國(guó)家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：模擬機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)學(xué)院：電子信息工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：任課教師：2016 年5月18日目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)要求 32設(shè)計(jì)方案及論證 32.1任務(wù)分析（分模塊方案分析） 32.1.1信號(hào)發(fā)生 32.1.2調(diào)制電路與解調(diào)電路 42.1.3功放電路 82.1.4耦合通信 92.1.5前置放大電路 92.1.6正弦波轉(zhuǎn)換電路 102.1.7顯示電路 112.2方案比較 122.2.1發(fā)射部分 122.2.2接收部分 122.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 142.3.1發(fā)射部分 142.3.2接收部分 142.4具體電路設(shè)計(jì) 142.4.1發(fā)射部分 142.4.2接收部分 152.5單片機(jī)軟件算法流程 162.5.1發(fā)射部分 162.5.2接收部分 173制作及調(diào)試過(guò)程 173.1制作與調(diào)試流程 173.1.1資料查閱 173.1.2設(shè)計(jì)電路，確定方案 173.1.3電路焊接 183.1.4分模塊調(diào)試 183.1.5各模塊組合調(diào)試 183.2遇到的問(wèn)題與解決辦法 193.2.1方案確定問(wèn)題 193.2.2電路調(diào)試問(wèn)題 203.2.3其他問(wèn)題 214系統(tǒng)測(cè)試 214.1測(cè)試方法（含接線(xiàn)圖） 214.2測(cè)試數(shù)據(jù)（表格） 224.3數(shù)據(jù)分析和結(jié)論 225系統(tǒng)使用說(shuō)明 225.1系統(tǒng)外觀及接口說(shuō)明（含實(shí)物照片） 225.2系統(tǒng)操作使用說(shuō)明 236總結(jié) 236.1本人所做工作 236.1.1方案確定及電路設(shè)計(jì) 236.1.2電路焊接 236.1.3系統(tǒng)調(diào)試 236.2收獲與體會(huì) 246.2.1能力方面 246.2.2思想方面 246.3對(duì)本課程的建議 257參考文獻(xiàn) 25

1設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)如圖所示的模擬機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠模擬車(chē)載接收設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱(chēng)接收機(jī)）通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式從軌道中提取地面信號(hào)發(fā)射機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)射機(jī)）注入到軌道中的信號(hào)并進(jìn)行顯示的功能。圖1-1模擬機(jī)車(chē)信號(hào)系統(tǒng)示意圖2設(shè)計(jì)方案及論證2.1任務(wù)分析（分模塊方案分析）2.1.1信號(hào)發(fā)生a.頻率可調(diào)555方波發(fā)生器由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器可以產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波，且由于其內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路形式，利用555定時(shí)器產(chǎn)生的頻率受電源電壓和溫度變化的影響很小。振蕩頻率為：f=電路輸出波形占空比為：q電路圖如下:圖2-1頻率可調(diào)555方波發(fā)生電路b.利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)利用單片機(jī)可產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波。通過(guò)改變編程即可改變方波頻率，且編程較為容易實(shí)現(xiàn)。2.1.2調(diào)制電路與解調(diào)電路概念：調(diào)制就是用調(diào)制信號(hào)去控制載波信號(hào)，讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。常見(jiàn)調(diào)制方法有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)等。常見(jiàn)的調(diào)制電路有乘法器、開(kāi)關(guān)電路調(diào)制、信號(hào)相加調(diào)制等。原因：信號(hào)調(diào)制的原因主要有三方面。一是將基帶信號(hào)的低通頻譜搬移到較高的載波頻率上，可以使發(fā)送信號(hào)的信號(hào)頻譜符合傳輸信道的頻譜特征。簡(jiǎn)單理解，就是信號(hào)調(diào)制以后可以傳得更遠(yuǎn)，提高無(wú)線(xiàn)通信時(shí)的天線(xiàn)輻射效率；二是可以把多個(gè)基帶信號(hào)分別搬移到不同的載頻處，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的多路復(fù)用，提高信道利用率；三是可以擴(kuò)展信號(hào)帶寬，提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰弱能力。