全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽——通信培訓(xùn)教程教材

1、2011 2011 年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試題參賽注意事項(xiàng)（1）2011 年8 月31 日8:00 競(jìng)賽正式開(kāi)始。本科組參賽隊(duì)只能在【本科組】題目中任選一題；高職高專(zhuān)組參賽隊(duì)在【高職高專(zhuān)組】題目中任選一題，也可以選擇【本科組】題目。（2）參賽隊(duì)認(rèn)真填寫(xiě)登記表內(nèi)容，填寫(xiě)好的登記表交賽場(chǎng)巡視員暫時(shí)保存。（3）參賽者必須是有正式學(xué)籍的全日制在校本、專(zhuān)科學(xué)生，應(yīng)出示能夠證明參賽者學(xué)生身份的有效證件（如學(xué)生證）隨時(shí)備查。（4）每隊(duì)嚴(yán)格限制3 人，開(kāi)賽后不得中途更換隊(duì)員。（5）參賽隊(duì)必須在學(xué)校指定的競(jìng)賽場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和制作，不得以任何方式與他人交流，包括教師在內(nèi)的非參賽隊(duì)員必須迴避，對(duì)違紀(jì)參賽隊(duì)取消

2、評(píng)審資格。（6）2011 年9 月3 日20:00 競(jìng)賽結(jié)束，上交設(shè)計(jì)報(bào)告、制作實(shí)物及登記表，由專(zhuān)人封存?！颈究平M】 設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸性能測(cè)試；同時(shí)，設(shè)計(jì)三個(gè)低通濾波器和一個(gè)偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器用來(lái)模擬傳輸信道。 簡(jiǎn)易數(shù)字信號(hào)傳輸性能分析儀的框圖如圖 1 所示。圖中，V1 和 V1-clock 是數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)和相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)；V2 是經(jīng)過(guò)濾波器濾波后的輸出信號(hào)；V3 是偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)信號(hào)；V2a 是V2 信號(hào)與經(jīng)過(guò)電容C的V3 信號(hào)之和，作為數(shù)字信號(hào)分析電路的輸入信號(hào)； V4 和V4-syn 是數(shù)字信號(hào)分析電路輸出的信號(hào)和提取的同步

3、信號(hào)。 1基本要求 （1）設(shè)計(jì)并制作一個(gè)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器： a）數(shù)字信號(hào)V1 為f1(x) =1+ x 2 + x 3 + x 4 + x 8的 m m 序列，序列，其時(shí)鐘信號(hào)為V1-clock； b）數(shù)據(jù)率為10100kbps，按10kbps 步進(jìn)可調(diào)。數(shù)據(jù)率誤差絕對(duì)值不大于1； c）輸出信號(hào)為T(mén)TL 電平。 （2）設(shè)計(jì)三個(gè)低通濾波器，用來(lái)模擬傳輸信道的幅頻特性： a）每個(gè)濾波器帶外衰減不少于40dB/十倍頻程； b）三個(gè)濾波器的截止頻率分別為100kHz、200kHz、500kHz，截止頻率誤差絕對(duì)值不大于10； c）濾波器的通帶增益AF 在0.24.0 范圍內(nèi)可調(diào)。（3）設(shè)計(jì)一個(gè)偽隨機(jī)信號(hào)

4、發(fā)生器用來(lái)模擬信道噪聲： a）偽隨機(jī)信號(hào)V3 為f2 (x) =1+ x + x 4 + x 5 + x 12的 m序列序列； b）數(shù)據(jù)率為10Mbps，誤差絕對(duì)值不大于1； c）輸出信號(hào)峰峰值為100mV，誤差絕對(duì)值不大于10% 。（4）利用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)V1-clock 進(jìn)行同步，顯示數(shù)字信號(hào)V2a 的信號(hào)眼圖，并測(cè)試眼幅度。2發(fā)揮部分發(fā)揮部分 （1）要求數(shù)字信號(hào)發(fā)生器輸出的V1 采用曼徹斯特編碼。 （2）要求數(shù)字信號(hào)分析電路能從V2a 中提取同步信號(hào)V4-syn 并輸出；同時(shí)，利用所提取的同步信號(hào)V4-syn 進(jìn)行同步，正確顯示數(shù)字信號(hào)V2a 的信號(hào)眼圖。（3）要求偽隨機(jī)信

