曼徹斯特編解碼電路設(shè)計(jì)

1、推薦精選中南大學(xué)中南大學(xué) 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目曼徹斯特編解碼電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名李天棟指導(dǎo)教師肖大光 婁田心學(xué) 院信息科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)通信工程 03 級(jí) 2 班完成時(shí)間2007 年 5 月推薦精選目錄目錄目錄 .I摘要摘要.IIIABSTRACT.IV第一章第一章 緒論緒論.11.1 項(xiàng)目背景.11.2 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容和任務(wù).11.3 論文各部分主要內(nèi)容.1第二章第二章 曼徹斯特碼的原理及其編碼規(guī)則曼徹斯特碼的原理及其編碼規(guī)則.32.1 曼徹斯特碼簡(jiǎn)介及其編碼規(guī)則.32.2 曼徹斯特碼原理.32.3 曼徹斯特碼的應(yīng)用范圍.52.3.1 曼徹斯特碼在LAN中的應(yīng)用.

2、72.3.2 曼徹斯特碼在測(cè)井系統(tǒng)中的應(yīng)用.7第三章第三章 曼徹斯特編解碼方案曼徹斯特編解碼方案.93.1 編碼電路.93.2 解碼電路.153.3 同步信號(hào)提取電路.163.3.1 利用電壓比較器整形曼碼.183.3.2 利用微分電路檢出曼碼跳變沿.193.3.3 全波整流電路.213.3.4 窄帶濾波電路.243.3.5 鎖相環(huán).27第四章第四章 運(yùn)用運(yùn)用 VHDL 語(yǔ)言對(duì)同步方法仿真語(yǔ)言對(duì)同步方法仿真 .304.1 VHDL 語(yǔ)言簡(jiǎn)介.304.2 VHDL 語(yǔ)言仿真.30第五章第五章 PROTEL 軟件繪制電路圖簡(jiǎn)介軟件繪制電路圖簡(jiǎn)介 .335.1 PROTEL軟件簡(jiǎn)介.33推薦精選5.

3、2 電路圖繪制.33第六章第六章 結(jié)論與展望結(jié)論與展望.36參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).37致謝致謝.38附錄附錄.39推薦精選摘要在電信領(lǐng)域，曼徹斯特碼是一種數(shù)據(jù)通訊線性碼，它的每一個(gè)數(shù)據(jù)比特都是由至少一次電壓轉(zhuǎn)換的形式所表示的。曼徹斯特編碼因此被認(rèn)為是一種自定時(shí)碼。自定時(shí)意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可行的。每一個(gè)比特都準(zhǔn)確的在一預(yù)先定義時(shí)間時(shí)期的時(shí)間中被傳送。曼徹斯特編碼已經(jīng)被許多高效率且被廣泛使用的電信標(biāo)準(zhǔn)所采用，例如以太網(wǎng)電訊標(biāo)準(zhǔn). 曼徹斯特編碼是一種超越傳統(tǒng)數(shù)字傳輸?shù)男诺谰幋a技術(shù)，由于其具有隱含時(shí)鐘、去除了零頻率信號(hào)的特性使得它在石油勘探測(cè)井中得到廣泛的應(yīng)用。報(bào)告論述了曼徹斯特碼的原理，介紹了其編

4、碼規(guī)則。對(duì)其特點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)行了說(shuō)明。提出了曼徹斯特編解碼方案，重點(diǎn)運(yùn)用VHDL語(yǔ)言對(duì)同步信號(hào)提取電路進(jìn)行了硬件仿真。以及對(duì)使用Protel軟件繪制電路圖進(jìn)行了介紹。系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了曼徹斯特碼數(shù)據(jù)傳送的要求而且電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： 曼徹斯特碼,同步信號(hào),VHDL 仿真推薦精選ABSTRACTABSTRACTThe Manchester code is one kind of data communication linearity codes. All its dada bits are shown by at least once voltage changing. This

5、is why Manchester code is called self-acting timing code. Self-acting timing means the feasibility of the precise synchronization of data stream. Each bit is transmitted accurately in the period that defined in advance. Manchester codes have been adopted by many telecom standards that have high effi

6、ciency and are been used widely, such as Ethernet communication standard. Manchester code is a coding technology for channel that exceeds the traditional data transmission. The characteristics that including crytic clock and eliminating the signals in zero frequency have made it been used in the det

7、ecting well of oil widely. The thesis mainly discusses the theory of the Manchester code and its coding rules, it also explains its characteristics and use range. The theory puts forward the Manchester coding and decoding proposals and conducts the hardware simulating on the synchronized signal pick

8、-up module with the VHDL language , it also uses the Protel software to make the system circuit diagram. This proposal has successfully met the requirement of Manchester code date transfer and it is also sample in the circuit and stable in the capability. KEYKEY WORDSWORDS： Manchester code,VHDL,Sync

9、hronism signal推薦精選第一章 緒論1.1 項(xiàng)目背景測(cè)井技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)發(fā)生了很大的變化：一是由模擬測(cè)井技術(shù)發(fā)展到了數(shù)字測(cè)井技術(shù)；二是由數(shù)字測(cè)井技術(shù)發(fā)展到了數(shù)控測(cè)井技術(shù)。進(jìn)入90年代，成像測(cè)井技術(shù)獲得了較大的發(fā)展，測(cè)井系統(tǒng)中需要傳送的數(shù)據(jù)信息量越來(lái)越大，為此必須解決數(shù)據(jù)的高速傳輸與正確接收兩個(gè)問(wèn)題，如相關(guān)編碼技術(shù)、纜芯多路復(fù)用技術(shù)、基帶均衡技術(shù)等用以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和降低誤碼率.在測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，由于曼徹斯特碼既能提供足夠的定時(shí)分量，又無(wú)直流漂移，編碼過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，因而曼徹斯特（Manchester）碼是測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸中常用的編碼方式之一。曼徹斯特碼，又稱數(shù)字雙相碼或分相碼。

10、在曼徹斯特編碼中，每一位的中間有一跳變，位中間的跳變既作時(shí)鐘信號(hào)，又作數(shù)據(jù)信號(hào)；從高到低跳變表示1，從低到高跳變表示0。曼徹斯特編碼是將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)包含在數(shù)據(jù)流中，在傳輸代碼信息的同時(shí)，也將時(shí)鐘同步信號(hào)一起傳輸?shù)綄?duì)方，每位編碼中有一跳變，不存在直流分量，因此具有自同步能力和良好的抗干擾性能。但每一個(gè)碼元都被調(diào)成兩個(gè)電平，所以數(shù)據(jù)傳輸速率只有調(diào)制速率的1/2。曼徹斯特碼是主要用在數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)囊环N編碼方式。由于曼徹斯特碼有如此多的優(yōu)點(diǎn)，所以在現(xiàn)代通信中得到了廣泛的應(yīng)用。本課題設(shè)計(jì)了一種利用曼徹斯特編碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)。本文的主要工作就是研究曼徹斯特碼編碼器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。1.2 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容和