本實(shí)驗(yàn)中使用調(diào)制電路，主要考慮到可以增加傳輸距離，增強(qiáng)抗干擾能力。方式：調(diào)制的方式是由載波信號(hào)的可變參數(shù)決定的，以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的載波信號(hào)：c這里的fc是載波信號(hào)的中心頻率，Ac是振幅，基本的數(shù)字調(diào)制解調(diào)有ASK、FSK、PSK三種。a.ASK調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：載波幅度是隨著調(diào)制信號(hào)而變化的。其最簡(jiǎn)單的形式是，載波在二進(jìn)制調(diào)制信號(hào)控制下通斷。2ASK是利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去鍵控一個(gè)連續(xù)的載波，使載波時(shí)斷時(shí)續(xù)地輸出。有載波輸出時(shí)表示發(fā)送“1”，無(wú)載波輸出時(shí)表示發(fā)送“0”。其信號(hào)的產(chǎn)生方法通常有兩種：模擬相乘法：通過(guò)相乘器直接將載波和數(shù)字信號(hào)相乘得到輸出信號(hào)，這種直接利用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的振幅來(lái)調(diào)制正弦載波的方式稱(chēng)為模擬相乘法，在該電路中載波信號(hào)和二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)同時(shí)輸入到相乘器中完成調(diào)制。電路圖如下：圖2-2ASK模擬相乘法調(diào)制電路數(shù)字鍵控法：用開(kāi)關(guān)電路控制輸出調(diào)制信號(hào)，當(dāng)開(kāi)關(guān)接載波就有信號(hào)輸出，當(dāng)開(kāi)關(guān)接地就沒(méi)信號(hào)輸出，其電路如下圖所示：圖2-2ASK模擬相乘法調(diào)制電路解調(diào)：2ASK有兩種基本的解調(diào)方式：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測(cè)法）。圖2-3ASK非相干解調(diào)電路圖2-4ASK相干解調(diào)電路ASK調(diào)制解調(diào)方式電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但抗干擾能力較差。b.FSK調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：FSK的信號(hào)調(diào)制有兩種方法：直接調(diào)頻法和頻移鍵控法。直接調(diào)頻法，就是將輸入的基帶脈沖去控制一個(gè)振蕩器的某種參數(shù)，而達(dá)到改變振蕩頻率的目的。雖然方法簡(jiǎn)單，但頻率穩(wěn)定度不高，同時(shí)轉(zhuǎn)移速度不能太高。圖2-5FSK直接調(diào)頻法電路頻移鍵控法就是利用矩形脈沖序列控制的開(kāi)關(guān)電路，對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通。一般來(lái)說(shuō)，鍵控法采用兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器,得到的是相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)；而且直接調(diào)頻法f1,f2由同一個(gè)諧振電路產(chǎn)生，則得到相位連續(xù)的2FSK信號(hào)。圖2-6FSK移頻鍵控法調(diào)制電路解調(diào)：2FSK信號(hào)的解調(diào)方法有：非相干解調(diào)法、相干解調(diào)法、鑒頻法、過(guò)零檢測(cè)法等。鎖相環(huán)路的輸出信號(hào)頻率可以精確地跟蹤輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率的變化,環(huán)路鎖定后輸入?yún)⒖夹盘?hào)和輸出參考信號(hào)之間的穩(wěn)態(tài)相位誤差可以通過(guò)增加環(huán)路增益被控制在所需數(shù)值范圍內(nèi)。這種輸出信號(hào)頻率隨輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率變化的特性稱(chēng)為鎖相環(huán)的跟蹤特性.利用此特性可以做載波跟蹤型鎖相環(huán)及調(diào)制跟蹤型鎖相環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，收信端接收到信號(hào)后必須進(jìn)行解調(diào)才能恢復(fù)出原信號(hào)。所謂的解調(diào)就是用攜帶信息的輸出信號(hào)，來(lái)還原載波信號(hào)的參數(shù)，載波信號(hào)的參數(shù)有幅度、頻率和位相。調(diào)頻波（經(jīng)過(guò)放大器放大后）與壓控振蕩器的輸出被送入鑒相器，經(jīng)鑒相器獲得變化的相位誤差的電壓，該誤差電壓通過(guò)低通濾波器被濾出高頻成份，從而獲得隨調(diào)制信號(hào)頻率變化而變化的解調(diào)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了解調(diào)（鑒頻）過(guò)程。其原理框圖如下（鎖相環(huán)解調(diào)）：圖2-7鎖相環(huán)解調(diào)電路FSK的優(yōu)缺點(diǎn)介于ASK與PSK中間，電路復(fù)雜程度與抗干擾能力均處于另外兩種調(diào)制方式中間。c.PSK調(diào)制解調(diào)相移鍵控是利用載波的不同相位來(lái)傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在2PSK中，通常用初始相位0和π分別表示二進(jìn)制“0”和“1”。