PAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

1、8090論文網(wǎng)摘要采樣定理在通信系統(tǒng)、信息傳輸理論方面占有十分重要的地位。采樣過程是模擬信號數(shù)字化的第一步，采樣性能的優(yōu)劣關(guān)系到通信設(shè)備整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)。利用采樣脈沖把一個連續(xù)信號變?yōu)殡x散時間樣值的過程稱為采樣，采樣后的信號稱為脈沖調(diào)幅（PAM）信號。電子工程信息論文研究和實現(xiàn)了可以用于通信原理實驗，功能完備的PAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)。本論文針對實驗室需求特點，系統(tǒng)地論述了PAM調(diào)制解調(diào)技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展和電路的設(shè)計制作過程及應(yīng)用，采用脈沖產(chǎn)生模塊，函數(shù)信號發(fā)生模塊，電源模塊，PAM調(diào)制解調(diào)模塊等四個模塊開發(fā)簡易多功能通信原理實驗系統(tǒng)，除了實現(xiàn)采樣定理實驗外，還可以充當(dāng)信號發(fā)生器提供實驗中常用信號（

2、如三角波，正弦波，方波，脈沖波），直流穩(wěn)壓電源等功能。本設(shè)計所研究和開發(fā)的PAM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)電路，可為實驗室相關(guān)實驗的開設(shè)和后續(xù)研究提供實用的研究平臺。關(guān)鍵詞：PAM，采樣定理，信號發(fā)生器，穩(wěn)壓電源ABSTRACTSampling Theorem is very important both in theory of communication systems and information transmission. Sampling process is the first step of converting analog signals into digital signals and

3、 the performance of the sampling is related to performance of the communication equipments. Sampling is the process of using sampling pulse to turn a continuous signal into a discrete time signal, and the latter is called Pulse Amplitude Modulation (PAM) signal. This thesis studies and realizes a fu

4、lly functional system-PAM modulator and demodulator, which can be used in communication principle labs.The thesis is targeted at the needing features of laboratory, and describes the current situation and development of PAM technologies, the circuit design and application. It uses pulse generator mo

5、dule, function signal generator module, power module and PAM module to develop a simple experimental system with multiple functions. It can not only realize the sampling theorem experiment, but also act as a signal generator which can provide triangle wave, sine wave, square wave and pulse wave and

6、a DC power supply, etc.The PAM modulation and demodulation system, which is studied and developed by this thesis, provides a practical research platform for related laboratory experiments in the future. Keywords: PAM, Sampling, Theorem, Signal Generator, Power Regulators 目錄摘要IABSTRACTII第1章 緒論11.1背景1

7、1.1.1 采樣定理的現(xiàn)狀和地位11.1.2 信號產(chǎn)生技術(shù)狀況11.1.3 電源發(fā)展趨勢21.2 課題主要研究內(nèi)容和意義2第2章 PAM概述和原理42.1 PAM原理42.1.1 采樣信號的時域分析42.1.2 采樣信號的頻域分析52.2 濾波器的原理62.2.1 設(shè)計要點72.2.2 濾波器的原理及論證72.2.3 Sallen Key濾波器數(shù)學(xué)分析8第3章 PAM采樣系統(tǒng)的實現(xiàn)103.1 PAM系統(tǒng)框圖103.2 電壓保持電路103.2.1 采樣保持電路的原理103.2.2 目前常用的采樣保持芯片123.2.3 對保持電容大小的分析133.3 濾波器的MULTISIM仿真及分析143.4

8、PAM調(diào)制解調(diào)模塊電路153.5 脈沖產(chǎn)生模塊電路16第4章 信號產(chǎn)生電路與電源的實現(xiàn)174.1 信號發(fā)生器概述和原理174.1.1 相移法174.1.2 文氏橋184.1.3 集成電路ICL8038184.2 信號發(fā)生器的設(shè)計194.2.1 信號發(fā)生器設(shè)計方案論證194.2.2 函數(shù)信號產(chǎn)生單元電路設(shè)計214.3 電源設(shè)計224.3.1 線性穩(wěn)壓電源設(shè)計224.3.2 電源電流的擴展234.3.3 直流穩(wěn)壓電路單元的設(shè)計23第5章 系統(tǒng)測試分析255.1 系統(tǒng)各模塊的最終方案255.2 系統(tǒng)測試和結(jié)果分析255.2.1 電源模塊測試255.2.2 信號產(chǎn)生模塊測試265.2.3 PAM模塊測

9、試265.2.4 測試結(jié)果分析27第6章 結(jié)論30致謝32附錄1 電源與信號電路原理圖34附錄2 PAM調(diào)制與解調(diào)電路原理圖35附錄3 PAM調(diào)制解調(diào)模塊PCB板圖（反面）36附錄4 PAM調(diào)制解調(diào)模塊PCB板圖（正面）37附錄5 電源與信號產(chǎn)生模塊PCB板圖38附錄6 電路板圖398090論文網(wǎng)浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院2007屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章 緒論1.1背景1.1.1 采樣定理的現(xiàn)狀和地位PAM技術(shù)在通信原理課程中有著舉足輕重的意義，是通信原理實驗中不可缺少的實驗之一，同時在實際應(yīng)用中，隨著數(shù)據(jù)采集技術(shù)的迅速發(fā)展和微型計算機的介入，采樣系統(tǒng)正逐漸取代以往模擬電路實現(xiàn)的復(fù)雜的

