简易无线遥控系统设计毕业设计

③信号源电流与振荡回路中的支路电流的关系：∣iL∣≈∣iC∣＝Q∣iS∣式中称为品质因素。上式表明：LC电路谐振时，支路电流近似为总电流的Q倍。通常，Q>>1，所以，谐振时LC并联回路电流比输入电流大得多。也就是说，在谐振回路中外界的影响可以忽略。这个结论对于分析LC正弦波振荡电路时十分有用的。西勒振荡器西勒振荡器如图2.13所示，其振荡角频率为起振条件为式中图2.13西勒振荡器Figure2.12Westreinedoscillator最终我们考虑到：主振可采用晶体振荡或LC振荡，题目要求载频为6～10MHz。若采用普遍晶体倍频方式，假设为三倍频，则晶体频率要低于3.33MHz，在这种情况下难于获得足够的频率。例如，用摩托罗拉公司的单片集成FM调制芯片MC2833实现2.5MHz电抗管晶体三倍频调频时，实测三倍调频后的最大频偏位420Hz。若采用专用调频晶体，价格有太高。因此本设计选择了变容二极管直接调频的西勒电路。既可以获得较大的频偏，又可保证一定的频率稳定度。2.4信道定义：以传输媒介为基础的信号通道，必不可少。狭义信道：信号的传输媒质(在发送器和接收器之间的物理通路）a.导向传输媒体；电磁波被导向沿着固体媒体传输b.金属导体:双绞线、同轴电缆、光纤c.非导向媒体:自由空间、无线电(短波、微波、卫星）、红外线2)广义信道：除传输媒质外，还包括通信系统的某些设备所构成的部分。a.调制信道：从调制器输出端到解调器输入端。b.编码信道:从编码器输出端到译码器输入端，根据具体问题来选择不同类型的信道。图2.14信道模型Figure2.14A3）信道的数学模型其数学模型又分：恒参信道和随参信道。我们所说的无线通信两种都含有，不过是理想环境和实际环境的两种数学模型。我们主要靠恒参信道来做理论研究。随参信道的研究是实际应用的知识，要靠大量的实际测量和研究才行。我们做的设计支考虑恒定参数就行。理想恒参信道就是理想的无失真传输信道，其等效的线性网络传输特性为其中Ko为传输系统，td为时间延迟，它们都是与频率无关的常数。加性噪声热噪声的功率谱密度可表示为Pn（f）=2RKT(V2/Hz)T为所测电阻的绝对温度，K=1.38054*10-23(J/K)为波尔兹曼常数通常都将热噪声看成高斯白噪声。高斯白噪声的双边功率谱密度为其自相关函数为信道容量是指信道中信息误差多传输的最大速率连续信道的信道容量为即香农公式香农公式表明的是当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频率带宽度的信道上，理论上单位时间内肯能传输的信息量的极限数值。2.5晶体管放大电路2.5.1高频小信号放大器的主要性能指标1)电压增益与功率增益：电压增益（Au）等于放大器输出电压与输入电压之比；而功率增益（Af）等于放大器输出给负载的功率与输入功率之比。2)通频带：通频带是放大器的电压增益下降到电压值的0.707倍时，所对应的频带宽度。用2ΔF0.7来表示3)矩形系数：矩形系数是表示放大器选择性好坏的一个参量。而选择性是表示选取有用信号，抑制无用信号的能力。理想的频带放大器应该对通频带内的频谱分量有同样的放大能力，而对通频带以外色频谱分量要完全抑制，不予放大。理想的频带放大器的频率曲线应该是矩形。但是实际放大器的频率曲线与矩形有较大的差异，矩形系数用来此傲视实际曲线形状结晶理想矩形的程度，通常用来表示，其定义为式中2ΔF为放大器的通频带；2ΔF为放大器的电压增益下降至最大值的0.1倍时所对应的频带宽度。4)工作稳定性：工作稳定性是指放大器的直流偏执、晶体管参数、电路元件参数等发生可能变化时，放大器的主要性能的稳定程度。一般的不稳定现象是增益变化，中心频率偏移、通频带变化，谐振曲线变形等。不稳定状态的极端情况是放大器自激，以至放大器不能完全工作，对于放大器来说应该特别注意工作稳定性。