ ，反馈相位为0t+k0u e(t)/p ，环路的瞬时相位误差为e(t)= it+i-0t+k0u e(t)/p对上式两边微分，得de(t) / d t =0- k0u e(t)式上0=i -0 为输入信号频率与VCO固有频率之差，称为环路固有频率。k0u e(t) 表示控制电压是VCO产生的频率变化，称为控制频差。 de(t) / d t 为瞬时频差（可简称频差）。因此，可以得到这三个频差之
14、间的关系为瞬时频差=固有频差-控制频差下面分析一种最简单的锁相环的瞬时相差和瞬时频差的变化规律。在这种环路下中，F（P）=1，ud(t)= kde(t) ，由式（1-1）和式（1-2）得uc(t)= kde(t)将式（1-7）代入（1-6），得de(t) / d t=0- ke(t)式中K=KdK0。解此一阶微分方程，得e(t) =式中第一为零状态响应，第二项为零输入响应， 为起始相差，即式（1-8）的初始状态。1=0由式（1-9）得e(t)=此两式分别表示环路相差和频差的变化规律，变化曲线如图1-4（a）、(b)所示。 图1-4 有起始相差时的相差、频差曲线可见，环路可消除起始相差。为消除起
15、始，控制电压使VCO的频率在一定时间内高于输入信号频率，频差为负值。频差曲线的积分与起始大小相等，符号相反，以抵消起始相差。若起始相差小于零，则相差与频差的符号与图1-4相反。20 e(0)=0由式（1-9）得e(t)=相差和频差的变化曲线如图1-5（a）、(b)所示。 (a) (b) 图1-5 有起始频差是的相差，频差曲线可见，环路可以消除固有频差，但存在一定相差。若环路断开，则输入信号和VCO的信号之间的固有频差无法消除，相差会越来越大。环路闭合后虽不能消除相差，但仍可把相差减小到一定范围之内。这一固定相差是为消除固有频差所必须存在的。频差为零马厩以为着VCO的频率由 变为i ，变化量为
16、，这就需要一个控制电压 /k ，它对应的相差就是/k 。若0 ，则相差、频差的符号与图1-5相反。当LF是一个低通滤波器时，由于环路动态方程是一个二阶或高阶微分方程，在歧视相差或固有频差的作用下，环路相差及频差的变化过程可能比较复杂，但总的变化趋势与上述情况是相同的。总之，当锁相环输入信号的频率固定时，它的输出信号频率可以与输入信号频率相同，即锁相环可以消除频差。但能否消除相差取决于所用LF的形式。若LF的直流增益为无穷大，则可消除相差。因为这时虽然e(t) 与 ud(t) 都等于零，但通过一个直流增益为无穷大的LF，可得到所需要的控制电压/K。 。若LF的直流增益为有限值，则不能消除相差。当
17、然，设计一个锁相环不只是为了得到一个与输入同频的信号，实际的鉴相器输出也不一定与相差成正比关系，这些问题在后面在作详细介绍。3 锁相环的工作状态锁相环的输入信号不同，环路参数不同，起工作状态也不同。本节直接给出不同输入信号下的环路工作状态，而不对这种工作状态作详细的数学分析。在缩相频率合成、锁相调频中输入信号来自晶体震荡器，是一个固有频率信号。在缩相解调中，输入信号来自接受机的前置放大器，是一个调角（调频或调相）信号。3.1输入为固定频率信号有1.1分析可见，当鉴相器输出正比于相差时，不管固有频率多大，环路总可到达频差为零的稳定状态。当然，实际锁相器的输出只是在一定的范围内与相差成线性关系，但
18、分析表明，只有固有频差满足一定条件，锁相环就可以消除频差，达到频差为零、相差为某一常数的稳定状态。我们称这一状态为锁相状态。锁定状态下控制频差等于固有频差，控制电压和误差电压都是直流。uc=w0/K0 ud=w0/K0F(j0)式中F（ j0）表示LF的直流增益。当环路固有频率不满足一定条件时，环路不可能消除频差，只能达到使频差按某一规律变化的稳定状态。这种频差不为零的状态叫失锁状态。失锁状态下uc(t),ud(t)不是直流。环路能锁定的条件是，固有频率小于捕捉带。这一问题我们在1.3再进一步介绍。总之，当输入为固定频率信号时，环路频差为零的稳定状态叫锁定状态，频差不为零的稳定状态叫失锁状态。
19、3.2、输入为调角信号调角信号可表示为式中i为载频，i（t）为基带信号产生的调制相位。与信号一起进入环路的还有噪声，使用锁相环的目的是滤除噪声，提取载波或解调出基带信号，由后续章节的分析知道，欲达此目的，环路鉴相器必须工作在线性范围，这就要求相位误差应小于某一值i（t）0, ud 为上宽、下窄的不对称正弦波，如图1-7所示。且随i 减小，不对称程度增大，i 等于i2 时，ud 突然变为直流；（3） i由 i2向i3 减小时，ud为直流，且随i 减小而减小；（4） i由i3 向 i4增大时，00,ud为上窄、下宽的不对称正弦波，如图1-8所示。且随i 增大，不对称程度增大，i等于i4 时，突然变