調(diào)制方法有模擬調(diào)制和鍵控法:圖2-8PSK模擬調(diào)制電路圖2-9PSK鍵控法調(diào)制電路解調(diào):圖2-10PSK相干法解調(diào)電路PSK的主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力非常強(qiáng)，但電路頗為復(fù)雜。2.1.3功放電路功放電路是以輸出較大功率為目的的放大電路，一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。該電路的主要考慮因素有輸出功率要大，效率要高，非線(xiàn)性失真要小。功放電路按照輸出級(jí)與后級(jí)電路的連接方式可分為：OTL、OCL、BTL等；按功率管的偏置又可分為甲類(lèi)、乙類(lèi)、甲乙類(lèi)及丙類(lèi)四種?？紤]到電路的難易程度，一下討論OTL功率放大。a.OTL功率放大OTL電路為單端推挽式無(wú)輸出變壓器功率放大電路。通常采用電源供電，從兩組串聯(lián)的輸出中點(diǎn)通過(guò)電容耦合輸出信號(hào)。OTL(Outputtransformerless)電路是一種沒(méi)有輸出變壓器的功率放大電路，不再用輸出變壓器，而采用輸出電容與負(fù)載連接的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，使電路輕便、適于電路的集成化，只要輸出電容的容量足夠大，電路的頻率特性也能保證，是目前常見(jiàn)的一種功率放大電路。圖2-11OTL功率放大電路它的特點(diǎn)是：采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路（NPN、PNP參數(shù)一致，互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)，均為射隨組態(tài)，串聯(lián)，中間兩管子的射極作為輸出)，有輸出電容，單電源供電，電路輕便可靠?！皟山M串聯(lián)的輸出中點(diǎn)”可理解為采用互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路(NPN、PNP參數(shù)一致，互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)，均為射隨組態(tài)，串聯(lián)，中間兩管子的射極作為輸出)。OTL電路的優(yōu)點(diǎn)是只需要一組電源供電。缺點(diǎn)是需要能把一組電源變成了兩組對(duì)稱(chēng)正、負(fù)電源的大電容；低頻特性差。b.lm386功率放大lm386是集成OTL型功放電路的常見(jiàn)類(lèi)型，與通用型集成運(yùn)放的特性相似，是一個(gè)三級(jí)放大電路：第一級(jí)為差分放大電路；第二級(jí)為共射放大電路；第三級(jí)為準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)功放電路。LM386靜態(tài)功耗低,約為4mA,可用于電池供電；工作電壓范圍寬,4-12Vor5-18V；外圍元件少；電壓增益可調(diào)(20-200)；具有低失真度。因其具有自身功耗低、增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。圖2-12LM386典型應(yīng)用電路2.1.4耦合通信本系統(tǒng)中已確定發(fā)射端通過(guò)導(dǎo)軌（線(xiàn)圈）進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射，接收端由耦合線(xiàn)圈（繞制線(xiàn)圈或電感元件）接收，利用LC振蕩電路，進(jìn)行耦合通信。a.串聯(lián)諧振因?yàn)楦锌沟扔谌菘?，所以阻抗達(dá)到最小值，具有純電阻特性；在電壓不變的情況下，電路中的電流達(dá)到最大值即為諧振電流；由于諧振時(shí)容抗等于感抗，所以電感上的電壓等于電容上的電壓，而電感和電容上的電壓與電阻有關(guān)，如果感抗和容抗遠(yuǎn)大于電阻時(shí)，則電感和電容上的電壓可能遠(yuǎn)大于電源電壓，因而串聯(lián)諧振又稱(chēng)電壓諧振，具有破壞性。b.并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振時(shí)電路的總電流最小，與電壓同相，即電路的總阻抗達(dá)到最大值，電路呈電阻性；支路電流占總電流的倍數(shù)就是諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q，所以并聯(lián)諧振又稱(chēng)為電流諧振。因而，并聯(lián)諧振不會(huì)產(chǎn)生危害設(shè)備安全的諧振過(guò)電壓，且功率因數(shù)達(dá)到最大值，可以被應(yīng)用。2.1.5前置放大電路a.LM324LM324是四運(yùn)放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝,外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器,除電源共用外,四組運(yùn)放相互獨(dú)立。由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。LM324作同相交流放大器，同相交流放大器的特點(diǎn)是輸入阻抗高。其中的R1、R2組成1/2V+分壓電路,通過(guò)R3對(duì)運(yùn)放進(jìn)行偏置。電路的電壓放大倍數(shù)Av也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4,電路輸入電阻為R3。R4的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。圖2-13LM324典型應(yīng)用電路b.LM358LM358是雙運(yùn)算放大器。內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。