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1、简易无线电遥控系统设计报告一、设计任务：设计并制作无线电遥控发射机和接收机。1、无线电遥控发射机。 图1.1 无线电遥控发射机2、无线电遥控接收机。 图1.2 无线电遥控接收机3、要求。（1）工作频率：fo=610MHz中任选一种频率。（2）调制方式：AM、FM或FSK任选一种。（3）输出功率：不大于20mW（在标准75假负载上）。（4）遥控对象：8个。（5）接收机距离发射机不小于10m。（6）增加信道抗干扰措施。（7）尽量降低电源功耗。二、系统方案设计。 整个系统由发射系统和接收控制系统两部分组成。发射系统和接收控制系统组成结构框图如图1.1和1.2所示。系统的工作原理是首先通过按键编址电路
2、输入所需控制电路的位号，同时启动编码电路产生带有地址编码信息和开关状态信息的编码脉冲信号，再通过无线电发射电路将该信号发射出去。而无线电接收电路将接收到的编码脉冲信号通过解码电路进行编码地址确认，确认是否为本遥控开关系统地址，然后通过驱动电路来驱动8个遥控对象。1、 发射机。 图2.1 无线电遥控发射机1.1 调制方式的选择。 根据要求，控制对象是8盏灯，被控状态采用二进制编码。因设计对频带宽度没有限制，为了提高抗干扰能力，实现方法简单，载波传输采用FSK调制方式。 图2.2 FSK示意图 FSK（Frequency-shift keying）- 频移键控是利用载波的频率变化来传递数字信息，最
3、常见的FSK是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统，如图2.2所示。产生FSK 信号最简单的方法是根据输入的数据比特是0还是1，在两个独立的振荡器中切换，如图2.3所示。采用这种方法产生的波形在切换的时刻相位是不连续的，因此这种FSK 信号称为不连续FSK 信号。 图2.3 非连续相位FSK的调制方式 由于相位的不连续会造频谱扩展，这种FSK 的调制方式在传统的通信设备中采用较多。随着数字处理技术的不断发展，越来越多地采用连继相位FSK调制技术。 图2.4 连续相位FSK的调制信号目前较常用产生FSK 信号的方法是，首先产生FSK 基带信号，利用基带信号对单一载波振荡器进行频率调制。1.
4、2 发射机主振电路型式的选择。（1）主振可采用晶体振荡或LC振荡。设计要求载频为610MHz。若采用普通晶体倍频方式，假设为三倍频，则晶体频率要低于3.33MHz，在这种情况下难于获得足够的频偏。例如，用摩托罗拉公司的单片集成FM调制芯片MC2833实现2.5MHz电抗管晶体三倍频调频时，实测三倍频后的最大频偏为420MHz。若采用专用调频晶体，价格又太高。（2）主振采用电容三点式振荡电路。电容三点式具有频率稳定性高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器。 图2.5 克拉泼电路克拉泼电路：当要求电容三点式振荡电路的振荡频率更高时，则应使电容C1、C2的值较小。由于C1并接在三极管的c、e极
5、之间，C2并接在三极管的b、e极之间，当管子的极间电容随温度等因素的变化而变化时，将对振荡频率产生显著影响，造成振荡频率的不稳定。为了减小极间电容的影响，提高电路频率的稳定性，对电容三点式振荡电路进行适当改进就形成了改进型电容三点式振荡电路，如图2.5所示。该电路称为串联型电容三点式振荡电路，又称克拉泼振荡电路。 由图可知，这种电路是在电容三点式振荡电路的电感支路上串进了一个小电容C而构成的（C3对交流短路，属共基组态）。C1、C2、C及L组成谐振回路，当C C1、CC2时，求得振荡频率为： (1) 上式可见，振荡频率基本上与C1、C2无关，因此，可选C1、C2的值远大于极间电容，这就减小了极