11、任務(wù)本項(xiàng)目主要研究曼徹斯特碼編碼器的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。為了能順利完成曼徹斯特碼的編解碼任務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸它應(yīng)該包括這樣幾個(gè)部分:編碼電路，解碼電路，以及同步信號(hào)提取電路。在本次設(shè)計(jì)中，為了驗(yàn)證電路系統(tǒng)能否順利完成曼徹斯特碼的編解碼功能，我們采取了比軟件仿真更加直觀，與最終產(chǎn)品更加貼近的硬件驗(yàn)證方式。在該方式中需要使用VHDL語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。1.3 論文各部分主要內(nèi)容第二章詳細(xì)說(shuō)明了曼徹斯特碼編碼的特點(diǎn)，規(guī)則以及應(yīng)用。第三章介紹了曼徹斯特編解碼系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和功能概述、硬件組成。第四章詳細(xì)說(shuō)明了利用VHDL語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)的同步信號(hào)提取模塊進(jìn)行仿真的過(guò)程。推薦精選第五章介紹了利用PROTEL的電路圖

12、繪制。第六章是對(duì)本次設(shè)計(jì)的小結(jié)和展望。推薦精選第二章 曼徹斯特碼的原理及其編碼規(guī)則2.1 曼徹斯特碼簡(jiǎn)介及其編碼規(guī)則在電信領(lǐng)域，曼徹斯特碼,(也稱作相位碼或者 PE）是一種數(shù)據(jù)通訊線性碼，它的每一個(gè)數(shù)據(jù)比特都是由至少一次電壓轉(zhuǎn)換的形式所表示的曼徹斯特編碼被因此被認(rèn)為是一種自定時(shí)碼。自定時(shí)意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可行的。每一個(gè)比特都準(zhǔn)確的在一預(yù)先定義時(shí)間時(shí)期的時(shí)間中被傳送。 但是,今天有許許多多的復(fù)雜的編碼方法(例如 8B/10B 編碼）,在達(dá)到同等目的情況下只需要更少帶寬負(fù)荷并且只有更少的同步信號(hào)相位模糊.二進(jìn)制碼與曼徹斯特碼波形的對(duì)比關(guān)系如下。 圖 2.1 二進(jìn)制碼與曼徹斯特碼波形2.2 曼

13、徹斯特碼原理用于數(shù)字基帶傳輸?shù)拇a型種類較多，Manchester碼是其中常用的一種。Manchester碼是一種用跳變沿（而非電平）來(lái)表示要傳輸?shù)亩M(jìn)制信息（0或1），一般規(guī)定在位元中間用下跳變表示“1”，用上跳變表示“0”. 曼徹斯特編碼被被認(rèn)為是一種自定時(shí)碼自定時(shí)意味著數(shù)據(jù)流的精確同步是可行的。每一個(gè)比特都準(zhǔn)確的在一預(yù)先定義時(shí)間時(shí)期的時(shí)間中被傳送。曼徹斯特編碼提供了一種簡(jiǎn)單的方法在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有電平跳變的情況下，仍然能夠?qū)θ我獾亩M(jìn)制序列進(jìn)行編碼，并且防止在這種情況下同步時(shí)鐘信號(hào)的丟失以及防止低通模擬電路中低頻直流飄移所引起的比特錯(cuò)誤。如果保證傳送的編碼推薦精選交流信號(hào)的直流分量為零并且能

14、夠防止中繼信號(hào)的基線漂移，那么很容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)的恢復(fù)和防止能量的浪費(fèi)。推薦精選曼徹斯特碼具有豐富的位定時(shí)信息。以下是在不同P值情況下的功率譜仿真圖。圖2.2為P=0.5時(shí)的功率譜圖。這樣的情況出現(xiàn)在“0”和“1”的概率比為1: 1的情況，比如編碼前二進(jìn)制隨機(jī)碼為全“0”或全“1”的情況。p=0.5時(shí)曼徹斯特碼功率譜： 圖2.2 p=0.5時(shí)曼徹斯特碼功率譜 圖2.3為P=0.4時(shí)的曼徹斯特碼的功率譜圖，圖2.4為P=0.4時(shí)曼徹斯特碼的功率譜中的線譜圖。從圖中可以看到有線譜資源，表明有可提取的位定時(shí)信息。當(dāng)P=0.4時(shí)，編碼前二進(jìn)制隨機(jī)序列中的“1”的概率為0.4.推薦精選 圖 2.3 p=0.

15、4 時(shí)曼徹斯特碼功率譜 如果一曼徹斯特編碼信號(hào),沿著通訊信道某處進(jìn)行跳變,它從一個(gè)變化狀態(tài)到另一個(gè)變化狀態(tài).但是,這樣情況能被差分曼徹斯特編碼輕易克服。曼徹斯特編碼的缺點(diǎn)在于為每一比特進(jìn)行電平跳變的結(jié)果是曼徹斯特信號(hào)編碼所要求的帶寬相比異步通訊要高一倍，并且其頻譜也更寬。雖然曼徹斯特編碼是一種高度可靠的通信方式,帶寬要求被視為其不利之處，在達(dá)到的同樣的目標(biāo)的情況下，其更好的編碼表現(xiàn)和更小帶寬要求使得最現(xiàn)代化的通訊協(xié)議隨著更現(xiàn)化的線性編碼不斷發(fā)展。曼徹斯特碼所要考慮的一件事就是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的同步問(wèn)題，初看起來(lái)它可能是半比特周期的錯(cuò)誤將導(dǎo)致接收機(jī)終端得到相反的輸出，但是進(jìn)一步考慮表明了典型數(shù)據(jù)在

16、這個(gè)情況下將導(dǎo)致違例碼。使用硬件能探測(cè)到這些違例碼，運(yùn)用這些信息實(shí)現(xiàn)精確的同步正確的解釋這些有關(guān)數(shù)據(jù)。2.3 曼徹斯特碼的應(yīng)用范圍曼徹斯特編碼已經(jīng)被許多高效率且被廣泛使用的電信標(biāo)準(zhǔn)所采用，例如以太網(wǎng)電訊標(biāo)準(zhǔn). 曼徹斯特編碼是一種超越傳統(tǒng)數(shù)字傳輸?shù)男诺谰幋a技術(shù)，由于其具有隱含時(shí)鐘、去除了零頻率信號(hào)的特性使得它在石油勘探測(cè)井中也得到廣泛的應(yīng)用。推薦精選在 1949 年第一次提出了的曼徹斯特編碼方案，是一個(gè)被應(yīng)用在物理層的同步時(shí)鐘編碼技術(shù)用來(lái)將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)編碼統(tǒng)一在一個(gè)同步比特?cái)?shù)據(jù)流中。在這項(xiàng)技術(shù)中,在電纜上被傳送的真實(shí)二元數(shù)據(jù)不是以一連串的邏輯序列 1 或者 0 來(lái)表示的(這項(xiàng)技術(shù)也是一種不歸零碼