2.1.6正弦波轉(zhuǎn)換電路該部分電路需將接收端收到的正弦信號(hào)變化為脈沖信號(hào)，并輸入后級(jí)電路進(jìn)行頻率測(cè)量。a.施密特觸發(fā)器由555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，圖2-14施密特觸發(fā)電路b.遲滯比較器圖2-15遲滯比較器電路c.LM393電壓比較器LM393是雙電壓比較器集成電路。輸出負(fù)載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上，不受Vcc端電壓值的限制.此輸出能作為一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)地SPS開(kāi)路(當(dāng)不用負(fù)載電阻沒(méi)被運(yùn)用)，輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動(dòng)和器件的β值所限制.當(dāng)達(dá)到極限電流(16mA)時(shí)，輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升。圖2-16LM393應(yīng)用電路2.1.7顯示電路a.使用STC89C52單片機(jī)測(cè)量方波頻率STC89C52系列單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比較高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用與工業(yè)控制和智能化儀器，儀表等領(lǐng)域。此頻率計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心，具有性能優(yōu)良，精度高，可靠性好等特點(diǎn)。以STC89C52單片機(jī)為控制器件的頻率測(cè)量方法，采用單片機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)智能控制，結(jié)合外圍電子電路。最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)頻率計(jì)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種測(cè)試場(chǎng)所。用單片機(jī)設(shè)計(jì)頻率計(jì)的基本思想：使用單片機(jī)自帶的定時(shí)器定時(shí)1秒，在一秒內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時(shí)完成后讀取計(jì)數(shù)器的值，并輸出到數(shù)碼管予以顯示。b.stm32測(cè)量方波頻率利用stm32測(cè)量方波程序與51單片機(jī)基本相同，但stm32精度更高，速度更快。2.2方案比較2.2.1發(fā)射部分信號(hào)發(fā)生在上面給出555定時(shí)器和利用單片機(jī)產(chǎn)生兩種方式，本設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)產(chǎn)生頻率不同的方波，由于之前的課程設(shè)計(jì)中單片機(jī)已經(jīng)焊接完成，燒入程序后即可直接使用，若利用555定時(shí)器，可能在電路焊接與調(diào)試部分出現(xiàn)問(wèn)題，所以采用51單片機(jī)作為信號(hào)發(fā)生裝置。調(diào)制部分由于本設(shè)計(jì)功能較為簡(jiǎn)單，外部環(huán)境干擾較小，因此采用ASK方式。圖2-17ASK調(diào)制仿真電路以上電路參考了全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽“無(wú)線(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置”中的調(diào)制電路的設(shè)計(jì)，由于其采用的有源正弦波晶振無(wú)法直接利用proteus進(jìn)行仿真，因此將其內(nèi)部原理畫(huà)在電路中。但經(jīng)過(guò)仿真，該電路沒(méi)有出現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)制波形，因此決定去掉調(diào)制解調(diào)部分，將經(jīng)過(guò)功率放大的信號(hào)直接發(fā)射。功率放大部分，采用LM386作為功率放大，因其電路較為簡(jiǎn)單，且放大倍數(shù)可調(diào)，便于電路調(diào)試。2.2.2接收部分耦合通信部分采用并聯(lián)諧振，不會(huì)產(chǎn)生危害設(shè)備安全的諧振過(guò)電壓，通過(guò)LC振蕩電路接收信號(hào)，并傳給后級(jí)電路。前置放大部分運(yùn)用LM358，其適用于單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。LM324也符合電路要求，但由于放大倍數(shù)過(guò)大后失真嚴(yán)重，因此需采用兩級(jí)放大。電路如下：圖2-18LM324放大電路采用兩級(jí)放大后，設(shè)定放大倍數(shù)共100倍，仿真結(jié)果如下：圖2-19LM324放大電路仿真結(jié)果由仿真結(jié)果可知，電路存在部分失真，焊接電路完成后，通過(guò)示波器測(cè)量發(fā)生了嚴(yán)重的半波失真，導(dǎo)致電路無(wú)法使用，因此放棄了LM324，應(yīng)用LM358作為前置放大電路。(注：在后期實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)雖然放大電路產(chǎn)生失真，但后級(jí)LM393電路輸出電壓并不受放大電壓影響，因此即使出現(xiàn)失真也可能不會(huì)影響最終結(jié)果，但由于初次實(shí)驗(yàn)未完全弄清原理，因此放棄了該種方案，選用了LM358)正弦波轉(zhuǎn)方波電路，由參考方案可以看出，LM393電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，因此采用lm393將正弦波轉(zhuǎn)化為方波。