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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：王睿2016年5月18日目录1设计任务要求.....................................................32设计方案及论证...................................................32.1任务分析（分模块方案分析）.................................32.1.1信号发生..............................................32.1.2调制电路与解调电路....................................42.1.3功放电路..............................................72.1.4耦合通信..............................................92.1.5前置放大电路..........................................92.1.6正弦波转换电路.......................................102.1.7显示电路.............................................112.2方案比较..................................................122.2.1发射部分.............................................122.2.2接收部分.............................................122.3系统结构设计..............................................142.3.1发射部分.............................................142.3.2接收部分.............................................142.4具体电路设计..............................................142.4.1发射部分.............................................142.4.2接收部分.............................................152.5单片机软件算法流程........................................162.5.1发射部分.............................................162.5.2接收部分.............................................173制作及调试过程..................................................173.1制作与调试流程............................................173.1.1资料查阅.............................................173.1.2设计电路，确定方案...................................173.1.3电路焊接.............................................183.1.4分模块调试...........................................183.1.5各模块组合调试.......................................183.2遇到的问题与解决办法......................................193.2.1方案确定问题.........................................193.2.2电路调试问题.........................................203.2.3其他问题.............................................214系统测试........................................................214.1测试方法（含接线图）......................................214.2测试数据（表格）..........................................224.3数据分析和结论............................................225系统使用说明....................................................225.1系统外观及接口说明（含实物照片）..........................225.2系统操作使用说明..........................................236总结............................................................236.1本人所做工作..............................................236.1.1方案确定及电路设计...................................236.1.2电路焊接.............................................236.1.3系统调试.............................................236.2收获与体会................................................246.2.1能力方面.............................................246.2.2思想方面.............................................246.3对本课程的建议............................................257参考文献........................................................251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。电源DC模拟轨道传感器地面信号（发射机）车载设备（接收机）123数字发送键学号发送键电源指示灯10cm123电源指示灯信号指示电源DC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，