17、NRZ）。這些要傳送的數(shù)據(jù)比特被轉(zhuǎn)換成一個(gè)略微不同格式,比起直接用二進(jìn)制碼(i.e. NRZ)來(lái)有許多的優(yōu)勢(shì)。在曼徹斯特編碼方案中,比特周期中間的 0 到 1 跳變表示邏輯 0，比特周期中間的 1 到 0 的跳變表示邏輯 1。注意信號(hào)跳變不一定在bitboundaries比特邊界（一個(gè)比特和另外一個(gè)比特)之間的分界線，但是總是發(fā)生在每個(gè)比特的中間位置.曼徹斯特編碼的規(guī)則列出如下：初始數(shù)據(jù)發(fā)送的值 邏輯 00 到 1 (比特中心向上跳變)邏輯 11到0 (比特中心向下跳變 圖 2.4 曼徹斯特編碼的規(guī)則注意:在有些情形下你將看到編碼方案相反的情況。把邏輯 0 表示為 0 到 1 的跳變.兩種定義

18、已經(jīng)并存很多年. 以太網(wǎng)藍(lán)皮書和美國(guó)電氣及電子工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEEE (10 Mbps)描繪了邏輯 0 被發(fā)送成是 0 到 1 的跳變，邏輯 1 表示成 1 到 0 的跳變。（零被表示成電纜上的更小的負(fù)電壓）.因?yàn)楹芏辔锢韺硬捎靡环N翻轉(zhuǎn)線性驅(qū)動(dòng)器把二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),這個(gè)信號(hào)在線纜上與編碼器的輸出恰恰相反。差分物理層傳輸（例如 10BT）不能容忍這種反轉(zhuǎn)。 下面的簡(jiǎn)圖展示了一個(gè)典型的被寄送數(shù)據(jù)(1,1,0,1,0,0)編碼后的相應(yīng)的曼徹斯特編碼信號(hào)的發(fā)送 圖 2.5 (1,1,0,1,0,0)編碼后的相應(yīng)的曼徹斯特編碼信號(hào)方波波形表曼徹斯特碼比特流承載一個(gè)比特序列 110100.曼徹斯特編

19、碼可以選擇性的看成為一種相位編碼,每一個(gè)比特被編碼成正向 90度的階段相位轉(zhuǎn)變或者負(fù) 90 度的相位轉(zhuǎn)變.曼徹斯特碼依次可以看作是一種相位碼。曼徹斯特編碼信號(hào)包含頻繁的電平跳變,這使得它可以允許接收器運(yùn)用數(shù)字鎖相環(huán)提取精確的時(shí)鐘信號(hào)并且實(shí)現(xiàn)每個(gè)比特的定時(shí)和正確解碼。為了保證數(shù)字鎖相環(huán)可推薦精選靠運(yùn)作,被傳送的比特流必須包含有高密度的比特跳變。曼徹斯特編碼保證了這一點(diǎn)，可以應(yīng)用數(shù)字鎖相環(huán)精確提取時(shí)鐘信號(hào)。相位曼徹斯特編碼能消耗大約兩倍的原來(lái)信號(hào)(20 MHz)的帶寬。這就是作為電平頻繁跳變的代價(jià)，對(duì)于一個(gè) 10 Mbps 局域網(wǎng),信號(hào)頻譜值在 5 和 20 MHz 之間。推薦精選2.3.12.3

20、.1 曼徹斯特碼在LAN中的應(yīng)用曼徹斯特碼由于其特殊的性能，被廣泛應(yīng)用于小功率無(wú)線傳輸系統(tǒng)中。曼徹斯特編碼是申行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N重耍的編碼方式。曼徹斯特編碼最大的優(yōu)點(diǎn)是:數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘統(tǒng)一編碼，曼碼中含有豐富的時(shí)鐘信號(hào)，直流分量基本為零，接收器能夠較容易恢復(fù)同步時(shí)鐘，并同步解調(diào)出數(shù)據(jù)，具有很好的抗干擾性能，這使它更適合于信道傳輸。IEEE802.4 令牌總線標(biāo)準(zhǔn)采用了此種傳輸技術(shù)。曼徹斯特編碼被使用作一個(gè)以太網(wǎng)局域網(wǎng)的物理層,對(duì)于一個(gè)以太網(wǎng)局域網(wǎng)用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，額外的帶寬不是重要的問(wèn)題。CAT5e 纜線的帶寬有限，為了達(dá)到 100 Mbps 的數(shù)據(jù)速率需要更高效率的編碼方法，必要使用一個(gè)

21、 4b/5b MLT編碼方案。它使用(代替曼徹斯特編碼使用的兩個(gè)電平值)三個(gè)信號(hào)電平值，因此可以實(shí)現(xiàn) 100 Mbps 信號(hào)的數(shù)據(jù)速率且只需要占僅 31 MHz 的帶寬. IEEE-802.3u 規(guī)范采用三電平符號(hào)傳輸系統(tǒng)取代 10BaseT 的二電平曼徹斯特編碼，能實(shí)現(xiàn)快速以太網(wǎng)的兼容性。這種方案采用一種最初為 FDDI（光纖分布式數(shù)據(jù)接口）系統(tǒng)開發(fā)的4B/5B 編碼。這種編碼將 4 位數(shù)據(jù)半字節(jié)轉(zhuǎn)換為 5 位編碼，用以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)和增加控制碼，例如數(shù)據(jù)流起始和終止定界符。將符號(hào)率提高到 125 Mbps，可補(bǔ)償4B/5B 內(nèi)在的 20%數(shù)據(jù)傳輸效率，但是這種帶寬增加所產(chǎn)生的頻譜會(huì)被曼徹斯特

22、編碼擴(kuò)展到數(shù)百兆赫。衰減損耗和 EMC 問(wèn)題使這種方法無(wú)法使用，所以 100BaseTX 使用了 MLT-3（多電平轉(zhuǎn)換三電平）載波。吉比特以太網(wǎng)使用五電平值和 8b/10b 編碼方案，在有限的電纜帶寬下更有效率，在 100 MHz 的帶寬以內(nèi)提供 1Gbps 的數(shù)據(jù)速率。2.3.2 曼徹斯特碼在測(cè)井系統(tǒng)中的應(yīng)用測(cè)井技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)發(fā)生了很大的變化：一是由模擬測(cè)井技術(shù)發(fā)展到了數(shù)字測(cè)井技術(shù)；二是由數(shù)字測(cè)井技術(shù)發(fā)展到了數(shù)控測(cè)井技術(shù)。進(jìn)入90年代，成像測(cè)井技術(shù)獲得了較大的發(fā)展，測(cè)井系統(tǒng)中需要傳送的數(shù)據(jù)信息量越來(lái)越大，為此必須解決數(shù)據(jù)的高速傳輸與正確接收兩個(gè)問(wèn)題，如相關(guān)編碼技術(shù)、纜芯多路復(fù)用技術(shù)、

