（微电子学与固体电子学专业论文）多通道地震波无线检测系统的设计.pdf

摘要 介绍一种应用于工程爆破地震效应检测系统的设计及实现，采用 连续可变斜率增量调制、移频键控、频分复用、微波传输、时分复用、 单片机控制、锁相环、数字信号处理等技术，详述了它们工作原理及 在本系统中的应用。经调试，完全达到自动性、连续性、实时性、经 济性、实用性、方便性、精确性检测的目的，该系统有广阔的应用前 景和市场。 关键词：检测、连续可变斜率增量调制、移频键控、频分复用、微 波传输、时分复用? 单片机、锁相环y 数字信号处理 ， a b s t r a c t d e s i g n a n dr e a l i z a t i o no f s y s t e m f o r c h e c k i n g a n d m e a s u r i n g g r o u n d v i b r a t i o ne f f e c ti ne n g i n e e r i n gb l a s t i n gi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r l o t so f t e c h n o l o g ya r ea d o p t e d ，s u c h a sc o n t i n u o u s l yv a r i a b l es l o p ed e l t a m o d u l a t i o n ，仔e q u e n c e s h i f t k e y i n g ，行e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ， m i c r o w a v et r a n s m i t t i n g ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，p h a s e - l o c k e dl o o p s i n g l e c h i pc o m p u t e rc o n t r o l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g e t c t h e i rw o r k p r i n c i p l e a n d a p p l i c a t i o n i nt h i s p a p e r a r ed e s c r i b e di n d e t a i l b y d e b u g g i n g ，t h es y s t e mc o m p l e t e l yr e a c ht h eg o a l s u c ha s a u t o m a t i o n ， c o n t i n u a n c e ，r e a l t i m e ，e c o n o m i z a t i o n ，p r a c t i c a b i l i t y , c o n v e n e i e n c e ， p r e c i s i o ne t c t h es y s t e mh a se x p a n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dm a r k e d i nt h ef u r t u r e k e yw o r d s ：c h e c k i n g a n d m e a s u r i n g 、c v s d 、f s k 、f d m 、m i c r o w a v e t r a n s m i t t i n g 、t d m 、s i n g l e c h i pc o m p u t e r 、p l l 、d s p 兰望遒些垦鲨垄些堡型墨竺堕墼! ! 第一章绪论 1 1 国内工程爆破现状 通过炸药爆炸产生的能量做功而达到一定目的的工程爆破，是个集炸药 爆轰的控制、介质获得爆炸能量的动力性质和断裂特性、爆破效果的预测与分 析等所组成的复杂过程。我国工程爆破界于1 9 7 8 年在云南昆明召开第一界土岩 爆破界学术交流会，至今已近2 0 年了。随着改革开放的日益深入，工程爆破技 术也相应得到长足的发展，理论研究及各类工程实践等都取得了丰硕的成果。 在工程与科研的总体性、可靠性、精确性等方面，其领域更广泛且更结合工程 实际，促进了科研技术的发展，取得了一系列的研究成果。并在工程实践应用 中解决了许多的技术难题，且有所突破，取得了显著的经济和社会效应。但随 着国内外爆破科研技术的不断发展，应在完善和提高理论研究水平基础上，注 重工程实际应用，满足社会发展的需要。 理论研究：目前，从国内爆破理论研究的发展趋势看，已在9 0 年代有了较 大的突破，从早期的炸药量与介质破碎体积成正比，克服重力和摩擦力的破坏 假说，到中期的爆炸气体膨胀压破碎理论，以及现在的岩石动力学，结构力学， 爆炸应力波与裂纹相互作用机理等，使爆破理论研究进入了一个更高更新的发 展阶段。 工程实践现状：在现阶段，工程爆破的应用领域，技术水平，规模和设备 等方面，均较过去有了较大的突破与发展。