电子系统课程设计报告最终版.docx
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电子系统课程设计报告最终版
国家电工电子实验教学中心
电子系统课程设计
设计报告
设计题目：
模拟机车信号系统
学院：
电子信息工程学院
专业：
自动化
学生姓名：
学号：
任课教师：
2016年5月18日
1设计任务要求
设计并制作一个如图所示的模拟机车信号系统，系统能够模拟车载接收设备（以下简称接收机）通过无线方式从轨道中提取地面信号发射机（以下简称发射机）注入到轨道中的信号并进行显示的功能。
图1-1模拟机车信号系统示意图
2设计方案及论证
2.1任务分析（分模块方案分析）
2.1.1信号发生
a.频率可调555方波发生器
由555定时器构成的多谐振荡器可以产生频率可调的方波，且由于其内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，利用555定时器产生的频率受电源电压和温度变化的影响很小。
振荡频率为：
电路输出波形占空比为：
电路图如下:
图2-1频率可调555方波发生电路
b.利用单片机实现
利用单片机可产生频率可调的方波。
通过改变编程即可改变方波频率，且编程较为容易实现。
2.1.2调制电路与解调电路
概念：
调制就是用调制信号去控制载波信号，让后者的某一特征参数按前者变化。
常见调制方法有调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）等。
常见的调制电路有乘法器、开关电路调制、信号相加调制等。
原因：
信号调制的原因主要有三方面。
一是将基带信号的低通频谱搬移到较高的载波频率上，可以使发送信号的信号频谱符合传输信道的频谱特征。
简单理解，就是信号调制以后可以传得更远，提高无线通信时的天线辐射效率；二是可以把多个基带信号分别搬移到不同的载频处，以实现信号的多路复用，提高信道利用率；三是可以扩展信号带宽，提高系统抗干扰、抗衰弱能力。
本实验中使用调制电路，主要考虑到可以增加传输距离，增强抗干扰能力。
方式：
调制的方式是由载波信号的可变参数决定的，以下是一个简单的载波信号：
这里的
是载波信号的中心频率，
是振幅，
是相位。
载波信号的可变参数只有振幅、频率和相位，所以调制方式也就有三种。
基本的数字调制解调有ASK、FSK、PSK三种。
a.ASK调制与解调
调制：
载波幅度是随着调制信号而变化的。
其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断。
2ASK是利用代表数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。
有载波输出时表示发送“1”，无载波输出时表示发送“0”。
其信号的产生方法通常有两种：
模拟相乘法：
通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号，这种直接利用二进制数字信号的振幅来调制正弦载波的方式称为模拟相乘法，在该电路中载波信号和二进制数字信号同时输入到相乘器中完成调制。
电路图如下：
图2-2ASK模拟相乘法调制电路
数字键控法：
用开关电路控制输出调制信号，当开关接载波就有信号输出，当开关接地就没信号输出，其电路如下图所示：
图2-2ASK模拟相乘法调制电路
解调：
2ASK有两种基本的解调方式：
非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。
图2-3ASK非相干解调电路
图2-4ASK相干解调电路
ASK调制解调方式电路简单，易于实现，但抗干扰能力较差。
b.FSK调制与解调
调制：
FSK的信号调制有两种方法：
直接调频法和频移键控法。
直接调频法，就是将输入的基带脉冲去控制一个振荡器的某种参数，而达到改变振荡频率的目的。