23、基帶均衡技術(shù)等用以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和降低誤碼率.在測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，由于曼徹斯特碼既能提供足夠的定時(shí)分量，又無(wú)直流漂移，編碼過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，因而曼徹斯特（Manchester）碼是測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸中常用的編碼方式之一。目前，在實(shí)際的工程測(cè)井中，常采用Manchester編譯碼器HD-15530把測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Manchester碼及把Manchester碼解碼為數(shù)據(jù).由于HD-15530發(fā)送數(shù)據(jù)輸入及接受數(shù)據(jù)輸出均為串行方式，并且Manchester編碼、解碼是以16位數(shù)據(jù)為基本單位，邏輯上要求使用推薦精選16位的并入串出移位寄存器和16位的串入并出移位寄存器與單片機(jī)接口，這樣硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，儀

24、器成本較高.考慮到測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)傳輸速率不高，可用單片機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)Manchester編碼和解碼功能. 在油田測(cè)井中，井下儀在井下采集大量信息，并傳送給地面測(cè)井系統(tǒng)；但井下儀到地面段信道的傳輸性能并不好，常用的NRZ碼不適合在這樣的信道里傳輸，而且NRZ碼含有豐富的直流分量，容易引起滾筒的磁化，因而選用了另外一種編碼 曼徹斯特碼。曼徹斯特編碼串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N重要的編碼方式。和最常用的NRZ碼相比，曼徹斯特碼具有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，消除了NRZ碼的直流成分，具有時(shí)鐘恢復(fù)和更好的抗干擾性能，這使它更適合于信道傳輸。但曼徹斯特碼的時(shí)序比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)編解碼器和單片機(jī)的接口需要添加大量的邏輯電路，給電路設(shè)計(jì)和調(diào)

25、試帶來(lái)很多困難。使用CPLD可大大簡(jiǎn)化這一過(guò)程。CPLD（Complex Programmable Logic Devices）具有用戶可編程、時(shí)序可預(yù)測(cè)、速度高和容易使用等優(yōu)點(diǎn)，這幾年得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。上至高性能CPU,下至簡(jiǎn)單的74電路，都可以用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)。而且CPLD的可編程性，使修改和產(chǎn)品升級(jí)變得十分方便。用戶可以根據(jù)原理圖或硬件描述語(yǔ)言自由地設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，然后通過(guò)軟件仿真，事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。PCB完成以后，還可以利用PLD的在線修改能力，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路，從而大大縮短了設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間，減少了PCB面積，提高了系統(tǒng)的可靠性.推薦精選第三章 曼徹斯特編解

26、碼方案曼徹斯特編解碼電路由三個(gè)部分組成，分別是編碼電路模塊，解碼電路模塊，和同步信號(hào)提取電路模塊。編碼電路模塊提供時(shí)鐘源，并且對(duì)輸入的待傳送原碼進(jìn)行編碼，將其轉(zhuǎn)換成曼徹斯特碼并發(fā)送。同步時(shí)鐘信號(hào)提取電路模塊負(fù)責(zé)從接收到的曼徹斯特碼中提取其中包含的同步時(shí)鐘信號(hào)，將其提供給解碼電路模塊進(jìn)行解碼。解碼電路模塊用則是將接收到的曼徹斯特碼整形后利用同步時(shí)鐘提取電路模塊提供的同步信號(hào)把它轉(zhuǎn)換成原碼輸出。三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊相互協(xié)同工作共同完成曼徹斯特編解碼工作，同時(shí)相互獨(dú)立的模塊結(jié)構(gòu)有利于查找電路中存在的問(wèn)題，便于維護(hù)。系統(tǒng)整體原理框圖如下：時(shí)鐘源 整形電路微分電路窄帶濾波電路原碼輸入全波整流電路占空比調(diào)整

27、電路同步電路編碼電路鎖相環(huán)跟蹤 2 分頻整形電路解碼電路原碼輸出圖 3.1 曼徹斯特編解碼電路原理框圖3.1 編碼電路編碼電路的實(shí)現(xiàn),編碼電路模塊具體分為以下幾個(gè)部分：時(shí)鐘源，占空比調(diào)整電路，同步電路，編碼電路。結(jié)構(gòu)圖如下所示：推薦精選 編碼輸入 曼碼 輸出 時(shí)鐘源占空比調(diào)整編碼同步 圖 3.2 編碼電路模塊原理圖對(duì)比曼徹斯特編碼與原碼波形，可以看出在理想狀況下，曼徹斯特碼在時(shí)鐘的前半周期和原碼相同，后半周期和原碼相反。因此要用一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器，在時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，選擇原碼作為曼徹斯特編碼的信號(hào)，而時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，選擇原碼的反碼作為曼徹斯特編碼信號(hào)即可。但是上面的思路還有一定的問(wèn)題。其一，

28、時(shí)鐘信號(hào)與原碼的信號(hào)起始位置不同。如果按照上面的思路編碼，就會(huì)在編碼時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤情況。例如：1”的寬度與一般的寬度不同，導(dǎo)致之后的編碼全部出錯(cuò)，顯然編碼是錯(cuò)誤的。在通信系統(tǒng)中，時(shí)鐘和信號(hào)往往是由電路的不同部分產(chǎn)生的，起始時(shí)刻不同也是很正常的。在對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼前，用一個(gè) D 觸發(fā)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，可以使信號(hào)和時(shí)鐘同步，而且能調(diào)整信號(hào)的脈寬，使信號(hào)的寬度為時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。當(dāng)時(shí)鐘的頻率和信號(hào)發(fā)送的波特率相等時(shí)，就只會(huì)在原碼中較寬(比時(shí)鐘周期寬)的碼元處產(chǎn)生一個(gè)誤碼，而較窄(比時(shí)鐘周期窄)的碼元處不會(huì)產(chǎn)生誤碼。很明顯，原碼就是在時(shí)鐘的前半周期(高電平的時(shí)候)保持曼徹斯特的碼不變，而時(shí)鐘后半周期，維持前

29、半周期的電平不變，就恢復(fù)出原碼了 12,31。這個(gè)過(guò)程只要時(shí)鐘相位調(diào)整得當(dāng)，同樣可以用一個(gè) D 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。綜上所述，編碼電路僅需要一個(gè) D觸發(fā)器，一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器;而譯碼電路僅需要一個(gè) D 觸發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)。另外只需要構(gòu)建一個(gè)占空比為 1/2，且頻率大于兩倍于信號(hào)速率的時(shí)鐘。硬件電路比較簡(jiǎn)單，使用的元器件也比較簡(jiǎn)單，成本較低。而且可以方便地測(cè)試編碼。編碼電路主要由時(shí)鐘電路模塊、占空比調(diào)整電路、編碼電路部分組成。時(shí)鐘信號(hào) 產(chǎn)生很多時(shí)候多是采用集成電路定時(shí)器 555 產(chǎn)生，作定時(shí)器時(shí)，定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)。推薦精選555 的靜態(tài)電流較小，一般為 80 LA 左右。改變 R,R2,C 的值可得到任意頻率的時(shí)鐘