5)噪声系数噪声系数表示放大器性能好坏的一个参量，对于放大器来说总是希望本身的噪声越小越好，及要求噪声系数接近与1。2.5.2晶体管放大器的参数确定1)静态工作点的确定：有晶体管2SC763的输出特性曲线，特性参数以及实际电路的需要来确定放大电路的元件参数。此晶体管集电极最大允许电流I=100mA;集电极最大允许的耗散功率Pcm=450wW;基极开路（i=0）时，集电极-发射极间的反向击穿电压V=45V；选取静态集电极-发射极间的电压小于Vcbo,集电极耗散功率小于PC,当静态工作点必须位于放大区的安全区域内，根据直流负载线方程Vcc=t(Rc+RC)求得静态工作点Q的选取位置。这样就可以确定Ir为20Ua,Ic=14Mv,Vcr=6V，在分析静态工作点时在II>>Ib及Vb>>Vbe的条件下可认为I1=I2,Vr=Ve，通常I1越大于Ib及Vb越大于Vbe，则该电路稳定Q点的效果越好，单位量兼顾其他指标，设计这种电路时一般可以选取。在本设计中最后确定的参数如下所示可得满足条件。a放大器的频率特性单调谐放大器的幅频特性与LC并联谐振回路的幅频特性是相同。调谐放大器的选频特性决定于LC谐振回路的幅频特性。b阻抗匹配问题通过上述分析可知，在实际的工作中信号源内阻Rs及负载Rl对LC谐振回路的影响较大，会使谐振回路的Q值下降。通频带加宽，选择性变坏。通常情况下信号源内阻Rs及负载电阻Rl的数值是固定不变的。在高频电路中采用LC阻抗变换网络，将Rs或Rl变换成合适的值时再与回路连接，这样可以降低他们对回路Q值的影响，同时，阻抗匹配的必要性还再与以下几点：1.可以向负载传输最大功率。2.在天线、低噪放大器或混频器等接收机前端可以改善噪声系数、3.发射机由于匹配实现了最大功率传输，相当于提高了效率；延长了电池的使用寿命。4.滤波器或选频回路的前后匹配可以发挥其最佳性能。阻抗变换网络首先应该是无损耗的，因此不能用电阻网络组成。常用的阻抗变换电路有变压器阻抗变换电路、部分接入阻抗变换、L网络阻抗变换，T和型匹配网络，其中在本设计中运用了变压器阻抗变换电路。设初级绕组电感量为L1，次级电感量为L2，M为互感，K为耦合系数，且。耦合系数K表示初、次级线圈的紧密程度，K越大，表示耦合越紧，K的最大值为1。初级、次级均绕在磁芯上的变压器称为磁芯变压器，无磁芯变压器称为空芯变压器。与空芯变压器相比，磁芯变压器的耦合紧，漏磁小，耦合系数近似于为1。但是由于磁芯的损耗率随着频率的升高而增大，因此，磁芯变压器的工作频率没有空芯变压器的高。在选择磁芯时，要特别注意它的导磁率和损耗。在分析时，仅从理想状态来分析，设变压器在无损耗，它将能量有原边输出到副边输出，在传输过程中，仅将电压、电流按变化比作数值变化。电流、电压方向如图所示，N1、N2分别为变压器的初、次级线圈的匝数，则理想变压器的变换功能如下：由以上式可得这样可以通过改变w的比值来调整的大小,以便达到阻抗匹配。第三章主要电路设计方案3.1发射机功放电路的选择功率放大器一般可有推动级、中间级和输出机组成，具体级数应有所要求的总功率增益而定，题目要求输出功率不大20mW,假设天线特性阻抗为75欧姆，则在匹配良好条件下天线上电压峰值要小于3.5V。一般西勒振捣器输出电压峰-峰值为1V可实现的。雇佣一级功率放大应能满足要求。考虑到前后级影响的问题，在振荡器与功放间加入了一级射随器，起隔离和激励的作用。鉴于输出功率低，兼顾效率，功放管工作状态选为甲乙类。3.2接收放大器为保证接收机的灵敏度。高频晶体管2SC763。为获得一定电压增益，采用共射极谐振放大电路。3.3接收机解调器通过查阅资料，选择了摩托罗拉的单片集成窄带FM解调芯片MC3361构成解调电路。MC3361的特点为低功耗、低电压和高灵敏度，在窄带语音和数据通信中有良好的镜频抑制能力。3.4控制部分控制对象是8路设备，均只有开关状态，并采用4位二进制码表示各控制状态。