无线数字测温电路设计

1、第一章 遥测系统总体概述 1.1 遥测系统的发展 无线遥测、遥控，即是在控制端把控制指令以某种编码方式形成易于传输的 信号，通过无线传输，在受控端经解码等处理形成相应的控制操作，同时，受控 端的状态信息经同样的过程传输到控制端， 从而实现对受控端的控制和监测的过 程叫遥测。 遥测设备一般由发射机、 接收机两部分组成。 发射机主要包括编码电路和发 射电路。编码电路产生所需要的控制指令， 这些控制指令是具有某些特征的、 相 互间易于区分的电信号。 不同的控制指令可以用不同频率的正弦信号代表， 除此 之外，还可用正弦信号的幅度及相位特征、 脉冲信号的幅度、 宽度及相位特征及 码组特征等表示各种指令。

2、 编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号， 抗干扰能力较差， 也无法 直接传送到接收机上去， 还要将指令信号送到发射电路， 使它调制在高频载波信 号上，再由发射天线发送出去。 接收机由接收电路及译码电路组成。接收电路又包括高频部分及解调器部 分。由接收天线送来的微弱信号首先经高频部分的选择和放大， 滤除噪声， 分离 出有用信号， 然后送解调器进行解调。 解调电路的是将接收下来的已调信号还原 为调制信号。即将指令编码信号从载波上“卸”下来的过程，是调制的逆过程。 从载波上“卸” 下来的指令信号并不能直接用来驱动或控制， 还要送指令译码电 路进行译码，以获得各种控制指令。 最早的无线电遥测系统

3、是 20世纪 30年代开始在气象部门中使用的无线电探 测仪。这一时期的无线电遥测系统都是模拟式遥测遥控系统 . 在20世纪40年代， 由于军事上的需要，遥测遥控技术得到了很大发展，相继出现了 PAM, FM, PDM 等多种不同体制的遥测遥控技术。 随着遥侧参数不断增加， 测量精度要求的不断提高， 原来的单通道的遥测技 术无法胜任， 这时开始出现了多通道的遥测技术。 根据信道复用方式的不同， 遥 测技术又分频制和分时制两种。20世纪50年代，出现了脉冲编码式(PCM遥测系 统。PC系统是数字传输系统，它易和数字通信、计算机技术紧密联系起来，成 倍地提高遥测系统的整体性能 . 而且还可通过信源编

4、码、信道编码、扩谱技术和 通信等新技术改善遥测系统的可靠性和抗干扰性。同时，在工艺上，随着 VLSI 技术的发展，PCI系统更容易实现模块化和小型化.因此，PCI系统自诞生以来， 迅速获得广泛的应用， 近二十年来， 遥测系统也已经远远超出它原来的含义， 它 不但包括原来单纯的被测量参数，还包括话音、运动 / 静止图象和多样化的空间 实验数据等其它信息，这就是人们所说的遥技术。 无线遥测、遥控的方式多种多样， 根据不同的应用需要， 可采用适宜的方式。 各种遥测、遥控方式的不同，主要在于信息的编码处理方式和信息的传输方式。 所传信息的形式及信息量的大小决定采用何种信息编码及处理方式， 而信息传输

5、的距离决定采用何种传输方式。 数字信号无线传输的特性 信道是信号的传输媒质，按传输媒质的不 ，信道可分为有线信道和无线信道， 其中无线信道随机性较大，变化快。主要有长波信道、中波信道、短波信道、地 面微渡信道、卫星信道、散射信道、红外信道及空间激光信道等。 1.2 数字信号无线传输的特性 现代移动通信系统都使用数字调制技术、随着超大规模集成(VLSI)技术和数 字信号处理(DSP技术的发展.数字抟输系统比模拟传输系统更有效数字体输 有许多优点： (1) 数字信号本身具有更好的抗噪能力和更强的抗信道损耗性能。 采用再生中继、 纠错编码等差错控制措施后， 数字信号可以再生而消除噪声的累积， 甚至可