30、脈沖。由于電容 C 的充放電時(shí)間常數(shù)不相等。因此電路的輸出波形為矩形脈沖，脈沖的占空比隨頻率的變化而變化。然而，555定時(shí)器作為時(shí)鐘源時(shí)，它的時(shí)鐘穩(wěn)定性不夠高，一般只有三個(gè)數(shù)量級(jí)，而此處設(shè)計(jì)的曼徹斯特編解碼電路設(shè)計(jì)速率為100KBps，誤碼率要求0.001以下。要求時(shí)鐘頻率為100 000Hz ,并且因?yàn)檎伎毡日{(diào)整電路實(shí)際上是一個(gè)二分頻電路，因此時(shí)鐘源頻率要求達(dá)到200 000Hz.顯然，555定時(shí)器不能滿足要求。所以此處選用了穩(wěn)定度高得多的晶體震蕩定時(shí)電路，精確度可達(dá)4五至9個(gè)數(shù)量級(jí)，完全符合電路的要求。具體實(shí)際應(yīng)用中采用了比較常用性價(jià)比高的石英晶體正弦波振蕩電路。3.1.1 石英晶體振蕩器

31、石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。一、石英晶體振蕩器的基本原理1、石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu) 石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化硅的結(jié)晶體）的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，它的基本構(gòu)成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡(jiǎn)稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極，在每個(gè)電極上各焊一根引線接到管腳 上，再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封

32、裝的。2、壓電效應(yīng) 若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與 LC 回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。3 諧振頻率 從石英晶體諧振器的等效電路可知，它有兩個(gè)諧振頻率，即（1）當(dāng) L、C、R支路發(fā)生串聯(lián)

33、諧振時(shí)，它的等效阻抗最?。ǖ扔?R）。串聯(lián)揩振頻率用 fs 表示，石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率 fs 呈純阻性，（2）當(dāng)頻率高于 fs 時(shí) L、C、R 支路呈感性，可與電容 C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用 fd 表示。推薦精選二、石英晶體振蕩器的主要參數(shù)標(biāo)稱頻率大都標(biāo)明在晶振外殼上。如常用普通晶振標(biāo)稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz40.50 MHz等，對(duì)于特殊要示，石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性，（2）當(dāng)頻率高于fs時(shí)L、C、R支路呈感性，可與電容C。發(fā)生并聯(lián)諧振，其并聯(lián)頻率用fd表示。 根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性畫出它的電抗頻率特性曲線如圖2e所示?？?/p>

34、見(jiàn)當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí)，石英晶體呈容性。僅在fsffd極窄的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性。 石英晶體振蕩器是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。石英晶體正弦波振蕩電路的形式是多種多樣的，但基本電路只有兩類，即并聯(lián)型和串聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路，前者石英晶體工作在接近于并聯(lián)諧振狀態(tài)，而后者則工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)。在工程應(yīng)用中，例如在實(shí)驗(yàn)用的低頻及高頻信號(hào)產(chǎn)生電路中，往往要求正弦波振蕩電路的振蕩頻率有一定的穩(wěn)定度，有時(shí)要求振蕩頻率十分穩(wěn)定，如通訊系

35、統(tǒng)中的射頻振蕩電路、數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)鐘產(chǎn)生電路等。因此，有必要引用頻率穩(wěn)定度來(lái)作為衡量振蕩電路的質(zhì)量指標(biāo)之一。頻率穩(wěn)定度一般用頻率的相對(duì)變化量f/f0來(lái)表示，f0為振蕩頻率，f 為頻率偏移。頻率穩(wěn)定度有時(shí)附加時(shí)間條件， 如一小時(shí)或一日內(nèi)的頻率相對(duì)變化量。影響 LC 振蕩電路振蕩頻率無(wú)的因素主要是 LC 并聯(lián)諧振回路的 Q 值，可以證明，Q 值愈大，頻率穩(wěn)定度愈高。由電路理論知道：為了提高 Q 值，應(yīng)盡量減小回路的損耗電阻 R 并加大 L/C 值。 但一般的 LC 振蕩電路，其 Q 值只可達(dá)數(shù)百， 在要求頻率穩(wěn)定度高的場(chǎng)合，往往采用石英晶體振蕩電路。它的頻率穩(wěn)定度可高達(dá)10-9甚至 10-11。 石

36、英晶體振蕩電路之所以具有極高的頻率穩(wěn)定度，主要是由于采用了具有極高Q 值的石英晶體元件。石英晶體是一種各向異性的結(jié)晶體，它是硅石的一種，其化學(xué)成分是二氧化硅 。 從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片稱為晶片（可以是正方形、矩形或圓形等)， 然后在晶片的兩個(gè)對(duì)應(yīng)表面上涂敷銀層并裝上一對(duì)金屬板，就構(gòu)成石英晶體產(chǎn)品，一般用金屬外殼密封，也有用玻璃殼封裝的。推薦精選 圖 3.3 石英晶體產(chǎn)品外形石英晶片所以能做振蕩電路是基于它的壓電效應(yīng)，可以用上圖所示的等效電路來(lái)模擬。等效電路中的 C。 為切片與金屬板構(gòu)成的靜電電容，L 和 C 分別模擬晶體的質(zhì)量(代表慣性)和彈性，而晶片振動(dòng)時(shí),因摩擦而造成的損耗則

37、用電阻 R 來(lái)等效。 石英晶體的一個(gè)可貴的特點(diǎn)在于它具有很高的質(zhì)量與彈性的比值 (等效于 L/C)，因而它的品質(zhì)因數(shù) Q 高達(dá) 10000500000 的范圍內(nèi)。 等效電路中元件的典型參數(shù)為：Co 很?。簬?pF幾十 pF，L：幾十 mH幾百 mH，C：0.0002 pF 0.1pF 。下圖為石英晶體的符號(hào)、等效電路和電抗特性。 圖 3.4 石英晶體的符號(hào)、等效電路和電抗特性由等效電路可知，石英晶體有兩個(gè)諧振頻率，即（1）L-C-R 支路串聯(lián)諧振 （3.1）12sfLC（2）當(dāng) ffs時(shí)，L-C-R 支路呈感性，與 Co產(chǎn)生并聯(lián)諧振。推薦精選 （3.2）12OOpsOOCCCCffCCLC由于

38、 CoC，故 fPfS.在實(shí)際應(yīng)用中，通常串入一個(gè)用于校正振蕩頻率的小電容 CS，如上圖所示。 CS的選擇應(yīng)比 C 大。因此，利用石英晶體的頻率特性可構(gòu)成兩種不同類型的頻率高度穩(wěn)定的正弦波振蕩電路：當(dāng)石英晶體發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它呈純阻性，相移是 0。若把石英晶體作為放大電路的反饋網(wǎng)絡(luò)，并起選頻作用，只要放大電路的相移也是 0，則滿足相位條件， 形成串聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路。當(dāng)頻率在 fs與 fp之間，石英晶體呈感性，可將它與兩個(gè) C 構(gòu)成電容三點(diǎn)式正弦波振蕩電路，形成并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路如圖 3.5 所示。 綜合以上因素本次設(shè)計(jì)時(shí)鐘源選用并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路如圖 3.5 所示