控制爆破正朝着“高”，“大”，“难”， “快”的方向发展，并已取得不少成功的经验。如北京军区司令部工程科研设 计所，对北京琉璃河水泥厂总建筑面积为1 1 6 3 3 m 2 的建筑群的爆破拆除。 由于工程爆破的研究和实践存在条件和对象的多样化，复杂化，其理论研究 与实际应用尚有较大的差距，加强理论与工程实际相结合仍是国内爆破界的当 务之急，以理论研究指导实践，克服经验主义，首先应加强爆破基础理论研究， 探索和解决与实践有关的爆破作用机理问题。 多通道地震波无线柃测系统的设计 1 2 国内外爆破地震监测系统的发展简况 爆破是一项危险且艰苦的事业，工程爆破更是一种实用性和综合性较强的 系统工程。爆破震动的破坏作用是爆破公害中最重要的问题之一。在爆区一定 范围之内，当爆破引起的震动达到一定强度时，就会造成各种破坏现象，如建 筑物的震裂、边坡的滑塌等，给社会带来生命与财产的重大损失，所以对爆破 震动的研究一直是人们所关注的重要课题。其中爆破地震危害重要因素一般包 括震动强度、震动频率、震动持续时间等。目前国内外有的对爆破震动强度采 用震动加速度，而冶金、煤炭、铁路和水利部门多采用震动速度作为衡量爆破 震动强度的标志。 开发性能优越、自动触发、连续监测、投资小、便携、高效、实时分析， 适合各种环境的测震分析系统，用它来分析爆破震动效应各种因素，总结施工 爆破强度的分布规律，为爆破优化设计和爆破震动控制提供依据。减小爆破危 害，提高爆破的研究和施工技术水平及工程质量非常必要。 从高空爆破到水下除障，从移山填海到微测技术等，在我国基本形成了自 己的观测系统和手段，主要仪器已经现场运用，到目前为止爆破监测技术已取 得了很大进步。首先测试仪器方面取得较大的突破，研制出轻便、灵活、操作 简单、测试数据精确的仪器，如t d e c 四川拓普数字设备有限公司的t o p 动态 测试产品，t o p b o x 5 0 8 s 振动自记仪。此外，在数据处理软件上也有了进步， 将测试数据精确分析提高到更高的水平，如重庆大学的虚拟测试仪， t o p v i e w 2 0 虚拟仪器软件。国外i n s t a n t e l 公司的b l a s t m a t es e r i e s 等。 1 3 三类测震系统的比较及新发展的测震系统 目前测震仪器比较多，已经和正在使用的仪器按其记录仪不同，分为三类， 光学示波器，磁记录和数字式。 光学示波器测震系统是老式系统，采用光学示波器记录震动波形，波形记 录在感光纸或胶卷上，缺点是不能用微机对波形进行分析，要用2 2 0 v 交流电， 2 至望塑些壁丝垄垡丝型墨堕竺丝! 一 且各测点的信号都要用电缆接到测震仪上，成本高，又极不方便，现已基本淘 汰。 。 磁记录方式比光学示波器方式前进了一大步，它可用于野外记录，在室内 可向光学记录回放震动波形也可将回放信号经a d 转换，再经专门数据分析 仪或计算机分析处理，但价格较贵，体积庞大，线路过长，且波形模拟量须经 数字化后才能输入计算机分析等缺点。 数字式比磁记录方式又前进一大步，它使用干电池供电，能够分散测量， 便于露天矿野外测试，记录了数字化波形不必做任何转换，就可供计算机分析， 只需用专门软件，一般计算机就可进行波形频谱分析，所以这种系统是代表发 展方向的是先进的。 从目前来看，有代表性的测震系统有t o p b o x 爆破自记仪，自记式爆破震 动测量分析系统，y b j 系列爆破震动白记系统，d s v m 系列测震仪及z c f 一1 6 低频地震参数采集分析系统，显然在爆破地震测试中，最好采用数字式系统。 1 4 系统提出的意义及主要工作 鉴于现有的测震系统普通存在抗干扰能力差，信噪比低、系统误差较大， 所记录的数据不利于后期量化处理，以及价格较贵，体积较大且不能实时检测 等缺点，本系统针对上述不足之处而设计的基于数字微波通信技术的检测手段， 采用自动采集数据、连续增量编码、移频键控、数字微波传输、频分复用、单 片机控制、锁相解调、数字信号处理等技术，实现检测信号远距离无线传送， 通过专门软件进行数据处理，使系统达到自动性、连续性、实时性、经济性、 实用性、方便性、精确性等检测的目的。其性能能满足工程需要，该系统转变 成产品可应用于公路、铁道、隧道、采矿、桥梁、水利水电工程和国防科研等。 如建筑物爆破拆除，部件倒塌拆除，机械振动监测，施工振动监测，地震发生 现场余震的监测，水下爆破监测，爆破、辐射、腐蚀等危险测量环境，野外需 要方便检测仪的场合，远离供电电源的测量环境，高速运动的物体中，现场测 3 兰塑堕些墨垫垄垡丝型墨竺塑堂! 试点多且分散的场合。 本文做了如下工作： l 对市场进行了调查，确定了本课题。 2 从现有成熟技术出发，对方案进行了全面的论证。 3 通过在深圳银波达通信技术公司的调试实验，本系统的编码、调制、 发射、接收、解调等电路，得到了实现。 4 制作了p c b 版图。 5 对整个系统进行了验证，基本上达到了设计要求。 由于发送部分、接收电路、解调电路的设计和调试工作量非常大，故 数据存储和计算机软件解码只进行了理论上的设计。 多通道地震波尢线榆测系统的世汁 第二章系统的结构及工作原理 本系统要求信号波特率低、高抗干扰性、高可靠性和稳定性，同时要达到 实时性、经济性、实用性、方便性、精确性等检测目的。 