10、線性和非線形功能。雖然采樣系統(tǒng)比模擬電路花費大，但是這些采樣系統(tǒng)具有可編程性，而且運用的許多算法都是信號處理領(lǐng)域中發(fā)展的結(jié)果，在某些情況下，能夠完成現(xiàn)行的模擬技術(shù)不能實現(xiàn)的功能。例如我國通常都選用特性較好的對絞線構(gòu)成HDSI 的傳輸系統(tǒng)，使用容易實現(xiàn)且成本低的PAM 編碼方式。隨著應(yīng)用的增加，產(chǎn)生了一個相應(yīng)的要求，就是理解采樣系統(tǒng)對模擬接口所要求的理論基礎(chǔ)，這種現(xiàn)象尤其表現(xiàn)在高校教學(xué)中。1.1.2 信號產(chǎn)生技術(shù)狀況正弦波以及脈沖三角波等各種信號的產(chǎn)生和處理也是電路設(shè)計中經(jīng)常遇到的問題，它們要求有恒定控制的線形振蕩器，所以對電路設(shè)計要求比較高，這一類電路應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括音頻測試，設(shè)備校準(zhǔn)，轉(zhuǎn)

11、換器驅(qū)動，功率調(diào)節(jié)和自動測試ATE，它時常要求控制頻率，幅度和失真，而且在許多應(yīng)用場合必須同時控制這三個參數(shù)，尤其是正弦波?，F(xiàn)在市面已經(jīng)有很多很成熟的信號發(fā)生技術(shù)，有基于DDS的高分辨率信號發(fā)生器，有低頻數(shù)字式移相信號發(fā)生器，基于VME總線的高精度信號發(fā)生器還有三電平逆變電源門驅(qū)信號發(fā)生器等等。它們一般精度很很高，性能不錯，價格當(dāng)然也不便宜，一般用在科學(xué)研究和高精度生產(chǎn)線上。最早用于實驗教學(xué)用的信號發(fā)生器最早的信號發(fā)生器使用一個簡單的射頻振蕩器和改變調(diào)諧電路的電容或電感來改變頻率。早期儀器的電平控制不是自動的，當(dāng)頻率在數(shù)值上有明顯的變化時，操作員必須重調(diào)載波電平。近期的儀器具有自動電平控制。使

12、用檢波器驅(qū)動控制電壓，以調(diào)整振蕩器或調(diào)整可變增益放大器的增益而保持輸出電平，它也叫基頻信號發(fā)生器 。目前最熱門的是直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis，簡稱DDS 或DDFS），它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。具體體現(xiàn)在相對帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號及其他多種調(diào)制信號、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面，并具有極高的性價比。1.1.3 電源發(fā)展趨勢直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展趨勢，可概括為：高頻化、高效率、無污染、模塊化。1高頻化是縮小電源體積重量、提高功率密度的重

13、要技術(shù)途徑；高頻化又是提高電源動態(tài)品質(zhì)的重要保證。小功率DCDC直流二次電源，開關(guān)頻率將達(dá)到1兆赫或更高。功率密度也將由現(xiàn)在的每立方英寸50W提高到100w以上。2高效率作為電源，效率是重要的指標(biāo)之一。效率高，發(fā)熱損耗小，散熱容易，才容易做到高功率密度。3無污染電力電子裝置和電源的大量廣泛應(yīng)用，使輸入電流中的諧波顯著增加，功率因數(shù)顯著降低，使供電網(wǎng)受到污染。開關(guān)電源的輸入端常常是二極管整流電容濾波的 組合電路，其輸入電流波形呈尖脈沖狀，交流側(cè)功率因數(shù)只有0.6-0.7。 4模塊化以適應(yīng)分布式電源系統(tǒng)供電的需要。過去功率不大時，電源均是采用單一集中的供電方式。近年來均是采用分布式供電。1.2 課

14、題主要研究內(nèi)容和意義在通信原理實驗中，要用到方波，正弦信號，脈沖信號等多種信號源和一個合適的直流穩(wěn)壓源，而PAM采樣定理是通信原理最基本的實驗之一，可是目前市場上還沒有集成這些功能的儀器，只能買價格昂貴的實驗箱，如果使用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，雖然性能指標(biāo)高，但價格昂貴，需要購買多樣設(shè)備，且許多功能都用不上，造成資源浪費。因為一般學(xué)校實驗用的信號發(fā)生器和直流穩(wěn)壓電源不需要很高的指標(biāo)，故根據(jù)所學(xué)數(shù)字和模擬電路知識，設(shè)計一個電路結(jié)構(gòu)相對比較簡單，但仍能滿足一般的實驗要求，并且其成本較低，體積小的PAM采樣定理實驗板更易為學(xué)校、學(xué)生所接受。而且大多數(shù)高校配備的不同層次的實驗箱對學(xué)生而言是不透明的，本設(shè)計希望通過簡

15、易元件、電路，實現(xiàn)對通信原理理論的深入理解，同時鍛煉學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，鞏固學(xué)生的理論知識，以達(dá)到學(xué)以字致用，學(xué)有所長的目的。本設(shè)計就是結(jié)合高校實驗室應(yīng)用特點，制作PAM編譯碼系統(tǒng)實驗板并提供其外圍電路，其中包括8K脈沖，可調(diào)方波，正弦波信號發(fā)生器以及各種實驗電源。以電路為母體從一個全新的角度闡述混疊的概念和采樣定理以及各種信號源的原理，并從硬件的角度來闡述這些要求。 我做的工作主要是：1. 查閱各種芯片資料，提出各種設(shè)計方案2. 使用MULTISIM8.0對各種方案進行仿真。3. 選定方案后用PROTEL設(shè)計出硬件電路板，并交付廠家制作。4. 電路的制作和調(diào)試 在測試時可以調(diào)出8kHz

16、脈沖，可調(diào)方波，正弦波信號以及各種實驗所需的常用電源。在輸入音頻信號時，PAM調(diào)制解調(diào)模塊中前置濾波器可以很好的完成濾除高頻分量，還能準(zhǔn)確的對信號進行平頂采樣和恢復(fù)出原始信號，并通過反相放大器減小信號的衰減，綜上所述，本設(shè)計基本完成了預(yù)定任務(wù)。第2章 PAM概述和原理2.1 PAM原理2.1.1 采樣信號的時域分析PAM信號常常是由連續(xù)時間信號經(jīng)周期采樣得到的，完成這樣功能的器件稱為采樣器，如下圖所示，表示模擬信號，表示采樣脈沖，它具有周期性令其采樣周期為T，則有。這里可以把采樣器看成一個每隔T秒閉合一次的電子開關(guān)S，開關(guān)每接通一次，便得到一個輸出取樣值。在理想情況下開關(guān)閉合時間無限短。圖2.

