毕业设计论文基于集成电路的调频电路的设计与制作.doc
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1、南 京 师 范 大 学毕 业 设 计(论 文)(2007 届)题 目:基于集成电路的调频电路的设计与制作 学 院: 物理科学与技术学院 专 业: 电子信息工程 姓 名: 学 号: 07030913 指导教师: 南京师范大学教务处 制目 录第一部分摘要第一章 绪论 41.1 导言 41.2 信息传输 41.3 本课题的研究内容 5第二章角度调制 62.1 角度调制的原理 6 2.2 调频电路 9第三章方案论证及硬件电路的实现 143.1 方案的选择 14 3.2 硬件电路的制作 20 3.3 实验结论 22 第四章 总结与展望 264.1 本设计的总结 26 4.2 本课题今后的研究方向 26
2、第二部分致谢参考文献摘要:调频,指的是用调制信号直接控制主振荡器回路元件的参量L或C,使载波频率受到控制,并按调制信号的规律变化。调频电路分为直接调频和间接调频。它的主要参数有调制特性、调制灵敏度、中心频率和最大频偏。本文先从理论上介绍了调频电路分类,然后对不同的调频电路进行比较。其中重点对基于集成电路的调频电路进行了研究,并通过制作实际电路进行比较后,观察基于集成电路的调频电路相对于其他调频方式的优越性。再对用不同集成电路制作的调频电路进行对比,观察选用哪种集成电路调试出的调频波形更好。调制特性:调频波的频率偏移与调制电压的关系。调制灵敏度:单位调制电压变化所产生的频率偏移称为调制灵敏度。中
3、心频率:调频波的中心频率就是载波频率。最大频偏:在正常调制电压作用下,所能达到的最大频率偏移称最大频偏fm。关键词: 集成电路调频调制信号调制特性调制灵敏度载波中心频率频偏Abstract: The frequency modulation, refers is with modulation signal positive governing main oscillator return route part parameter L or C, causes the carrier frequency to receive the control, and filters the chang
4、e according to the modulation signal gauge. The frequency modulation electric circuit divides into the direct-frequency modulation and the indirect-frequency modulation. Its main parameter has the modulating characteristic, the modulation sensitivity, the center frequency and the greatest frequency
5、leaning. This article first theoretically introduced the frequency modulation electric circuit classification, then carries on the comparison to the different frequency modulation electric circuit.Focusing on integrated circuits based on the frequency of the circuit, through the production and compa
6、re the actual circuit, Based on the observation of the IC circuit FM frequency relative to other forms of superiority. Another pair of different frequency integrated circuits produced by the circuit contrast, Observation of the choice of the IC testing frequency waveform better. Modulation character
7、istics:FM wave modulation frequency offset voltage relationship. Modulation sensitivity :unit modulation voltage changes the modulation frequency offset as sensitivity. Center frequency : FM wave frequency is the center carrier frequency.the greatest frequency leaning :the normal modulation voltage,
