北交大電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告（最終版）

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國(guó)家電工電子試驗(yàn)教學(xué)中心

電子系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)報(bào)告

設(shè)計(jì)題目：模擬機(jī)車信號(hào)系統(tǒng)

學(xué)院：電子信息工程學(xué)院專業(yè)：自動(dòng)化學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：

任課教師：王睿

2023年5月18日

目錄

1設(shè)計(jì)任務(wù)要求32設(shè)計(jì)方案及論證3

2.1任務(wù)分析（分模塊方案分析）3

2.1.1信號(hào)發(fā)生32.1.2調(diào)制電路與解調(diào)電路42.1.3功放電路82.1.4耦合通信92.1.5前置放大電路92.1.6正弦波轉(zhuǎn)換電路102.1.7顯示電路112.2方案比較12

2.2.1發(fā)射部分122.2.2接收部分122.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14

2.3.1發(fā)射部分142.3.2接收部分142.4具體電路設(shè)計(jì)14

2.4.1發(fā)射部分142.4.2接收部分152.5單片機(jī)軟件算法流程16

2.5.1發(fā)射部分162.5.2接收部分17

3制作及調(diào)試過(guò)程17

3.1制作與調(diào)試流程17

3.1.1資料查閱173.1.2設(shè)計(jì)電路，確定方案173.1.3電路焊接183.1.4分模塊調(diào)試183.1.5各模塊組合調(diào)試183.2遇到的問(wèn)題與解決方法19

3.2.1方案確定問(wèn)題193.2.2電路調(diào)試問(wèn)題203.2.3其他問(wèn)題21

4系統(tǒng)測(cè)試21

4.1測(cè)試方法（含接線圖）214.2測(cè)試數(shù)據(jù)（表格）224.3數(shù)據(jù)分析和結(jié)論225系統(tǒng)使用說(shuō)明22

5.1系統(tǒng)外觀及接口說(shuō)明（含實(shí)物照片）225.2系統(tǒng)操作使用說(shuō)明236總結(jié)23

6.1本人所做工作23

6.1.1方案確定及電路設(shè)計(jì)23

1

6.1.2電路焊接236.1.3系統(tǒng)調(diào)試236.2收獲與體會(huì)24

6.2.1能力方面246.2.2思想方面246.3對(duì)本課程的建議257波時(shí)斷時(shí)續(xù)地輸出。有載波輸出時(shí)表示發(fā)送“1〞，無(wú)載波輸出時(shí)表示發(fā)送“0〞。其信號(hào)的產(chǎn)生方法尋常有兩種：

模擬相乘法：通過(guò)相乘器直接將載波和數(shù)字信號(hào)相乘得到輸出信號(hào)，這種直接利用二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的振幅來(lái)調(diào)制正弦載波的方式稱為模擬相乘法，在該電路中載波信號(hào)和二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)同時(shí)輸入到相乘器中完成調(diào)制。電路圖如下：

圖2-2ASK模擬相乘法調(diào)制電路

數(shù)字鍵控法：用開關(guān)電路控制輸出調(diào)制信號(hào)，當(dāng)開關(guān)接載波就有信號(hào)輸出，當(dāng)開關(guān)接地就沒(méi)信號(hào)輸出，其電路如下圖所示：

圖2-2ASK模擬相乘法調(diào)制電路

解調(diào)：

2ASK有兩種基本的解調(diào)方式：非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波法）和相干解調(diào)（同步檢測(cè)法）。

圖2-3ASK非相干解調(diào)電路

圖2-4ASK相干解調(diào)電路

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ASK調(diào)制解調(diào)方式電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但抗干擾能力較差。

b.FSK調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：

FSK的信號(hào)調(diào)制有兩種方法：直接調(diào)頻法和頻移鍵控法。

直接調(diào)頻法，就是將輸入的基帶脈沖去控制一個(gè)振蕩器的某種參數(shù)，而達(dá)到改變振蕩頻率的目的。雖然方法簡(jiǎn)單，但頻率穩(wěn)定度不高，同時(shí)轉(zhuǎn)移速度不能太高。

圖2-5FSK直接調(diào)頻法電路

頻移鍵控法就是利用矩形脈沖序列控制的開關(guān)電路，對(duì)兩個(gè)不同的獨(dú)立頻率源進(jìn)行選通。一般來(lái)說(shuō)，鍵控法采用兩個(gè)獨(dú)立的振蕩器,得到的是相位不連續(xù)的2FSK信號(hào)；而且直接調(diào)頻法f1,f2由同一個(gè)諧振電路產(chǎn)生，則得到相位連續(xù)的2FSK信號(hào)。