17、1 信號的采樣在實際采樣器中，設(shè)開關(guān)閉合時間為秒（遠(yuǎn)小于T）。的脈沖強度等于相應(yīng)瞬時的幅值，即，因此，理想采樣過程可以看成是一個幅值調(diào)制過程。采樣器好比是一個幅值調(diào)制器，理想脈沖序列作為幅值調(diào)制器的載波信號，的數(shù)學(xué)表達(dá)式為（21）其中0，±1，±2，調(diào)幅后得到的信號，即采樣信號為（22）通常在控制系統(tǒng)中，假設(shè)當(dāng)時，信號，因此（23）或（24）式（24）為一無窮項和式，每一項中的表示脈沖出現(xiàn)的時刻；而代表這一時刻的脈沖強度。ttf（t）fs（t）圖2.2 理想采樣信號2.1.2 采樣信號的頻域分析式（22）或（24）表示了采樣前的連續(xù)信號與采樣后的離散信號之間的關(guān)系。然而，一

18、個值得提出的問題是：采樣后的斷續(xù)信號能否全面而真實地代表原來的連續(xù)信號呢？或者說它是否包含了原連續(xù)信號的全部信息呢？因為從采樣（離散化）過程來看，“采樣”是有可能會損失信息的。下面我們將從頻率域著手研究這個問題。假設(shè)連續(xù)信號的傅氏變換式為，采樣后信號的傅氏變換式用表示，下面引出的具體表達(dá)式。由于理想脈沖序列是一個周期函數(shù)，其周期為T，因此它可以展開成指數(shù)形式的傅氏級數(shù)，即 （25）其中為采樣角頻率。將式（25）的結(jié)果代入（22）式得 （26）若，則因此，式（26）的傅氏變換式為 （27）可得到如下結(jié)論：（1）的項為，通常稱為基本頻譜。它正比于原連續(xù)信號的頻譜。（2） 同時派生出以為周期的，無限

19、多個高頻頻譜分量，其中±1，±2，以上表明了連續(xù)信號與它所對應(yīng)的離散信號在頻譜上的差別。從傅氏變換及其反變換的有關(guān)定理可知，在一定條件下，原函數(shù)與其傅氏變換式是一一對應(yīng)的，亦即由傅氏變換式可以唯一地還原成原函數(shù)?？梢栽O(shè)想，如果讓采樣信號通過一個理想濾波器，將所有派生出來的高頻分量全部濾掉，而同時保留其基本頻譜信號。那么經(jīng)過這樣處理后的信號，只要將其幅值放大倍，就能完全重現(xiàn)原信號。要想完全濾掉高頻分量，篩選出基本頻譜，從而根據(jù)采樣信號來復(fù)現(xiàn)采樣前的連續(xù)信號，采樣頻率必須大于或等于連續(xù)信號頻譜中最高頻率的兩倍，即 （28）根據(jù)這一定理只要采樣頻率足夠高，就完全不必?fù)?dān)心采樣過程會

20、損失任何信息。若采樣頻率不夠高，即時，則將會出現(xiàn)頻譜重疊現(xiàn)象。很明顯，這時，就無法再把基本頻譜和派生高頻頻譜分開；從而，也就無法重現(xiàn)原信號，或者說，采樣過程將損失信息。另外，需要指出的是理想濾波器實際上是不存在的。因此在工程上，通常采用性能與理想濾波器相近似的低通濾波器，其中最常用的低通濾波器就是零階保持器。2.2 濾波器的原理為了能準(zhǔn)確的恢復(fù)信號，必須以超過最高頻率分量兩倍的頻率對其進行采樣，實際上許多信號包含了頻率分量的全部頻譜，即從有用的頻譜到白噪聲的頻譜，要精確的恢復(fù)這些信息，要求系統(tǒng)具有無法實現(xiàn)的高采樣速率。通過預(yù)處理輸入信號，可以很容易的克服這個困難，其方法是在采樣數(shù)據(jù)輸入之前，采

21、取措施限制帶寬或則進行頻率濾除。前置濾波器通常稱為抗混疊保證濾波器，例如在低通濾波器情況，數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)接受到的模擬信號，其頻譜內(nèi)容不比濾波器允許的那些頻率高。所以在考慮語音信號的干擾信號的頻譜時，可以采用限制寬帶的方法，如果低通濾波器預(yù)先限制帶寬，產(chǎn)生于語音信號的噪聲的研究將得到簡化。2.2.1 設(shè)計要點要得到一個完全理想的濾波器是無法用一個運放組成的。即使可能，由于各個元件之間的復(fù)雜互感而導(dǎo)致設(shè)計者要用非常復(fù)雜的計算才能完成濾波器的設(shè)計。通常對波形的控制要求越復(fù)雜就意味者需要更多的運放，這將根據(jù)設(shè)計者可以接受的最大畸變來決定?；蛘呖梢酝ㄟ^幾次實驗而最終確定下來。如果設(shè)計者希望用最少的元件來實