本系统采用模块设计方法，分为8 个部分，如图1 、图2 所示，其中共有8 个相同发送部分( 即8 个不同的通道) 。 图1 信号发送部分 具有良好放大和低通滤波特性的采集电路把来自震动区域的模拟量变为 电信号，然后经编码电路转换成数字信号，再经f s k 调制，最后经功放发射出 去。 采集电路：必须有良好的低通滤波，高共模抑制比、高精度、低漂移、低 噪声等特性。本系统采用r c 与运放l m 3 5 8 构成二阶无限增益多路反馈有源低 通滤波电路。 编码电路：要求编解码简单、抗误码性性能好、在比特率较低时有较高信 噪比。通过比较p c m 、a m ，采用c v s dm c 3 4 1 8 实现编码。 调制电路：要求抗干扰能力强、传输的平均差错率小、电路实现较简单、 传输信噪比要高。通过比较p s k 、a s k ，以及技术可实现性，f s k 能满足该系 统的要求。 发射电路：本系统要求成本低，体积小等因素，以及兼顾选择功放器件原 则。因此采用低噪声高增益的单片微波集成电路和高频晶体管a 0 8 、m r f 5 8 1 。 、匕墅卜趣回腿 图2 信号接收部分 柬自8 个不同检测点的信号进入接收模块，由单片机控制本振频率来选择 5 兰望堕些壁鲨垄垡堡型墨笙塑坠生 不同通道，达到分时复用的目的。接收模块输出的中频信号经锁相解调转换为 串行数字信号，然后存入由单片机控制的存储器，最后由微机进行分析。 接收模块：从发送f s k 信号形式，差错率与输入信噪比关系，技术可实 现性，设备成本，以及可靠性、稳定性、抗干扰性来看，采用变频超外差式接 收。同时采用快速锁相技术实现信道分时复用。 解调：利用锁相环有两个突出的特性( 窄带滤波特性和宽带跟踪特性) ，采 用锁相环n e 5 6 4 实现解调。 存储：数据的存储由单片机控制进行存储。 数字信号处理：利用重庆大学虚拟测试软件，微机把来自存储器的信号进行 时域分析，频域分析，细化分析，解调分析，自相关分析，三维谱阵分析等。 多通道地震波无线检测系统的设计 第三章采集电路 3 1 引言 众所周知，在许多野外信号检测中，传感器工作环境往往很恶劣，在传感 ： 器的输入端经常引起较大干扰信号( 串模、共模及高频干扰) ，因而要求采集电 路必须有良好的低通滤波，高共模抑制比、高精度、低漂移、低噪声等特性。 3 2 硬件结构框图 图3 硬件结构框图 由图3 可知，电路由传感器，放大电路，低通滤波电路几部分组成。当 有被测物理量时，传感器的输出电信号将不为零，电信号送到放大器进行放大， 经滤波后送到后续电路处理。 3 3 硬件工作原理 图4 为一片l m 3 5 8 采集电路原理图。 图4 电路原理图 3 3 1 传感器 选择i n s t a n t e l 提供的传感器如标准三向振动传感器( 测量竖直、横向、 一 兰望堕些墨堕垄垡堡型墨竺堕堡生 纵向的振动，频响范围2 3 0 0 h z ，振动范围2 5 4 m r n s ) ，4 5 h z 单向地震检波器 ( 适用于通用宽范围振动测量，频响范围5 3 0 0 h z ，振动范围2 5 4 m s ) 3 3 2 放大电路 l 设计思路 a 为保证传感器输出信号的线性变化，采用具有高输入阻抗的运算放大器。 b 采用交流耦合，使直流失调量的影响不会成为输出中的误差分量。 c 电压增益取决于反馈网络，且可方便地进行调节。 2 工作电。路如图5 对交流信号 由式得 图5 工作电路图 v 。= = 矿v = ，= 一吒= 0 即r ：的视在值趋于无穷大，从而提高了输入阻抗r 。 闭环增益 爿、，= v o = l4 可r 面4 3 3 3 低通滤波器设计 ， 设计思路 a 采用高增益，高输入阻抗和低输出阻抗等特点的运放与r c 8 多通道地震波无线检测系统的改汁 元件构成的有源滤波器( 无损耗，成本低，而且前后级滤波 器易祸合，比一般r c 滤波器有更好的滤波特性) b 为保证通带平坦，选取o = o 7 0 7 c 采用二阶无限增益多路反馈低通滤波器 d 实测表明爆破地震波频率与距离和药量有关，爆破震动的主频率( 最 大振幅所应的频率) 范围一般在o 5 2 0 0 h z 。 故取滤波器截止频率为3 0 0 h z 工作电路如下图 r 2 v i v + o u t b i n b + i n b 图6 滤波器电路图图7l m 3 5 8 引脚功能 爿v 一鲁，小下若蕊 。： 型! ! ：鱼：丝 ( r 1 + r ! + r 1 + r + r 2 + r 3 ) c 2 取c 2 ：0 1 u f ， 则有c i = o 4 7 u f ，r = 2 5 kq 故r i = r 2 = r 3 = 2 5 kq ，c i = o 4 7 肛f ，c 2 = 0 1 f 电路调试及滤波特性曲线如图8 9 簪嗉 1 | ， q 眩 一r t 一q 口 一q 得 l = 可 i 一 = 2 ) 飓 亿 捌 l 阳 武 一一一 观 r 虬 0 设 则 因 多通道地震波无线检测系统的啦汁 0 - 3 2 k * 3 0 0l g 图8滤波特性曲线图 3 4 调试及性能评价 该电路应用在多通道地震波信号无线检测系统中的幅一相频特性 ( f c = 3 0 0 h z ) ，经测试幅频特性在通带内幅度起伏为o 4 d b ，滤波器阻带衰减为 5 4 d b 。 & _ 图9 幅频特性图l o相频特性 本电路做为数据采集电路，专为检测微弱信号设计，能满足本系统要求。 多通道地震波无线榆测系统的砹汁 第四章编码电路 4 1 引言 现代通信技术的发展日新月异，而且正迅速向各个领域渗透，就目前来 况，数字通信以其抗干扰能力强，便于加密，易于集成化，有利于处理、存储、 交换及和计算机连接等优点，成为当代通信系统的主流。而现有的地震波信号 检测系统普遍存在抗干扰能力差、信噪比低、系统误差大、所记录的数据不利 于后期量化处理，又考虑到本系统工作环境的地理条件复杂，爆破现场干扰， 同时进行多路检测。本电路基于上述情况，运用c v s dm c 3 4 1 8 组成一种数字 传输电路，效果很好。 4 2p c m 、x m 及c v s d 的介绍 p c m ( 脉冲编码调制) 分为抽样( 把时间上连续的模拟信号转换成时间上 离散的抽样信号) ，量化( 把幅度上连续的模拟信号转换成幅度上离散的量化信 号) ，编码( 把时间离散和幅度离散的量化信号用个二进制码组表示) 。在光 纤通信，数字微波通信，卫星通信中获得了极为广泛应用。 如何在相同质量指标的条件下，降低模拟信号数字化的数码率，以提高数 字通信系统的频带利用率。人们一直在研究这项工作。大量统计结果是，在大 多数时间内信号本身的功率比差值功率要大得多，如果只传送这些差值来代替 信号，那么码组所需的位数就可显著减小。 当取样速率远大于奈奎斯特速率时，样值之间的关联程度增强，仅使用一 位编码表示抽样u , q l a j 波形的变化趋向，即当前时刻样值与预测值比较经量化后， 如差值为正，输出为”l ”码；差值为负，输出为”0 ”码。这种模数变换方式称为增量 调制( m ) 。与p c m 相比：编解码简单、抗误码性性能好、在比特率较低时 有较高信噪比。 功能框图如图1 1 兰望堕些重堡垄垡丝型墨竺塑丝生 模等醚釉氍击蹲 ! 旆丽咩 发送端预测嚣l - 生_ = = = 匡! ! ! i j 苴d ! ! ， 便拟信 m o ( 。c ) 接收端 信 耳二二j 品吾二匠菲j 叮面而两弓p 高。) 删器i = = 簟剿一 图1 1 功能框图 在工程实现时，除把取样器放在相减器之后，还用r c 积分器代替相加器 和蔼比特时延电路，使电路进一步简化，当m 。( ，) 加到r c 积分器输入端时，输 出预测信号赢t ) 。 觚仁盟坐 t 胁小) = 胤 发送端输入样值m ( 仉) 与预测值越i l j 相减 即p ( f r ) = r e ( i t , ) 一金t i l ) 由式代式得 州= 半一学 可见m ，巾) 确实带有模拟信号m ( t ) 的斜率信号增量信息。 为改进简单m 动态范围满足通信系统要求( 4 0 d b - - 5 0 d b ) ，采用自适应 方法使量阶的大小跟踪输入信号统计特性而变化。 语音信号为非平稳信号，其动态范围约为4 0 d b 左右。对于增量( m ) 调制 系统来浣，非平稳性说明被编码信号f ( t ) 的斜率是在时刻变化着的，这就给 m 系统的编码带来了较大困难：当量阶( 量化级) 为固定值，且较少时， 虽然对小信号和空闲时的量化误差较有利，但跟踪那些幅度较大、频率较高信 兰望堕些壁鎏垄丝堡型墨堕堕生生 号的能力较差。因为固定量阶的m 系统，最大能跟踪的信号斜率为，当 信号的斜率大于时，将产生较大的预测误差而带来较大的失真。然而，当固 定量阶较大时，能够跟踪信号的能力强了，可给小信号和空闲道带来的噪声 2 也增大了，例如对于空闲信道，信号的功率为零，而n 。= 睾( n 。为量化噪声 j 功率) ，增大，。也增大。综合上述，改变m 系统特性的唯一途径，便是 使量阶随信号f f t ) 的斜率而变。也就是改变预测系统的斜率，这种调制编码 方式称连续可变斜率增量调制( c v s d ) 。m c 3 4 1 8 就是这样一种芯片。 连续可变斜称增量调制系统的原理方框如图1 2 所示： d 图1 2 ( a ) 发送端 ， 。、 。l ! ! z ! i i ! 竺坚 n )f _ | 自适应量阶控告f 卜一 图1 2 ( b ) 接收端 在图1 2 中，关键的部件是自适应量阶控制。它输出的电流，。在d ( n ) 的 控制下产生，。( d ( n ) 2 1 为，。，d ( n ) = 一l 为一，。) ，然后送入积分器积分以 产生下次的预侧值f 一( t ) 。这样，量阶能否跟综f ( t ) 的信息就可以从d ( n ) 中得到。当连续4 个数字码( 或3 个) 均为4 - l 时，说明现在的量阶( 就 t 3 多通道地震波无线检测系统的改计 是信号f i t ) 斜率) 太小，应适当增加。当第5 个码元仍为“1 ”时，说明增量太 小了，应再增加。使第6 次的预测值以斜率+ q h 变化。若连续出现4 个( 或3 个) 连“- l ”，则说明原有的太大，量阶控制应使积分器输出以( + q h ) 的斜 率下降( 因为d ( n ) 为负值，使，。改变方向，积分器反向积分) 。接收端通过 与发端互逆的极性变换和积分处理得其预测值f 一( t ) ，经重建低通恢复出 f ( t ) ，f “( t ) 和f ( t ) 之间存在量化误差。 