圖2-6FSK移頻鍵控法調(diào)制電路

解調(diào)：

2FSK信號(hào)的解調(diào)方法有：非相干解調(diào)法、相干解調(diào)法、鑒頻法、過(guò)零檢測(cè)法等。鎖相環(huán)路的輸出信號(hào)頻率可以確切地跟蹤輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率的變化,環(huán)路鎖定后輸入?yún)⒖夹盘?hào)和輸出參考信號(hào)之間的穩(wěn)態(tài)相位誤差可以通過(guò)增加環(huán)路增益被控制在所需數(shù)值范圍內(nèi)。這種輸出信號(hào)頻率隨輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率變化的特性稱為鎖相環(huán)的跟蹤特性.利用此特性可以做載波跟蹤型鎖相環(huán)及調(diào)制跟蹤型鎖相環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸，收信端接收到信號(hào)后必需進(jìn)行解調(diào)才能恢復(fù)出原信號(hào)。所謂的解調(diào)就是用攜帶信息的輸出信號(hào)，來(lái)還原載波信號(hào)的參數(shù)，載波信號(hào)的參數(shù)有幅度、頻率和位相。

調(diào)頻波（經(jīng)過(guò)放大器放大后）與壓控振蕩器的輸出被送入鑒相器，經(jīng)鑒相器獲得變化的相位誤差的電壓，該誤差電壓通過(guò)低通濾波器被濾出高頻成份，從而獲得隨調(diào)制信號(hào)頻率變化而變化的解調(diào)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了解調(diào)（鑒頻）過(guò)程。其原理框圖如下（鎖相環(huán)解調(diào)）：

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圖2-7鎖相環(huán)解調(diào)電路

FSK的優(yōu)缺點(diǎn)介于ASK與PSK中間，電路繁雜程度與抗干擾能力均處于另外兩種調(diào)制方式中間。c.PSK調(diào)制解調(diào)

相移鍵控是利用載波的不同相位來(lái)傳遞數(shù)字信息，而振幅和頻率保持不變。在2PSK中，尋常用初始相位0和π分別表示二進(jìn)制“0〞和“1〞。

調(diào)制方法有模擬調(diào)制和鍵控法:

圖2-8PSK模擬調(diào)制電路

圖2-9PSK鍵控法調(diào)制電路

解調(diào):

圖2-10PSK相干法解調(diào)電路

PSK的主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力十分強(qiáng)，但電路頗為繁雜。

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2.1.3功放電路

功放電路是以輸出較大功率為目的的放大電路，一般直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，帶載能力要強(qiáng)。該電路的主要考慮因素有輸出功率要大，效率要高，非線性失真要小。

功放電路依照輸出級(jí)與后級(jí)電路的連接方式可分為：OTL、OCL、BTL等；按功率管的偏置又可分為甲類、乙類、甲乙類及丙類四種。考慮到電路的難易程度，一下探討OTL功率放大。

a.OTL功率放大

OTL電路為單端推挽式無(wú)輸出變壓器功率放大電路。尋常采用電源供電，從兩組串聯(lián)的輸出中點(diǎn)通過(guò)電容耦合輸出信號(hào)。

OTL(Outputtransformerless)電路是一種沒(méi)有輸出變壓器的功率放大電路，不再用輸出變壓器，而采用輸出電容與負(fù)載連接的互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，使電路便捷、適于電路的集成化，只要輸出電容的容量足夠大，電路的頻率特性也能保證，是目前常見(jiàn)的一種功率放大電路。

圖2-11OTL功率放大電路

它的特點(diǎn)是：采用互補(bǔ)對(duì)稱電路（NPN、PNP參數(shù)一致，互補(bǔ)對(duì)稱，均為射隨組態(tài)，串聯(lián)，中間兩管子的射極作為輸出)，有輸出電容，單電源供電，電路便捷可靠。

“兩組串聯(lián)的輸出中點(diǎn)〞可理解為采用互補(bǔ)對(duì)稱電路(NPN、PNP參數(shù)一致，互補(bǔ)對(duì)稱，均為射隨組態(tài)，串聯(lián)，中間兩管子的射極作為輸出)。

OTL電路的優(yōu)點(diǎn)是只需要一組電源供電。缺點(diǎn)是需要能把一組電源變成了兩組對(duì)稱正、負(fù)電源的大電容；低頻特性差。b.lm386功率放大

lm386是集成OTL型功放電路的常見(jiàn)類型，與通用型集成運(yùn)放的特性相像，是一個(gè)三級(jí)放大電路：第一級(jí)為差分放大電路；其次級(jí)為共射放大電路；第三級(jí)為準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)功放電路。

LM386靜態(tài)功耗低,約為4mA,可用于電池供電；工作電壓范圍寬,4-12Vor5-18V；外圍元件少；電壓增益可調(diào)(20-200)；具有低失真度。因其具有自身功耗低、增益可調(diào)整、電源

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電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。