虽然方法简单，但频率稳定度不高，同时转移速度不能太高。
图2-5FSK直接调频法电路
频移键控法就是利用矩形脉冲序列控制的开关电路，对两个不同的独立频率源进行选通。
一般来说，键控法采用两个独立的振荡器,得到的是相位不连续的2FSK信号；而且直接调频法f1,f2由同一个谐振电路产生，则得到相位连续的2FSK信号。
图2-6FSK移频键控法调制电路
解调：
2FSK信号的解调方法有：
非相干解调法、相干解调法、鉴频法、过零检测法等。
锁相环路的输出信号频率可以精确地跟踪输入参考信号频率的变化,环路锁定后输入参考信号和输出参考信号之间的稳态相位误差可以通过增加环路增益被控制在所需数值范围内。
这种输出信号频率随输入参考信号频率变化的特性称为锁相环的跟踪特性.利用此特性可以做载波跟踪型锁相环及调制跟踪型锁相环。
为了实现信息的远距离传输，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复出原信号。
所谓的解调就是用携带信息的输出信号，来还原载波信号的参数，载波信号的参数有幅度、频率和位相。
调频波（经过放大器放大后）与压控振荡器的输出被送入鉴相器，经鉴相器获得变化的相位误差的电压，该误差电压通过低通滤波器被滤出高频成份，从而获得随调制信号频率变化而变化的解调信号，从而实现了解调（鉴频）过程。
其原理框图如下（锁相环解调）：
图2-7锁相环解调电路
FSK的优缺点介于ASK与PSK中间，电路复杂程度与抗干扰能力均处于另外两种调制方式中间。
c.PSK调制解调
相移键控是利用载波的不同相位来传递数字信息，而振幅和频率保持不变。
在2PSK中，通常用初始相位0和π分别表示二进制“0”和“1”。
调制方法有模拟调制和键控法:
图2-8PSK模拟调制电路
图2-9PSK键控法调制电路
解调:
图2-10PSK相干法解调电路
PSK的主要优点是抗干扰能力非常强，但电路颇为复杂。
2.1.3功放电路
功放电路是以输出较大功率为目的的放大电路，一般直接驱动负载，带载能力要强。
该电路的主要考虑因素有输出功率要大，效率要高，非线性失真要小。
功放电路按照输出级与后级电路的连接方式可分为：
OTL、OCL、BTL等；按功率管的偏置又可分为甲类、乙类、甲乙类及丙类四种。
考虑到电路的难易程度，一下讨论OTL功率放大。
a.OTL功率放大
OTL电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路。
通常采用电源供电，从两组串联的输出中点通过电容耦合输出信号。
OTL（Outputtransformerless）电路是一种没有输出变压器的功率放大电路，不再用输出变压器，而采用输出电容与负载连接的互补对称功率放大电路，使电路轻便、适于电路的集成化，只要输出电容的容量足够大，电路的频率特性也能保证，是目前常见的一种功率放大电路。
图2-11OTL功率放大电路
它的特点是：
采用互补对称电路（NPN、PNP参数一致，互补对称，均为射随组态，串联，中间两管子的射极作为输出），有输出电容，单电源供电，电路轻便可靠。
“两组串联的输出中点”可理解为采用互补对称电路（NPN、PNP参数一致，互补对称，均为射随组态，串联，中间两管子的射极作为输出）。
OTL电路的优点是只需要一组电源供电。
缺点是需要能把一组电源变成了两组对称正、负电源的大电容；低频特性差。
b.lm386功率放大
lm386是集成OTL型功放电路的常见类型，与通用型集成运放的特性相似，是一个三级放大电路：
第一级为差分放大电路；第二级为共射放大电路；第三级为准互补输出级功放电路。
LM386静态功耗低,约为4mA,可用于电池供电；工作电压范围宽,4-12Vor5-18V；外围元件少；电压增益可调（20-200）；具有低失真度。
因其具有自身功耗低、增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。
图2-12LM386典型应用电路