6、在噪 声远大于有用信号的情况下、保证获得可接受的保真度和误码率。 (2) 传输差错可以控制，通过不同的信道编码。可以得到不同的编码增益，从而 根据通信质量的要求采用不同的编码方式，从而改善整个通信系统的传输质量。 (3) 业务种类多。数字通信可以更容易复用各种不问形式的信息(如语言、数据 和视频图像等)。从而使得通信系统传输功能增强；同时，数字信号也容易压缩 (4) 数字硬件实现灵活， 便于采用大规模集成电路 数字信号处理、 计算机软件技 术和微处理器技术， 不断推进通信系统和网络的变革。 在复杂们传输条件下便于 使用现代数字信号处理技术对所传输的数字信息进行处理 (如信源编码和为提高 整个通

7、信链路性能的均衡技术， )嵌人式软件实现的信号处理技术可以在不重新 设计硬或替搀硬件的情况改变和提高通信设备性能。 (5) 数字传输有更高的性。 数字情号易于在信源对其进行加密处理， 且密度强度 高M而使得情息的传输有 另外，数字信号传输系统便于与计算机相连， 系统和网络实现系统和网络智能化。 系统和网络智规化和优化， 便于集中监控、 维护和管理； 同时系统扩枯荣密安同 时系统升级扩容方便，便于保会运营上三位数字。 数字信号传输系统也有自身的缺点，主要规那位以下两点： (1) 在相同的的容量下， 在相同的情况下， 数字传输所需要的带宽比模拟传输 时宽 (2) 数字通信系统需要复杂的同步系统 第

8、二章设计任务 2.1设计指标 (1) 测量温度在0C-100 C之间； 测量围约600米； (3) 即时显示测量温度； 2.2设计原理 这是一种数字式温度无线遥测电路设计方案，图1-1是它的原理框图.它由 温度测量及无线发射电路和无线接收及温度显示电路两部分构成。温度传感器将 温度转换为电压，经放大后作用于 V/F (电压/频率)变换器，这样就将温度的 变化最终转化为频率的变化，再经无线电发射电路发射出去。含有温度信息的无 线电波由无线电接收电路接收，经解调、放大、整形后。再由数字频率计显示温 度。另外若采用不同的传感器就可实现不同量的无线遥测。 議制放大!I Tv/f隸jjf 图2-1设计原

9、理框图 第三章温度测量及无线发射电路 3.1温度测量及无线发射电路 电路如图3-1所示，由恒流源型集成温度传感器SL590 CMO专用仪器放大 器INA155、CMO锁相环CD4046无线电发射模块 CZ-7F、电压调节器78LO5组 成。其中SL590具有V/F （电压/频率）转换器的功能。 图3-1温度测量及无线发射电路 8 6 7 W一VNI 2 1* 7 5屮 關 2 I 3.2传感器 电路如图3-1所示。SL590是一种恒流源型集成温度传感器，将温度的变化 线性地转换为相应的电流变化。SL590是二端集成温度传感器，为双极结构，其 工作电压为430V,使用温度为-55+150C,温度

10、系数为1uA厂C,常温输出为 298.2uA 3.3放大信号 INA155是单电源，轨至轨输出的 CMO仪表放大器 其特征为： 固定摆压：200mv 最低失调电压：土 200mv 最低失调漂移：5mv/C； 部固定增益：10V/V或50V/视频； 指定的温度围：-55 C至+125C； 低输入偏置电流：0.2pa ; 高转换率：6.5v/ms ; 成本低； Rg 1 o 8 V|N 2 INA155 7 V+ 3 6 OUT V- 4 5 Ref 图3-3 INA155 引脚图 由于从RP2取出的电源信号幅度较小，将其送入CMOS专用仪器放大器 INA155的同相输入端脚进行放大，RP3用来调

11、节放大增益，当RP3分别为（开 路）、30kQ、10kQ、3.3k Q和0 （短路）时，放大增益分别为 10、20、30、40、 和50, INA155S的工作电压为2.75.5V。另外，从INA155的反相输入端脚 输入一个经RP1调节的直流基准电压，用于放大调零。 所以在本电路中传感器SL590与放大器INA155共同工作完成了对温度信号 的测量及转换为电压信号。 3.3.1 用 V/F 转换器作模 / 数转换具有独特的优点： （1）算机硬件资源少。模拟信号可在转换为频率信号后通过频率测量而获得测 量结果，不需要 A/D 转换器件。 （2）性能好。V/F转换本身是一个积分过程，且用 V/F