按上述的自适应量阶控制电路，已经商品化的单片集成型电路m c 3 4 1 8 ， 它完成量阶控制的电路框图如图1 3 ： 到枳分电路 图1 3自适应量阶控制电路原理图 逻辑控制电路实际上是由移位寄存器( 4 级) 和组合电路构成，d ( n ) 连续出现4 个连”+ l ”( 或4 个连“- 1 ”) 时，寄存器计满数并在1 点输出高电 平，使t 1 导通，等电源通过c r s t 1 一地的路径向c 充电，电容电压为 u c o 因运放处于深度负反 贵，3 和4 两点的电位相射1 2 万u c = ( 警+ 2 + ，：= 惫+ 丢丢+ i 2 * u ( 运放的输入电流为。，流入t 2 的集电极) 。 由于t 2 和t 3 组成的是镜像电流源，所以l = 4 ：= ，。在d ( n ) 的控制下， 极性控制电路输出，。l 或者，。2 ，例如d ( n ) + 1 时，“s 2 = l ，。l ，而，。 = 0 。 兰望堕些壁鲨垄垡丝型墨堑堕竺生 d ( n ) = 一【时，。i = i ，hi ，而，2 = o 。d ( n ) = + lh n ) 0 n f 一( t ) ，d ( n ) 一l 为减少f 一( t ) 。 这里注意到：t 1 导通时电容c 的充电时间常数为r ，+ c ，t 2 截止时电容c 的放电时间常数为( r 。+ r 。) + c ，充电时间常数小于放电时间常数。当长时i 甸 处于放电状态时( 不出现4 连同极性码) ，u c 最后为0 ，i g = ，：为最小的，。值， 这时对应的量阶值。之所以设计充电时间常数小于放电时间常数，是为了适应 变化较为缓慢的语音信号，以加强预测的能力，当出现t l 导通情况，已经有 连续4 次小于( 或大于) f ( t ) 斜率的情况时，为了能使迅速跟踪f ( t ) ，要求 快地增加( 或减少) 。这时兰 给c 充电使，。迅速增加，一旦有“一1 ”数码出 现，则说明增加后( 实时) 的已大于f ( t ) 不可能t s 的时间内有较大的变化， 因此不能下降得太多。 在适应量阶控制时，的变化情况如图1 4 所示： 在t - o 时，f 一( t ) = 0 ，d ( 1 ) = l 。此后f 一( t ) 按。的斜率增大，在t = 3 t s 时自适应量阶控制电路收到4 t s 时总将成为( 。+ q h ) ，其中q h 为充电时每t s 的量化级增量。到t = 6 t s 时，量阶增加了3q h ，此时出现第个“1 ”。t i 截 止，c 放电，放电的速度为每t s 时间使量阶减少q 1 当t = 9 t s 时，逻辑控制电 路计满4 个“1 ”，t i 重新导通，使娑给电容c 充电，量阶开始增加，但 d ( 1 0 ) = ”- 1 ”，所以斜率仍是原来的负值，其值为( 。+ 4 q h 3 q 1 ) ，到t = 1 0 t s 时， d ( 1 1 ) 2 ”+ 1 ”，t 1 截止，斜率变为+ ( a o + 4 q h 一4 q 1 ) 。 兰望垩些墨鲨垄垡箜型墨竺堕丝生一 n 值 1 23 456 t i + 1 + 1 + l + i + l + 1 + 1 + 1 nf n l 1 一l 一1 一l 图1 4 的变化图 4 3m c 3 4 1 8 的介绍及工作原理 4 3 】m c 3 4 1 8 的介绍 m c 3 4 1 8 是m o t o r o l a 公司生产的一种简单数字语言编码解码集成芯 片。它有两种工作状态，当引脚1 5 处于“1 ”电平时，完成编码功能；处于“o ” 电平时，实现解码功能。它的引脚功能如图1 5 。主要性能参数 工作电压一o 4 - - + 1 8 v ；工作温度0 v 一7 0 ；差分模拟输入电压5 v 。 i 根拟输入) 一 2 根拟反馈) 1 5 隅码懈码) 1 3 ( 数字输入 1 2 ( 数字门限 1 0 c c 门) 5 匿准输入) 7 濮拟输出) 6 憾波器输入) 8 ( g e e ) 一 图1 5m c 3 4 1 8 引脚功能框图 兰望堕些壁鲨垄垄丝型墨竺堕丝生 4 3 2m c 3 4 1 8 的工作原理 1 编码原理图 图1 6编码原理图 nn 几r r 厂 图1 7编码波形 2 解码原理：原理如图1 8 。m c 3 4 1 8 的解码也可由单片机或计算机处理。考 虑到信号速率和简单性，故不采用单片机，而采用计算机软件处理。 f c l k + 图1 8解码原理 4 3 参数的设计及注意事项 43 1 参数的没计 l 积分滤波器的选择 用r c 构成单极点积分网络f = - 1 2 nr c r 典型值在8 k 1 3 kq 之间，因 输入信号是地震波频率最高为5 0 0 h z ，0 d b m ，0 电平的地震波，实际上有用的 动态范围在设计电平以上扩大6 d b ，在任何系统中，压缩扩展比不大于3 0 故 1 7 多通道地震波无线榆测系统的吐汁 本电路中取r = lo k q ，c = o 2uf 。 