5、號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)V3 幅度可調(diào)，V3 的峰峰值范圍為100mVTTL 電平。（4）改進(jìn)數(shù)字信號(hào)分析電路，在盡量低的信噪比下能從V2a 中提取同步信號(hào)V4-syn，并正確顯示V2a 的信號(hào)眼圖。（5）其他。三、說(shuō)明三、說(shuō)明 1、在完成基本要求時(shí)，數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)V1-clock 送給數(shù)字信號(hào)分析電路（圖1 中開(kāi)關(guān)S 閉合）；而在完成發(fā)揮部分時(shí)，V1-clock 不允許送給數(shù)字信號(hào)分析電路（開(kāi)關(guān)S 開(kāi)）。 2、要求數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字信號(hào)分析電路各自制作一塊電路板。 3、要求V1、V1-clock、V2、V2a、V3 和 V4-syn 信號(hào)預(yù)留測(cè)試端口。 4、基本要求（1）和（3）中的兩個(gè)

6、m 序列，根據(jù)所給定的特征多項(xiàng)式f1 (x)和f 2 (x)，采用線性移位寄存器發(fā)生器來(lái)生。 5、基本要求（2）的低通濾波器要求使用模擬電路實(shí)現(xiàn)。 6、眼圖顯示可以使用示波器，也可以使用自制的顯示裝置。 7、發(fā)揮部分（4）要求的“盡量低的信噪比”，即在保證能正確提取同步信號(hào)V4-syn 前提下，盡量提高偽隨機(jī)信號(hào)V3 的峰峰值，使其達(dá)到最大，此時(shí)數(shù)字信號(hào)分析電路的輸入信號(hào)V2a 信噪比為允許的最低信噪比。四、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)四、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)1.1.硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 1.1 1.1 可變時(shí)鐘源電路設(shè)計(jì)可變時(shí)鐘源電路設(shè)計(jì) 用單片機(jī)用單片機(jī)AT89S51AT89S51控制由控制由AD9851AD9851組成的組

7、成的DDSDDS電路，產(chǎn)生頻電路，產(chǎn)生頻率可變的方波，給率可變的方波，給m m序列提供時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘源電路主要包括序列提供時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘源電路主要包括單片機(jī)單片機(jī)AT89S51AT89S51的最小系統(tǒng)、的最小系統(tǒng)、DDSDDS電路、電路、LCD12864LCD12864顯示電路以及顯示電路以及矩陣鍵盤(pán)電路。其中單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路與晶振電矩陣鍵盤(pán)電路。其中單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路與晶振電路。路。DDSDDS模塊主要有模塊主要有AD9851AD9851及其外圍電路組成。可變時(shí)鐘源電及其外圍電路組成?？勺儠r(shí)鐘源電路的系統(tǒng)框圖如圖路的系統(tǒng)框圖如圖1 1所示。所示。4.1 4.1 幅幅 度

8、度 調(diào)調(diào) 制制 的的 原原 理理圖圖1 可變時(shí)鐘源電路的系統(tǒng)框圖可變時(shí)鐘源電路的系統(tǒng)框圖 從圖從圖1中可以看出通過(guò)矩陣鍵盤(pán)向單片機(jī)中可以看出通過(guò)矩陣鍵盤(pán)向單片機(jī)AT89S51輸入所輸入所需信號(hào)源的頻率，單片機(jī)通過(guò)控制需信號(hào)源的頻率，單片機(jī)通過(guò)控制AD9851來(lái)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的來(lái)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的方波，并且通過(guò)方波，并且通過(guò)LCD12864顯示屏把有關(guān)數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。顯示屏把有關(guān)數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。 1.1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示。 AT89S51是一種低功耗，是一種低功耗，高性能高性能COMS 8位單片機(jī)，位單片機(jī)，片內(nèi)含片內(nèi)含4k 字節(jié)字節(jié)ISP的可反復(fù)的

9、可反復(fù)擦寫(xiě)擦寫(xiě)1000次的次的Flash只讀程序只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中位中央處理器和央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單存儲(chǔ)單元。含有元。含有6個(gè)中斷源，有片內(nèi)個(gè)中斷源，有片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。振蕩器和時(shí)鐘電路。 AT89S51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了ISP的的在線下載功能，方便下載操在線下載功能，方便下載操作。作。 從圖從圖2中可以看出，復(fù)位電路由上電復(fù)位與按鍵復(fù)位兩個(gè)中可以看出，

10、復(fù)位電路由上電復(fù)位與按鍵復(fù)位兩個(gè)電路組成，電容電路組成，電容C與電阻與電阻R2組成了上電復(fù)位電路。在接通電源組成了上電復(fù)位電路。在接通電源瞬間，電容瞬間，電容C3上的降壓很小，電阻上的降壓很小，電阻R2上的電壓接近電源電壓，上的電壓接近電源電壓，此時(shí)電容開(kāi)始充電，在電容充電的過(guò)程中此時(shí)電容開(kāi)始充電，在電容充電的過(guò)程中RST端電壓逐漸下降，端電壓逐漸下降，當(dāng)當(dāng)RST端的電壓小于某一數(shù)值后，單片機(jī)脫離復(fù)位狀態(tài)。因?yàn)槎说碾妷盒∮谀骋粩?shù)值后，單片機(jī)脫離復(fù)位狀態(tài)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的管腳單片機(jī)的管腳RST的高電平有效時(shí)間大于的高電平有效時(shí)間大于10ms，CPU才會(huì)復(fù)位。才會(huì)復(fù)位。所以電容盡量取大一點(diǎn)，使充電時(shí)間