2.1.4耦合通信
本系统中已确定发射端通过导轨（线圈）进行信号的发射，接收端由耦合线圈（绕制线圈或电感元件）接收，利用LC振荡电路，进行耦合通信。
a.串联谐振
因为感抗等于容抗，所以阻抗达到最小值，具有纯电阻特性；在电压不变的情况下，电路中的电流达到最大值即为谐振电流；由于谐振时容抗等于感抗，所以电感上的电压等于电容上的电压，而电感和电容上的电压与电阻有关，如果感抗和容抗远大于电阻时，则电感和电容上的电压可能远大于电源电压，因而串联谐振又称电压谐振，具有破坏性。
b.并联谐振
并联谐振时电路的总电流最小，与电压同相，即电路的总阻抗达到最大值，电路呈电阻性；支路电流占总电流的倍数就是谐振电路的品质因数Q，所以并联谐振又称为电流谐振。
因而，并联谐振不会产生危害设备安全的谐振过电压，且功率因数达到最大值，可以被应用。
2.1.5前置放大电路
a.LM324
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽,静态功耗小,可单电源使用,价格低廉等优点,因此被广泛应用在各种电路中。
LM324作同相交流放大器，同相交流放大器的特点是输入阻抗高。
其中的R1、R2组成1/2V+分压电路,通过R3对运放进行偏置。
电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：
Av=1+Rf/R4,电路输入电阻为R3。
R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。
图2-13LM324典型应用电路
b.LM358
LM358是双运算放大器。
内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
2.1.6正弦波转换电路
该部分电路需将接收端收到的正弦信号变化为脉冲信号，并输入后级电路进行频率测量。
a.施密特触发器
由555定时器构成施密特触发器，
图2-14施密特触发电路
b.迟滞比较器
图2-15迟滞比较器电路
c.LM393电压比较器
LM393是双电压比较器集成电路。
输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路（当不用负载电阻没被运用），输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制.当达到极限电流（16mA）时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。
图2-16LM393应用电路
2.1.7显示电路
a.使用STC89C52单片机测量方波频率
STC89C52系列单片机具有体积小、功能强、性能价格比较高等特点，因此被广泛应用与工业控制和智能化仪器，仪表等领域。
此频率计以STC89C52单片机为核心，具有性能优良，精度高，可靠性好等特点。
以STC89C52单片机为控制器件的频率测量方法，采用单片机语言进行设计，采用单片机智能控制，结合外围电子电路。
最终实现数字频率计的设计方案，根据频率计的特点，广泛应用于各种测试场所。
用单片机设计频率计的基本思想：
使用单片机自带的定时器定时1秒，在一秒内计数器对输入脉冲进行计数，定时完成后读取计数器的值，并输出到数码管予以显示。
b.stm32测量方波频率
利用stm32测量方波程序与51单片机基本相同，但stm32精度更高，速度更快。
2.2方案比较
2.2.1发射部分
信号发生在上面给出555定时器和利用单片机产生两种方式，本设计中采用单片机产生频率不同的方波，由于之前的课程设计中单片机已经焊接完成，烧入程序后即可直接使用，若利用555定时器，可能在电路焊接与调试部分出现问题，所以采用51单片机作为信号发生装置。
调制部分由于本设计功能较为简单，外部环境干扰较小，因此采用ASK方式。
图2-17ASK调制仿真电路