8、 it can achieve the maximum frequency offset the biggest shift fm said.Key words:IC Frequency modulation Modulation signal Modulating characteristic Modulation sensitivity carrier frequency the center frequency the greatest frequency leaning第一章 绪 论1.1 导 言 信息技术是当前的热门话题。信息技术概括起来包括两类技术:信息的处理与信息的传输。信息是一
9、个抽象的概念,它的具体形式是什么?信息传输的意义是什么?人们用什么方法来实现信息的传输?在传输的过程中怎样提高信息传输的可靠性和有性? 本文将通过制作调频电路,联系实际来解释这些问题。1.2 信息传输2.2.1 信息传输的背景和意义21世纪人类已进入信息时代,人们可用各种方式方便便捷地传递与接受信息。人类社会的信息主要是以声音、图像、文字、和符号等形式出现。各种类型的信息对人类社会生活产生了极大的影响,如军事信息影响战争的胜负,甚至决定国家的存亡;经济信息影响交易的成败和公司的兴衰;文娱信息给人以愉快和享受。19世纪前,远距离传递信息很难,在古代,人们曾用烽火传递敌情,用快马传递书信,这些都是
10、远距离传送信息的例子。直到19世纪人类掌握电磁学理论后,信息的传输才有了新的进展。有线电话和电报将声音和文字变成电信号传送,能够迅速、准确的传递远距离信息,是通信技术的重大突破。但有线电报和电话需要依靠导线传送信号,使用受到限制。能否不用导线,在空间传递信号?随后发明的无线电通信就解决了这个问题。无线电发送是以自由空间为传输信道,把需要传送的信息变换成无线电波传送到远方的接受点。为什么要用无线电波把信息传送出去呢?信息传送通常满足两个基本要求,一是希望传送距离远,二是要实现多路传输,且各路信号传输时不应互相干扰。依靠声音在空气中远距离传播肯定是不行的。其原因是声波在空气中传播的速度很慢而且衰减
11、很快,不能实现远距离传播。再则,人耳听到的声音的频率约在20赫兹到20K赫兹之间,若将声音直接传送,多路声音会混在一起,接受时就难于分辨,不能实现选择功能。为了把声音传送到远方去,常用的方法是将声音变成电信号,再通过发送设备送出去。电信号是与声音同频率的交变电磁振荡信号,可以利用天线向空间辐射出去。电磁波在空气中的传播速度很快。在天线高度足够的条件下是能够实现远距离传送的。但是,无线电波通过天线辐射,天线的长度就必须和电磁振荡的波长相近,才能有效的把电磁振荡波辐射出去。对于频率为20赫兹到20K赫兹的声频来说,其波长(15Km15000Km)。那么这样大尺寸的天线,制造是很困难的。即使可以做出
12、,由于各个电台所发出的信号频率范围相同,接收者也无法接收到所需要的信号。 2.2.3 调制技术在通信系统中的应用 图1-1 如图1-1所示,振荡器产生等幅的高频正弦信号,经过倍频后,即为载波频率信号;然后载波频率信号被基带信号调制,产生高频已调信号,最后再经功率放大器放大,获得足够大的发射功率,作为射频信号发送到空间。1.3 本课题研究的内容从开始做毕业设计到现在,我查阅了大量的文献。关于调频电路,有很多种方式去实现,比如用变容二极管去控制载波的频率实现调频,或者用数字调频如FSK。本文研究的是基于集成电路的调频方式。现在市场上的射频芯片有很多,各种芯片之间的性能怎么样,调频效果如何,这些本文
13、都进行了比较。本文在第一章的绪论中介绍了调频技术的背景和意义;第二章介绍了角度调制的原理和实现调频的三种方法,列举了几种产生载波的振荡器;第三章对选择的方案进行论证比较,并对结果进行分析;第四章是对在这次毕业设计过程中遇到的问题进行了总结,以及计划了自己以后的研究方向;最后是谢辞和参考文献。在这次设计的过程中,我对基于集成电路的调频方式有了全面的认识,虽然在过程中有很多不足,但是我对集成电路调频的原理有了一定的理解,也对调频波形有了感性的认识,了解了集成电路相对于其他调频方式的优点。另外,用集成电路去实现调频也可细分为几种方法,如锁相环调频,直接调频。本文在第三章对这两种方法进行了详细的研究,