20、为直流；（5） 直流ud 的变化范围不会超过交流ud 的变化范围。分析的波形图如下：把上述实验重复做若干次，每次得到的i1、i2、i3、i4值可能不相同，分别对它们作平均处理，得到四个平均值。然后求出两个频差P=H=求出这两个频差值后，再作如下实验。断开K或断开锁相环的电源，在不同的i 下关闭K或接通环路电源。可以发现，只要满足，环路就可以锁定。否则不能锁定。环路锁定后，缓慢变化i ，只要满足，环路就可以保持锁定，且ud随fi增大而增大，随fi减小而减小。 可见，fp是环路能进入锁存状态的最大固有频差，fH是环路能保持锁定状态的最大固有频差。我们称fp为捕捉带（Pull-in Rang或Acq
21、uisition Range）,称fH为同步带（Hold Range）. 捕捉带和同步带也可用角频率wp和wH表示。 当环路的鉴相特性为式（1-18）时，wHwp ，环路失锁时ud(t)为不对称的正弦波。在以后的有关章节中再对此结论作详细分析并给出各种锁相环的wp和wH计算公式。 下面再对捕捉带和同步带这两个重要概念的物理意义作进一步阐述。 任何一个振荡器，由于它的有源器件和振荡回路元器件参数都是随温度、湿度等周围环境及使用时间做缓慢变化的。锁相环路的VCO是一个振荡器，它的固有震荡频率fo也是一个变化范围。输出信号也是由某一振荡器产生的，故fi也是在一定范围内变化的，这样，环路的固有频差就不
22、是一个固定值，而是有一个变化范围，要想使环路接通后能进入锁定状态，必须满足|fo|fp这一条件。环路锁定后，fo也是在不断变化的，要想环路保持锁定状态，必须满足|fo|fH这一条件。 总之，锁相环能够进入锁定状态（简述为环路能够锁定）的条件是 |fo|fp （1-21）或 Fi-fpfifo+fp （1-22）环路能够保持锁定的条件是 |fo|fH （1-23）或 fo-fHfiR2,R3R1,以减小调制信号对VQ的影响。C5与高频扼流圈L2给Vi提供通路，C6起到高频滤波的作用。 变容二极管DC通过CC部分接入振荡回路，有利于提高稳定的主振频率f0，减小调制信号的失真。4.4 缓冲隔离级将振
23、荡级与功放级隔离,以减少功放级对振荡级的影响.因为功放级输出信号较大,工作状态的变化(如谐振阻抗变化)会影响振荡器的频率稳定度,或波形失真或输出电压减少.为减少级间相互影响,通常在中国插入缓冲隔离级.缓冲隔离级常采用射极跟随器电路,如图（3）所示:图（3）调节射极电阻RE2,可以改变射极跟随器输入阻抗.如果忽略晶体管基极体电阻Rbe的影响,则射极输出器的输入电阻Ri = /输出电阻 R0=(RE1+RE2)r0式中, r0很小,所以可将射极输出器的输出电阻等效为一个恒压源.电压放大倍数AV= 一般情况下,gm1,所以图（3）所示射极输出器具有输入阻抗高,输出阻抗低,电压放大倍数近似等于1的特点
24、.晶体管的静态工作点位于交流负载线的中点,一般取VCEQ=VCC/2,ICQ=(3-10)mA.对于图(3)所示电路,若取VCEQ=6V,ICQ=4mA,则RE1+RE2=VEQ/ICQ=1.5K取RE1=1k 电阻,RE2=1K 电位器.RB2=10kRB1=因为功率激励级的输入阻抗为325 k，即射随器的负载电阻RL=325 k，所以可计算出射随器的输入电阻Ri= / 3.6 k输入电压 Vi= 2.1V为减小射极跟随器对前级振荡起的影响,藕合电容C1不能太大,一般为数十皮法;C2为0.022uF左右.4.5 功放激励级为末级功放提供激励功率.如果发射功率不大,且振荡级的输出功率能够满足末
25、级功放的输入要求,则功率激励级可以省去.4.6 末级功放将前级送来的信号进行功率放大,使负载(天线)上获的满足要求的发射功率.如果要求整机效率较高,则应采用丙类功放;若整机效率不高;如50%,故选用丙类功放较好.4.7 增益分配 发射机的输出应具有一定的功率才能将信号放送出去,但是功率增益又不可能集中在末级功放,否则电路性能不稳,容易产生自激.因此要根据发射机各组成部分的作用,适当地,合理地分配功率增益.如果调频振荡器的输出比较稳定,又具有一定的功率,则功率激励级和末级功放级的功率增益可适当小些,否则功率增益主要集中在这两级.缓冲级可以不分配功率增益.设各级增益如图(1)所示4.8 功率激励级