11、所以電容盡量取大一點(diǎn)，使充電時(shí)間T=RC大于大于10ms。增加手。增加手動(dòng)復(fù)位按鍵是為了避免死機(jī)時(shí)無(wú)法可靠復(fù)位。當(dāng)復(fù)位按鍵按下動(dòng)復(fù)位按鍵是為了避免死機(jī)時(shí)無(wú)法可靠復(fù)位。當(dāng)復(fù)位按鍵按下后電容后電容C通過(guò)通過(guò)R1開(kāi)始放電。當(dāng)電容開(kāi)始放電。當(dāng)電容C放電結(jié)束后，放電結(jié)束后，RST端的電端的電位由位由R1與與R2分壓比決定。由于分壓比決定。由于R1R2， 因此因此RST為高電平，為高電平，CPU處于復(fù)位狀態(tài)，松手后，電容處于復(fù)位狀態(tài)，松手后，電容C開(kāi)始充電，開(kāi)始充電，RST端電位逐端電位逐漸下降，漸下降，CPU脫離復(fù)位狀態(tài)。脫離復(fù)位狀態(tài)。R1的作用在于限制按鍵按下瞬間的作用在于限制按鍵按下瞬間電容電容C3

12、的放電電流，避免產(chǎn)生火花，以保護(hù)按鍵觸電。的放電電流，避免產(chǎn)生火花，以保護(hù)按鍵觸電。 晶振電路，是晶振電路，是XTAL1與與XTAL2處接的晶振（呈感性）處接的晶振（呈感性）與電容組成的并聯(lián)諧振回路，構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器向內(nèi)部與電容組成的并聯(lián)諧振回路，構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶振的時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶振的振蕩頻率，一般晶體可在振蕩頻率，一般晶體可在1.212MHz之間任選，電容之間任選，電容C1、C2的值則有微調(diào)的作用，通常取的值則有微調(diào)的作用，通常取30PF左右。左右。 單片機(jī)的單片機(jī)的31腳（腳（/VPP）為片外）為片外程

13、序存儲(chǔ)選用端程序存儲(chǔ)選用端。該引。該引腳有效（低電平）時(shí)，只選用片外程序存儲(chǔ)器，否則單片腳有效（低電平）時(shí)，只選用片外程序存儲(chǔ)器，否則單片機(jī)上電或復(fù)位后選用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。單片機(jī)自帶的機(jī)上電或復(fù)位后選用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。單片機(jī)自帶的4K字字節(jié)的存儲(chǔ)器空間已經(jīng)夠用，無(wú)需外部存儲(chǔ)器，所以使該引節(jié)的存儲(chǔ)器空間已經(jīng)夠用，無(wú)需外部存儲(chǔ)器，所以使該引腳接高電平。腳接高電平。 1.1.2 DDS電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的DDS電路如圖3所示。 從圖從圖3中可以看出，中可以看出，DDS電路的主要元器件就是電路的主要元器件就是AD9851, AD9851可以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的頻率和相位且可數(shù)字化編程的?？梢援a(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定

14、的頻率和相位且可數(shù)字化編程的模擬正弦波輸出。此正弦波在其內(nèi)部可以轉(zhuǎn)化為方波成為設(shè)計(jì)擬正弦波輸出。此正弦波在其內(nèi)部可以轉(zhuǎn)化為方波成為設(shè)計(jì)所需的時(shí)鐘發(fā)生器。所需的時(shí)鐘發(fā)生器。AD9851采用的高速內(nèi)核可接受采用的高速內(nèi)核可接受32位頻率位頻率控制字，控制字，180MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，分辨率系統(tǒng)時(shí)鐘，分辨率0.04HZ。該。該AD9851包含包含一個(gè)特有的一個(gè)特有的6REFCLK倍乘器電路，因此無(wú)需高速外部晶振，倍乘器電路，因此無(wú)需高速外部晶振，可以采用可以采用30MHz晶振。晶振。 AD9851的外圍接著的的外圍接著的30MHz的有源晶振，為的有源晶振，為AD9851提供提供時(shí)鐘信號(hào)。用單片機(jī)的時(shí)鐘信