顯示電路采用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，雖然stm32精度更高，但小組成員對(duì)于stm32應(yīng)用都不太了解，因此編程難度較大。故仍采用51單片機(jī)結(jié)合數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字的顯示。2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1發(fā)射部分2.3.2接收部分2.4具體電路設(shè)計(jì)2.4.1發(fā)射部分圖2-20發(fā)射部分電路圖2-21發(fā)射部分仿真結(jié)果2.4.2接收部分圖2-22接收部分電路圖2-23接收部分仿真結(jié)果2.5單片機(jī)軟件算法流程2.5.1發(fā)射部分2.5.2接收部分以上為發(fā)射部分和接收部分算法流程圖，具體程序見(jiàn)附錄。由于在本次課程設(shè)計(jì)中我不負(fù)責(zé)軟件程序部分，因此不對(duì)程序具體設(shè)計(jì)與調(diào)試情況作詳細(xì)說(shuō)明。3制作及調(diào)試過(guò)程3.1制作與調(diào)試流程3.1.1資料查閱在明確設(shè)計(jì)任務(wù)后，進(jìn)行了大量的資料查閱，通過(guò)借閱全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的相關(guān)書(shū)籍，初步了解電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程與思路方法。在眾多的競(jìng)賽作品中篩選與本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)要求類(lèi)似的作品，例如“單工無(wú)線(xiàn)呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“無(wú)線(xiàn)識(shí)別裝置”和“無(wú)線(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置”等。參考其發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)的整體思路，學(xué)習(xí)其電路中運(yùn)用的功率放大、運(yùn)算放大等模塊，并運(yùn)用到我們的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中來(lái)。3.1.2設(shè)計(jì)電路，確定方案在查閱相關(guān)資料后，了解了各模塊的備選方案，進(jìn)行了各模塊電路的設(shè)計(jì)和仿真。在確定各模塊的設(shè)計(jì)方案后，將電路連成整體，再通過(guò)軟件進(jìn)行仿真，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，使仿真結(jié)果滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。3.1.3電路焊接整體電路設(shè)計(jì)完成并通過(guò)仿真后，開(kāi)始進(jìn)行電路的焊接工作。焊接首先分模塊進(jìn)行，將不同部分的電路分別焊接，留出輸入輸出接口，便于后續(xù)的分模塊調(diào)試與電路的修改完善。焊接時(shí)充分考慮電路整體性，合理安排和設(shè)計(jì)，盡量使用拖焊，避免飛線(xiàn)的使用對(duì)電路穩(wěn)定性造成影響。同時(shí)在焊接過(guò)程中及時(shí)用萬(wàn)用表對(duì)焊接情況進(jìn)行檢查，保證焊接質(zhì)量。3.1.4分模塊調(diào)試將焊接好的不同模塊電路進(jìn)行分別的調(diào)試。利用信號(hào)發(fā)生源作輸入，輸出接入示波器中顯示。將發(fā)射用單片機(jī)做信號(hào)發(fā)生裝置，通過(guò)不同按鍵產(chǎn)生不同頻率的方波，將輸出直接連入示波器中，首先觀察單片機(jī)是否能產(chǎn)生頻率在5.5±0.5kHz的穩(wěn)定方波。根據(jù)程序設(shè)計(jì)，常態(tài)頻率為5.4kHz。保證常態(tài)頻率正確后，按下按鍵1，頻率應(yīng)為5.1kHz；按下按鍵2，頻率應(yīng)為5.3kHz；按下按鍵3，頻率應(yīng)為5.6kHz。若按鍵后均能保證頻率正確且方波穩(wěn)定，則單片機(jī)輸出方波正確，可以使用。將接收用單片機(jī)做信號(hào)顯示裝置，用信號(hào)發(fā)生源產(chǎn)生不同頻率的方波并輸入單片機(jī)中，若保證方波頻率為常態(tài)頻率5.76kHz時(shí)，單片機(jī)指示燈亮（本設(shè)計(jì)中為單片機(jī)中的第四個(gè)二極管，且數(shù)碼管顯示6）；方波頻率為5.1kHz時(shí)，數(shù)碼管顯示1；方波頻率為5.3kHz時(shí)，數(shù)碼管顯示2；方波頻率為5.6kHz時(shí)，數(shù)碼管顯示3。若指示燈及數(shù)碼管顯示均正常，則用于顯示的單片機(jī)能夠正常工作。根據(jù)示波器的顯示情況了解電路的性能，對(duì)于電路檢查無(wú)誤但始終無(wú)法出現(xiàn)正確結(jié)果的電路，可能是使用的元器件出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)于此種情況進(jìn)行重新焊接；對(duì)于能夠出現(xiàn)電路要求的結(jié)果，但實(shí)現(xiàn)效果不理想的電路進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，直到滿(mǎn)足條件為止?？