6、间电容变化对振荡频率的影响，提高了振荡频率的稳定性。 LC回路谐振电阻R0反射到三极管集、射极的等效负载电阻为： (2) 其中。由上式可知：若C调至较小时，将使变小，导致电路增益下降，因此，这一电路的振荡频率只能在小范围内调节，否则将出现输出幅度明显下降的现象。 为了解决克拉泼电路频率调节范围小的缺点，在克拉泼电路的L两端并联上一个电容得到的，得到西勒电路。西勒电路有效的改善了克拉泼电路可调范围小的缺点，电路图如下图所示： 图2.6 西勒电路西勒电路：并联型三点式振荡电路，又称席勒振荡电路，它是在串联型电容三点式振荡电路的电感L旁并接了一个电容C而构成的。由于LC回路的谐振电阻R0反射到三极管
7、集、射极间的等效负载电阻 （3）而C3 C，当C变小时，变化程度不如（2）式那样显著，从而削弱了振荡幅度受频率改变的影响。因此，席勒振荡电路的频率调节范围较克拉泼电路要宽。由图2.6可知，当C3C1、C3C2时，振荡频率为： （4）改进型电容三点式振荡电路除具有电容三点式振荡电路的特点外，还具有频率稳定度高（可达以上）的优点。该电路广泛应用于各类电视机中。因此本设计选择了变容二极管直接调频的西勒电路，即可获得较大的频偏，又可保证一定的频率稳定度。1.3 发射机功放电路的选择。功率放大器一般可由推动级、中间级和输出级组成，具体级数应由所要求的总功率增益而定。试题要求输出功率不大于20mW，假设天
8、线特性阻抗为75，则在匹配良好条件下天线上电压峰峰值要小于3.5V。一般西勒振荡器输出电压峰峰值为1v是可实现的，故用一级功率放大应能满足要求。考虑到前后级影响的问题，在振荡器与功放间加入了一级射随器，起隔离和激励的作用。鉴于输出功率低，兼顾效率，功放管工作状态选为甲乙类。1.4 发射部分电路图。 图2.7 发射电路主振器由晶体管VT1与电容C2、C3、C4、C5、变容二极管Cj和电感L1组成西勒振荡器。该电路较易起振，输出振荡频率和振幅也较为稳定，波形好，调谐范围也比较宽。振荡信号由C7弱耦合至射随器，然后送至功放。射随器的功能有：（1）输入阻抗高、输出阻抗低；（2）输入输出同相；（3）有电
9、流和电压放大作用。功放的工作状态为甲乙类，R8、R9给VT3提供偏压，输出匹配网络采用简单的T型网络，其中L4与C10和天线等效电容谐振于载频，L3与L2起阻抗变换作用，以使输出功率最大。调频采用变容二极管电路。在本设计中，调制信号为二单元单极性码，即只有高低两个电平，故对调制线性度要求不高。因此设计采用了变容二极管部分接入及对变容二极管不外加发偏压的电路结构，电路如图1.3所示。Cj为变容二极管的结电容，可求得Cj对主振回路的接入系数P为 P=C5/（C5+Cj） 若调制信号引起的结电容变化为C，则引入主振回路的电容变化量为P2C，可求得由此引起的振荡频率的变化为fg - (P2C/2C)
10、fg式中C=C5Cj / (C5+Cj)+C4 为主振回路总电容。负号表示C与fg的变化相反。本设计中C5=3pF，Cj=21pF，可得P 1，即变容二极管参量的变化对振荡频率影响较小，频率稳定度大大提高。 由此引入的问题是如何能得到足够的频偏，也就是如何使变容二极管的结电容变化较大。解决的办法是对变容二极管不加反偏压。如图2.9所示，在不加反偏压时可获得最大电容变化量。由于无外加偏压，避免了由偏压变化引起的频率漂移，同时简化了电路。调制信号C5Cj图2.8 变容二极管偏压电路 CjCj0Cjtutoo 图2.9 变容二极管压容特性 2、控制及编码电路。控制及编码电路由10-4线优先编码器CD