圖2-12LM386典型應(yīng)用電路

2.1.4耦合通信

本系統(tǒng)中已確定發(fā)射端通過(guò)導(dǎo)軌（線圈）進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射，接收端由耦合線圈（繞制線圈或電感元件）接收，利用LC振蕩電路，進(jìn)行耦合通信。a.串聯(lián)諧振

由于感抗等于容抗，所以阻抗達(dá)到最小值，具有純電阻特性；在電壓不變的狀況下，電路中的電流達(dá)到最大值即為諧振電流；由于諧振時(shí)容抗等于感抗，所以電感上的電壓等于電容上的電壓，而電感和電容上的電壓與電阻有關(guān)，假使感抗和容抗遠(yuǎn)大于電阻時(shí)，則電感和電容上的電壓可能遠(yuǎn)大于電源電壓，因而串聯(lián)諧振又稱電壓諧振，具有破壞性。b.并聯(lián)諧振

并聯(lián)諧振時(shí)電路的總電流最小，與電壓同相，即電路的總阻抗達(dá)到最大值，電路呈電阻性；支路電流占總電流的倍數(shù)就是諧振電路的品質(zhì)因數(shù)Q，所以并聯(lián)諧振又稱為電流諧振。因而，并聯(lián)諧振不會(huì)產(chǎn)生危害設(shè)備安全的諧振過(guò)電壓，且功率因數(shù)達(dá)到最大值，可以被應(yīng)用。2.1.5前置放大電路a.LM324

LM324是四運(yùn)放集成電路,它采用14腳雙列直插塑料封裝,外形如下圖。它的內(nèi)部包含四組形式完全一致的運(yùn)算放大器,除電源共用外,四組運(yùn)放相互獨(dú)立。由于LM324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬,靜態(tài)功耗小,可單電源使用,價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。

LM324作同相交流放大器，同相交流放大器的特點(diǎn)是輸入阻抗高。其中的R1、R2組成1/2V+分壓電路,通過(guò)R3對(duì)運(yùn)放進(jìn)行偏置。電路的電壓放大倍數(shù)Av也僅由外接電阻決定：Av=1+Rf/R4,電路輸入電阻為R3。R4的阻值范圍為幾千歐姆到幾十千歐姆。

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圖2-13LM324典型應(yīng)用電路

b.LM358

LM358是雙運(yùn)算放大器。內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。2.1.6正弦波轉(zhuǎn)換電路

該部分電路需將接收端收到的正弦信號(hào)變化為脈沖信號(hào)，并輸入后級(jí)電路進(jìn)行頻率測(cè)量。

a.施密特觸發(fā)器

由555定時(shí)器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，

圖2-14施密特觸發(fā)電路

b.遲滯比較器

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圖2-15遲滯比較器電路

c.LM393電壓比較器

LM393是雙電壓比較器集成電路。

輸出負(fù)載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上，不受Vcc端電壓值的限制.此輸出能作為一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)地SPS開路(當(dāng)不用負(fù)載電阻沒(méi)被運(yùn)用)，輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動(dòng)和器件的β值所限制.當(dāng)達(dá)到極限電流(16mA)時(shí)，輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升。

圖2-16LM393應(yīng)用電路

2.1.7顯示電路

a.使用STC89C52單片機(jī)測(cè)量方波頻率

STC89C52系列單片機(jī)具有體積小、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比較高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用與工業(yè)控制和智能化儀器，儀表等領(lǐng)域。此頻率計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心，具有性能優(yōu)良，精度高，可靠性好等特點(diǎn)。

以STC89C52單片機(jī)為控制器件的頻率測(cè)量方法，采用單片機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用單片精明能控制，結(jié)合外圍電子電路。最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)方案，根據(jù)頻率計(jì)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種測(cè)試場(chǎng)所。

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用單片機(jī)設(shè)計(jì)頻率計(jì)的基本思想：使用單片機(jī)自帶的定時(shí)器定時(shí)1秒，在一秒內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時(shí)完成后讀取計(jì)數(shù)器的值，并輸出到數(shù)碼管予以顯示。b.stm32測(cè)量方波頻率

利用stm32測(cè)量方波程序與51單片機(jī)基本一致，但stm32精度更高，速度更快。

2.2方案比較

2.2.1發(fā)射部分

信號(hào)發(fā)生在上面給出555定時(shí)器和利用單片機(jī)產(chǎn)生兩種方式，本設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)產(chǎn)生頻率不同的方波，由于之前的課程設(shè)計(jì)中單片機(jī)已經(jīng)焊接完成，燒入程序后即可直接使用，若利用555定時(shí)器，可能在電路焊接與調(diào)試部分出現(xiàn)問(wèn)題，所以采用51單片機(jī)作為信號(hào)發(fā)生裝置。