22、現(xiàn)濾波器，那么就別無選擇，只能使用傳統(tǒng)的濾波器，通過計算就可以得到了。這里主要考慮以下幾點： 1. 濾波器的拐點（中心）頻率2. 濾波器電路的增益3. 低通和高通濾波器的類型（Butterworth、Chebyshev、Bessel）2.2.2 濾波器的原理及論證理想濾波電路的頻響在通帶內(nèi)應(yīng)具有一定幅值和線形相移，而在阻帶內(nèi)其幅值為0，實際中濾波器的設(shè)計往往難以在幅頻和相頻響應(yīng)都能達(dá)到理想的要求，因此只能根據(jù)實際情況設(shè)計不同的濾波器來尋求最佳的效果，這里對常見的三種濾波電路做個簡單的比較。下圖給出了巴特沃斯與貝塞爾（Besse1）、契比雪夫（Chebyshev）濾波器的特性差異?？梢钥闯觯吞?/p>

23、沃斯濾波器在線性相位、衰減斜率和加載特性三個方面具有特性均衡的優(yōu)點，因此在本設(shè)計中，巴特沃斯濾波器列為首選。圖2.3 濾波器特性差異圖巴特沃斯（Butterworth）濾波器是一種具有最大平坦幅度響應(yīng)的低通濾波器，它在通信領(lǐng)域里已有廣泛應(yīng)用，在電測中也具有廣泛的用途，可以作檢測信號。它的平方幅度響應(yīng)為 （29）其中，n為濾波器的階數(shù)，為低通濾波器的截止頻率。該濾波器具有一些特殊的性質(zhì)： 對所有的n，都有當(dāng)時，； 對所有的n，都有當(dāng)時，；即在處有3dB的衰減； 是的單調(diào)遞減函數(shù)，即不會出現(xiàn)幅度響應(yīng)的起伏； 當(dāng)n時，巴特沃斯濾波器趨向于理想的低通濾波器； 在=0處平方幅度響應(yīng)的各級導(dǎo)數(shù)均存在且等于

24、0，因此在該點上取得最大值，且具有最大平坦特性。2.2.3 Sallen Key濾波器數(shù)學(xué)分析為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波效果，可以再加一節(jié)RC低通濾波環(huán)節(jié)，組成Sallen Key二階有源濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。下圖是增益為1的巴特沃斯濾波器，是一種流行的、廣泛應(yīng)用的二階濾波器。它的成本很低，僅需要一個運放和四個無源器件組成。是一個單位增益的電路，改變它的增益同時就改變了濾波器的幅頻特性和類型。從下圖可以看出，它是有兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大器組成，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低。圖2.4濾波器原理圖根據(jù)理想放大器特點可知，運放工作在線形區(qū)時，理

25、想運算放大器的的兩個輸入端無電流，即兩個輸入端開路，；工作在線形區(qū)時，即虛短路，這里，RC接在電壓跟隨器上，所以通帶內(nèi)的增益為 （210）從上圖可以看出 （211） （212）對于所在的那一點，它的電流是通過C1和C2電流的和，又因為R1=R2，則有， （213）把（2-12）代入（2-13），得出 則有 （214）可見合理調(diào)整電阻電容的值，即可得到不同拐點頻率，從而可以設(shè)計不同特性的濾波器。第3章 PAM采樣系統(tǒng)的實現(xiàn)3.1 PAM系統(tǒng)框圖如下圖所示，信號處理操作以前，模擬的輸入信號必須預(yù)處理以期防止混疊，然后數(shù)字化成邏輯信號如（TTL）用于邏輯功能模塊，在通常的情況下，A/D模塊可以獨立的

26、進行工作，可是在許多調(diào)整的操作中，轉(zhuǎn)換器的速度是不夠的，由此要求采樣保持和濾波電路（包括前置濾波器和信號恢復(fù)時的平滑濾波器）的配合工作。前置濾波器放大電路采樣保持電路脈沖產(chǎn)生電路解調(diào)濾波電路圖3.1 PAM系統(tǒng)框圖以上是電路各個功能模塊，在實際應(yīng)用中，可以采用4066或者LF398等器件來實現(xiàn)，也可以通過一個單管調(diào)制器來達(dá)到采樣的目的。3.2 電壓保持電路3.2.1 采樣保持電路的原理 因為任何一種模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一定的時間來完成量化及編碼操作。而在這一小段時間內(nèi)（稱為孔徑時間），模擬量仍在變化，則在此時間進行量化就會產(chǎn)生誤差（稱為孔徑誤差）。為了解決ADC 轉(zhuǎn)換時間較長和孔徑時間要求很短之間

27、的矛盾，要求在ADC 之前加上保持電路。采樣保持電路有兩種基本形式：a）開環(huán)的快速采樣保持電路，輸出緩沖，提供高輸入阻抗；b）閉環(huán)采樣保持電路在采樣期間保持電容包含在反饋環(huán)內(nèi)，因而保持電壓有較高的精度和線性度。在采樣中，一般要用到保持電路，典型的電壓保持器電路如下：圖3.2 電壓保持電路在實際應(yīng)用中，運放電路對電容器有附加的要求，且和高阻抗電路結(jié)合起來，頻率的調(diào)整和電荷測量電路需要能控制電容的容差，溫度漂移和隨溫度變化的穩(wěn)定性。同時大量的實驗證實，運放的選擇要輸入阻抗足夠大，如TL081（4）等FET運放，電容一般選擇為到之間，但是如果是普通的瓷片電容的話其電壓保持效果不是很好。其中最主要的原