ABCD=0000表示全部不工作。为了便于码元的传输，需要对码元件进行再编码。设计中利用现成的MC145026和MC145027这两种专门设计用于遥控电路中的编/解码器。MC145026是一个具有5个地址编码和4位数据输入的编码芯片，能将并行输入的4位数据信号转换为串行的数字编码信号输出。在每一个编码周期中，发送两次数据，以提高可靠性。MC145027解码器接受串行数据，前五位二元码是地址码，剩下的为四比特的二元数据码。当收到的地址码与本地地址码相等时，并行输出数据码，用MC145026和MC145027可以满足控制信号的再编码与解码。如下表3.1状态编码表Table3.115kindsofappearancesoftableplaitstop-watch3.5关于传输距离的分析传输距离是简易无线遥控系统的综合性技术指标，也是本设计的重点与难点内容。单工无线电通信最大作用距离公式为式中，Pt为发射机天线端辐射的有效功率；Smin为接收机的最小检测功率；Gt、Gr分别为发射机天线和接收机天线的增益；K值在发射机频率为定值，实验环境确定的情况下基本上位常量。要增大作用距离应从如下几个方面考虑：尽量提高发射与接收天线的增益由式1可知，传输距离是与Gt、Gr形成正比，若Gt、Gr分别增大两倍，则作用距也分别增加两倍。尽量提高发射机天线输出端接上75的假负载，其输出功率不应大于20mW。在去除假负载，接上发射天线，则被天线辐射出去的有效功率Pt比20mW要小。以单振子天线为例，如图3.1所示。图3.1单振子天线Figure3.1Listsflapthesub-antenna当时，A、B两端所呈现的阻抗为300欧姆左右，必须接一个4:1的阻抗变换器才能与发射机阻抗匹配。自然这样的效果最佳。然而根据要求，工作频率f在6~10MHz之间任意一个频点，假设选取，光速为c，则波长为要假设这么长的天线是不实际的。一般情况下，发射机采用拉杆天线，其总长度约1.5m左右，经过MATLAB仿真计算可得，拉杆天线的等效阻抗Zr为Zr=Ri-jXlRi不到10Ω，Xi超过100Ω.它与发射机严重失匹，而且天线呈容性抗阻。因此在发射机输出端和拉杆天线之间必须加装阻抗变换器，且要抵消天线容性的影响。其示意如图3.2图3.2天线匹配示意图Figure3.2Antennamatchthesketchmap当然还可以采用天线增益更高的天线，例如双拉杆天线、环形天线等不管采用任何形式的天线，均存在发射机月天线匹配的问题。提高接收机的灵敏度由式1可知，提高接收机的灵敏度（即降低接收机的Smin）与提高发射机天线的辐射功率Pt对增加传输距离是同等重要。故接收机采用超外差体制，且加装一级低噪声、高增益高频放大器，同时接收机要调准，使接收机灵敏度达到最高。最后，还要使收发天线极化一致，方向对准。3.6通信协议1、编码字的格式能实现编码功能的逻辑电路称为编码器。每一种遥控编码芯片都有一种特定的编码格式。我们把传送一位二进制数0或者1的时间作为一个时间单位T，编码信号的频率F=1/T。这里用的是种比较常用的编码格式，每一帧有同步码、地址码、和数据码组成，同步码用在一帧的开始，是一帧的识别意识，宽度为8T，地址码20（A0-A19），宽度为20T;数据码4为（D0-D3），宽度为4，一帧占据的总时间是32T。对应于每一种状态，编码芯片内部能够生成一种特殊的编码，这种编码也是有“1”和“0”组成。但并不是简单的用高压电平代表“1”，用低电压平代表“0”，而是用高电压平与低电压平宽度比例的不同来区分“1”和“0”，也就是所谓的占空比。为了提高此编码传输串行信号的可靠性，故此编码采用一个周期的占空比为1/4的脉冲表示0，占空比3/4的脉冲表示1。同步信号用一个占空比为1/32的脉冲表示，如图3.3所示、图3.3信号占空比Figure3.3Signalssharetheemptyratio2.