調(diào)制部分由于本設(shè)計(jì)功能較為簡(jiǎn)單，外部環(huán)境干擾較小，因此采用ASK方式。

圖2-17ASK調(diào)制仿真電路

以上電路參考了全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽“無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置〞中的調(diào)制電路的設(shè)計(jì)，由于其采用的有源正弦波晶振無(wú)法直接利用proteus進(jìn)行仿真，因此將其內(nèi)部原理畫在電路中。但經(jīng)過(guò)仿真，該電路沒(méi)有出現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)制波形，因此決定去掉調(diào)制解調(diào)部分，將經(jīng)過(guò)功率放大的信號(hào)直接發(fā)射。

功率放大部分，采用LM386作為功率放大，因其電路較為簡(jiǎn)單，且放大倍數(shù)可調(diào)，便于電路調(diào)試。2.2.2接收部分

耦合通信部分采用并聯(lián)諧振，不會(huì)產(chǎn)生危害設(shè)備安全的諧振過(guò)電壓，通過(guò)LC振蕩電路接收信號(hào)，并傳給后級(jí)電路。

前置放大部分運(yùn)用LM358，其適用于單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。LM324也符

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合電路要求，但由于放大倍數(shù)過(guò)大后失真嚴(yán)重，因此需采用兩級(jí)放大。電路如下：

圖2-18LM324放大電路

采用兩級(jí)放大后，設(shè)定放大倍數(shù)共100倍，仿真結(jié)果如下：

圖2-19LM324放大電路仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，電路存在部分失真，焊接電路完成后，通過(guò)示波器測(cè)量發(fā)生了嚴(yán)重的半波失真，導(dǎo)致電路無(wú)法使用，因此放棄了LM324，應(yīng)用LM358作為前置放大電路。

(注：在后期試驗(yàn)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)雖然放大電路產(chǎn)生失真，但后級(jí)LM393電路輸出電壓并不受放大電壓影響，因此即使出現(xiàn)失真也可能不會(huì)影響最終結(jié)果，但由于初次試驗(yàn)未完全弄清原理，因此放棄了該種方案，選用了LM358)

正弦波轉(zhuǎn)方波電路，由參考方案可以看出，LM393電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，因此采用lm393將正弦波轉(zhuǎn)化為方波。

顯示電路采用51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，雖然stm32精度更高，但小組成員對(duì)于stm32應(yīng)用都不太了解，因此編程難度較大。故仍采用51單片機(jī)結(jié)合數(shù)碼管進(jìn)行數(shù)字的顯示。

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2.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1發(fā)射部分

2.3.2接收部分

2.4具體電路設(shè)計(jì)

2.4.1發(fā)射部分

圖2-20發(fā)射部分電路

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圖2-21發(fā)射部分仿真結(jié)果

2.4.2接收部分

圖2-22接收部分電路

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圖2-23接收部分仿真結(jié)果

2.5單片機(jī)軟件算法流程

2.5.1發(fā)射部分

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2.5.2接收部分

以上為發(fā)射部分和接收部分算法流程圖，具體程序見(jiàn)附錄。由于在本次課程設(shè)計(jì)中我不負(fù)責(zé)軟件程序部分，因此不對(duì)程序具體設(shè)計(jì)與調(diào)試狀況作詳細(xì)說(shuō)明。

3制作及調(diào)試過(guò)程

3.1制作與調(diào)試流程

3.1.1資料查閱

在明確設(shè)計(jì)任務(wù)后，進(jìn)行了大量的資料查閱，通過(guò)借閱全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的相關(guān)書籍，初步了解電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程與思路方法。

在眾多的競(jìng)賽作品中篩選與本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)要求類似的作品，例如“單工無(wú)線呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)〞、“無(wú)線識(shí)別裝置〞和“無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)模擬裝置〞等。參考其發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)的整體思路，學(xué)習(xí)其電路中運(yùn)用的功率放大、運(yùn)算放大等模塊，并運(yùn)用到我們的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中來(lái)。

3.1.2設(shè)計(jì)電路，確定方案

在查閱相關(guān)資料后，了解了各模塊的備選方案，進(jìn)行了各模塊電路的設(shè)計(jì)和仿真。在確定各模塊的設(shè)計(jì)方案后，將電路連成整體，再通過(guò)軟件進(jìn)行仿真，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，使仿真結(jié)

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果滿足試驗(yàn)要求。3.1.3電路焊接

整體電路設(shè)計(jì)完成并通過(guò)仿真后，開始進(jìn)行電路的焊接工作。焊接首先分模塊進(jìn)行，將不同部分的電路分別焊接，留出輸入輸出接口，便于后續(xù)的分模塊調(diào)試與電路的修改完善。

焊接時(shí)充分考慮電路整體性，合理安排和設(shè)計(jì)，盡量使用拖焊，避免飛線的使用對(duì)電路穩(wěn)定性造成影響。同時(shí)在焊接過(guò)程中及時(shí)用萬(wàn)用表對(duì)焊接狀況進(jìn)行檢查，保證焊接質(zhì)量。3.1.4分模塊調(diào)試