28、因是電介質(zhì)的吸收，它能使一個已經(jīng)快速充了電的電容經(jīng)過數(shù)毫秒以后漂移到充電以前的水平，這種效應(yīng)在電壓保持電路中最為明顯，總體而言，聚苯乙烯，聚四氟乙烯和NPO陶瓷電容表現(xiàn)的比較令人滿意。圖3.3 改進后的電壓保持電路 以下是采樣保持電路的MULTISIM仿真，在實際電路中，保持電路表現(xiàn)的并不是很理想，由于在本設(shè)計中，采用的采樣頻率很低，要求有很長時間的電壓保持時間，主要原因是高阻抗的運放的選取有一定的難度，同時還要有很高的絕緣電阻，充電電容也要有很低的漏電系數(shù)，而這些都是很難自己把握的東西。因此在實際設(shè)計中最終還是放棄了此方法。圖3.4 采樣保持電路3.2.2 目前常用的采樣保持芯片上面的電路實

29、現(xiàn)的是自然采樣，然后用電壓保持器對其進行保持，實際中集成采樣保持芯片在電壓變化快的電路中應(yīng)用的更為廣泛，這里介紹幾種器件來實現(xiàn)平頂采樣，目前取樣/保持電路大多為集成芯片，最常用的有LF198/LF298/LF398和AD582。下圖為LF398的內(nèi)部原理圖及管腳配置。由下圖可知，當(dāng)8端邏輯控制為高電平時，輸出處于跟隨狀態(tài)，有；當(dāng)8端為低電平時，處于保持狀態(tài)。保持電容一般選用的優(yōu)質(zhì)電容（如聚四氟乙烯電容）。圖3.5 LF398原理圖3.2.3 對保持電容大小的分析由于采樣保持電路可以做成集成芯片，而電容器是外接元件，所以選擇電容器的大小很重要。電容器容量的大小與以下幾個因素有關(guān)：a）與采樣頻率有

30、關(guān)；采樣頻率取決于模擬信號頻率，由采樣定理，實際工作中。而采樣頻率與電路中的時間常數(shù)有關(guān)，電阻R是一常數(shù)，電容C越大，時間常數(shù)也越大。所以，如果電容器C太大，而信號頻率較低，就可能在保持過程中電容器的電壓沒有充到信號源的電壓或響應(yīng)速度慢。b）與泄漏電流有關(guān);當(dāng)電容器的容值太小時，電壓下降速率就大，由下式可以看出：。電容上的電壓與實際信號源的誤差太大。所以保持電容器電容量的大小它不是一個定值，它可以在一定范圍內(nèi)取值，其電容量的大小可以根據(jù)實踐經(jīng)驗通過實驗來確定。3.3 濾波器的MULTISIM仿真及分析MULTISIM是一種優(yōu)秀的電路仿真軟件，其優(yōu)點是：完整、實用、直觀、方便、安全。因此根據(jù)設(shè)計

31、需要，這里采用這個軟件對其進行仿真分析。由采樣定理可知，抗混疊濾波器應(yīng)該限制輸入信號的頻譜寬度，但實際上，濾波器不是理想的，它有衰減，限制帶寬和相位的特性，在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中，通常認(rèn)為通過衰減的量值小于使用的特定轉(zhuǎn)換器決定的均方根量化噪聲量值能夠?qū)崿F(xiàn)帶限。以下是濾波器的MULTISIM仿真。圖3.6濾波器MULTISIM仿真上圖中BODE PLOTTER-XBP1和2分別接前面兩個二階濾波器，BODE PLOTTER-XBP4測試四階濾波器，從圖可以看出，通過濾波器后，通頻帶中的頻率分量受到衰減，發(fā)生了變化，對于有用信號而言，濾波器通頻帶的頻率特性基本是平坦的，對于整個前置濾波器（四階濾波器）來

32、說，在-2.599dB時的頻率為3.761kHz，所以在平坦部分小于3.8kHz，基本符合-3dB處為3.8kHz的設(shè)計要求。還有，濾波器的設(shè)計還要考慮延遲效應(yīng)，在做最后分析時，還必須考慮濾波器的復(fù)雜程度，采樣速率和系統(tǒng)帶寬。以上結(jié)果也可以從理論上來說明論證，從下圖可知巴特沃斯低通濾波器隨著階數(shù)的增加，其幅頻特性越向理想特性逼近，所以本設(shè)計中采用級連的方式組成四階低通濾波器（圖2.6）。根據(jù)它的特性可知其截止頻率由R401，R402，C401，C402共同決定，且 （31）這里它們分別取值為，經(jīng)計算可以得出拐點頻率為3800Hz左右。圖3.7 巴特沃斯低通濾波器幅頻特性3.4 PAM調(diào)制解調(diào)模

33、塊電路如下圖，將一個語音信號通過一個3800Hz的低通濾波器，限制語音信號的最高頻率為3800Hz，這樣就可以用頻率大于或等于7600Hz的樣值序列來表示，在這里接上8kHz的脈沖來來做抽樣頻率，并用信號發(fā)生模塊調(diào)一個300-3400Hz的信號來代替語音信號，信號經(jīng)運放緩沖輸出，然后用LF398來采樣，后面接的低通濾波器則是用來恢復(fù)原始信號。圖3.8 PAM調(diào)制解調(diào)電路 3.5 脈沖產(chǎn)生模塊電路 電路采用4MHz晶振74LS04等組成一個4MHz的方波振蕩器，然后采用74LS74和74LS161分頻進行多次分頻，產(chǎn)生8kHz，128 kHz的方波，然后經(jīng)過74LS161的三路與非后再經(jīng)過74L