2 音节滤波器传输函数的设计 它是音节滤波电压返回i c 之处，可控制积分器步长的大小由r s 和c s 构成单极点网络，时间常数典型值为6o - - 5 0 m s ，充电常数为r s c s ，衰减常数 为( r s + r p ) c s ，要求r p r s ，本电路选择r s = 1 8 kq ，r p = 3 3 k q ，c s = o 3 3uf 3 环路增益的选择 电路增益由r x 决定，依赖于输入信号的最大电平v i 和频率f s ，以及积分 滤波器传输函数( r ，c ) ，并要求压缩扩展比不超过3 0 ，应满足 r ，= i v _ 旦垄l 本电路选v c c = 5 v ，v i = 1 5 v ，f s = 3 0 0 h z 。则r x = 1 k q 2 r o + 8 c + + f v r e x 4 最小步长选择 没有输入信号时，数字输出变成l 和0 交替图型，模拟输出变成- d , 的三 角形，此时内部的电流失配和失调限制了将产生理想的空闲信道图型的最小 步长为设置空闲信道步长，必须选择r m i n 没有输入信号时，斜率算法是无 效的，长系例l 和o 不会发生，因此音节滤波器电( c s ) 两端的电压减退到零 然而，r s 和r m i n 分压器设定了音节滤波器电两端的最小允许此电压必须在 模拟电压输出端产生所需的斜坡，需满足r m i n r s v c c ( c s x f c l k x v o x r x ) 一1 ，v o 是空闲输出期望峰一峰值。本电路选择r e k = s k h z ， v o = 2 0 m v 则r m i n = 2 7 1 mq 注意事项： l 所有数字信号通路( 9 ，1 l ，1 3 ，1 4 ) 与模拟信号通路( 卜7 ，1 0 ) 隔开， 以利于得到完全空闲信道。 2 因时钟速率取决于输入信号带宽( 本电路为5 0 0 h z ) 时钟速率越大，s n 越高。 又鉴于电路用于无线电系统且m c 3 4 1 8 为4 比特系统，故耿f c k = 5 k h z 。 3 引脚1 1 是n p n 器件，故需接上拉电阻。 兰塑垩丝壁鎏垄些堕型墨竺塑壁生一 4 为避免空载失真( 当m ( t ) 为零或变化很慢时，输出码流肌。( r ) 是一个0 埽口 “1 ”电平交替的方波，在接收端这个信码通过解码和低通滤波后，输出为 “0 ”，因而产生严重失真) ，过载失真( 当r e ( t ) 变化的斜率太大时，预测值 将跟踪不上信号的变化，使差值信号e ( t ) 明显增大，出现斜率过载) ，必须 满足6 2 a 6 f c i k 2 f s ，a 为输入模拟信号幅度，6 为输出数字信 号幅度，f c l k 、f s 分别为时钟和信号频率。 4 4 i应用电路 a i n 1k 0 。1 拙 口0 2 2 u f 6 0 0 1 0 k l0 k 4 4 调试及波形分析 m c 3 4 1 8 iz i0 5 己 7 1d 11 3 d 16 d o u t f c l r d k3 3 k鎏 r s _ l o - 3 3 u f i 8 k i2 t 1 m = i q 赢 兰五平1 u f= = 上0 一 r x = = 图1 9 电路原理图 编解码电路( 应用于地震波无线检测分析仪) 及波形分析 h 橼弗目q钮嗳 ； ： “1i 。i ”lj l ，i 、，f 。 j 1 f v ，一。jj “! 一蛳 ： n - t l j “j ，1 ，i m j 协- m 二0 h21 舢； 图2 0 输入信号波形 冲b 1 ：* e 一“州i l b “# n “帅d k 、t 洲 图2 1 编码输出信号波形 多通道地震波无线检测系统的醴计 饥置墨曼! 翌!塑堕 一， 图2 2解码输出信号波形 本设计方法可据实际需要选择合适外部元件，实现对低频模拟信号进行数 字传输。该电路信噪比不随距离变化，能同时多路传送、控制，以及重复硬件， 经济且易设计，故可广泛用于各种低频数据检测分析系统中。 具体分析见发表在国外电子元器件第八期上的( ( c v s dm c 3 4 1 8 应用 电路的设计。 多通道地震波无线检测系统的吐汁 第五章调制电路 5 1 引言 目自u ，数字微波以其不受天电干扰和工业干扰及太阻黑子变化的影响，可靠 陛较高。又因频率高，故其天线尺寸较小，天线增益较高，方向性很强，且传 输容量大，通频带可做得很宽。另外，作为无线通信方式，设备体积小，使用 灵活性也较大。这些特点，使得数字微波成为现代通信主要传输手段，其中数 字信号的调制与解调又是数字微波通信中的关键技术。 由于本分析检测系统采用数字微波传输技术，故需一个高稳定度，高精度 的频率源。鉴于锁相环能实现对频率的乘运算，最终可得若干离散的、高精度、 高稳定度的频率源。又因锁相环实现的频率合成，其信号是从v c o 获得的， 其幅度及频谱纯度很高。再加上大规模集成锁相环的出现和应用，使得频率合 成器十分简单、经济、电路工作可靠、性能优良。故本系统采用锁相环技术实 现微波高频率。但锁相环本质是一个相位负反馈系统，这样势必存在系统响应 速度问题，不过通常可通过合理选择环路参数，能够满足本系统等技术要求。 f s k 作为数字通信中用得较广的一种方式，f s k 以其传输信噪比要比a s k 高、传输的平均差错率小、电路实现较p s k 简单，数字调频抗干扰能力强，载 波频率高，且锁相环技术实用化等特点，成为该无线检测系统的数字调制方式。 