14、并对产生出的调频波形进行了对比,并得出了结论。第二章角度调制调频电路属于角度调制,其目的是为了实现信号的有效传播。角度调制是利用调制信号去控制载波信号的频率或相位来实现调制的。角度调制分为两种:一种是频率调制(FM),另一种是相位调制(PM)。2.1 角度调制的原理2.1.1 调频信号的数学表达式设载波信号电压为 式中,为载波的瞬时相位;为载波信号的角频率;为载波初相角(一般的可以令0)。 设调制信号电压(单音频信号)为 式中为调制信号的角频率。根据调频的定义,载波信号的瞬时角频率随调制信号线形变化,即 (21)式中,为与调频电路有关的比例常数,单位为rad/(sV);,称为角频率偏移,简称角
15、偏移。的最大值叫角频偏, ,它表示瞬时角频率偏离中心频率的最大值。对式(21)积分可得调频波的瞬时相位 (22) 式中 表示调频波的相移,它反映调频信号的瞬时相位按调制信号的时间积分的规律变化。 调频信号的数学表达式 (23) 以上的分析说明:在调频时,瞬时角频率的变化与调制信号成线形关系,瞬时相位的变化与调制信号的积分成线形关系。 将单音频信号 分别代入式(21)、(22)、(23),得 (24) (25) (26)式中,说明调频波的角频偏随单音频信号做周期性变化,其中最大角频偏=,与调制信号振幅成正比。瞬时相移,与单音频信号相位差。其中, =为调频波的最大相移,又称调频指数,其值与成正比,
16、而与成反比,值可大于1。2.1.2 调相信号的数学表达式 根据调相的定义,载波信号的瞬时相位随调制信号线形变化,即 (27)式中,是由调相电路决定的比例常数,单位rad/V。=是载波的瞬时相位。调制信号成线形变化部分,称为调相波的相移。 对式(27)求导,可得调相波瞬时角频率 (28)式中 称为调相波的频偏,又称为频移。 调相信号的数学表达式为 (29) 以上分析说明:在调相时,瞬时相位的变化与调制信号成线形关系,瞬时角频率的变化与调制信号的导数成线形关系。 将单音频信号分别代入式(27)、(28)、(29),得 (210) (211) (212) 式中, 是调相波的最大相移,又称为调相指数,
17、它与成正比 称为调相波的最大角频偏,它与和的乘积成正比。2.2 调频电路 由上面的讨论可知,无论是调频还是调相,都会使瞬时相位发生变化,说明调频和调相可以相互转化。我们可以通过两者的转化关系设计出不同类型的调频和调相电路。通常有直接调频电路和间接调频电路,以及直接调相电路和间接调相电路。本节重点介绍频率调制电路(直接调频电路、间接调频电路)。2.2.1直接调频电路 直接调频是用调制信号直接控制主振荡器回路元件的参量L或C,使主振荡频率受到控制,并按调制信号的规律变化。直接调频电路又称调频振荡器。直接调频时,被控振荡器可以是产生正弦波的LC振荡器和晶体振荡器,也可以是产生非正弦的 张弛振荡器。前
18、者产生调频正弦波,后者产生调频非正弦波。对于用LC正弦波振荡器作为被控振荡器的直接调频电路,由于其振荡频率主要取决于振荡回路的电感量和电容量,因此,若在振荡回路中接入可变电抗器件(可变电容和可变电感)并使该器件的电感量和电容量受调制信号控制,就可以产生振荡频率随调制信号变化的调频波。(1)三点式LC正弦波振荡器 工作频率几百KHz几MHz,几MHz几百MHz,频率稳定度10-2,10-310-4 1) 三点式振荡器的组成原则 三点式振荡器的一般形式如图2-1振荡器的三极分别与回路的三点相连接,故称三点式振荡器。 设:Zce、Zeb、Zcb为纯电阻元件 负号表示产生180o相移,与Vbe和Vce
19、间的180o相移合成为360o相移,满足正反馈条件。为此,Xce与Xeb必为同名电抗,而Xcb须是Xce与Xeb的异名电抗。图2-1 2) 克拉泼电路(图2-2) 图2-2 一般的LC振荡器的频率稳定度只能达到10-310-4数量级,往往很多的场合需要频率稳定度优于10-5数量级,这时采用石英晶体振荡器,它是用石英谐振器作为振荡回路元件的具有高稳定的振荡器。(2)石英谐振器 石英晶体是一种各向异性的结晶体,其主要成分是二氧化硅,具有稳定的物理化学性能。从一块晶体按一定方位角切割下来的薄片,称为晶体。在晶体的两面涂上银层作为电极,两电极各自焊出引线固定在管脚上,并密封在金属中,便构成了石英谐振器
20、。其电路符号如2-3(a)所示。石英谐振器简称晶体,它是利用石英晶体的压电效应而制成的,具有谐振特性。其等效电路如图2-3(b)所示。其中C0表示以石英晶体为介质的两个电极板间的电容,称为静态电容;Lq、q、rq等效它的串联谐振特性。其特点是Lq很大,而q很小, rq较小,且0q,则其Q值非常高。 由等效电路可见,石英谐振器有两个谐振频率:一个是Lq、Cq支路的串联谐振频率fq;另一个是包括在内的整个电路的并联谐振频率fp。 石英晶体的等效电抗为: 可以看出,当 ffq或ffp时均有X0,晶体呈容性;当fqf fp时, 晶体呈感性。根据上式画出石英晶体电感抗特性曲线,如图 2-3(c )所示。
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