高频的课程设计报告格式Word文档格式.doc
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一、设计任务与要求
1．设计制作一个2FSK无线收发机，实现数字基带信号的无线传输。
2.载频：
f1=13555kHz、f2=13565kHz。
3.设计一个4位序列信号发生器，作为数字基带信号，传输速率为fs=1kbit/s。
4.通信距离：
³
5m。
二、课题分析与方案选择
2FSK信号波形图如2-1图所示，它是由调制信号去控制载波信号，用载波的频率来传递数字信息，即用所传递的数字消息控制载波的频率。
图2-1 2FSK信号波形图
根据设计要求及相关技术指标，可拟定键控法、模拟调制法等两种方案。
方案一：
键控法
调制器选用图2-2所示方案，采用石英晶体振荡器构成两个不同频率的载波发生器，用模拟双向开关CD4066实现开关1和开关2，最后用集成运放构成加法电路，最终实现2FSK调制。
解调器选用图2-3所示方案，以LC谐振回路实现带通滤波，然后用两个模拟乘法器实现相干解调，最后用集成运放构成抽样判决器，实现2FSK信号的解调。
图2-2 2FSK信号键控法产生原理框图
图2-3 2FSK相干解调法原理框图
方案二：
模拟调制法
采用图2-4、图2-5所示方案实现模拟调制解调，以高频锁相环NE564为主体，辅以适当外围元件即可实现。
若要构成适用的发射器及接收器，只需增加合适的发射功放及接收滤波、解调放大电路即可。
图2-4 2FSK信号模拟调制法产生原理框图
图2-5 2FSK模拟解调法原理框图
对比之下，模拟调制法会更经济实用、可靠，它具有低门限特性，可大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。
而高频模拟锁相环NE564的最高工作频率可达到50MHz，采用+5V单电源供电，很适用于高速数字通信中2FSK、FM调频信号的调制、解调，不需再外接复杂的滤波器。
三、单元电路分析与设计
1．原理分析
1.1.2FSK介绍：
数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。
数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。
2FSK信号便是符号“1”对应于载频f1，而符号“0”对应于载频f2（与f1不同的另一载频）的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间完成的。
其表达式为：
典型波形如下图所示。
由图可见,2FSK信号可以看作两个不同载频的ASK信号的叠加。
因此2FSK信号的时域表达式又可以写成：
z
1.2.2FSK调制原理
2FSK调制就是使用两个不同的频率的载波信号来传输一个二进制信息序列。
可以用二进制“1”来对应于载频f1，而“0”用来对应于另一相载频w2的已调波形，而这个可以用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立的频率源w1、f2进行选择通过。
本次课程设计采用的是前面一种方法。
如下原理图：
2.主要元器件的功能及管脚图介绍
2.1.NE564介绍
高频模拟锁相环NE564是Philips Semiconductors公司（荷兰菲利浦公司的产品，同类国产产品的型号有XD564、L564等。
NE564最高工作频率可达到50MHz，采用+5V单电源供电，特别适用于高速数字中FM调频信号及2FSK移频键控信号的调制、解调，而无需外接复杂的滤波器。
NE564采用双极性工艺，其外部引脚图和内部组成框图分别如图3-1和图3-2所示。
其中，A1为限幅器，可抑制FM调频信号的寄生调幅；
相位比较器（鉴相器）PD的内部含有限幅放大器，以提高对AM调幅信号的抗干扰能力；
外接电容C3、C4组成低通滤波器，用来滤出比较器输出的直流误差电压的纹波；
改变引脚的输2入电流可改变环路增益；
压控振荡器VCO的内部接有固定电阻R（R=100Ω），只需外接一个定时电容Ct就可产生振荡，振荡频率fv与Ct的关系曲线如图3-4所示。
VCO有两个电压输出端，其中VCO01输出TTL电平，VCO02输出ECL电平。
后置鉴相器由单位增益跨导放大器A3和施密特触发器ST组成，其中，A3提供解调FSK信号时的补偿直流电平及用作线性解调FM信号时的后置鉴相滤波器；
ST的回差电压可通过引脚16外接直流电压进行调整，以消除输出信号TTL0的相位抖动。
图3-1 NE564的外部
图3-2 NE564的内部组成框图
由图3-1可知，NE564为双列直插16脚封装，各引脚的功能如表3-1所示。
表3-1 NE564引脚的功能
引脚
编号
英文缩写
引脚功能
1
V+1
VCC，接+5V
9
VCO01
VCO输出1，TTL电平
2
LGC
环路增益控制端，电流约为200uA
10
V+2
3
PC1
鉴相器输入端，来自分频器，占空比50%
11
VCO02
VCO输出2，ECL电平
4
LF
环路滤波引出端
12
FC1
振荡频率设置电容引出端
5
13
6
RF1
信号输入端，占空比50%
14
AN0
模拟输出端（用于调解输出）
7
BF
偏置滤波输入端
15
HYS
延迟设置端
（设置门限值）
8
GND
地端
16
TTL0
TTL电平输出端（调解输出）
2.2.CD4016介绍
CD4016为4个独立的双向模拟开关，控制输入端在输入高电平时模拟开关导通，低电平时截止。
输入输出为双向，即可以由IN/OUT到OUT/IN，也可以反过来，此芯片广泛用于信号开关，削波，调制解调电路中。