26、与末级功放的电路如图(4)所示.图（4）利用后宽带变压器作耦合回路的功放。常见宽带变压器的用高频磁芯绕制的高频变压器的传输线变压器。宽带功放不需要调谐回路，可在很宽的频率范围内获得放大。但是他的效率是比较的低，一般只有20%左右，它通常是作为发射级的中间级，以提供较大的激励功率。利用选频网络作负载回路的功放称为谐振功放，根据防大器的电流导通角的范围，可以分为甲类，乙类，丙类，丁类等功放，导通角越小它的效率就越高，一般是用丙类作为发射机的末级，以获得较大的功率和提高它的效率。上图就是利用两级功放组成高频功放电路的，其中第一个晶体管和第一个变压器组成宽带功放，第二个晶体管和选频网络组成的是丙类功放
27、。五、芯片的选择5.1 芯片的介绍本次设计我们采用的是TRF4900芯片,下面介绍下该芯片的一些基本的情况.TRF4900芯片是TI公司生产的、单片集成的、低价格的、能提供完全功能的多通道FSK发射器。芯片能满足在欧洲868 MHz频带和北美915 MHz ISM频带的线性(FM)或者数字（FSK）发射应用。单片发射器芯片工作电压2.23.6 V，典型发射功率为7 dBm，并具有低的功率消耗。24位直接数字合成器有11位DAC，合成器有大约230 Hz的通道空间，允许窄带和宽带应用。两个完全可编程工作模式-模式0和模式1，允许非常快地在两个预先编程的设置之间转换（例如发射频率0或者发射频率1）
28、。芯片内集成压控振荡器（VCO）、锁相环（PLL）和基准振荡器，仅需要极少的外部元件即可构成一个完整的发射电路。TRF4900通过串行接口连接到TI MSP430微控制器。发射器的每一个功能块能够通过串行接口编程设置其功能。TRF4900应用电路如图1所示。图 15.2 芯片的串行接口介绍TRF4900通过串行接口连接到TI的MSP430微控制器,如图2所示。图2 与MSP430微控制器的连接图5.3 TRF4900芯片的设置TRF4900芯片的直接数字合成器DDS是基于用数字办法产生正弦波信号的。DDS由累加器、正弦波查找表、数/模转换器、低通滤波器组成。所有数字功能块的时钟由基准振荡器提供
29、。DDS利用一个N位加法器从0到2N计数,根据在频率寄存器中的数据转换规范产生数字阶梯波,来构造一个模拟正弦波。N位计数器的输出寄存器的每一个数字,用来选择正弦波查找表中相应的正弦波数值输出。在数/模转换后,低通滤波器用来抑制不需要的寄生响应。模拟输出信号能用来作为PLL的参考输入信号。PLL电路根据预先确定的系数倍乘基准频率。 基准振荡器的频率fref是DDS的采样频率,同时也确定最高的DDS输出频率,与累加器的位数一起,可以计算DDS的频率分辨率。TRF4900的最小频率步长可由下式计算： 24位的累加器能够通过两个22位的频率设置寄存器编程（A字确定模式0的频率,B字确定模式1的频率）,
30、同时寄存器的两个MSB位设置为0。因此,DDS系统的最大位权减少到1/8,如图4所示。图4 DDS频率和FSK频偏在DDS频率寄存器中的格式这个位权与VCO输出频率（fref/8）N相适应。根据在MODE端的逻辑电平,内部选择逻辑装载DDS-0或者DDS-1频率到频率寄存器。VCO的输出频率fout是由DDS-x频率设置决定的（DSS-0在A字中,DDS-1在B字中）,VCO的输出频率fout计算公式如下：如果选择FSK调制（MM=0,C字,16位）,则8位FSK频偏寄存器能被用来编程2-FSK调制的频偏。频偏寄存器的8位在24位DDS频率寄存器中,LSB设置为0,总的FSK频偏由下式计算：因
31、此,2-FSK频率由在TX-DATA上的电平设置,计算公式如下：这个调频输出信号用来作为PLL电路的基准输入信号。2-FSK调制信道宽度（频偏）和信道间距是软件可编程的。最小信道宽度和最小信道间距取决于RF系统频率设计,中心频率fcenter = (fout1 + fout2)/2。当FSK发射时,中心频率fcenter被认为是有效的载波频率。锁相环由相位检波器（PD）、鉴频器（PD）、充电泵、VCO、外接的回路滤波器和在反馈回路中的可编程的预分频器（N分频器）组成。当使用外部VCO时,x-VCO位将被设置为0。分频器是可编程的,分频系数N能由C字设置成256或512。 功率放大器(PA)能够由在D字中的P0和P1两位编程,提供可变的输出功率电平。 TRF4900的控制字是24位。第1个引入位是最高有效位(MSB),完成对TRF4900的编程;4个24位的字必须设置,即必须设置A、B、C、D字。图5 给出定义的4个控制字。表1、表2和表3描述每个参数的功能,表4为在FSK模式下的发射频率。图5 串行控制字格式六、电路装调与测试整机电路的设计计算顺序一般是从末级单元电路开始,向前逐级进行的.而电路的装调顺序一般从前级单元电路开始,向逐级进