34、S04后輸出一個8kHz的脈沖波，為了提高脈沖波形性能，這里還在輸出端口接一個小電容濾除高次諧波。圖3.9脈沖信號產(chǎn)生模塊電路第4章 信號產(chǎn)生電路與電源的實現(xiàn)4.1 信號發(fā)生器概述和原理最早用于實驗教學(xué)用的信號發(fā)生器最早的信號發(fā)生器使用一個簡單的射頻振蕩器和改變調(diào)諧電路的電容或電感來改變頻率。但是目前最熱門的是直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis，簡稱DDS 或DDFS）得到了飛速的發(fā)展，它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。但是，在實驗室中，只要比較簡單的電路就可產(chǎn)生，如相移，文氏橋，LC負(fù)阻抗法，音叉法

35、，晶振法，三角波驅(qū)動斷點整形，三角波對數(shù)整形，DAC對數(shù)整形和ROM驅(qū)動DAC等多種方法。以上使用模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)獲得的各種方法都有自己的優(yōu)缺點，適合在不同的場合使用。4.1.1 相移法采用此種方法， 電路簡單，只需一塊運放還可以單電源供電，更重要的是器件價格便宜，Q3與RC回路組成一個相移電路，以12MHz的頻率振蕩，其它電路用于幅度穩(wěn)定，Q3集電極的高阻抗輸出到LM324輸入端前經(jīng)過了和串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這個電阻與電阻連接，從而將LM324的輸出電壓降為Q3輸出電壓的1/12，在這時放大器用做單位增益電流緩沖器，用于驅(qū)動560歐負(fù)載。放大器輸出正向電壓經(jīng)檢波后存于電容中，這個電壓送到Q1基極，Q

36、1集電極隨基極和發(fā)射極電壓差的變化而變化，由于LM313穩(wěn)壓二極管的作用使得Q1發(fā)射極電壓固定為一個為1.2V的參考電壓，因而Q1具有比較功能，其集電極電流調(diào)制Q2基極電壓，在這里Q2為射極跟隨器，為Q3提供能量（伺服控制），如果Q3發(fā)射極開路而由控制電壓驅(qū)動，電路將產(chǎn)生正弦波。根據(jù)MULTISIM仿真可知，輸出幅度為5V左右。在實際應(yīng)用中，它的可調(diào)性太差，而且有著比較大的失真，不大適合在實驗室使用。其仿真如下所示：圖4.1 相移法信號發(fā)生器4.1.2 文氏橋和相移法相比，文氏橋只要振蕩頻率上環(huán)路增益為1，就可產(chǎn)生低失真的振蕩，其典型失真為0.01%，幅度穩(wěn)定性為1，但是可調(diào)性太差，對頻率和幅

37、度的躍階改變需要比較長的建立時間，限制它的應(yīng)用范圍。4.1.3 集成電路ICL8038ICL8038是可同時輸出三角波、方波和正弦波的單片集成壓控波形發(fā)生器，內(nèi)部方框圖如圖4.2所示。它由兩個電流源、兩個電壓比較器、一個觸發(fā)器、一個方波輸出緩沖器（緩沖）、一個三角波輸出緩沖器（緩沖I）和一個正弦渡變換電路組成。外接定時電容器的充放電受電流源控制，當(dāng)觸發(fā)器輸出Q=0時，開關(guān)S斷開，電流源對充電，充電電流使兩端電壓上升，當(dāng)該電壓上升到比較器I的門限電平（設(shè)定為電源電壓的2/3）時，觸發(fā)器置位，Q=1，開關(guān)S接通，電流源對反充電；與正向充電電流一樣，反向充電過程中，上的電壓線性下降，當(dāng)降至比較器的門

38、限電平（設(shè)定為電源電壓 的1/3）時，觸發(fā)器復(fù)位，Q=0。如此周而復(fù)始，在上形成一個線性三角波電壓。該電壓經(jīng)緩沖器I后在3端輸出觸發(fā)器Q端的方波電壓經(jīng)緩沖放大器的9端輸出，對稱三角波經(jīng)二極管網(wǎng)絡(luò)組成的正弦波變換電路后從2端輸出正弦波，輸出波形的頻率范圍為0.01Hz-300kHz，頻率由外接的定時電容按下式?jīng)Q定： （41） 若，則，若兩個定時電阻合并成一個時，則頻率為： （42） 改變兩個外接電阻的阻值比，方波的占空比可在2-98之間變化，此時，3端輸出非對稱的三角波或近似的鋸齒波。圖4.2 ICL8038原理圖4.2 信號發(fā)生器的設(shè)計4.2.1 信號發(fā)生器設(shè)計方案論證考慮到實驗室應(yīng)用的特點，

39、做出容易調(diào)節(jié)，電路簡單的正弦信號發(fā)生器并非易事，在此對各種信號產(chǎn)生電路逐個分析比較，在設(shè)計過程中，除此之外，還要考慮的器件的成本和實現(xiàn)的難度，采購難度。方案一：采用運放制作簡易信號發(fā)生器，實現(xiàn)簡單，但是調(diào)節(jié)難度大，不適合在實驗室使用。方案二：用運放構(gòu)成一個RC振蕩器產(chǎn)生一個可調(diào)的方波，然后由一個高通濾波器和低通濾波器濾出合適的正弦波，按圖中的數(shù)值出來，仿真可以調(diào)節(jié)的頻率在500Hz到6.8kHz之間，實際中能得到500Hz到2800Hz的正弦信號。圖如下所示：圖4.3 信號發(fā)生器電路方案三：采用以下電路可以產(chǎn)生0.2Hz到8kHz的方波，三角波和鋸齒波，然后通過一個三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換電路（差