將焊接好的不同模塊電路進(jìn)行分別的調(diào)試。利用信號(hào)發(fā)生源作輸入，輸出接入示波器中顯示。

將發(fā)射用單片機(jī)做信號(hào)發(fā)生裝置，通過(guò)不同按鍵產(chǎn)生不同頻率的方波，將輸出直接連入示波器中，首先觀測(cè)單片機(jī)是否能產(chǎn)生頻率在5.5±0.5kHz的穩(wěn)定方波。根據(jù)程序設(shè)計(jì)，常態(tài)頻率為5.4kHz。保證常態(tài)頻率正確后，按下按鍵1，頻率應(yīng)為5.1kHz；按下按鍵2，頻率應(yīng)為5.3kHz；按下按鍵3，頻率應(yīng)為5.6kHz。若按鍵后均能保證頻率正確且方波穩(wěn)定，則單片機(jī)輸出方波正確，可以使用。

將接收用單片機(jī)做信號(hào)顯示裝置，用信號(hào)發(fā)生源產(chǎn)生不同頻率的方波并輸入單片機(jī)中，若保證方波頻率為常態(tài)頻率5.76kHz時(shí)，單片機(jī)指示燈亮（本設(shè)計(jì)中為單片機(jī)中的第四個(gè)二極管，且數(shù)碼管顯示6）；方波頻率為5.1kHz時(shí)，數(shù)碼管顯示1；方波頻率為5.3kHz時(shí)，數(shù)碼管顯示2；方波頻率為5.6kHz時(shí)，數(shù)碼管顯示3。若指示燈及數(shù)碼管顯示均正常，則用于顯示的單片機(jī)能夠正常工作。

根據(jù)示波器的顯示狀況了解電路的性能，對(duì)于電路檢查無(wú)誤但始終無(wú)法出現(xiàn)正確結(jié)果的電路，可能是使用的元器件出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)于此種狀況進(jìn)行重新焊接；對(duì)于能夠出現(xiàn)電路要求的結(jié)果，但實(shí)現(xiàn)效果不理想的電路進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，直到滿足條件為止。

考慮電路的前后級(jí)匹配，前一級(jí)用示波器輸出的電壓值等參數(shù)應(yīng)作為后一級(jí)的輸入?yún)?shù)，這樣才能保證電路在組合連接時(shí)前后匹配，便于調(diào)試。3.1.5各模塊組合調(diào)試

將單獨(dú)調(diào)試沒(méi)有問(wèn)題的各模塊進(jìn)行組合連接。依照電路整體設(shè)計(jì)的模塊順序分別連接進(jìn)行調(diào)試。先對(duì)電路部分進(jìn)行調(diào)試，最終參與單片機(jī)進(jìn)行整體調(diào)試。a.發(fā)射部分

用信號(hào)源輸入不同頻率的方波，峰峰值為2.6V（經(jīng)分模塊調(diào)試測(cè)得單片機(jī)輸出方波峰峰值為2.6V，因此用信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)與其匹配），通過(guò)功率放大電路，輸出接入示波器

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中，觀測(cè)示波器中是否為與輸入頻率一致且穩(wěn)定的方波（由于電路主要功能為功率放大，因此對(duì)于電壓的放大不用太多關(guān)注，只需輸出相對(duì)應(yīng)頻率方波即可）。

利用單片機(jī)做信號(hào)發(fā)生裝置，通過(guò)不同按鍵產(chǎn)生不同頻率的方波。將單片機(jī)的輸出信號(hào)作為功率放大電路的輸入信號(hào)。檢測(cè)經(jīng)過(guò)功率放大電路的信號(hào)是否仍為頻率正確的方波。若方波穩(wěn)定，頻率正確，且電壓有部分放大，則發(fā)射部分工作正常，將輸出參與導(dǎo)軌后即可進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。b.接收部分

接收部分先進(jìn)行耦合測(cè)試。將調(diào)試完成的發(fā)射端用作信號(hào)發(fā)生裝置，并聯(lián)的電容電阻做耦合裝置，輸出信號(hào)接入示波器中。觀測(cè)導(dǎo)軌接近耦合裝置時(shí)示波器是否能檢測(cè)到感應(yīng)信號(hào)。若能感應(yīng)發(fā)射端信號(hào)，則繼續(xù)測(cè)量能感應(yīng)的距離。將導(dǎo)軌由近及遠(yuǎn)，每厘米測(cè)試一次。分別將導(dǎo)軌放在不同距離的位置，觀測(cè)示波器是否能顯示頻率穩(wěn)定的正弦波。以此確定感應(yīng)的最大距離與能穩(wěn)定感應(yīng)的范圍。