以上电路参考了全国大学生电子设计竞赛“无线环境监测模拟装置”中的调制电路的设计，由于其采用的有源正弦波晶振无法直接利用proteus进行仿真，因此将其内部原理画在电路中。
但经过仿真，该电路没有出现相应的调制波形，因此决定去掉调制解调部分，将经过功率放大的信号直接发射。
功率放大部分，采用LM386作为功率放大，因其电路较为简单，且放大倍数可调，便于电路调试。
2.2.2接收部分
耦合通信部分采用并联谐振，不会产生危害设备安全的谐振过电压，通过LC振荡电路接收信号，并传给后级电路。
前置放大部分运用LM358，其适用于单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM324也符合电路要求，但由于放大倍数过大后失真严重，因此需采用两级放大。
电路如下：
图2-18LM324放大电路
采用两级放大后，设定放大倍数共100倍，仿真结果如下：
图2-19LM324放大电路仿真结果
由仿真结果可知，电路存在部分失真，焊接电路完成后，通过示波器测量发生了严重的半波失真，导致电路无法使用，因此放弃了LM324，应用LM358作为前置放大电路。
（注：
在后期实验过程中，我们发现虽然放大电路产生失真，但后级LM393电路输出电压并不受放大电压影响，因此即使出现失真也可能不会影响最终结果，但由于初次实验未完全弄清原理，因此放弃了该种方案，选用了LM358）
正弦波转方波电路，由参考方案可以看出，LM393电路简单，易于实现，因此采用lm393将正弦波转化为方波。
显示电路采用51单片机实现，虽然stm32精度更高，但小组成员对于stm32应用都不太了解，因此编程难度较大。
故仍采用51单片机结合数码管进行数字的显示。
2.3系统结构设计
2.3.1发射部分
2.3.2接收部分
2.4具体电路设计
2.4.1发射部分
图2-20发射部分电路
图2-21发射部分仿真结果
2.4.2接收部分
图2-22接收部分电路
图2-23接收部分仿真结果
2.5单片机软件算法流程
2.5.1发射部分
2.5.2接收部分
以上为发射部分和接收部分算法流程图，具体程序见附录。
由于在本次课程设计中我不负责软件程序部分，因此不对程序具体设计与调试情况作详细说明。
3制作及调试过程
3.1制作与调试流程
3.1.1资料查阅
在明确设计任务后，进行了大量的资料查阅，通过借阅全国大学生电子设计竞赛的相关书籍，初步了解电子系统的设计流程与思路方法。
在众多的竞赛作品中筛选与本次课程设计任务要求类似的作品，例如“单工无线呼叫系统设计”、“无线识别装置”和“无线环境监测模拟装置”等。
参考其发射与接收电路设计的整体思路，学习其电路中运用的功率放大、运算放大等模块，并运用到我们的电子系统设计中来。
3.1.2设计电路，确定方案
在查阅相关资料后，了解了各模块的备选方案，进行了各模块电路的设计和仿真。
在确定各模块的设计方案后，将电路连成整体，再通过软件进行仿真，调整相应参数，使仿真结果满足实验要求。
3.1.3电路焊接
整体电路设计完成并通过仿真后，开始进行电路的焊接工作。
焊接首先分模块进行，将不同部分的电路分别焊接，留出输入输出接口，便于后续的分模块调试与电路的修改完善。
焊接时充分考虑电路整体性，合理安排和设计，尽量使用拖焊，避免飞线的使用对电路稳定性造成影响。
同时在焊接过程中及时用万用表对焊接情况进行检查，保证焊接质量。
3.1.4分模块调试
将焊接好的不同模块电路进行分别的调试。
利用信号发生源作输入，输出接入示波器中显示。
将发射用单片机做信号发生装置，通过不同按键产生不同频率的方波，将输出直接连入示波器中，首先观察单片机是否能产生频率在5.5±0.5kHz的稳定方波。
根据程序设计，常态频率为5.4kHz。
保证常态频率正确后，按下按键1，频率应为5.1kHz；按下按键2，频率应为5.3kHz；按下按键3，频率应为5.6kHz。
若按键后均能保证频率正确且方波稳定，则单片机输出方波正确，可以使用。