11、40147和编码芯片MC145026构成。编码芯片MC145026的输出端DOUT（15脚）接到发射电路的输入端，实现把经过编码的按键信号发射出去。接到发射电路的输入端 图2.10 控制键编码部分电路图2.1 按键输入电路。采用元件CD40147 10-4线优先编码器，只对按键进行编码。目前只用其中的8-3线部分，其余的可以留给以后扩展用。CD40147编码器具有对输入信号进行优先编码的功能，10条数据输入线（0-9）编码为四条线（A-D）。最高优先线为第九条。当所有输入线为逻辑0时，所有输出线为逻辑1。2.2 编码电路。编码模块由三态编码芯片MC145026构成，此组芯片是摩托罗拉公司生产的
12、用于通信配对使用的最新芯片。编码芯片MC145026可对9位输入信息（地址位A1A5，数据位D6D9）进行编码，编码后每个数据位用两个脉冲表示： “1”编码为两个宽脉冲；“0”编码为两个窄脉冲；“开路”编码为一宽脉冲和一窄脉冲交叉。 图2.11 MC145026的波形图 图2.12 MC145026的引脚功能和外部电路图集成编码器MC145026的引脚功能和外部电路如图2.12所示。A1A9是地址或数据输入端,当作地址使用时有三个状态 (高电平、开路、低电平)，当作数据使用时有两种状态（高电平、低电平）；、的数值决定MC145026内部时钟振荡器的工作频率；TE是内部时钟振荡器的工作控制端，当
13、TE为低电平时，振荡器工作；的输出编码信号如图2.11所示，两个连续的宽脉冲（占空比7：1）表示“1”，两个连续的窄脉冲（占空比1：7）表示“0”，一宽一窄两个脉冲表示“开路”。发送时，先发送17.5个时钟周期的低电平, 接着依次发送A1A9的状态编码，如果A1A9的状态编码发送完毕后TE依然是低电平,经过24个时钟周期后再依次发送 A1A9的状态编码。其编码的发送工作不管TE在何时由低电平变为高电平，均必须等到当前发送周期结束以后才能停止。对于每9位数据信息，可以看作是一个数据字，为了提高通信的安全性，编码芯片对每个数据字发送两次，接收两次。3、接收机。 图2.13 无线电遥控接收机由高频放
14、大器对接收到的电磁波进行放大，再经过MC3361构成的解调电路，对接收到的电磁波进行解调。最后经电压比较器对解调出来的信号进行整形，即可还原出发射机发送出来的二进制数字信号。 图2.14 接收机原理图。3.1 接收机高频放大器。为保证接收机具有较高的灵敏度，选用低噪声高频晶体管2SC763。为获得一定的电压增益，采用共射极谐振放大电路。高频放大电路如图2.15所示：采用了典型电路，为一级共发射级谐振高放。 图2.15 高频放大电路3.2 接收机解调器。 通过查阅资料，选择了摩托罗拉的单片集成窄带FM解调芯片MC3361构成解调电路。MC3361的特点为低功耗、低电压和高灵敏度，在窄带语音和数据
15、通信中有良好的镜频抑制能力。 解调电路如图2.16所示：采用解调MC3361，本振为8MHz，与高放送来的信号进行混频，产生500kHz的中频信号。此信号通过窄带陶瓷滤波器（FL）送回MC3361进行鉴频。 图2.16 解调电路 MC3361是美国MOTOROLA公司生产的单片窄带调频接收电路，主要应用于语音通讯的无线接收机。片内包含振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路。主要应用在二次变频的通讯接收设备。 图2.17 MC3361内部电路图 图2.18 MC3361典型应用电路图MC3361单片窄带调频接收电路工作原理：MC3361的内部振荡电路
16、与Pin1和Pin2的外接元件组成第二本振级，第一中频IF输入信号10.7MHz从MC3361的Pin16输入，在内部第二混频级进行混频，其差频为：10.700-10.245=0.455MHz，也即455kHz第二中频信号。第二中频信号由Pin3输出，由455kHz陶瓷滤波器选频，再经Pin5送入MC3361的限幅放大器进行高增益放大，限幅放大级是整个电路的主要增益级。Pin8的外接元件组成455kHz鉴频谐振回路，经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调，并经一级音频电压放大后由Pin9输出音频信号。Pin12Pin15为载频检测和电子开关电路，通过外接少量的元件即可构成载频检测电路，用于调