15、號(hào)。用單片機(jī)的P3.0控制單片機(jī)的控制單片機(jī)的WCLK腳，用腳，用P3.1控控制制FQUD腳，用腳，用P3.2控制控制RESET腳，單片機(jī)的腳，單片機(jī)的P1數(shù)據(jù)口與數(shù)據(jù)口與AD9851的數(shù)據(jù)端口進(jìn)行通信。一般情況下，的數(shù)據(jù)端口進(jìn)行通信。一般情況下，AD9851的的IOUT管腳輸出可變頻率的正弦波，把管腳輸出可變頻率的正弦波，把IOUT與與VINP短接，短接，VOUTP與與VOUTN都可以輸出頻率可變的方波，兩個(gè)方波的波形是反都可以輸出頻率可變的方波，兩個(gè)方波的波形是反相的。相的。DDS的電路中有兩個(gè)地，分別是數(shù)字地與模擬地，為了的電路中有兩個(gè)地，分別是數(shù)字地與模擬地，為了防止兩個(gè)地之間相互影響

16、，中間接一個(gè)防止兩個(gè)地之間相互影響，中間接一個(gè)0的電阻。的電阻。 1.1.3顯示電路設(shè)計(jì)顯示電路設(shè)計(jì) 顯示電路的顯示屏選用LCD12864C-2液晶顯示屏，該液晶顯示屏是一種內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192 個(gè)1616 點(diǎn)漢字和128 個(gè)168 點(diǎn)ASCII 字符集?？梢燥@示84 行1616 點(diǎn)陣的漢字， 也可完成圖形顯示。設(shè)計(jì)的LCD12864C-2電路如圖4所示。 圖4 LCD12864C-2電路 從圖從圖4中可以看出，顯示屏的中可以看出，顯示屏的IO口與單片機(jī)的口與單片機(jī)的P2口相接，口相接，顯示屏的三個(gè)控制端中顯示屏的三

17、個(gè)控制端中RS與單片機(jī)的與單片機(jī)的P3.5連接，連接，RW與與P3.6連接，連接，E與與P3.7連接。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器連接。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R來(lái)調(diào)節(jié)顯示屏的亮來(lái)調(diào)節(jié)顯示屏的亮度。度。19腳與腳與20腳分別是顯示屏的背光的正極與負(fù)極，則分腳分別是顯示屏的背光的正極與負(fù)極，則分別接電源的正極（別接電源的正極（+5V）。）。1.2信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì) 1.2.1 m序列電路設(shè)計(jì)序列電路設(shè)計(jì) m序列是由移位寄存器加反饋后形成的。m序列又叫偽隨機(jī)序列，是不能預(yù)先確定并且可以重復(fù)實(shí)現(xiàn)的序列。設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器是8級(jí)偽隨機(jī)序列，其本原多項(xiàng)式為f1(x)=1+x2+x3+x4+x8, m序列發(fā)生

18、器的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。 圖5 m序列發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖 圖6 m序列電路 1.2.2 曼徹斯特碼發(fā)生器電路設(shè)計(jì)曼徹斯特碼發(fā)生器電路設(shè)計(jì) 曼切斯特碼又稱(chēng)雙相碼曼切斯特碼又稱(chēng)雙相碼,是用一個(gè)周期的正負(fù)對(duì)稱(chēng)方波表示是用一個(gè)周期的正負(fù)對(duì)稱(chēng)方波表示“0”，而用其反相波形表示，而用其反相波形表示“1”?！?”碼碼用用“01”兩位碼表示，兩位碼表示，“1”碼碼用用“10 ”兩位碼表示。如：兩位碼表示。如：消息碼：消息碼： 1 1 0 0 1 0 1雙相碼：雙相碼： 10 10 01 01 10 01 10 雙相碼波形是一種雙極性雙相碼波形是一種雙極性NRZ波形，只有極性相反的兩個(gè)電平。它在每波形，只有極性相反的

19、兩個(gè)電平。它在每個(gè)碼元間隔的中心點(diǎn)都存在電平跳變，所以含有豐富的位定時(shí)信息，且沒(méi)個(gè)碼元間隔的中心點(diǎn)都存在電平跳變，所以含有豐富的位定時(shí)信息，且沒(méi)有直流分量，編碼過(guò)程也簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是占用帶寬加倍，使頻帶利用率降低。有直流分量，編碼過(guò)程也簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是占用帶寬加倍，使頻帶利用率降低。設(shè)計(jì)的曼切斯特碼電路如圖設(shè)計(jì)的曼切斯特碼電路如圖7所示。所示。 圖7 曼切斯特碼發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)原理圖 1.2.3 偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì) 偽隨機(jī)信號(hào)仍為偽隨機(jī)信號(hào)仍為m序列，在此設(shè)計(jì)系統(tǒng)中作為噪聲與低序列，在此設(shè)計(jì)系統(tǒng)中作為噪聲與低通濾波器一起來(lái)模擬信道，其本原多項(xiàng)式為通濾波器一起來(lái)模擬信道，其