紤]電路的前后級(jí)匹配，前一級(jí)用示波器輸出的電壓值等參數(shù)應(yīng)作為后一級(jí)的輸入?yún)?shù)，這樣才能保證電路在組合連接時(shí)前后匹配，便于調(diào)試。3.1.5各模塊組合調(diào)試將單獨(dú)調(diào)試沒(méi)有問(wèn)題的各模塊進(jìn)行組合連接。按照電路整體設(shè)計(jì)的模塊順序分別連接進(jìn)行調(diào)試。先對(duì)電路部分進(jìn)行調(diào)試，最后加入單片機(jī)進(jìn)行整體調(diào)試。a.發(fā)射部分用信號(hào)源輸入不同頻率的方波，峰峰值為2.6V（經(jīng)分模塊調(diào)試測(cè)得單片機(jī)輸出方波峰峰值為2.6V，因此用信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)與其匹配），通過(guò)功率放大電路，輸出接入示波器中，觀察示波器中是否為與輸入頻率相同且穩(wěn)定的方波（由于電路主要功能為功率放大，因此對(duì)于電壓的放大不用太多關(guān)注，只需輸出相對(duì)應(yīng)頻率方波即可）。利用單片機(jī)做信號(hào)發(fā)生裝置，通過(guò)不同按鍵產(chǎn)生不同頻率的方波。將單片機(jī)的輸出信號(hào)作為功率放大電路的輸入信號(hào)。檢測(cè)經(jīng)過(guò)功率放大電路的信號(hào)是否仍為頻率正確的方波。若方波穩(wěn)定，頻率正確，且電壓有部分放大，則發(fā)射部分工作正常，將輸出加入導(dǎo)軌后即可進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。b.接收部分接收部分先進(jìn)行耦合測(cè)試。將調(diào)試完成的發(fā)射端用作信號(hào)發(fā)生裝置，并聯(lián)的電容電阻做耦合裝置，輸出信號(hào)接入示波器中。觀察導(dǎo)軌接近耦合裝置時(shí)示波器是否能檢測(cè)到感應(yīng)信號(hào)。若能感應(yīng)發(fā)射端信號(hào)，則繼續(xù)測(cè)量能感應(yīng)的距離。將導(dǎo)軌由近及遠(yuǎn)，每厘米測(cè)試一次。分別將導(dǎo)軌放在不同距離的位置，觀察示波器是否能顯示頻率穩(wěn)定的正弦波。以此確定感應(yīng)的最大距離與能穩(wěn)定感應(yīng)的范圍。耦合部分調(diào)試完成后，可繼續(xù)接入運(yùn)算放大部分。經(jīng)測(cè)定，耦合接收的正弦波峰峰值為60mV，接入運(yùn)算放大部分后，輸出接入示波器中，觀察正弦信號(hào)電壓是否得到放大，同時(shí)觀察其失真情況及放大倍數(shù)。若輸出為穩(wěn)定的正弦波且頻率正確，則該部分正常。實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，由于耦合得到的正弦信號(hào)電壓較小，經(jīng)放大后存在微弱的失真現(xiàn)象，考慮到可能對(duì)后級(jí)影響不大，暫時(shí)通過(guò)該部分測(cè)試。將經(jīng)過(guò)放大的正弦信號(hào)接入整形電路中，利用LM393將輸入的正弦信號(hào)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)。輸出接入到示波器中，觀察能否輸出穩(wěn)定的方波，若能，繼續(xù)觀察其頻率是否正確。分別按下三個(gè)按鍵，觀察其對(duì)應(yīng)頻率是否正確。將LM393輸出的方波輸入到顯示用的單片機(jī)中，常態(tài)頻率下觀察表示的感應(yīng)的指示燈是否正常發(fā)光。然后分別按下按鍵，觀察數(shù)碼管是否正確顯示相應(yīng)數(shù)字。3.2遇到的問(wèn)題與解決辦法3.2.1方案確定問(wèn)題在方案確定過(guò)程中，由于參考資料較多，不同方式各具優(yōu)缺點(diǎn)，因此選擇最適合本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案并不容易。因此在方案選擇的過(guò)程中，小組成員首先認(rèn)真比對(duì)了相似類(lèi)型電子設(shè)計(jì)中使用的不同方案，從整體方案到模塊設(shè)計(jì)均進(jìn)行了相應(yīng)的參考，選擇其中較為簡(jiǎn)單且適合本系統(tǒng)的部分進(jìn)行仿真，若仿真成功，則考慮用在系統(tǒng)中，若仿真有問(wèn)題，先分析問(wèn)題原因，嘗試解決，若無(wú)法解決，則考慮其他方案。最終在通過(guò)仿真的模塊電路中進(jìn)行篩選，進(jìn)行電路整體設(shè)計(jì)，確定最終的設(shè)計(jì)方案。3.2.2電路調(diào)試問(wèn)題在電路調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)諸多問(wèn)題，以下是部分典型問(wèn)題的整理。a.沒(méi)有深入了解電路原理由于在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，只對(duì)各模塊方案進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的選擇和確定，沒(méi)有對(duì)電路及其中使用的芯片原理進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致無(wú)法預(yù)先想到電路可能出現(xiàn)的問(wèn)題，也就無(wú)法提早對(duì)電路可能存在的問(wèn)題進(jìn)行有效的避免，導(dǎo)致電路在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)失真、工作不穩(wěn)定、性能差等問(wèn)題，且需要在問(wèn)題出現(xiàn)后再尋找解決辦法，而此時(shí)電路焊接已經(jīng)完成，再對(duì)電路進(jìn)行修改難度較大，且會(huì)影響電路焊接和性能。