17、频接收机的静噪控制。MC3361内部还置有一级滤波信号放大级，加上少量的外接元件可组成有源选频电路，为载频检测电路提供信号，该滤波器Pin10为输入端，Pin11为输出端。Pin6和Pin7为第二中放级的退耦电容。3.3 比较电路。 码型在传输过程中可能出现畸变，所以应通过比较电路使信号恢复成只有高低电平的数字信号。这样，提高了接收机的抗干扰能力，并与后级数字电路匹配。比较器门限电压由鉴频器输出经RC低通滤波器获得，其电压相当于信号中的直流分量电压。此方法有一定的自适应功能，在实际应用中表现出较强的抗干扰能力。 图2.19 比较电路4、解码电路及LED驱动。由解码器MC145027对接收电路的
18、输出信号进行解码；采用3-8线译码器74LS138对解码器MC145027的输出信号进行译码，并驱动8路LED。解码电路的输入端（IN）连接到接收机的输出端（OUT）。 图2.20 解码电路及LED驱动4.1 解码电路。 图2.21 MC145027的引脚功能 图2.22 MC145027功能框图 图2.23 MC145027的6、7脚波形MC145027的解码方式：MC145027是与MC145026配套使用的解码器的一种，具有4位数据输出和5位地址编码，根据其地址的不同组合可以产生种不同的地址编码。根据其地址的不同组合可以产生种不同的地址编码。MC145027的引脚功能和外部电路如图2.2
19、1所示，其功能框图如图2.22所示。MC145027通过RC积分电路来完成宽窄脉冲的识别，图2.22中，定时元件R1、C1决定对宽窄脉冲的识别，。 R2、C2是整个发送周期的辨别定时元件，用以确定各个有效单字，。当编码信号从数据输入端（9脚）输入时，6 脚将出现与9脚相同的信号，该信号经R1、C1积分电路积分后由7脚送至数据提取电路，数据提取电路在输入信号的每一个上升沿通过检测 7脚的状态来判断输入的是宽脉冲还是窄脉冲。图2.23中给出了6脚和7脚信号的波形，假定数据输入端输入的是“开路”编码（即一个宽脉冲和一个窄脉冲），宽脉冲开始于t0时刻，结束于t1时刻，窄脉冲开始于t2时刻，结束于t3时
20、刻，整个编码于t4时刻结束。那么，在t1时刻，7脚的电压为： 在t2时刻7脚电压为： 在此时刻，数据提取电路检测到的7脚电平为高电平，说明上一个脉冲为宽脉冲；此后窄脉冲通过 R1给C1充电，在窄脉冲结束时的t3时刻，7脚的电压为0.74V，在此后的一段时间里C1通过R1放电，在编码结束的t4时刻，7脚的电压为0.1V。此时数据提取电路检测到7脚的电平为低电平，说明上一个脉冲为窄脉冲。由此可见MC145027并不是对接收到的脉冲信号直接进行解码，而是将输入信号积分后进行解码，由于积分电路能滤除瞬间的尖脉冲干扰，因此MC145027接收的编码信号即使受到某种程序的干扰，MC145027依然能够进行
21、正确的解码，这一点对于环境复杂的工业现场特别重要。4.2 LED驱动电路。由于LED工作电流小，可采用74LS138译码输出直接驱动LED。经过74LS138译码后，输出端的8个LED分别唯一对应于输入端的8个按键，即实现了8路控制对象的无线电遥控。译码器74LS138的输入端A、B、C分别连接到解码芯片MC145027的数据输出端D7、D8、D9，则138的输出将和发射机的8个按键的状态完全一致。 LED驱动电路当芯片74LS138处于不工作状态时，8个输端出全为高电平1；芯片工作时，8个输出端只有一个为低电平0，其余7个输出引脚全为高电平1。图2.24 74LS138的引脚图 图2.25