12、转换器实现A/D转换就 是频率计数过程， 相当于在计数时间对频率信号进行积分， 因而有较强的抗干扰 能力。另外可采用光电耦合器连接 V/F 转换器与测频器件之间的通道， 实现光电 隔离。 （ 3）便于远距离传输， 可通过调制进行无线传输或光传输。 由于以上这些特点， V/F转换器特别适用于一些非快速而需进行远距离信号传输的 A/D转换过程。另 外还可以简化电路、降低成本、提高性能价格比。 3.4 分频与发射信号 CD4046是一个CMO锁相环。锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个 电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称 PLL。它广泛应用于广播 通信、频率合成、自动控制及时钟

13、同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器 （PC、压控振荡器（VCO。低通滤波器三部分组成，如图 3-4所示。 压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由 低通滤波器上建立起来的平均电压 Ud大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号 Uo相比较，比较结果产生的 误差输出电压UF正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除咼频 分量后，得到一个平均值电压 Uc。这个平均值电压Ud朝着减小VCO俞出频率和 输入频率之差的方向变化，直至VCO俞出频率和输入信号频率获得一致。这时两 个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作

14、相位锁定。 误差电压 输入信号 U1 : （fi） 揑制电压 相位比较誥压控振落器 比较信号T K0 Ud r-Q fz ) 9芝吝7 9 0O 图3-4锁相环示意图与CD4046封装图 当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCC可在某一围自动跟踪 输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉围发生变化，锁相环能捕捉 到输人信号频率，并强迫VCC锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活，如果输 入信号频率fl不等于VCO俞出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如 比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。 过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成，现在常

15、使用集成电路的锁相环， CD4046是通用的CMO锁相环集成电路，其特点是电源电压围宽（为 3V18V）, 输入阻抗高（约100血），动态功耗小，在中心频率 f0为10kHz下功耗仅为 600卩W属微功耗器件。图3-4的右侧是CD4046的引脚排列，采用16脚双列 直插式，各引脚功能如下： 1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。 2脚相位比较器I的输出端。 3脚比较信号输入端。 4 脚压控振荡器输出端。 5 脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。 6、7 脚外接振荡电容。 8、 16 脚电源的负端和正端。 9 脚压控振荡器的控制端。 10脚解调输出端，用于FM解

16、调。 11、12脚外接振荡电阻。 13脚相位比较器U的输出端。 14 脚信号输入端。 15 脚部独立的齐纳稳压管负极。 在INA155中放大后的信号送入 CMO锁向环CD4046中的VC（压控振荡器） 的控制端脚，将电压转换为相应的频率。CD4046外接电阻R3和电容C6决定 了在控制端 脚的电压为1/2电源电压时，其VCO的振荡频率为1000Hz。当温 度升高时，SL590的电流增大，RP2上的电压升高，INA155的输出电压升高，即 CD4046的输入控制端电压升高，VCO的振荡频率升高，反之则降低。CD4046中 VCO勺输出端脚输出频率随温度变化的信号，经 MOS管VT隔离后由无线电发

17、 射模块CZH7F发射出去。CZH7F的工作电压为612V,载波频率为280MHz 采用调频方式。部由高频管 MPSH1作载波振荡和发射，另外加一级输入信号晶 体管8050放大器等组成。调制方式为调频，载波频率为280MHz工作电压为6 12V,调制电压为6V。该组件有三个引脚，1脚UDD为正电源端，2脚为调制信号 输入端，3脚Uk为负电源端 3.5 无线信道对信号传输的影响 一个通过无线信道传播的信号往往会沿着一些不同的路径到达接收端， 接收 机接收到的信号是多条路径传输信号的叠加， 即信号传输具有多径特性。 引起多 径传输的主要原因有： 电磁波经电离层的一次或多次反射； 几个反射区的高度不