耦合部分調(diào)試完成后，可繼續(xù)接入運(yùn)算放大部分。經(jīng)測(cè)定，耦合接收的正弦波峰峰值為60mV，接入運(yùn)算放大部分后，輸出接入示波器中，觀測(cè)正弦信號(hào)電壓是否得到放大，同時(shí)觀測(cè)其失真狀況及放大倍數(shù)。若輸出為穩(wěn)定的正弦波且頻率正確，則該部分正常。實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，由于耦合得到的正弦信號(hào)電壓較小，經(jīng)放大后存在微弱的失真現(xiàn)象，考慮到可能對(duì)后級(jí)影響不大，暫時(shí)通過(guò)該部分測(cè)試。

將經(jīng)過(guò)放大的正弦信號(hào)接入整形電路中，利用LM393將輸入的正弦信號(hào)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)。輸出接入到示波器中，觀測(cè)能否輸出穩(wěn)定的方波，若能，繼續(xù)觀測(cè)其頻率是否正確。分別按下三個(gè)按鍵，觀測(cè)其對(duì)應(yīng)頻率是否正確。

將LM393輸出的方波輸入到顯示用的單片機(jī)中，常態(tài)頻率下觀測(cè)表示的感應(yīng)的指示燈是否正常發(fā)光。然后分別按下按鍵，觀測(cè)數(shù)碼管是否正確顯示相應(yīng)數(shù)字。

3.2遇到的問(wèn)題與解決方法

3.2.1方案確定問(wèn)題

在方案確定過(guò)程中，由于參考資料較多，不同方式各具優(yōu)缺點(diǎn)，因此選擇最適合本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案并不簡(jiǎn)單。因此在方案選擇的過(guò)程中，小組成員首先認(rèn)真比對(duì)了相像類型電子設(shè)計(jì)中使用的不同方案，從整體方案到模塊設(shè)計(jì)均進(jìn)行了相應(yīng)的參考，選擇其中較為簡(jiǎn)單且適合本系統(tǒng)的部分進(jìn)行仿真，若仿真成功，則考慮用在系統(tǒng)中，若仿真有問(wèn)題，先分析問(wèn)題原因，嘗試解決，若無(wú)法解決，則考慮其他方案。

最終在通過(guò)仿真的模塊電路中進(jìn)行篩選，進(jìn)行電路整體設(shè)計(jì)，確定最終的設(shè)計(jì)方案。

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3.2.2電路調(diào)試問(wèn)題

在電路調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)諸多問(wèn)題，以下是部分典型問(wèn)題的整理。a.沒(méi)有深入了解電路原理

由于在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，只對(duì)各模塊方案進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的選擇和確定，沒(méi)有對(duì)電路及其中使用的芯片原理進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，導(dǎo)致無(wú)法預(yù)先想到電路可能出現(xiàn)的問(wèn)題，也就無(wú)法提早對(duì)電路可能存在的問(wèn)題進(jìn)行有效的避免，導(dǎo)致電路在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)失真、工作不穩(wěn)定、性能差等問(wèn)題，且需要在問(wèn)題出現(xiàn)后再尋覓解決方法，而此時(shí)電路焊接已經(jīng)完成，再對(duì)電路進(jìn)行修改難度較大，且會(huì)影響電路焊接和性能。

因此在今后的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還應(yīng)率先對(duì)電路原理進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)，并對(duì)其可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，以減少實(shí)際測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。b.電路仿真與實(shí)際不相符

在本次電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們對(duì)所有電路都進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，且仿真結(jié)果正確后再進(jìn)行電路的焊接，但實(shí)際焊接完成的電路與仿真區(qū)別較大。

由于實(shí)際狀況繁雜，干擾較多，且元件及電路穩(wěn)定性都不可能像仿真環(huán)境下那樣完美，因此即使仿真正確，還需要及時(shí)對(duì)電路進(jìn)行實(shí)際的焊接和測(cè)試，以解決實(shí)際電路中出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行調(diào)試和修改。c.前后級(jí)匹配問(wèn)題

在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用的是分模塊設(shè)計(jì)調(diào)試最終進(jìn)行系統(tǒng)整體調(diào)試的方法。這樣在保證各模塊可以正常運(yùn)行的同時(shí)，還要考慮前后級(jí)匹配問(wèn)題。使用信號(hào)發(fā)生器做信號(hào)源時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的輸入信號(hào)的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以使其在各模塊連接調(diào)試時(shí)還能夠正常工作。