39、電路完全可以滿足系統(tǒng)在頻率穩(wěn)定度以及精確度等各項(xiàng)要求。乘乘872U?AUA9637ACLK3D2SD4CD1Q5Q6U?A74LS74CLK3D2SD4CD1Q5Q6U?A74LS74I0A6I1A512A413A3EA1ZA7I0B10I1B11I2B12I2C13EB15ZB9S014S1274LS153C2C1C31000PF20PF5PF乘 乘 乘 乘+5V乘 乘 乘 乘乘 乘 乘 乘乘 乘 乘 乘IC1IC2IC3乘 乘 乘 乘 乘IC4乘 乘乘 乘+5V 圖 3.5 并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路3.1.2 占空比調(diào)整電路占空比調(diào)整電路采用一個(gè) D 觸發(fā)器，將其反向輸出端接至其輸入端

40、 D 管腳，時(shí)鐘源輸出端接入其 CP 管腳，從而構(gòu)成一個(gè)二分頻電路實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)整，將原來(lái)由石英晶體震蕩電路產(chǎn)生的占空比隨頻率變化而變化的時(shí)鐘信號(hào)調(diào)整其占空比為50%。如下圖所示：推薦精選乘乘872U?AUA9637ACLK3D2SD4CD1Q5Q6U?A74LS74CLK3D2SD4CD1Q5Q6U?A74LS74I0A6I1A512A413A3EA1ZA7I0B10I1B11I2B12I2C13EB15ZB9S014S1274LS153C2C1C31000PF20PF5PF乘 乘 乘 乘+5V乘 乘 乘 乘乘 乘 乘 乘乘 乘 乘 乘IC1IC2IC3乘 乘 乘 乘 乘IC4乘 乘乘 乘+5

41、V 圖 3.6 占空比調(diào)整電路3.1.3 編碼電路 曼徹斯特碼在時(shí)鐘的前半周期和原碼相同，后半周期和原碼相反。因此要用一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器，在時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)，選擇原碼作為曼徹斯特編碼的信號(hào)，而時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，選擇原碼的反碼作為曼徹斯特編碼信號(hào)即可。如下圖所示： 乘乘872U?AUA9637ACLK3D2SD4CD1Q5Q6U?A74LS74CLK3D2SD4CD1Q5Q6U?A74LS74I0A6I1A512A413A3EA1ZA7I0B10I1B11I2B12I2C13EB15ZB9S014S1274LS153C2C1C31000PF20PF5PF乘 乘 乘 乘+5V乘 乘 乘 乘乘 乘

42、乘 乘乘 乘 乘 乘IC1IC2IC3乘 乘 乘 乘 乘IC4乘 乘乘 乘+5V圖 3.7 編碼電路以上則構(gòu)成了曼徹斯特編碼電路模塊。3.2 解碼電路解碼電路中，由于同步時(shí)鐘信號(hào)已經(jīng)有專門的模塊電路恢復(fù)出來(lái)，因此直接利用，解碼電路模塊所需要做的只是在時(shí)鐘信號(hào)為高電平（前半時(shí)鐘周期）時(shí)，直接推薦精選把此時(shí)曼徹斯特碼電平值作為曼徹斯特碼譯碼的信號(hào)，而時(shí)鐘信號(hào)為低電平（后半時(shí)鐘周期）時(shí)，保持前半時(shí)鐘周期的曼徹斯特碼電平值即可。因此推薦精選解碼電路中，理論上只需要一個(gè)D觸發(fā)器即可以實(shí)現(xiàn)。解碼電路比較簡(jiǎn)單。3.3 同步信號(hào)提取電路數(shù)字通信在近幾十年來(lái)得到了迅速的發(fā)展，其原因是數(shù)字通信系統(tǒng)具有許多模擬通信

43、系統(tǒng)不能達(dá)到或不容易達(dá)到的優(yōu)越性。數(shù)字通信的這些優(yōu)越性體現(xiàn)在諸多方面，以下是一些容易理解的數(shù)字通信的優(yōu)點(diǎn)。1. 抗干擾能力強(qiáng);2. 便于靈活進(jìn)行各種處理，可以硬件實(shí)現(xiàn)，也可以計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn);3. 易于實(shí)現(xiàn)集成化、小型化;4. 易于加密;5. 容易存儲(chǔ);6. 各種業(yè)務(wù)可以結(jié)合起來(lái)，有利于實(shí)現(xiàn)寬帶多媒體通信。數(shù)字通信系統(tǒng)雖然優(yōu)點(diǎn)眾多，但是仍然有其固有的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在同步和誤碼上面。這些方面的指標(biāo)是通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，但同時(shí)，這方面的理論和技術(shù)也是通信領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。數(shù)字通信系統(tǒng)中，有異步通信系統(tǒng)和同步通信系統(tǒng)。在同步通信系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)序列是按節(jié)拍一步一步工作，因此收發(fā)兩端的節(jié)拍一定要相同

44、。否則將出現(xiàn)混亂。另外，發(fā)送的數(shù)字信號(hào)序列常常是編組的，收端必須知道這些編組的頭尾，否則無(wú)法恢復(fù)原始信息。要保證收發(fā)兩端的節(jié)拍一致，必須有同步系統(tǒng)的控制同步是數(shù)字通信系統(tǒng)以及某些采用相干解調(diào)的模擬通信系統(tǒng)中的一個(gè)重要問(wèn)題。由于收發(fā)雙方不在一地，要使它們能步調(diào)一致協(xié)調(diào)工作，必須要有同步系統(tǒng)來(lái)保證。在數(shù)字通信中，按照同步的功用分為:載波同步、位同步、群同步和網(wǎng)同步。在數(shù)字通信中，任何消息都是一連串信號(hào)碼元序列，所以接收時(shí)需要知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻，才能在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行取樣判決。通常將在接收端產(chǎn)生與接收碼元的重復(fù)頻率和相位一致的定時(shí)脈沖序列的過(guò)程稱為碼元同步或位同步，而稱這個(gè)定時(shí)脈沖序列為碼元同步脈

45、沖或位同步脈沖。必須獲得了同步時(shí)鐘信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)解碼。位同步是指在接收端的基帶信號(hào)中提取碼元定時(shí)的過(guò)程，是正確取樣判決的基礎(chǔ)，只有數(shù)字通信才需要，并且不論是基帶傳輸還是頻帶傳輸都需要位同步;所提取的位同步信息是頻率等于碼速率的定時(shí)脈沖，相位則根據(jù)判決時(shí)信號(hào)波形決定，可能在碼元中間，也可能在碼元中止時(shí)刻或其他時(shí)刻。位同步又稱同步傳輸，它是使接收端對(duì)每一位數(shù)據(jù)都要和發(fā)送端保持同步。如果基帶信號(hào)為隨機(jī)的二進(jìn)制不歸零脈沖序列，那么這種信號(hào)本身不包含位同步信號(hào)。為了獲得位同步信號(hào)，就應(yīng)在基帶信號(hào)中插入位同步導(dǎo)頻信號(hào)，或者對(duì)該基帶信號(hào)進(jìn)行某種變換。這兩種方法稱為插入導(dǎo)頻法和直接法。還有一種方式，將基帶信號(hào)通