22、74LS138真值表 当附加控制门的输出为高电平（S1）时，可由逻辑图写出 由上式可以看出，同时又是这三个变量的全部最小项的译码输出，所以也把这种译码器叫做最小项译码器。74LS138有三个附加的控制端、和。当、时，输出为高电平（S1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如表3.3.5所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能。三、关于传输距离的分析传输距离是简易无线电遥控系统的综合性技术指标，也是本设计的重点与难点内容。单工无线通信最大作用距离公式为 (3.1)式中，Pt为发射机天线端辐射的有效功率；Smin为
23、接收机的最小检测功率；Gt、Gr分别为发射机天线和接收机天线的增益；K值在发射机频率为定值，实验环境确定的情况下基本上为常量。要增大作用距离应从如下几个方面考虑：（1） 尽量提高发射与接收天线的增益因题目对天线的形状、尺寸未作规定，故天线的设计可以大做文章，下大工夫。由式（3.1）可知，传输距离是与Gt、Gr形成正比。若Gt、Gr分别增大两倍，则作用距离也增加两倍。这是非常可观的。（2） 尽量提高发射机天线端有效辐射功率Pt根据题目要求，在发射机输出端接上75的假负载，其输出功率不应大于20mW。在去除假负载，接上发射天线，则被天线辐射出去的有效功率Pt比20mW要小。以单振子天线为例，如图1
24、.2所示。当l= 时，A、B两端所呈现的阻抗为300左右，必须接一个4：1的阻抗变换器才能与发射机阻抗匹配。自然这样是效果最佳。然而根据题目要求，工作频率fo在610MHz之间任选一个频点，假设选取fo=610MHz，光速为c，则波长为 = =3*108/10*106=30(m),l= /2=15(m)要架设这么长的天线是不实际的。 阻抗变换 器75电阻电缆75ABl 图3.1 单振子天线 一般情况下，发射机采用拉杆天线，其总长度约1.5m左右。经过MATLAB仿真计算可得，拉杆天线的等效阻抗Zr为 Zr=RL-jXL (5.2)RL不到10,XL超过100。它与发射机严重失匹，而且天线呈容性
25、阻抗。因此在发射机输出端和拉杆天线之间必须加装阻抗变换器，且要抵消天线容性的影响，其示意图如图3.2所示。 发射机降阻网络模拟拉杆天线CLRLL图3.2 天线匹配示意图当然还可以采用天线增益更高的天线。例如双拉杆天线、环行天线等。不管采用任何形式的天线，均存在发射机与天线匹配问题。接收机同时也存在接收天线与高频放大器之间的阻抗匹配问题，这里不再重复。（3） 提高接收机的灵敏度由式（3.1）可知，提高接收机的灵敏度（即降低接收机的Smin）与提高发射机天线的辐射功率Pt对增加传输距离是同等重要的。故接收机采用超外差体制，且加装一级低噪声、高增益高频放大器，同时接收机要调准，使接收机灵敏度达到最高
26、。（4）根据电波传输理论，如图3.3所示。在距离为(2n-1)/4时，会出现波谷，收听效果最差；在距离为n/2时，会出现波峰，收听效果最好。其中n为自然数。如图所示。在进行传输距离测试时，要转动天线方向，使接收效果达到最佳为止。 磁场强度/23/25/2/43/45/47/49/4距离图3.3 电波传输理论示意图（5） 关于尽量减小系统输出信号失真度的分析输出信号失真度也是单工无线呼叫系统的重要指标。该指标的优劣取决于接收和发射两个分机。对可能产生波形失真的原因要分析清楚，从而采取有效措施，才能保证系统输出波形无明显失真。（6）从系统方面考虑：收发系统要调整正常，两者的频率要对准，直流稳压电源纹波要小，还要防止外部干扰（特别是市电干扰）串入系统。故发射机音频放大级最好能屏蔽。最后，还要使收发天线极化一致，方向对准。