将接收用单片机做信号显示装置，用信号发生源产生不同频率的方波并输入单片机中，若保证方波频率为常态频率5.76kHz时，单片机指示灯亮（本设计中为单片机中的第四个二极管，且数码管显示6）；方波频率为5.1kHz时，数码管显示1；方波频率为5.3kHz时，数码管显示2；方波频率为5.6kHz时，数码管显示3。
若指示灯及数码管显示均正常，则用于显示的单片机能够正常工作。
根据示波器的显示情况了解电路的性能，对于电路检查无误但始终无法出现正确结果的电路，可能是使用的元器件出现问题，对于此种情况进行重新焊接；对于能够出现电路要求的结果，但实现效果不理想的电路进行参数的调整，直到满足条件为止。
考虑电路的前后级匹配，前一级用示波器输出的电压值等参数应作为后一级的输入参数，这样才能保证电路在组合连接时前后匹配，便于调试。
3.1.5各模块组合调试
将单独调试没有问题的各模块进行组合连接。
按照电路整体设计的模块顺序分别连接进行调试。
先对电路部分进行调试，最后加入单片机进行整体调试。
a.发射部分
用信号源输入不同频率的方波，峰峰值为2.6V（经分模块调试测得单片机输出方波峰峰值为2.6V，因此用信号发生器输入信号与其匹配），通过功率放大电路，输出接入示波器中，观察示波器中是否为与输入频率相同且稳定的方波（由于电路主要功能为功率放大，因此对于电压的放大不用太多关注，只需输出相对应频率方波即可）。
利用单片机做信号发生装置，通过不同按键产生不同频率的方波。
将单片机的输出信号作为功率放大电路的输入信号。
检测经过功率放大电路的信号是否仍为频率正确的方波。
若方波稳定，频率正确，且电压有部分放大，则发射部分工作正常，将输出加入导轨后即可进行后续测试。
b.接收部分
接收部分先进行耦合测试。
将调试完成的发射端用作信号发生装置，并联的电容电阻做耦合装置，输出信号接入示波器中。
观察导轨接近耦合装置时示波器是否能检测到感应信号。
若能感应发射端信号，则继续测量能感应的距离。
将导轨由近及远，每厘米测试一次。
分别将导轨放在不同距离的位置，观察示波器是否能显示频率稳定的正弦波。
以此确定感应的最大距离与能稳定感应的范围。
耦合部分调试完成后，可继续接入运算放大部分。
经测定，耦合接收的正弦波峰峰值为60mV，接入运算放大部分后，输出接入示波器中，观察正弦信号电压是否得到放大，同时观察其失真情况及放大倍数。
若输出为稳定的正弦波且频率正确，则该部分正常。
实际测量中发现，由于耦合得到的正弦信号电压较小，经放大后存在微弱的失真现象，考虑到可能对后级影响不大，暂时通过该部分测试。
将经过放大的正弦信号接入整形电路中，利用LM393将输入的正弦信号变为方波信号。
输出接入到示波器中，观察能否输出稳定的方波，若能，继续观察其频率是否正确。
分别按下三个按键，观察其对应频率是否正确。
将LM393输出的方波输入到显示用的单片机中，常态频率下观察表示的感应的指示灯是否正常发光。
然后分别按下按键，观察数码管是否正确显示相应数字。
3.2遇到的问题与解决办法
3.2.1方案确定问题
在方案确定过程中，由于参考资料较多，不同方式各具优缺点，因此选择最适合本次系统设计的方案并不容易。
因此在方案选择的过程中，小组成员首先认真比对了相似类型电子设计中使用的不同方案，从整体方案到模块设计均进行了相应的参考，选择其中较为简单且适合本系统的部分进行仿真，若仿真成功，则考虑用在系统中，若仿真有问题，先分析问题原因，尝试解决，若无法解决，则考虑其他方案。
最终在通过仿真的模块电路中进行筛选，进行电路整体设计，确定最终的设计方案。
3.2.2电路调试问题
在电路调试过程中出现诸多问题，以下是部分典型问题的整理。
a.没有深入了解电路原理
由于在进行电路设计过程中，只对各模块方案进行了认真细致的选择和确定，没有对电路及其中使用的芯片原理进行深入的学习，导致无法预先想到电路可能出现的问题，也就无法提早对电路可能存在的问题进行有效的避免，导致电路在实际测试过程中出现失真、工作不稳定、性能差等问题，且需要在问题出现后再寻找解决办法，而此时电路焊接已经完成，再对电路进行修改难度较大，且会影响电路焊接和性能。