20、本原多項(xiàng)式為f2(x)=1+x+x4+x5+x12, 是是12級(jí)偽隨機(jī)碼序列發(fā)生器，偽隨機(jī)信級(jí)偽隨機(jī)碼序列發(fā)生器，偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖如圖號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。所示。 圖8 偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖 圖9 偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器電路 從圖從圖9可以看出，偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的可以看出，偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器的10MHz的時(shí)鐘信號(hào)由的時(shí)鐘信號(hào)由FPGA電路產(chǎn)生，在電路產(chǎn)生，在FPGA平平臺(tái)下，用數(shù)字鎖相環(huán)法做一個(gè)五分頻模塊臺(tái)下，用數(shù)字鎖相環(huán)法做一個(gè)五分頻模塊6，F(xiàn)PGA芯片芯片EP2C8Q208C8N的的22腳接的是腳接的是FPGA開(kāi)發(fā)板的開(kāi)發(fā)板的50MHz的晶振。的晶振。50MHz的方波經(jīng)過(guò)五分頻模

21、塊后就可以轉(zhuǎn)換成題目要求的的方波經(jīng)過(guò)五分頻模塊后就可以轉(zhuǎn)換成題目要求的10MHz的的時(shí)鐘信號(hào)。偽隨機(jī)信號(hào)的電路設(shè)計(jì)的原理與時(shí)鐘信號(hào)。偽隨機(jī)信號(hào)的電路設(shè)計(jì)的原理與m序列的電路設(shè)計(jì)原理相同。序列的電路設(shè)計(jì)原理相同。 為了使偽隨機(jī)序列的輸出信號(hào)峰值為100mVTTL電平，可使用AD7520對(duì)偽隨機(jī)信號(hào)的幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)。AD7520 是一個(gè)十位CMOS 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用倒T 形電阻網(wǎng)絡(luò)，模擬開(kāi)關(guān)是CMOS 型的，也同時(shí)集成在芯片上，但運(yùn)算放大器是外接的。偽隨機(jī)信號(hào)幅度可調(diào)電路的設(shè)計(jì)原理圖如圖10所示。 圖10偽隨機(jī)信號(hào)幅度可調(diào)電路的設(shè)計(jì)原理圖 1.3 低通濾波器電路設(shè)計(jì)低通濾波器電路設(shè)計(jì) 無(wú)源濾波器隨著

22、負(fù)載的增大，通帶內(nèi)放大倍數(shù)將下降，通帶截止頻率會(huì)升高，即無(wú)源濾波器電路的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨著負(fù)載而變化，這不符合信號(hào)處理的要求。 為了解決這個(gè)缺點(diǎn)在無(wú)源濾波器和負(fù)載之間加一級(jí)運(yùn)算放大器，由于運(yùn)算放大器的輸入電阻很大，輸出電阻趨近于0，帶負(fù)載能力大大提高。濾波器的截止頻率由RC的值確定，不受負(fù)載的影響而且運(yùn)放還有一定的電壓放大和緩沖作用；用放大器隔離輸入和輸出端，使之可使用多級(jí)串聯(lián)方式連接電路。根據(jù)頻率特性的基本知識(shí)可知，電路中RC環(huán)節(jié)越多，階數(shù)越高，過(guò)渡帶將越窄，濾波效果更理想。 經(jīng)參閱有關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)巴特沃斯濾波器比較適合設(shè)計(jì)需要的濾波器設(shè)計(jì)的要求，巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是帶內(nèi)信號(hào)幅度

23、比較平坦。 要求設(shè)計(jì)有三個(gè)濾波器，第一個(gè)濾波器的要求是要求設(shè)計(jì)有三個(gè)濾波器，第一個(gè)濾波器的要求是100KHz處衰減為處衰減為3dB，帶外衰減不少于，帶外衰減不少于40dB/十倍頻程，截止頻率誤差十倍頻程，截止頻率誤差不大于不大于10%，濾波器的通帶增益，濾波器的通帶增益Af在在2.04.0之間可調(diào)。之間可調(diào)。 此濾波器的陡度系數(shù)此濾波器的陡度系數(shù)As=fs/fc=10，即在，即在As為為10時(shí)，帶外衰時(shí)，帶外衰減至少為減至少為40db。 巴特沃斯濾波器的巴特沃斯濾波器的2階濾波器可以達(dá)到題目要求。由于要階濾波器可以達(dá)到題目要求。由于要求帶內(nèi)增益可調(diào)，所以在濾波器后面要加一個(gè)可調(diào)增益的運(yùn)放求帶內(nèi)