因此在今后的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)該先對(duì)電路原理進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，并對(duì)其可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，以減少實(shí)際測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。b.電路仿真與實(shí)際不相符在本次電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們對(duì)所有電路都進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，且仿真結(jié)果正確后再進(jìn)行電路的焊接，但實(shí)際焊接完成的電路與仿真差別較大。由于實(shí)際情況復(fù)雜，干擾較多，且元件及電路穩(wěn)定性都不可能像仿真環(huán)境下那樣完美，因此即使仿真正確，還需要及時(shí)對(duì)電路進(jìn)行實(shí)際的焊接和測(cè)試，以解決實(shí)際電路中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行調(diào)試和修改。c.前后級(jí)匹配問(wèn)題在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用的是分模塊設(shè)計(jì)調(diào)試最后進(jìn)行系統(tǒng)整體調(diào)試的方法。這樣在保證各模塊可以正常運(yùn)行的同時(shí)，還要考慮前后級(jí)匹配問(wèn)題。使用信號(hào)發(fā)生器做信號(hào)源時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的輸入信號(hào)的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以使其在各模塊連接調(diào)試時(shí)還能夠正常工作。開(kāi)始在電路調(diào)試過(guò)程中，我們沒(méi)有對(duì)前后級(jí)匹配問(wèn)題給予足夠的重視，只是記錄前級(jí)電路輸出在示波器中的相應(yīng)參數(shù)，再用信號(hào)發(fā)生器調(diào)整到同樣的參數(shù)作為后級(jí)輸入。在前后級(jí)分模塊測(cè)試正確的情況下，將兩級(jí)電路聯(lián)調(diào)卻發(fā)現(xiàn)電路無(wú)法正常工作。經(jīng)過(guò)請(qǐng)教同學(xué)，我們?cè)谶M(jìn)行前后級(jí)聯(lián)調(diào)時(shí)，在前級(jí)與后級(jí)的連接處再引入示波器，充分考慮后級(jí)電路對(duì)前級(jí)造成的影響，通過(guò)示波器觀察聯(lián)調(diào)時(shí)前級(jí)電路的輸出情況，再對(duì)電路進(jìn)行修正，進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。d.電路工作穩(wěn)定性由于真實(shí)環(huán)境復(fù)雜，電路的穩(wěn)定工作受到多方面影響。例如，在進(jìn)行耦合測(cè)試的初始階段，我們將發(fā)射端導(dǎo)軌接近并聯(lián)耦合的電感電容，發(fā)現(xiàn)雖然電路能感應(yīng)信號(hào)，但頻率很不穩(wěn)定，波動(dòng)極大，無(wú)法滿(mǎn)足后級(jí)電路的工作需求。在檢查電路無(wú)誤后，我們發(fā)現(xiàn)是由于之前焊接的出現(xiàn)問(wèn)題的電容電感沒(méi)有拔除，雖然未接入電路中，但電容電感產(chǎn)生的LC振蕩對(duì)電路周?chē)碾姶艌?chǎng)產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作。去掉無(wú)用的電容電感后，耦合問(wèn)題得到解決。e.電路焊接或元器件問(wèn)題電路焊接與元器件質(zhì)量問(wèn)題也是影響電路正常工作的重要因素之一。焊接過(guò)程中可能存在虛焊、短路、少錫、多錫等諸多問(wèn)題，而這些問(wèn)題的存在都會(huì)影響電路的性能甚至導(dǎo)致其無(wú)法正常工作。因此，在焊接過(guò)程中應(yīng)掌握焊接要點(diǎn)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的電路焊接，避免出現(xiàn)由于電路焊接問(wèn)題導(dǎo)致的錯(cuò)誤。元器件質(zhì)量問(wèn)題也可能影響電路正常工作。本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們的電感質(zhì)量存在問(wèn)題，電路始終沒(méi)有辦法正確耦合，在確定不是電路其他部分的問(wèn)題后，我們使用了其他小組的電感電容，發(fā)現(xiàn)可以正常耦合，因此再次更換電容電感，使問(wèn)題得以解決。此外，導(dǎo)軌的選擇也十分重要。選擇連接良好、長(zhǎng)度適宜的導(dǎo)軌可增強(qiáng)耦合的穩(wěn)定性，而接觸不良的導(dǎo)軌則會(huì)對(duì)耦合產(chǎn)生十分嚴(yán)重的影響，降低耦合性能甚至無(wú)法進(jìn)行耦合。f.接地問(wèn)題接地問(wèn)題也是對(duì)電路在調(diào)試過(guò)程中需要十分注意的。很多時(shí)候由于接地不良導(dǎo)致示波器顯示不穩(wěn)甚至沒(méi)有波形，此時(shí)再不斷檢查電路會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間。因此在電路調(diào)試過(guò)程中，一定要保證電路的正確且穩(wěn)定的連接，避免因?yàn)榻佑|不良影響電路工作。3.2.3其他問(wèn)題設(shè)計(jì)任務(wù)中要求發(fā)射端與接收端均使用單電源供電。