协议设计通常遥控信号的发射，就是将某个按键所对应的控制指令和信息码（由0和1组成的序列），调制在32～56Hz范围内的载波上，然后经放大驱动无线发射电路将信号发射出去。如下表所示，各部分的作用：引导码用来通知接收器其后接收器其后为遥控数据。地址码用来区分是哪一机型的数据，接收端据此来判断后续的数据是否为本机必须执行的指令。信息码用来区分是哪一个键被按下，接收端接受信息码的数据时发送的连续码。它告知接收端，某键是在被连续地按着。结束码用来通知接收器一帧数据发送完毕。遥控数据传输系统的关键是数据传输的可靠性。为了提高编码的可靠性，本协议规定地址码后接着传送一个反码，供误码效验使用。每一位的信息码后接着传送一个奇偶效验位也是用来作为无码效验使用。第四章电路的设计与计算4.1无线信号传输部分调频发射机电路如图4.2（上半部)所示，主振级有晶体管VTi与电容C2、C3、C4、C5与变容二极管C3和电感Ii组成西勒振荡器。振荡信号有C7弱耦合支射随器，谈后送至功放。功放的工作状态为甲乙类，R8、R9给VTi提供偏压，然后匹配网络采用简单的T型网络，其中L4与C10和天线等效电容谐振与载频，L3与L2起起阻抗变换作用，以使输出功率最大。图发射机模块电路。调频采用变容二极管电路。设计中，调制信号为二元单极性码，即只有高低两个电平，故对调制线性度要求不高。我们采用了变容二极管部分接入及变容二极管不外加反偏压的电路结构，电路如图4.1变容二极管电路所示。图4.1变容二极管Figure4.1ChangetopermitthediodeCi为变容二极管的结电容，可求的Ci对主振回路的接入系数p为若调制信号引起的结电容变化为△C，则引入主振回路的电容变化量为，可求的由此引起的振荡频率的变化为式中uA为主振回路总电容，负号表示的变化相反。其中，可得p<<1,即变容二极管参量的变化对振荡频率影响较小，频率稳定度大大提高。由此引入的问题是如何能得到足够的频偏，也就是如何是变容二极管的结电容变化较大，解决的办法是对变容二极管不加反偏压。在不加反偏压时可获得最大电容变化量。由于无外加偏压，避免了有偏压变化引起的频率漂移，同时简化了电路。图4.2发射机模块电路Figure4.2Acircuittransmittermodule4.2接收机电路模块如图4.3（接收机模块电路）所示，接收机模拟部分可分为三大模块：①高频放大电路采用了典型电路。为一级共发射级谐振高放。为提高接收灵敏度使用了低噪声的三极管2SC763.②鉴频电路采用了MC3361.本振为8MHz,与高放送来的信号惊醒混频。产生500kHz中频信号。此信号通过窄带陶瓷滤波器（FL）送回MC3361进行鉴频。③比较电路，码型传输过程中可能出现，所以应通过比较电路时信号恢复成只有高低电平的数字信号。这样，提高了接收机的抗干扰能力。并与猴急数字电路匹配。比较器门限电压由鉴频器经RC低通滤波器获得。其电压相当于信号中的直流分量电压。此方法有一定的自适应能力。在实际应用中表现比较强的抗干扰能力。4.3数字系统部分因为本遥控系统的重点在于无线信号传输部分，所以本着这个思想就以以下原则来设计数字部分。①在无线发射机内的控制部分尽量简单，接收机部分的受控设备也以简单明了的实现遥控功能为目的。②能够实现规定的控制能力。编码部分如图4.1下半部分所示，控制键包括8个常闭按键和一个单刀双掷拨键KI拨键用来选择被控对象，8个常闭按键用来表示被选中对象的8种状态采用CD4014710-4线优先编码器，只对按键进行编码。目前只用其中的8-3线部分，其余的可以留给以后扩展用。利用MC145026和MC145027对控制信号进行再编码和解码，以利于码元在无线信道中传输，MC145026产生占空比随传0、传1改变的单极性码，一组编码包括5位地址码和4位数据码。设计中MC145026的地址码四位是设定的，另一位由拨键控制，用来选择控制对象是要调亮度的灯还是其余的七盏灯。