5 2p l l 及f s k 原理 5 2 1 模拟p l l 原理 堍霉圃型 f v l 环路滤波器( l f ) 压控振荡器( v c o ) v c ( t ) 图2 3p l l 的基本原理图 兰塑望些壁鲨歪垡丝型至篓竺壁生一 输入信号f r 与压控振荡器来的f v 在鉴相器比较，输出一个与相位误差 护。( f ) = 兰丛攀+ 吼 成比例的误差电压v d ( s ) ( s ) = k 。s i n 8 。( s ) ，当 1 0 小；时屹( j ) = k 。o 。( s ) ) 。再经l f ( 滤除误差电压v d ( t ) 6 7 的高频成份和噪 声，以保证环路所需要的性能) 后，取出缓慢变动的直流电压分量v c ( s ) k ( j ) = ，( j ) + 屹( j ) ，v c ( s ) 用来控制v c o 中的压控元件参数值( 通常为变容 二极管的电容) ，使v c o 的输出频率 = k 。屹( 5 ) 逐步向f r 靠拢，直到f v 2 f r ，此时环路在这个频率上锁定此时v d ( t ) ，v c ( t ) 为一确定值。 5 2 2f s k 调制原理 f s k ( 频移键控) 是利用载波频率变化来传递数字信息的。f s k 信号由两 个二进制码“o ”与“1 ”分别对应于载频n 、f 2 。f l 与f 2 之间变化是瞬间完成 如图。典型方法为调频法，它是利用二元码信号( 波形编码后的数字信号) 控制可变分频器的分频比，以达到载频不同时相位连续的目的。考虑到本系统 采用锁相环 p l l 实现f s k 解调，为使其对调制信号跟踪有利，调制端也由锁 相环电路产生f s k 信号。 图2 4f s k 调制原理图 5 3f s k 的实现方法 5 3 1 据锁相环基本原理可实现f s k 调制。 4 基本框图 、 兰望堕些壁些垄垡竺型墨篓堂壁生 图2 5实现f s k 调制原理图( 1 ) 工作原理：振荡源产生频率f o 信号与v c o 输出经n 次分频后得到频率为 f n 的信号，在p d 内进行相位比较，当环路锁定时，v c o 输出频率n f o 。如可 变分频器在逻辑电平控制下选择n i 倍分频或n 2 倍分频，则可认为相应电平被 调制为n l f o 和n 2 f o 信号，但必须满足t p t 2 ( t p 为锁相环从n i f o 变到n z f o 捕获 时间。t 为调制信号周期) 。 5 3 2 第二种方法的框图如图2 6 图2 6 实现f s k 调制原理图( 2 ) 工作原理：由两个p l l 分别产生f i , f 2 频率信号，经数字信号控制的选择开 关分别输出“0 ”、“1 ”分别对应频率f l ，f 2 。考虑到器件的货源和后续电路对频 点阳j 隔的要求，采用第二种方法。 5 4 器件的选择及电路参数的设计 设计要求：工作频率范围f = 0 9 8 1 0 4 g h z 频率间隔f = 2 5 k h z 髻 转换时间t s l m s 2 3 兰望堕些墨茎垄垡堡! 墨! ! 墨竺竺坠生 5 41 锁相环频率合成器m c l 4 5 1 5 2 1 该电路内部功能框图如图2 7 。输入计数器n 分频比范围为3 1 0 2 3 ，吞食计 数器a 分频范围为o 6 3 编程控制方式为并行码输入最高输入频率为1 5 2 6 m h z 鉴相特性为线性，采用c m o s 工艺，晶振频率采用1 2 8 m 温补晶振，其输入 码与译码逻辑、r o m 信息、分频比之间关系如表二。八个通道频点设置圾 m c l 4 5 1 5 2 一l 对应a n 码如表三。因频率间隔为f = 2 5 k h z 则r a 2 r a l r a o 为，1 0 0 ”。 ， ( ) 。= ( 取丧的整数)，( 爿) 。= 去一( ) ，】+ 6 4 1 06 一 图2 7 m c l 4 5 1 5 2 一j 内部功能框图 表二 输入碥与1 蕈鹏逻辑r o 信息劳斓眈r 之间的关系 辅。、r a 2 地le a o _ f 蓦码辅出* 辕趟r 1 2 一i i 羽输出r 1 2 一r 1 d r 、1 ( 二沸 l ；i i )( + 讲制) 舟频比r = f u s 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 o 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0l a 0 0 1 i l l i l l 0 10 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 3 2昏l j0 1 01 1 1 1 1 0 1 10 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 6 6 t 1 ：8 |0 1 1 l h 1 】19 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 2 8 2 5 8 1 0 0 1 1l 0 1 13 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 2 5 65 1 ： l