其引脚排列如3-3图所示。
图3-3 CD4016外部引脚图
2.3.锁相环的基本工作原理
锁相环路的系统框图如图3-4所示，由鉴相器PD（PhaseDetector）、环路滤波器LF（LoopFilter）和压控振荡器VCO组成的，其中LF为低通滤波器。
图3-4 锁相环的基本组成框图
各部分功能如下：
1）鉴相器PD：
鉴相器是一个相位比较器，完成对输入信号相位与VCO输出信号相位进行比较，得误差相位φe（t）=φi（t）-φo（t）。
2）环路滤波器LF：
环路滤波器（LF）是一个低通滤波器（LPF），其作用是把鉴相器输出电压ud（t）中的高频分量及干扰杂波抑制掉，得到纯正的控制信号电压uC（t）。
3）压控振荡器VCO：
压控振荡器是一种电压-频率变换器，它的瞬时振荡频率ωo（t）是用控制电压uC（t）控制振荡器得到，即用uC（t）控制VCO的振荡频率，使ωi与ωo的相位不断减小，最后保持在某一预期值。
当锁相环路处于“失锁”状态时，ui（t）和uo（t）进行相位比较，由PD输出一个与相位差成正比的误差电压ud（t）。
ud（t）经LF滤波，取出其中缓慢变化的直流或低频电压分量uC（t）作为控制电压。
显然，uC（t）也将随着相位差的变动作相应变化。
uC（t）加到VCO上，从而控制VCO的振荡频率，使ωo不断改变，ui（t）和uo（t）的相位差不断减小，直至锁相环路进入“锁定”状态。
3.电路设计计算
3.1.2FSK调制电路设计
利用锁相环VCO输出信号频率随输入信号大小而变化的特点，可将待传输调制信码直接送入NE564的VCO输入端，从而可以实现2FSK调制。
图3-5是NE564构成的2FSK调制器电路。
调制信码从双态信号控制CD4016模拟开关13脚输入，NE564的6脚电压在5V与1.42V之间转换（即5V×
[R6/（R5+R6）]=1.42V），经缓冲放大器A1及相位比较器PD中的放大器放大后，直接控制VCO的输出频率。
因此，9脚输出的是2FSK信号。
图3-5 NE564构成的2FSK调制电路
PD输出端不再接滤波电容，而是接电位器RP1，用于调整环路增益并可细调压控振荡器的固有频率fv，fv与Ct的关系如下图所示。
图3-6 fv与Ct的关系曲线
C1是输入耦合电容，R1、C2组成差分放大器A1的输入偏置电路滤波器，可滤除调制信码中的杂波。
R2（包含电位器RP2）对引脚2提供输入电流I2，可控制环路增益和VCO锁定范围，R2与电流I2的关系可表示为：
（3-1）
I2一般为200uA。
调整时，可先设置I2的初值位100uA，待环路锁定后再调节电位器RP2使环路增益和压控振荡器的锁定范围达到最佳值。
R3是压控振荡器输出端必须接的上拉电阻，一般为几千欧姆，这里取2KΩ。
R4是VCO输出ECL电平和鉴相器输入端之间的限流电阻，可取值3KΩ。
压控振荡器的固有振荡频率可表示为：
（3-2）
若已调2FSK信号中心频率fv=5MHz，则Ct=90pF（可取标称值82pF与8.2pF可调电容并联构成）。
若调制信码的波特率为500kBaud，则9脚输出2FSK信号频率范围为fo=5±
1MHz。
3.2.2FSK解调器电路设计
NE564构成的2FSK解调器电路如图3-6所示。
已知输入信号vi的频率fi=5±
1MHz，调制信码（由“0”、“1”组成的方波）的频率fo=500kHz。
已调制信号直接送入NE564的VCO输入端，与压控振荡器输出的5MHz（9脚输出）进行相位比较，输出信号经环路滤波后由A2放大，从16脚输出解调后的方波（TTL电平）。
电阻R6和电位器RP2用于调整施密特触发器的回差电压，可改善输出方波的波形。
R7为上拉电阻，增加R7的值亦可改善输出波形。
图3-7 NE564构成的2FSK解调电路
由于输入信号的频率fi=5±
1MHz，解调时必须使压控振荡器工作在4~6MHz并保证NE564锁定，此时16脚输出才为高电平“1”；
超出此范围失锁，则16脚输出为低电平“0”。
因此，压控振荡器的固有振荡频率fv和捕捉带Δfv必须十分准确。
由已知条件可得：
压控振荡器的固有振荡频率fv=5MHz，Δfv=fimax-fimin=2.0MHz。
由式（3-2）得Ct=90pF，可取标称值82pF与8.2pF可调电容并联，以便精确调整固有振荡频率，使fv=5MHz。
外接电容C3、C4与内部两个对应电阻（阻值R=1.3KΩ）分别组成一阶低通滤波器，其截止角频率可用下式描述：
（3－3）
滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定影响，由于本例输出信号频率较高，低通滤波器的截止角频率也要相应提高，计算可取C3=C4=300pF。
制作实物电路时可通过观测4脚和5脚的输出波形调整电容的值，使输出波形更为清晰。
电容C6的作用事滤除内部单位增益跨导放大器A3输出的补偿直流电压中的交流成分，因此，对C6的耐压有一定要求，通常取耐压大于电源电压的电解电容，这里取C6=10uF/8V。
C7和C8为电源滤波电容，一般取0.2uF。
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图
（1）、根据上述的原理，利用画图软件画出的2FSK调制的原理图如下：
PCB图如下：
根据上述的原理，利用画图软件画出的2FSK解调的原理图如下：
2．元件清单：
（如下表格所示）
型号
数量
CD4016
1个
0.47uF
82PF
2个
NE564
可变电容8.2PF
0.1uF
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