40、分放大器）來形成正弦波。和以上電路相比，具有可調(diào)范圍大的特點。在實際應(yīng)用中，差分放大器轉(zhuǎn)換的效果并不是很好，在2kHz到5kHz之間效果比較好。 圖4.4三角波產(chǎn)生電路圖4.5三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路方案四：采用單片函數(shù)發(fā)生芯片8038，MAX038，XR2206等，可產(chǎn)生正弦波，方波，三角波，通過調(diào)整外部元件可以改變輸出頻率。第一種方案電路實現(xiàn)簡單，但調(diào)節(jié)難度大。第二三種方案也較容易實現(xiàn)，從實驗室使用的角度來看，調(diào)節(jié)范圍太小，而且調(diào)節(jié)困難。基于上述分析，這里選用單片函數(shù)發(fā)生芯片，考慮到8038現(xiàn)在已經(jīng)停產(chǎn)，這里采用XR2206。4.2.2 函數(shù)信號產(chǎn)生單元電路設(shè)計通過改變滑動變阻器的阻值來改變頻

41、率。電路圖如下所示，開關(guān)S1閉合則產(chǎn)生正弦波，打開則出來三角波，在11腳則是方波，頻率是，和共同決定。以下電路最低頻率可達(dá)80Hz，達(dá)到實驗要求。圖4.6信號產(chǎn)生電路4.3 電源設(shè)計現(xiàn)代電子設(shè)備中使用的直流穩(wěn)壓電源有兩大類：線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)型穩(wěn)壓電源，線性穩(wěn)壓電源穩(wěn)定性能好，輸出紋波很小，缺點是穩(wěn)壓效率比較低，使用體積和重量都較大的變壓器，從而增加電源部分的體積和重量，反之開關(guān)電源的穩(wěn)壓電源效率高，體積小，重量低，但是輸出的紋波以及產(chǎn)生的電磁干擾比較大。4.3.1 線性穩(wěn)壓電源設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，在實驗室中應(yīng)用的電源對紋波和電磁干擾的要求比較大，而功率和穩(wěn)壓效率倒在其次，這里采用線形穩(wěn)壓電源。

42、它由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。圖4.7 電源組成射極輸出電路的輸入是固定值的，因而輸出電壓也為固定值。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，由于基本不變，所以也基本不變，的變化由調(diào)節(jié)，因此三極管被稱為調(diào)整管。當(dāng)變化引起的變化時，只要在穩(wěn)壓管的正常范圍內(nèi)，就基本保持不變。即基本恒定。圖4.8射極輸出穩(wěn)壓電路該電路輸出電流的變化可擴大為， 因此稱為擴流型穩(wěn)壓二極管電路；由于三極管與負(fù)載是串聯(lián)的關(guān)系， 因此電路也稱為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。為了改進穩(wěn)壓性能和使輸出電壓可隨意調(diào)節(jié)， 可引入深度負(fù)反饋使輸出電阻降低，引入可隨意調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的放大器以改變輸出電壓。4.3.2 電源電流的擴展需要比較大的電流時

43、， 可以采用其他型號的集成電路或使用如右圖所示的擴流電路。該電路的輸出電流，其中（43）該電路具有過流保護功能， 正常工作時，、截止；當(dāng)過流時，增大， 限流電阻的壓降增大使、相繼導(dǎo)通，的降低，限制了的，保護不致因過流而損壞。其原理圖如下所示，在實際應(yīng)用中，也可以并連三端穩(wěn)壓管擴展電流：圖4.9電源電流擴展電路4.3.3 直流穩(wěn)壓電路單元的設(shè)計本模塊采用整流濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，考慮到在實驗用的電源精度要求不高，這里采用比較常見的三端穩(wěn)壓管來組成穩(wěn)壓電路，用和來濾出紋波，輸出端者接一個，等小電容來消除自激振蕩，以確保電路穩(wěn)定工作，同時，為了防止輸出端與地的短路時電容上的電壓損壞穩(wěn)壓器，這里還接

44、上，兩個二極管。此電路性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟實用，適合在實驗室使用。為了進一步減小紋波，這里采用了多級降壓的方法，同時，也更符合三端穩(wěn)壓管的使用特點。圖4.10 電源電路第5章 系統(tǒng)測試分析5.1 系統(tǒng)各模塊的最終方案經(jīng)過仔細(xì)分析和論證，決定了系統(tǒng)各個模塊的最終方案如下。（1）脈沖產(chǎn)生模塊：74系列集成片；（2）電源模塊：采用三端穩(wěn)壓管；（3）函數(shù)信號發(fā)生模塊：采用單片函數(shù)發(fā)生芯片；（4）PAM調(diào)制解調(diào)模塊：采用采樣保持LF398制作電源模塊給各個部分供電，函數(shù)信號發(fā)生模塊和脈沖產(chǎn)生模塊分別提供采樣所需的信號和脈沖信號。5.2 系統(tǒng)測試和結(jié)果分析電路制作完成后，根據(jù)設(shè)計要求對各個模塊分別進行

45、測試，先測試電源電壓，紋波等指標(biāo)，然后測試信號發(fā)生器的頻率范圍和幅度范圍，接著測試脈沖波發(fā)生模塊和采樣定理模塊是否正常，最后把所有模塊綜合起來測試。5.2.1 電源模塊測試電源設(shè)計中，最重要的是紋波，輸出電壓和最大輸出電流等參數(shù)，這里利用實驗室現(xiàn)有器材對電源模塊進行測試，這里首先對各個電壓輸出點的電壓測試，測試各點電壓，無負(fù)載情況下5V電源最高輸出5.043V，其它電壓測試點與設(shè)計要求相比也均無超過0.36V，電源部分用示波器觀察，電源穩(wěn)波最大為30mV，最小為1.2mV，基本符合設(shè)計要求，具體數(shù)據(jù)如下表所示：表5.1 電源測試結(jié)果要求輸出電壓（V）1295-5-9-12實際輸出電壓（V）11