24、增益可調(diào)，所以在濾波器后面要加一個(gè)可調(diào)增益的運(yùn)放電路。巴特沃斯濾波器的單元模塊電路圖如圖電路。巴特沃斯濾波器的單元模塊電路圖如圖11所示。所示。 圖11巴特沃斯濾波器的單元模塊電路圖 FC211FC5 .0222FC10.11103該濾波器的兩個(gè)復(fù)數(shù)極點(diǎn)：=0.5，=0.866.所以，雙極點(diǎn)濾波器元件值為： 一階中電容值為：頻率變換系數(shù)：FSF=2fc=23.14100000=6.28107nFZFSFCC185. 310001028. 627101PFZFSFCC79610001028. 65 . 07202nFZFSFCC592. 110001028. 617303阻抗變換系數(shù)Z取1000

25、；則 用分C01、C02、C03別代替上面的C1,C2,C3；1電阻變換成1K即可。 同理，截止頻率為200K,500K的濾波器設(shè)計(jì)方法一樣，得出三種濾波器的電路圖為： 截止頻率fc=100kHz的濾波器電路圖如圖12所示。截止頻率fc=200kHz的濾波器電路圖如圖13所示。 圖13 截止頻率fc=200kHz的濾波器電路圖 截止頻率fc=500kHz的濾波器電路圖如圖14所示。 圖14 截止頻率fc=500kHz的濾波器電路圖 1.4 數(shù)字信號(hào)分析電路設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)分析電路設(shè)計(jì) 圖15 數(shù)字鎖相環(huán)的原理框圖 數(shù)字鎖相環(huán)的原理框圖如圖15所示，它由高穩(wěn)定度振蕩器（晶振）、分頻器、相位比較器和控

26、制器所組成。其中，控制器包括圖中的扣除門(mén)、附加門(mén)和或門(mén)。高穩(wěn)定度振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)整形電路變成周期性脈沖，然后經(jīng)控制器再送入分頻器，輸出位同步脈沖序列。 位同步脈沖的相位調(diào)整過(guò)程如圖16所示。 數(shù)字信號(hào)分析電路的原理圖如圖17所示。 圖17數(shù)字信號(hào)分析電路的原理圖 從圖從圖17中可以看出此電路可以提取出曼切斯特碼中的同步信中可以看出此電路可以提取出曼切斯特碼中的同步信號(hào)，同步信號(hào)作為眼圖的顯示做準(zhǔn)備。該電路圖中從號(hào)，同步信號(hào)作為眼圖的顯示做準(zhǔn)備。該電路圖中從inclk輸入輸入DDS電路產(chǎn)生的可變時(shí)鐘信號(hào)，從電路產(chǎn)生的可變時(shí)鐘信號(hào)，從input輸入本地時(shí)鐘信號(hào)，本輸入本地時(shí)鐘信號(hào)，本地時(shí)鐘信號(hào)是

27、地時(shí)鐘信號(hào)是DDS時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)的4倍。時(shí)鐘信號(hào)從倍。時(shí)鐘信號(hào)從inclk進(jìn)入，產(chǎn)進(jìn)入，產(chǎn)生曼切斯特碼，然后進(jìn)入有超前模塊與滯后模塊組成的相位比生曼切斯特碼，然后進(jìn)入有超前模塊與滯后模塊組成的相位比較器。本地時(shí)鐘經(jīng)過(guò)脈沖變形電路后，轉(zhuǎn)換成窄脈沖，再分別較器。本地時(shí)鐘經(jīng)過(guò)脈沖變形電路后，轉(zhuǎn)換成窄脈沖，再分別經(jīng)過(guò)由或門(mén)和與門(mén)組成的扣除門(mén)、附加門(mén)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)四分頻經(jīng)過(guò)由或門(mén)和與門(mén)組成的扣除門(mén)、附加門(mén)，再經(jīng)過(guò)一個(gè)四分頻電路，產(chǎn)生的信號(hào)到相位比較器中進(jìn)行與接受碼元信號(hào)進(jìn)行比電路，產(chǎn)生的信號(hào)到相位比較器中進(jìn)行與接受碼元信號(hào)進(jìn)行比較，比較后再進(jìn)行扣除脈沖或者附加脈沖，最后從較，比較后再進(jìn)行扣除脈沖或者附

28、加脈沖，最后從output端輸端輸出提取的同步信號(hào)。出提取的同步信號(hào)。 圖18 變換電路“DCFO” 模塊電原理圖 變換電路“DCFO”模塊電原理如圖18所示。 “超前”脈沖成形電路“chaoqian” 模塊電原理如圖19所示。 圖19 “超前”脈沖成形電路“chaoqian” 模塊電原理“滯后”脈沖成形電路“zhihou”模塊電原理如圖20所示。 圖20 “滯后”脈沖成形電路“zhihou”模塊電原理1.5 掃描信號(hào)的電路設(shè)計(jì)掃描信號(hào)的電路設(shè)計(jì) 示波器顯示波形的原理是將被測(cè)信號(hào)示波器顯示波形的原理是將被測(cè)信號(hào)Uy加到示波器的加到示波器的Y 軸偏軸偏轉(zhuǎn)板上，同時(shí)產(chǎn)生一路鋸齒波信號(hào)轉(zhuǎn)板上，同時(shí)產(chǎn)