開始在電路調(diào)試過(guò)程中，我們沒(méi)有對(duì)前后級(jí)匹配問(wèn)題給予足夠的重視，只是記錄前級(jí)電路輸出在示波器中的相應(yīng)參數(shù)，再用信號(hào)發(fā)生器調(diào)整到同樣的參數(shù)作為后級(jí)輸入。在前后級(jí)分模塊測(cè)試正確的狀況下，將兩級(jí)電路聯(lián)調(diào)卻發(fā)現(xiàn)電路無(wú)法正常工作。經(jīng)過(guò)請(qǐng)教同學(xué)，我們?cè)谶M(jìn)行前后級(jí)聯(lián)調(diào)時(shí)，在前級(jí)與后級(jí)的連接處再引入示波器，充分考慮后級(jí)電路對(duì)前級(jí)造成的影響，通過(guò)示波器觀測(cè)聯(lián)調(diào)時(shí)前級(jí)電路的輸出狀況，再對(duì)電路進(jìn)行修正，進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試。d.電路工作穩(wěn)定性

由于真實(shí)環(huán)境繁雜，電路的穩(wěn)定工作受到多方面影響。例如，在進(jìn)行耦合測(cè)試的初始階段，我們將發(fā)射端導(dǎo)軌接近并聯(lián)耦合的電感電容，發(fā)現(xiàn)雖然電路能感應(yīng)信號(hào)，但頻率很不穩(wěn)定，波動(dòng)極大，無(wú)法滿足后級(jí)電路的工作需求。在檢查電路無(wú)誤后，我們發(fā)現(xiàn)是由于之前焊接的出現(xiàn)問(wèn)題的電容電感沒(méi)有拔除，雖然未接入電路中，但電容電感產(chǎn)生的LC振蕩對(duì)電路周邊的電磁場(chǎng)產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作。去掉無(wú)用的電容電感后，耦合問(wèn)題得到解決。

e.電路焊接或元器件問(wèn)題

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電路焊接與元器件質(zhì)量問(wèn)題也是影響電路正常工作的重要因素之一。

焊接過(guò)程中可能存在虛焊、短路、少錫、多錫等諸多問(wèn)題，而這些問(wèn)題的存在都會(huì)影響電路的性能甚至導(dǎo)致其無(wú)法正常工作。因此，在焊接過(guò)程中應(yīng)把握焊接要點(diǎn)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的電路焊接，避免出現(xiàn)由于電路焊接問(wèn)題導(dǎo)致的錯(cuò)誤。

元器件質(zhì)量問(wèn)題也可能影響電路正常工作。本次試驗(yàn)過(guò)程中，我們的電感質(zhì)量存在問(wèn)題，電路始終沒(méi)有方法正確耦合，在確定不是電路其他部分的問(wèn)題后，我們使用了其他小組的電感電容，發(fā)現(xiàn)可以正常耦合，因此再次更換電容電感，使問(wèn)題得以解決。

此外，導(dǎo)軌的選擇也十分重要。選擇連接良好、長(zhǎng)度適合的導(dǎo)軌可加強(qiáng)耦合的穩(wěn)定性，而接觸不良的導(dǎo)軌則會(huì)對(duì)耦合產(chǎn)生十分嚴(yán)重的影響，降低耦合性能甚至無(wú)法進(jìn)行耦合。f.接地問(wèn)題

接地問(wèn)題也是對(duì)電路在調(diào)試過(guò)程中需要十分注意的。好多時(shí)候由于接地不良導(dǎo)致示波器顯示不穩(wěn)甚至沒(méi)有波形，此時(shí)再不斷檢查電路會(huì)浪費(fèi)好多時(shí)間。因此在電路調(diào)試過(guò)程中，一定要保證電路的正確且穩(wěn)定的連接，避免由于接觸不良影響電路工作。3.2.3其他問(wèn)題

設(shè)計(jì)任務(wù)中要求發(fā)射端與接收端均使用單電源供電。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段，我們沒(méi)有考慮單電源供電的問(wèn)題，因此單片機(jī)運(yùn)用了單獨(dú)的電源供電且各芯片工作電壓不一致。為解決單電源供電的問(wèn)題，首先，我們將單片機(jī)與電路的電源引腳相連，使用單電源給電路和單片機(jī)供電。由于單片機(jī)正常工作電壓為5V，雖然要求中允許使用+12V電源，但為了避免降壓芯片的使用，我們將各芯片工作電壓進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，使各芯片均在+5V電壓下工作，對(duì)于放大電路，通過(guò)改變電阻彌補(bǔ)由于電壓減小造成的放大倍數(shù)減小。

在進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整后，發(fā)射端實(shí)現(xiàn)了單電源供電，但接收端采用+5V供電時(shí)會(huì)導(dǎo)致頻率的倍增，因此最終電路部分采用+3V供電，接收端單片機(jī)仍為+5V供電。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1測(cè)試方法（含接線圖）

充分利用電子儀器，例如示波器、函數(shù)發(fā)生器及萬(wàn)用表等對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中也要把握科學(xué)合理的方法，達(dá)到事半功倍的效果。

測(cè)試過(guò)程中采用了先分塊調(diào)試，再系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的方法。電路出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，從最前端到末級(jí)逐級(jí)測(cè)試，不斷縮小故障范圍，對(duì)于出現(xiàn)問(wèn)題的模塊，切斷電路間的相互聯(lián)系，對(duì)其進(jìn)行單