46、過(guò)線路編碼的方式，使其包推薦精選含定時(shí)信號(hào)。推薦精選在實(shí)現(xiàn)位同步時(shí)，具體實(shí)現(xiàn)可分為外同步法和自同步法兩種。在外同步法中，接收端的同步信號(hào)事先由發(fā)送端送來(lái)，而不是自己產(chǎn)生也不是從信號(hào)中提取出來(lái)。即在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，發(fā)送端先向接收端發(fā)出一串同步時(shí)鐘脈沖，接收端按照這一時(shí)鐘脈沖頻率和時(shí)序鎖定接收端的接收頻率，以便在接收數(shù)據(jù)的過(guò)程中始終與發(fā)送端保持同步。自同步法是指能從數(shù)據(jù)信號(hào)波形中提取同步信號(hào)的方法。自同步法也就是通過(guò)編碼(線路編碼)令數(shù)據(jù)信號(hào)波形的功率譜中包含表達(dá)定時(shí)分量的線譜的方式達(dá)到的。曼徹斯特碼是一種典型使用自同步法保持位同步的線路碼型。同步信號(hào)提取電路是整個(gè)電路中最關(guān)鍵也是最復(fù)雜的部分，它的

47、成功與否直接影響整個(gè)電路的正常工作，任何一點(diǎn)同步信號(hào)提取電路的誤差都可能導(dǎo)致最終的解碼輸出誤碼。同步時(shí)鐘提取電路具體分為以下幾個(gè)部分：整形電路微分電路全波整流電路窄帶濾波電路鎖相環(huán)電路及二分頻結(jié)構(gòu)圖如下所示： 曼碼輸入 同步信號(hào)輸出整形微分全波整流窄帶濾波鎖相環(huán)及分頻 頻圖 3.8 同步時(shí)鐘提取電路原理圖推薦精選微分后波形全波整流后波形窄帶濾波后波形 圖 3.9 同步時(shí)鐘提取波形圖3.3.1 利用電壓比較器整形曼碼接受端所接收到的曼徹斯特碼在傳輸過(guò)程中不可避免的會(huì)受到外界的干擾從而產(chǎn)生信號(hào)波形的失真，接收到的波形將不再是規(guī)則的方波，因此在進(jìn)行解碼之前必須對(duì)接收的信號(hào)先進(jìn)行整形，利用過(guò)零比較器可

48、以實(shí)現(xiàn)這一要求。電壓比較器是集成運(yùn)放非線性應(yīng)用電路，它將一個(gè)模擬量電壓信號(hào)和一個(gè)參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器可以組成非正弦波形變換電路及應(yīng)用于模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。下圖所示為一最簡(jiǎn)單的電壓比較器，UR為參考電壓，加在運(yùn)放的同相輸入端，輸入電壓 ui加在反相輸入端。 (a)電路圖 (b)傳輸特性曼徹斯特碼推薦精選圖 3.10 電壓比較器當(dāng) uiUR時(shí)，運(yùn)放輸出高電平，穩(wěn)壓管 Dz 反向穩(wěn)壓工作。輸出端電位被其箝位在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓 UZ，即 uOUZ當(dāng) uiUR時(shí)，運(yùn)放輸出低電平，DZ正向?qū)?，輸出電壓等于穩(wěn)壓管的正向壓降UD，即

49、uoUD因此，以 UR為界，當(dāng)輸入電壓 ui變化時(shí)，輸出端反映出兩種狀態(tài)，高電位和低電位。表示輸出電壓與輸入電壓之間關(guān)系的特性曲線，稱為傳輸特性。 圖 3.10為(a)圖比較器的傳輸特性。常用的電壓比較器有過(guò)零比較器、具有滯回特性的過(guò)零比較器、雙限比較器（又稱窗口比較器）等。過(guò)零比較器電路如下圖所示為加限幅電路的過(guò)零比較器，DZ為限幅穩(wěn)壓管。信號(hào)從運(yùn)放的反相輸入端輸入，參考電壓為零,從同相端輸入。當(dāng) Ui0 時(shí)，輸出 UO-(UZ+UD)，當(dāng) Ui0 時(shí)，UO+(UZ+UD)。其電壓傳輸特性如圖 3.11（b）所示。過(guò)零比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但抗干擾能力差。 (a) 過(guò)零比較器 (b) 電

50、壓傳輸特性圖 3.11 過(guò)零比較器3.3.2 利用微分電路檢出曼碼跳變沿 微分電路可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波,此電路的輸出波形只反映輸入波形的突變部分,即只有輸入波形發(fā)生突變的瞬間才有輸出。而對(duì)恒定部分則沒(méi)有輸出。輸出的尖脈沖波形的寬度與 R*C 有關(guān)（即電路的時(shí)間常數(shù)）,R*C 越小,尖脈沖波形越尖,反之則寬。此電路的 R*C 必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于輸入波形的寬度,否則就失去了波形變換的作用,變?yōu)橐话愕?RC 耦合電路了,一般 R*C 少于或等于輸入波形寬度的 1/10 就可以了。因此，利用微分電路可以檢出曼徹斯特碼跳變沿，從而方便下一步從中提取時(shí)鐘信號(hào)。推薦精選圖 3.12 給出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的微分電路形

51、式。為表達(dá)方便，這里我們使輸入為頻率為 50Hz 的方波，經(jīng)過(guò)微分電路后，輸出為變化很陡峭的曲線。圖 3.13 是用示波器顯示的輸入和輸出的波形。 圖 3.12 微分電路波形圖 圖 3.13 示波器波形 當(dāng)?shù)谝粋€(gè)方波電壓加在微分電路的兩端（輸入端）時(shí)，電容 C 上的電壓開始因充電而增加。而流過(guò)電容 C 的電流則隨著充電電壓的上升而下降。電流經(jīng)過(guò)微分電路（R、C）的規(guī)律可用下面的公式來(lái)表達(dá)（參考右圖）：t CRiV R e i-充電電流（A）； v-輸入信號(hào)電壓（V）； R-電路電阻值（歐姆）； 圖 3.14 微分電路推薦精選C-電路電容值（F）； e-自然對(duì)數(shù)常數(shù)（2.71828）； t-信號(hào)

52、電壓作用時(shí)間（秒）； CR-R、C 常數(shù)（R*C） 由此我們可以看出輸出部分即電阻上的電壓為 i*R，結(jié)合上面的計(jì)算，我們可以得出輸出電壓曲線計(jì)算公式為（其曲線見(jiàn)下圖）：/ t CRiRVe圖 3.15 輸出電壓曲線圖3.3.3 全波整流電路 在微分電路之后，由于檢測(cè)出來(lái)的曼徹斯特碼跳變沿具有上下兩個(gè)方向，得到的尖鋒脈沖也同樣如此，不能直接濾波提取位同步信號(hào)，因此需要一個(gè)全波整流電路將微分電路輸出的尖鋒脈沖統(tǒng)一為一個(gè)極性，然后送入窄帶濾波電路即可提取出位同步信號(hào)。全波整流電路有單相全波整流電路和橋式整流電路等幾種類型，下面是對(duì)它們各自性能的分析。全波整流電路全波整流電路全波整流電路，可以看作是