29、生一路鋸齒波信號(hào)Ux加到加到 X軸偏轉(zhuǎn)板上。由于軸偏轉(zhuǎn)板上。由于鋸齒波的電壓與時(shí)間是線性關(guān)系，示波器內(nèi)部的電子束在鋸齒鋸齒波的電壓與時(shí)間是線性關(guān)系，示波器內(nèi)部的電子束在鋸齒波的信號(hào)作用下，將沿著水平方向勻速移動(dòng)，而波的信號(hào)作用下，將沿著水平方向勻速移動(dòng)，而Y軸偏轉(zhuǎn)板上軸偏轉(zhuǎn)板上的被測(cè)電壓信號(hào)使電子束上、下移動(dòng)，在的被測(cè)電壓信號(hào)使電子束上、下移動(dòng)，在X與與Y兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板的兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板的共同作用下，熒光屏上電子束運(yùn)動(dòng)的軌跡就可以顯示出被測(cè)電共同作用下，熒光屏上電子束運(yùn)動(dòng)的軌跡就可以顯示出被測(cè)電壓信號(hào)壓信號(hào)Uy的波形。電子束在鋸齒波電壓的控制下不斷的從左到的波形。電子束在鋸齒波電壓的控制下不斷的從左到右

30、沿右沿 X 軸移動(dòng)，光點(diǎn)在熒光屏上的位置可通過(guò)調(diào)節(jié)軸移動(dòng)，光點(diǎn)在熒光屏上的位置可通過(guò)調(diào)節(jié) Y 軸和軸和 X 軸兩個(gè)方向的位移來(lái)決定，當(dāng)掃描信號(hào)的周期是被測(cè)波形周期軸兩個(gè)方向的位移來(lái)決定，當(dāng)掃描信號(hào)的周期是被測(cè)波形周期的整數(shù)倍時(shí)，將顯示出穩(wěn)定的波形，改變掃描信號(hào)的周期就可的整數(shù)倍時(shí)，將顯示出穩(wěn)定的波形，改變掃描信號(hào)的周期就可以實(shí)現(xiàn)波形的基本穩(wěn)定。以實(shí)現(xiàn)波形的基本穩(wěn)定。 一般波形的顯示采用的是示波器的內(nèi)觸發(fā)。題目要求眼一般波形的顯示采用的是示波器的內(nèi)觸發(fā)。題目要求眼圖的顯示采用示波器的外觸發(fā)模式，并且只能使用示波器的圖的顯示采用示波器的外觸發(fā)模式，并且只能使用示波器的顯示屏。顯示屏。 眼圖的形成是

31、利用示波器的眼圖的形成是利用示波器的余輝余輝作用，掃描所得的每一作用，掃描所得的每一個(gè)碼元波形重疊在一起。所以可以利用示波器的個(gè)碼元波形重疊在一起。所以可以利用示波器的X-Y模式產(chǎn)模式產(chǎn)生符合題目要求的眼圖。生符合題目要求的眼圖。 在在X-Y的模式下，從的模式下，從CH1通道進(jìn)入的信號(hào)就到了示波器通道進(jìn)入的信號(hào)就到了示波器的的X軸，從軸，從CH2通道進(jìn)入的信號(hào)就到了示波器的通道進(jìn)入的信號(hào)就到了示波器的Y軸，用軸，用X軸軸的信號(hào)去掃描的信號(hào)去掃描Y軸的信號(hào)。因此，在軸的信號(hào)。因此，在X-Y的模式下，把鋸齒的模式下，把鋸齒波從波從CH1通道輸入，數(shù)字信號(hào)從通道輸入，數(shù)字信號(hào)從CH2通道輸入，調(diào)節(jié)鋸