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獨(dú)測(cè)試，并與正常電路進(jìn)行對(duì)比，用正常的電路代替問(wèn)題電路，確定不是其模塊自身問(wèn)題后再考慮前后級(jí)電路及周邊環(huán)境的影響。

4.2測(cè)試數(shù)據(jù)（表格）

供電電壓（V）+5+5無(wú)+5+5+5輸入?yún)?shù)峰值波形(V)無(wú)方波方波正弦波正弦波方波2.64.160m2.73.25cm90%輸出參數(shù)波形方波方波正弦波正弦波峰值(V)2.64.160m2.7電路模塊單片機(jī)功放電路耦合通信運(yùn)放電路整形電路單片機(jī)其他功能詳述產(chǎn)生不同頻率的方波增加導(dǎo)軌電流，增加感應(yīng)距離和穩(wěn)定性通過(guò)電磁耦合接收發(fā)射端的信息放大感應(yīng)電壓，以使后級(jí)電路正常工作將正弦波轉(zhuǎn)化為方波測(cè)量頻率，顯示數(shù)字通信距離識(shí)別率3.2方波顯示數(shù)字4.3數(shù)據(jù)分析和結(jié)論

由于電路中所有芯片均采用+5V電壓供電，雖然簡(jiǎn)化了電路，但影響了功放電路與運(yùn)放電路的放大倍數(shù)，進(jìn)而影響了數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)木嚯x，使得通信距離過(guò)近，需采用減小負(fù)載電阻的方式增加電流，以增加通信距離。

由于發(fā)射與接收均使用單片機(jī)，發(fā)射端利用程序產(chǎn)生頻率不同的方波，接收端通過(guò)程序檢測(cè)頻率并進(jìn)行顯示，雖然延時(shí)較為嚴(yán)重，但識(shí)別率高，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

5系統(tǒng)使用說(shuō)明

5.1系統(tǒng)外觀及接口說(shuō)明（含實(shí)物照片）

圖5-1系統(tǒng)整體圖

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5.2系統(tǒng)操作使用說(shuō)明

a.發(fā)射部分

除復(fù)位鍵外，其余三個(gè)按鍵分別發(fā)送頻率為5.12KHz、5.24KHz、5.62KHz的方波，5.36KHz為常態(tài)頻率。

有三個(gè)按鍵可供操作，分別為按鍵1、按鍵2、按鍵3，按下不同按鍵可在接收部分單片機(jī)上看到相應(yīng)的數(shù)字顯示。b.接收部分

當(dāng)使用者分別按下按鍵1、按鍵2、按鍵3時(shí)，接收部分單片機(jī)數(shù)碼管分別顯示1、2、3。接收到常態(tài)頻率時(shí)顯示6，同時(shí)點(diǎn)亮相對(duì)應(yīng)的指示燈。按下按鍵4時(shí)顯示學(xué)號(hào)。

6總結(jié)

6.1本人所做工作

在本次電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我主要負(fù)責(zé)硬件部分。6.1.1方案確定及電路設(shè)計(jì)

查閱相關(guān)資料，參考已有的電子系統(tǒng)進(jìn)行本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先確定備選方案，再并對(duì)各方案進(jìn)行比較選擇；確定整體方案后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇不同電路和芯片實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模塊的功能；將仿真通過(guò)并確定使用的電路模塊進(jìn)行匯總、連接，利用軟件進(jìn)行仿真測(cè)試；最終對(duì)連接完成的各模塊進(jìn)行整體評(píng)估，確定最終的電路圖。6.1.2電路焊接

根據(jù)設(shè)計(jì)完成的電路圖進(jìn)行電路的焊接，在焊接過(guò)程中盡量保證焊接質(zhì)量，避免因焊接問(wèn)題對(duì)電路調(diào)試及整體造成影響。

但在實(shí)際完成焊接工作的過(guò)程中，由于焊接技術(shù)不熟練，要領(lǐng)把握不到位，我所焊接的功率放大部分出現(xiàn)問(wèn)題較大，由隊(duì)友進(jìn)行重新焊接，最終實(shí)現(xiàn)功能。6.1.3系統(tǒng)調(diào)試

完成焊接后即進(jìn)行電路的調(diào)試工作。首先進(jìn)行分模塊調(diào)試，此部分工作由我完成，保證了各模塊的正常工作。

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系統(tǒng)聯(lián)調(diào)由我和隊(duì)友共同完成，由于聯(lián)調(diào)過(guò)程中需要拼接不同模塊且出現(xiàn)問(wèn)題較多，我與隊(duì)友合作進(jìn)行了調(diào)試并一起解決了遇到的各種問(wèn)題。

6.2收獲與體會(huì)

在本次課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我收獲頗多。6.