ul 1 1 0 1 1 1 1 10 0 i 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 i 21 0 2 i 1 10 1 0 1 1 】1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 5 8 01 t 6 0 u l 0 1 u i l l l 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 2 42 0 4 8 多通道地震波无线检测系统的设计 衣二 通遁 发射频率( i h z j对应c 1 4 5 1 5 2 的a n 码 l 1 0 0 61 1 0 0 0 0 l o o l l i 0 1 0 0 l 0 0 6 21 1 1 0 0 0 l o o i l l o i o o 0 10 0 91 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 一 】【】u 9 z 1 1 0 0 0 0 l o o i l l o l l o u zl o o o o o i u u l l l l 0 0 0 j 1 0 1 2 21 0 1 0 0 0 l o o l l l l o o o 4 10 1 5n 1 1n n 0 10 0 1 1 1 10 1o 1 0 1 5 21 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 i o 1 0 1 8o l o o o o l 0 0 1 1 1 1 1 0 0 s 1 0 1 8 2o i l o o o l o o i l l l l o o 6 1 0 2 1u u l o o o i 0 u 1 1 1 1 1 1 0 1 0 2 1 20 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 7 1 0 2 40 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 2 4 2u 0 1 u o o l o l u o o o o o o 8 1 0 2 71 1 1 0 0 0 i o l 0 0 0 0 0 0 1 1 0 2 7 20 0 0 0 0 0 1 0 l o o o o o i o 5 42 v c o 受控制电压v c ( t ) 控制，使v c o 的频率向参考信号的频率接近，也就是使 差拍频率越来越低，直至消除频差而锁定考虑到振荡频率达到i g h z ，集成器件 无法达到要求，故采用压控l c 振荡器，又因串联谐振电容三点式电路( 克拉泼 电路) 由于稳定性好，调节频率方便，所以本系统也采用这种方式。v c o 原理 图，等效电路图如图2 8 、2 9 。 v c “) c 4 图2 8v c o 原理图图2 9 v c o 等效电路图 变容二极管采用e v s 2 ，其工作频率高且压控特性好。振荡器压频转换系数 k v 由变容二极管特性决定，v c 为o 1 2 v ，电容在2 6 p 范围内变化振荡 2 5 耋望望些壁些垄些竺型墨竺塑壁生 频率变化范围9 7 0 1 0 5 m h z 。故当v c 在0 - 1 2 v 范围内变化时，变容二极管 始终处于反偏状态，则k v = 2 直流工作点的计算 据r 2 4 工作典型值v 。：1 0 v ， 儿：姜当 一 r + r ， v 产v ：- 0 7 矿一v 产v 。f 1 0 v ( f m a x f m i n ) ，v c = 4 2 l o “r a d s v h 。= 1 2 0 工 + 1 2 v 图3 0 直流工作电路图 取r i = o k q ，r z = 2 k q 。贝j j 嵋= 1 1 1 6 v ，= 1 8 6 v ，= 1 1 6 v i 。：量 r m 睾i b = 生h f e r 1 一 i - i c 十i b + i c ：掣 见 一 取r 4 = 1 0 0 q ，由得r 3 = 6 7 q 上。= l ( c 。+ c ，( ) l ( c ，+ c i ) 一c o l c ，c lc o c 2 从等效电路图2 9 及振荡器基本条件i 爿+ f 1 = 1 可知 ( c 、+ c 4 ) 舻。瓦鼋藏亍赢 c v 图3 1电感等效图 为方便起见，取c ，= c 2 z ，【j l l j ；。2 面1 0 6 取c l = c 2 = 2 p 则甜：甜：! ：些竺；兰型! ：竺 。2 z x ( 8 c 。+ 4 + 1 0 一i 2 ) + 因c v 电容变化为2 6 p f ，微带电感达n h ，f 便可达到i g h z 调试时只需改变电 。、q黟 护、一 莨 兰望垄些壁鎏垄堡垒型墨竺塑壁生一 感的大小。 5 4 3 环路滤波器( lf ) 滤除误差电压v d ( t ) 中的高频成分和噪声以保证环路要求的性能，增加系 统的稳定性。为提高环路性能，且v c o 需一定直流工作点，故需在鉴相器与之 间采用直耦合，通过采用运放作为滤波器与v c o 耦合最为方便，不仅易实现 直