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段，我們沒(méi)有考慮單電源供電的問(wèn)題，因此單片機(jī)運(yùn)用了單獨(dú)的電源供電且各芯片工作電壓不一致。為解決單電源供電的問(wèn)題，首先，我們將單片機(jī)與電路的電源引腳相連，使用單電源給電路和單片機(jī)供電。由于單片機(jī)正常工作電壓為5V，雖然要求中允許使用+12V電源，但為了避免降壓芯片的使用，我們將各芯片工作電壓進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，使各芯片均在+5V電壓下工作，對(duì)于放大電路，通過(guò)改變電阻彌補(bǔ)由于電壓減小造成的放大倍數(shù)減小。在進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整后，發(fā)射端實(shí)現(xiàn)了單電源供電，但接收端采用+5V供電時(shí)會(huì)導(dǎo)致頻率的倍增，因此最終電路部分采用+3V供電，接收端單片機(jī)仍為+5V供電。4系統(tǒng)測(cè)試4.1測(cè)試方法（含接線(xiàn)圖）充分利用電子儀器，例如示波器、函數(shù)發(fā)生器及萬(wàn)用表等對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中也要掌握科學(xué)合理的方法，達(dá)到事半功倍的效果。測(cè)試過(guò)程中采用了先分塊調(diào)試，再系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的辦法。電路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，從最前端到末級(jí)逐級(jí)測(cè)試，不斷縮小故障范圍，對(duì)于出現(xiàn)問(wèn)題的模塊，切斷電路間的相互聯(lián)系，對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，并與正常電路進(jìn)行對(duì)比，用正常的電路代替問(wèn)題電路，確定不是其模塊自身問(wèn)題后再考慮前后級(jí)電路及周?chē)h(huán)境的影響。4.2測(cè)試數(shù)據(jù)（表格）電路模塊功能詳述供電電壓（V）輸入?yún)?shù)輸出參數(shù)波形峰值(V)波形峰值(V)單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率的方波+5無(wú)方波2.6功放電路增加導(dǎo)軌電流，增加感應(yīng)距離和穩(wěn)定性+5方波2.6方波4.1耦合通信通過(guò)電磁耦合接收發(fā)射端的信息無(wú)方波4.1正弦波60m運(yùn)放電路放大感應(yīng)電壓，以使后級(jí)電路正常工作+5正弦波60m正弦波2.7整形電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波+5正弦波2.7方波3.2單片機(jī)測(cè)量頻率，顯示數(shù)字+5方波3.2顯示數(shù)字其他通信距離5cm識(shí)別率90%4.3數(shù)據(jù)分析和結(jié)論由于電路中所有芯片均采用+5V電壓供電，雖然簡(jiǎn)化了電路，但影響了功放電路與運(yùn)放電路的放大倍數(shù)，進(jìn)而影響了數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)木嚯x，使得通信距離過(guò)近，需采用減小負(fù)載電阻的方式增加電流，以增加通信距離。由于發(fā)射與接收均使用單片機(jī)，發(fā)射端利用程序產(chǎn)生頻率不同的方波，接收端通過(guò)程序檢測(cè)頻率并進(jìn)行顯示，雖然延時(shí)較為嚴(yán)重，但識(shí)別率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。5系統(tǒng)使用說(shuō)明5.1系統(tǒng)外觀及接口說(shuō)明（含實(shí)物照片）圖5-1系統(tǒng)整體圖5.2系統(tǒng)操作使用說(shuō)明a.發(fā)射部分除復(fù)位鍵外，其余三個(gè)按鍵分別發(fā)送頻率為5.12KHz、5.24KHz、5.62KHz的方波，5.36KHz為常態(tài)頻率。有三個(gè)按鍵可供操作，分別為按鍵1、按鍵2、按鍵3，按下不同按鍵可在接收部分單片機(jī)上看到相應(yīng)的數(shù)字顯示。b.接收部分當(dāng)使用者分別按下按鍵1、按鍵2、按鍵3時(shí)，接收部分單片機(jī)數(shù)碼管分別顯示1、2、3。接收到常態(tài)頻率時(shí)顯示6，同時(shí)點(diǎn)亮相對(duì)應(yīng)的指示燈。按下按鍵4時(shí)顯示學(xué)號(hào)。6總結(jié)6.1本人所做工作在本次電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我主要負(fù)責(zé)硬件部分。6.1.1方案確定及電路設(shè)計(jì)查閱相關(guān)資料，參考已有的電子系統(tǒng)進(jìn)行本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先確定備選方案，再并對(duì)各方案進(jìn)行比較選擇；確定整體方案后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇不同電路和芯片實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模塊的功能；將仿真通過(guò)并確定使用的電路模塊進(jìn)行匯總、連接，利用軟件進(jìn)行仿真測(cè)試；最后對(duì)連接完成的各模塊進(jìn)行整體評(píng)估，確定最終的電路圖。6.1.2電路焊接根據(jù)設(shè)計(jì)完成的電路圖進(jìn)行電路的焊接，在焊接過(guò)程中盡量保證焊接質(zhì)量