相应的MC145027才会有解码输出。这样，可以用一片MC145026控制MC145027。解码部分如图4.1所示，在接收端用两片MC145027对解调后的信号进编码。一片MC145027对应一个控制对象。这在实际应用中是有好处的，被遥控设备可用独立的接收机来控制驱动部分如图4.4所示，LED工作电流小，采用74LS138译码输出直接驱动小电灯的亮度调节，通过三个能提供不同电流的射随器相加实现。数码管采用MC14511驱动③发射机省电装置由于发射机功耗小，工作电流小于28mA，故可用一个三极管（νT4）来作为整机的电源开关。具体装置如图14.1.3所示。在按键未按下时，νT4处于截止状态。按键按下时，νT4饱和导通，电源按通4.4测试结果测试对象测试指标测试结果输出功率﹤20mA发射机发射电流﹤28mA静态电流﹤50µA接收机灵感度约10µA电压增益约10倍4.5系统性能及特点1）发射机与接收机相距40m以内时可以进行可靠控制。2）系统特点：①具有降低电源功耗的措施：利用一个三极管控制发射机的电源，使仅在有键按下时才接通电源；采用CMOS集成电路，静态功耗低②提高信道抗干扰能力的措施：用MC145026和MC145027对控制信号再编/解码；利用频移键控的调制方式；接收机采用窄带滤波。③被控设备能简单明了地体现遥控状态，而且便于扩展及实际应用。结束语一个月的毕业设计已接近尾声，课题设计的各项工作已基本完成，在颉老师的精心指导下，我们完满的完成了毕业设计的各项工作。这次毕业设计是对我们大学三年所学知识的一个综合运用，尤其是对我们专业课学习的综合考察，对我们自身来讲也是把理论知识应用到实践中去的一次很好的学习和锻炼机会。在这其中大大的扩展了我们的知识范围，并对以前所学知识做了一个回顾和总结，同时也发现了一些自己的不足之处。首先，是自己对以前所学过的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，比如对于某些芯片的作用，各管脚的功能等。其次，是不会将所学的数字电子，高频电子线路等知识灵活地运用到实际中去。再次，是对所学各软件的应用还不够熟练，如：Protel、Protus等。在此次设计的过程中遇到了各种各样的麻烦，在颉老师的精心指导下，经过努力学习，我们最后取得了比较可喜的成绩完成了设计。总之，经过四个星期的毕业设计，无论从理论还是实践上我都得到了一定的锻炼，并取得了一定的成绩。使我深深认识到了理论与实践相联系的重要性，位我今后的学习和工作奠定了坚实的基础。参考文献(1)黄志伟，全国大学生电子设计竞赛系统设计，北京：北京航空航天大学出版社，2006，132~137(2)全国大学生电子设计竞赛组委会，全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届~第五届），北京：北京理工大学出版社，2004，617~628(3)曹丽娜，现代通信原理与技术，西安：西安电子科技大学出版社，1995，43~120(4)杨昌汉，高频电子线路，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2002，74~100(5)康华光，电子技术基础，北京：高等教育出版社，1999，56~75(6)谢自美，电子线路设计，武汉：华中理工出版社，2004，60~123(7)吴慎山，电子线路设计与实践，北京：电子工业出版社，2005，117~125(8)樊昌信，通信原理，北京：国防工业出版社，1997，250~276西安航空职业技术学院毕业设计（论文）审查意见书指导教师对学生所完成的题目为的毕业设计（论文）进行情况、完成质量的审查意见：成绩：指导教师：年月日西安航空职业技术学院毕业设计（论文）评阅意见书评阅人对学生所完成的题目为的毕业设计（论文）评阅意见为：