53、由兩個(gè)半波整流電路組合成的。變壓器次級(jí)線圈中間需要引出一個(gè)抽頭，把次組線圈分成兩個(gè)對(duì)稱的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個(gè)電壓 e2a 、e2b ，構(gòu)成 e2a 、D1、Rfz 與 e2b 、D2 、Rfz ，兩個(gè)通電回路。推薦精選全波整流電路的工作原理：在 0 間內(nèi)，e2a 對(duì) Dl 為正向電壓，D1 導(dǎo)通，在 Rfz 上得到上正下負(fù)的電壓；e2b 對(duì) D2 為反向電壓， D2 不導(dǎo)通。在 -2時(shí)間內(nèi)，e2b 對(duì) D2 為正向電壓，D2 導(dǎo)通，在 Rfz 上得到的仍然是上正下負(fù)的電壓；e2a 對(duì) D1 為反向電壓，D1 不導(dǎo)通。如此反復(fù)，由于兩個(gè)整流元件 D1 、D2 輪流導(dǎo)電，結(jié)果負(fù)載

54、電阻 Rfz 上在正、負(fù)兩個(gè)半周作用期間，都有同一方向的電流通過(guò)，因此稱為全波整流，全波整流不僅利用了正半周，而且還巧妙地利用了負(fù)半周，從而大大地提高了整流效率（Usc 0.9e2，比半波整流時(shí)大一倍）全波整流電路的輸出電壓為: （3.3）222012 22sin0.9OLVVVtd tVV流過(guò)負(fù)載的平均電流為 （3.4）220.92 2DLLLVIIVRR二極管所承受的最大反向電壓 max22 2RVV 單相全波整流電路的脈動(dòng)系數(shù) S 與單相橋式整流電路相同。 （3.5）224 22 220.6733VVS 單相橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過(guò)，而全波整流電路中有直流分量流過(guò)。所以單相

55、橋式整流電路的變壓器效率較高，在同樣功率容量條件下，體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于全波整流電路，故廣泛應(yīng)用于直流電源之中。 單相橋式整流電路單相橋式整流電路推薦精選 （a） (b)圖 3.16 單相橋式整流電路單相橋式整流電單相橋式整流電路如圖 3.16（a）所示，圖中 Tr 為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓 vI變成整流電路要求的交流電壓 ，RL是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管 D1D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。路的工作原理可分析如下。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，二極管用理想模型來(lái)處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無(wú)窮大。在 v2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上

56、端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管 D1流向RL，再由二極管 D3流回變壓器，所以 D1、D3正向?qū)?，D2、D4反偏截止。在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負(fù)的輸出電壓。其電流通路可用圖 3.16（a）中實(shí)線箭頭表示。在 v2的負(fù)半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管 D2流向 RL，再由二極管 D4流回變壓器，所以 D1、D3反偏截止，D2、D4正向?qū)?。電流流過(guò) RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同。其電流通路如圖 3.16（a）中虛線箭頭所示。綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個(gè)二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器

57、副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。根據(jù)上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如圖 3.17。由圖可見(jiàn)，通過(guò)負(fù)載RL的電流 iL以及電壓 vL的波形都是單方向的全波脈動(dòng)波形。推薦精選橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導(dǎo)體整流電路中得到了頗為廣泛的應(yīng)用。電路的缺點(diǎn)是二極管用得較多，但目前市場(chǎng)上已有整流橋堆出售，如QL51AG、QL62AL 等，其中 QL62AL 的額定電流為 2

58、A，最大反向電壓為25V1000V。故單相橋式整流電路常畫成圖 3.16（b）所示的簡(jiǎn)化形式。在綜合對(duì)比了橋式整流電路和全波整流電路的各自性能后，顯然橋式整流電路唯一缺點(diǎn)就是二極管用得較多，但電路效率較高，因此在同步信號(hào)提取模塊中采用了橋式整流電路進(jìn)行全波整流，統(tǒng)一尖鋒脈沖的極性，為下一步濾波做好準(zhǔn)備。 圖 3.17 橋式整流電路的工作波形圖3.3.4 窄帶濾波電路 為了從尖鋒脈沖中提取同步時(shí)鐘信號(hào)，需要一個(gè)帶寬非常窄的濾波電路進(jìn)行濾波，顯然一般的帶通濾波器并不能滿足要求。在無(wú)線電測(cè)量?jī)x器、通訊設(shè)備、遙控遙測(cè)及其他無(wú)線電設(shè)備中，常常需要通帶非常窄的帶通濾波器，它對(duì)于提高這些無(wú)線電測(cè)量?jī)x器和設(shè)備

59、的性能起著極為重要的作用。這些濾波器要求其頻率從數(shù)千赫到數(shù)十千兆赫，相對(duì)帶寬小到目前為止0.1%-0.01%,有的要求寬帶為幾十赫，甚至 1 赫。能完成上述要求的窄帶濾波器，有：機(jī)械濾波器（包括音叉濾波器、音片濾波器、棒狀或圓片狀濾波器），陶瓷濾推薦精選波器和晶體濾波器。概況地說(shuō)，音片、音叉濾波器適用于 20KHZ 以下；圓片、棒狀濾波器適用于推薦精選600KHZ 以下；陶瓷濾波器、晶體濾波器適用以上所有的頻率，但晶體濾波器的Q 值遠(yuǎn)較陶瓷濾波器高，能實(shí)現(xiàn)更窄的帶寬。眾所周知，一塊單晶體諧振器具有等效電感、等效電容、等效損耗電阻mLmC、和結(jié)構(gòu)電容。 如果省掉，可以視為理想的三元件二端網(wǎng)路，那

60、么它有一mroCmr個(gè)串聯(lián)諧振頻率和一個(gè)并聯(lián)諧振頻率的。將一塊諧振器串聯(lián)在兩級(jí)放大器之間，ofrf利用它的串聯(lián)諧振特性，獲得一個(gè)通帶很窄的選擇放大器、其中心而定，通帶寬of度決定于諧振器的 Q 值。這種串聯(lián)晶體的選擇放大器叫做有源晶體濾波器，然而它的阻帶衰減特性差。這種選擇放大器特性差的主要原因是由于諧振器的結(jié)構(gòu)電容所致，因?yàn)樽鑾ьl率信號(hào)可以通過(guò)由第一級(jí)放大器直接藕合到第二級(jí)、頻率oCoC較高時(shí)更為重要。為了克服這一缺點(diǎn)，則希望設(shè)置另一通路，以獲得與此衰減較大的衰減特性。這就是有源晶體濾波器，其典型線路如圖所示。1234BRIDGE1R31K872U?AUA9637A5.1KR110K116A