18、同； 地球磁场引起的电磁波束分裂成寻常波与非寻常波； 电离层不均匀性引起的漫射现象； 散射体的不均匀气团产生的二次辐射； 地面条件复杂。 无线信号无论是在前向连接， 还是在反向连接的传输中， 都会以多种方式受 到物理信道的影响。 虽然电磁波传播的形式很复杂， 但一般可归结为反射、 绕射 和散射三种基本传播方式。 无线信道是一种时变信道， 信号通过无线信道传输时 会受到各个方面的衰减损失， 在陆地移动通信系统中， 由于多径传输引起的接收 信号幅度衰落深度最大可达2030dB,衰落速度为每秒几次到几十次。接收端接 收信号功率可表示为： P(d)= I d | -nS (d)R(d) 式中，d表示距

19、离向量。该式表明信号无线传输受到信道的影响可归结为三 类： (1) 自由空间的路径损失(也称传输损失)I d | -n。这是接收端与基站之间距离的 函数，描述的是大尺度区间 (数百或数千米 ) 接收信号强度随发射到接收距离而变 化的特性。 (2) 阴影衰落 S(d) 。又称大尺度哀落或慢衰落或长期衰落。它描述中等尺度区间 ( 数百波长 ) 信号电平中值的慢变化特性， 按对数正态分布， 是由于传输环境中的 地形起伏、建筑物和其它障碍物对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落。 (3) 多径衰落 R(d) 。小尺度围的多径衰落 R(d) ，又称短期衰落，是由移动用户附 近的多径散射产生的。 它描述小尺度区间

20、 (数个或数十波长 ) 接收信号场强的瞬时 值的快速变化特性。 衰落是由阴影和多径效应造成信号电平的扰动。 其中慢衰落是由建筑物或自 然界特征的阻塞效应引起的， 表征的是快衰落信号包络的局部中值随时间的变化 情况，慢衰落近似服从对数正态分布；而快衰落是由正在运动中的移动用户附 近的障碍物对信号的散射引起的， 表征的是接收信号在空间的迅速扰动情况， 其 中典型的就是 Rayleigh 衰落。根据多径信号的多普勒扩展、 时延扩展和角度扩展 与发射信号参数(带宽、码元间隔等)间的关系产生有不同的选择性衰落( 时 间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落 ) 。 无线传输除有上述典型的衰落以外，

21、还有码间干扰、 同信道干扰、 邻信道干 扰以及远近效应存在。 由此可见， 无线传输所受到的不确定因素的影响众多， 要 在这样的时变信道中应用现代高速传输技术需要克服诸多困难。 3.6 无线传输信道特性的改善 无线信道多径传输， 每条路径的传输损耗和时延都是随机变化的， 使得接收 端信号时强时弱，无确传输信息。因此，为了在无线信道中传输数字信号，必须 具备以下三个基本条件： (1) 无线信道的频率响应要好。除根据码速的高低决定高端的频率响应以外，更 重要的是低端的频率响应。必须下到5 Hz以下，低端的频率响应好坏直接影响传 输的质量 (2) 无线信道传输信号产生的非线性失真指标要好。非线性失真的

22、大小也直接影 响传输的质量。与传输模拟信号一样， 无线信道传输数字信号也要求产生的失真 愈小愈好。如果产生了较大的畸变，数字信道是不能正常工作的。 (3) 无线信道传输的群信号群延迟特性必须良好，否则将使得收端时钟信号相位 抖动过大而无法提取时钟信号， 而最终无常传输。 同时，还必须对信道的衰落特 性进行改善。 常用的方法有： (1) 含交织编码的差错控制技术。交织技术将成片的突发误码分散成零散的随机 误码，再用纠正随机错误的差错控制技术纠正这些随机误码，从而提高可靠性。 (2) 抗衰落性能好的调制解调技术。正交频分复用调制信号具有多外正交载波， 且每个载波对应的数字基带信号速率比较低， 已调信号带宽小， 是一种较理想的 抗衰落调制信号。 (3) 功率控制技术。功率控制技术可以对衰落信号进行补偿，使接收信号功率保 持稳定。 (4) 扩频技术。主要包括跳频和直接序列扩频，能有效地克服多径传输引起的快 衰落现象。 (5) 分集接收技术。即用互相独立的多外信号传输同一信息，在接收端分别接收 再进行合并处理，由于接收到的信号不可能