因此在今后的电子系统设计过程中，还应该先对电路原理进行深入的学习，并对其可能出现的问题进行相应的改进设计，以减少实际测试过程中出现的问题。
b.电路仿真与实际不相符
在本次电子系统设计过程中，我们对所有电路都进行了相应的仿真，且仿真结果正确后再进行电路的焊接，但实际焊接完成的电路与仿真差别较大。
由于实际情况复杂，干扰较多，且元件及电路稳定性都不可能像仿真环境下那样完美，因此即使仿真正确，还需要及时对电路进行实际的焊接和测试，以解决实际电路中出现的问题，进行调试和修改。
c.前后级匹配问题
在电子系统设计过程中，采用的是分模块设计调试最后进行系统整体调试的方法。
这样在保证各模块可以正常运行的同时，还要考虑前后级匹配问题。
使用信号发生器做信号源时，要根据实际的输入信号的相应参数进行调整，以使其在各模块连接调试时还能够正常工作。
开始在电路调试过程中，我们没有对前后级匹配问题给予足够的重视，只是记录前级电路输出在示波器中的相应参数，再用信号发生器调整到同样的参数作为后级输入。
在前后级分模块测试正确的情况下，将两级电路联调却发现电路无法正常工作。
经过请教同学，我们在进行前后级联调时，在前级与后级的连接处再引入示波器，充分考虑后级电路对前级造成的影响，通过示波器观察联调时前级电路的输出情况，再对电路进行修正，进行进一步测试。
d.电路工作稳定性
由于真实环境复杂，电路的稳定工作受到多方面影响。
例如，在进行耦合测试的初始阶段，我们将发射端导轨接近并联耦合的电感电容，发现虽然电路能感应信号，但频率很不稳定，波动极大，无法满足后级电路的工作需求。
在检查电路无误后，我们发现是由于之前焊接的出现问题的电容电感没有拔除，虽然未接入电路中，但电容电感产生的LC振荡对电路周围的电磁场产生了影响，导致电路无法正常工作。
去掉无用的电容电感后，耦合问题得到解决。
e.电路焊接或元器件问题
电路焊接与元器件质量问题也是影响电路正常工作的重要因素之一。
焊接过程中可能存在虚焊、短路、少锡、多锡等诸多问题，而这些问题的存在都会影响电路的性能甚至导致其无法正常工作。
因此，在焊接过程中应掌握焊接要点，进行标准规范的电路焊接，避免出现由于电路焊接问题导致的错误。
元器件质量问题也可能影响电路正常工作。
本次实验过程中，我们的电感质量存在问题，电路始终没有办法正确耦合，在确定不是电路其他部分的问题后，我们使用了其他小组的电感电容，发现可以正常耦合，因此再次更换电容电感，使问题得以解决。
此外，导轨的选择也十分重要。
选择连接良好、长度适宜的导轨可增强耦合的稳定性，而接触不良的导轨则会对耦合产生十分严重的影响，降低耦合性能甚至无法进行耦合。
f.接地问题
接地问题也是对电路在调试过程中需要十分注意的。
很多时候由于接地不良导致示波器显示不稳甚至没有波形，此时再不断检查电路会浪费很多时间。
因此在电路调试过程中，一定要保证电路的正确且稳定的连接，避免因为接触不良影响电路工作。
3.2.3其他问题
设计任务中要求发射端与接收端均使用单电源供电。
在系统设计的初始阶段，我们没有考虑单电源供电的问题，因此单片机运用了单独的电源供电且各芯片工作电压不一致。
为解决单电源供电的问题，首先，我们将单片机与电路的电源引脚相连，使用单电源给电路和单片机供电。
由于单片机正常工作电压为5V，虽然要求中允许使用+12V电源，但为了避免降压芯片的使用，我们将各芯片工作电压进行了相应的调整，使各芯片均在+5V电压下工作，对于放大电路，通过改变电阻弥补由于电压减小造成的放大倍数减小。
在进行相应调整后，发射端实现了单电源供电，但接收端采用+5V供电时会导致频率的倍增，因此最终电路部分采用+3V供电，接收端单片机仍为+5V供电。
4系统测试
4.1测
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