46、.8178.9655.043-4.963-9.113-11.741紋波（mV）21.21.220301.6最大輸出電流（mA）350 在測試最大輸出電流的時候，如果不是選擇功率電阻，造成每次測試快完成的時候電阻嚴(yán)重發(fā)熱，影響了測試數(shù)據(jù)的進一步收集和測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。5.2.2 信號產(chǎn)生模塊測試由于缺少專門的儀器，這里只做了一些比較重要數(shù)據(jù)簡單的測試，其具體結(jié)果如下：1.輸出波形有三角波，正弦波，方波和8kHz脈沖。2.正弦頻率范圍 80Hz-110kHz連續(xù)可調(diào)。達(dá)到實驗室300Hz-3400kHz的使用要求。3.幅度范圍為0.5-6。4.脈沖（8kHz）持續(xù)時間為0.78s。5.方波上升時間

47、40s。5.2.3 PAM模塊測試輸入正弦信號峰峰值固定為2V，在不同的頻率下信號通過前置濾波器后的輸出幅度。表5.2 濾波器的測試輸入頻率（Hz）300500800100012001400輸出幅度V21.9841.9761.9681.961.952輸入頻率Hz160018002000230026002900輸出幅度V1.9441.9361.9281.9041.8881.792輸入頻率32003500380041004300輸出幅度1.671.6121.3041.1040.99 這里使用MATLAB對上表數(shù)據(jù)進行濾波器幅頻特性曲線仿真，從圖5.1可以看出-3dB時大概在3600Hz和3700H

48、z之間，在輸入頻率為300Hz-3800Hz的時候，信號衰減都很小且比較平坦，在3800Hz以下時，輸出幅度急劇降低，基本符合MULTISIM仿真和理論分析結(jié)果。 圖5.1 幅頻特性的MATLAB繪制5.2.4 測試結(jié)果分析本題目的關(guān)鍵測試是脈沖波的輸出質(zhì)量，直流穩(wěn)壓電源的紋波和穩(wěn)壓系數(shù)，分立元件由于精確度的問題，所以問題可能比較多，無法達(dá)到預(yù)期的效果。直流穩(wěn)壓電源的質(zhì)量也會影響調(diào)試結(jié)果，在測試過程中發(fā)現(xiàn)，模擬開關(guān)單電源供電的效果比接上電源的效果要好。信號發(fā)生器在能產(chǎn)生方波，正弦和三角波三中波形在115Hz-20kHz之間連續(xù)可調(diào)且失真較少。脈沖和信號發(fā)生部分，實現(xiàn)頻率約4.096MHz方波及

49、其2分頻的頻率，最低頻率1kHz，實際產(chǎn)生脈沖為7.99kHz，基本符合要求。為了達(dá)到更好的效果，這里最終還是采用了LF398來代替采樣保持電路。在采樣中，采用8kHz的方波明顯要比8kHz脈沖衰減要小。采樣以前后示波器波形如下圖所示意：圖5.2 采用8kHz方波信號恢復(fù)前后上圖中，上面的波形是采樣以前的輸入信號，下面的波形是恢復(fù)后的結(jié)果。圖5.3 采用8kHz方波采樣前后比較從上面兩個圖可以看出，在8K速率對330HZ的正弦信號進行采樣，基本不產(chǎn)生失真（如圖5.2）。雖然采樣后有一定的衰減，但是由于在濾波電路前加了個反相放大器用于補償，消除了采樣后產(chǎn)生的失真。圖5.4 采用8kHz脈沖采樣

50、圖5.5 采用8kHz脈沖恢復(fù)前后比較在圖5.4和5.5中，采用的是8kHz脈沖采樣，由于脈沖采樣時間過短，恢復(fù)信號有明顯衰減，實際中可以采用增益可調(diào)的放大器，以消除衰減。第6章 結(jié)論本設(shè)計采用脈沖產(chǎn)生模塊，函數(shù)信號發(fā)生模塊，電源模塊，PAM編譯碼模塊等四個模塊。硬件電路力求使用經(jīng)濟實用的器件來滿足通信原理實驗室應(yīng)用需求。我的畢業(yè)設(shè)計和別人相比，時間長，難度也比較大，由于信號發(fā)生器和電源模塊即將投入我校實驗室使用，所以還要考慮的器件的采購，價格，調(diào)試的難度。在電路設(shè)計過程中遇到很多問題，主要如下：（1）器件參數(shù)的選取，有很多MULTISIM 8.0仿真通過的電路在實際中不能達(dá)到要求，經(jīng)過仔細(xì)分

51、析或則查詢資料等多種途徑后才得已解決。特別是信號發(fā)生器和電源部分，比如三端穩(wěn)壓管不需要加電源也能產(chǎn)生電壓，而關(guān)于頻率的大小也實在難以令人恭維，我用PROTEL99仿真出來為8MHz多的電路用MULTISIM 8.0居然是32MHz，因為時間關(guān)系，后來也沒有深究。（2）在電路設(shè)計初期，由于經(jīng)驗不足，沒有對一些電路進行隔直處理，結(jié)果出來的波形有比較多的直流分量，最后一般都加上了電容。（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，低通濾波器直接用于采樣電路之前，以降低高頻噪聲。之前我對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用低通濾波器的合理性有著錯誤的觀點。第一種誤解是：轉(zhuǎn)換直流或低頻信號時不需要低通濾波器。因為這些低頻信號是由我的信號發(fā)生器產(chǎn)生的，根本沒有噪聲，因此認(rèn)為不需要低通濾波器。但是后來查閱資料和仔細(xì)分析電路中發(fā)現(xiàn)，即使是一個在低頻狀態(tài)下運行的系統(tǒng)，有源/無源模擬器件也會將高頻噪聲引入信號路徑。電阻是一種常見的會產(chǎn)生噪聲的無源器件。無論有沒有電壓或