32、齒波通道輸入，調(diào)節(jié)鋸齒波的掃描頻率，即可得到眼圖。的掃描頻率，即可得到眼圖。 眼圖的顯示需要鋸齒波作為掃描信號(hào)，眼圖的顯示需要鋸齒波作為掃描信號(hào)，m序列眼圖的掃描信號(hào)的做法序列眼圖的掃描信號(hào)的做法是：采用是：采用AVR單片機(jī)產(chǎn)生占空比為單片機(jī)產(chǎn)生占空比為90%的矩形波，此矩形波再經(jīng)過(guò)由運(yùn)算的矩形波，此矩形波再經(jīng)過(guò)由運(yùn)算放大器組成的積分電路變換成頻率可變的鋸齒波，此鋸齒波可以當(dāng)做放大器組成的積分電路變換成頻率可變的鋸齒波，此鋸齒波可以當(dāng)做m序序列的掃描信號(hào)。列的掃描信號(hào)。 在示波器的在示波器的X-Y模式下，將一定頻率的模式下，將一定頻率的m序列輸入到示波器的序列輸入到示波器的CH2通通道，將鋸齒

33、波輸入到道，將鋸齒波輸入到CH1通道，通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)鋸齒波的頻率，使鋸齒波的通道，通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)鋸齒波的頻率，使鋸齒波的頻率與頻率與m序列的時(shí)鐘信號(hào)頻率相等，便可以觀察到眼圖。序列的時(shí)鐘信號(hào)頻率相等，便可以觀察到眼圖。 曼切斯特碼的眼圖的顯示：從曼切斯特碼中提取同步信號(hào)，由于此同曼切斯特碼的眼圖的顯示：從曼切斯特碼中提取同步信號(hào)，由于此同步信號(hào)為占空比不為步信號(hào)為占空比不為50%的矩形波，所以將其直接通過(guò)運(yùn)算放大器組成的的矩形波，所以將其直接通過(guò)運(yùn)算放大器組成的積分電路就可以變換成需要的鋸齒波。在示波器的積分電路就可以變換成需要的鋸齒波。在示波器的X-Y的模式下，將一定的模式下，將一定頻率的曼切斯

34、特碼輸入到示波器的頻率的曼切斯特碼輸入到示波器的CH2通道，將用同步信號(hào)變換成的鋸齒通道，將用同步信號(hào)變換成的鋸齒波輸入到波輸入到CH1通道，就可以直接顯示眼圖。通道，就可以直接顯示眼圖。 在顯示眼圖的操作過(guò)程中不用動(dòng)示波器，滿足題目要求。矩形波變換在顯示眼圖的操作過(guò)程中不用動(dòng)示波器，滿足題目要求。矩形波變換成鋸齒波的電路采用集成運(yùn)算放大器做的積分電路，其電路的性能穩(wěn)定，成鋸齒波的電路采用集成運(yùn)算放大器做的積分電路，其電路的性能穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)。帶負(fù)載能力強(qiáng)。 鋸齒波產(chǎn)生電路原理圖如圖21所示。 圖21 鋸齒波產(chǎn)生電路原理圖 圖圖21中，要將矩形波變換成鋸齒波，就要對(duì)矩形波的每半中，要將矩形

35、波變換成鋸齒波，就要對(duì)矩形波的每半個(gè)周期分別進(jìn)行不同方向的積分運(yùn)算。因此，積分時(shí)間都等于個(gè)周期分別進(jìn)行不同方向的積分運(yùn)算。因此，積分時(shí)間都等于t=T/2；假設(shè)要變換的波形為頻率為；假設(shè)要變換的波形為頻率為50kHz，幅度為，幅度為2V的方波。的方波。 則積分時(shí)間為則積分時(shí)間為 sTt5101215000012由于UA741的最大輸出電壓U= 10V,所以的值需要滿足 ustUE21011025取積分電阻R=10K，所以積分電容為 pFusRC200100002 圖圖21中中Rf是積分漂移泄漏電阻，用來(lái)防止積分漂移所造成是積分漂移泄漏電阻，用來(lái)防止積分漂移所造成的飽和或截止現(xiàn)象，為了減少誤差，通常要求的飽和或截止現(xiàn)象，為了減少誤差，通常要求Rf=10R=100K；平衡電阻平衡電阻Rp=Rf/R=10K。所以得到如圖。所以得到如圖21的電路圖。的電路圖。 分析計(jì)算過(guò)程知，積分時(shí)間的大小決定的是鋸齒波的幅度分析計(jì)算過(guò)程知，積分時(shí)間的大小決定的是鋸齒波的幅度大小，設(shè)計(jì)對(duì)幅度無(wú)要求，即在大小，設(shè)計(jì)對(duì)幅度無(wú)要求，即在RC不變的情況下，可以為不不變的情況下，可以為不同頻率的方波做積分電路。實(shí)驗(yàn)證明，此電路圖可以積分的同頻率的方波做積分電路。實(shí)驗(yàn)證明，此電路圖可以積分的頻率達(dá)到頻率達(dá)到10KHz200KHz,超過(guò)這個(gè)頻率范圍，鋸齒波會(huì)失超過(guò)這個(gè)頻率范圍，鋸齒波會(huì)失真，而這個(gè)頻率范圍滿足題目