北交大-電子課設(shè)-摩斯電碼通信系統(tǒng)

1、國家電工電子實驗教學(xué)中心電子系統(tǒng)課程設(shè)計設(shè)計報告國家電工電子實驗教學(xué)中心電子系統(tǒng)課程設(shè)計設(shè) 計 報 告設(shè)計題目： 摩斯電碼通信系統(tǒng)學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院專 業(yè)： 通信工程學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 任課教師： 張宇威 2015 年 4 月 26 日目 錄1 設(shè)計任務(wù)要求11.1 具體要求12 設(shè)計方案及論證22.1 任務(wù)分析22.2 方案比較32.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計52.4 具體電路設(shè)計83 制作及調(diào)試過程113.1 制作與調(diào)試流程113.2 遇到的問題與解決方法134 系統(tǒng)測試144.1 測試方法144.2 測試數(shù)據(jù)164.3 數(shù)據(jù)分析和結(jié)論185 系統(tǒng)使用說明195.1 系統(tǒng)外觀及接口說明195

2、.2 系統(tǒng)操作使用說明206 總結(jié)206.1 本人所做工作206.2 收獲與體會206.3 對本課程的意見與建議217 參考文獻21附錄一：發(fā)報機完整電路22附錄二：收報機完整電路231 設(shè)計任務(wù)要求本課題要求設(shè)計并制作一套如圖1所示的摩斯電碼通信系統(tǒng)。系統(tǒng)由發(fā)報機和收報機兩部分構(gòu)成。發(fā)報機可以以人工或自動方式將數(shù)字報文轉(zhuǎn)換為摩斯電碼，并通過揚聲器以聲音信號的形式發(fā)送出去；收報機在接收到發(fā)報機發(fā)出的聲音電碼信號后，將其轉(zhuǎn)換為指示燈發(fā)光信號，并能自動翻譯為原始數(shù)字報文通過數(shù)碼管或液晶顯示器顯示。1.1 具體要求 1. 基本部分（1）發(fā)報機具有人工發(fā)報功能。但按下發(fā)報機上的“發(fā)報電鍵”時，發(fā)報機能

3、通過揚聲器發(fā)出特定的聲音信號，同時“發(fā)報指示燈”點亮；抬起“發(fā)報電鍵”后，揚聲器停止發(fā)聲，同時“發(fā)報指示燈”熄滅。發(fā)報機所發(fā)聲音信號為頻率為1kHz（偏差不超過±10Hz），且無明顯失真的單頻正弦波。（2）收報機在接收到發(fā)報機發(fā)出的1kHz聲音時，“收報指示燈”點亮，無1kHz聲音信號時，“收報指示燈”熄滅。收報機應(yīng)僅對頻率為1kHz的聲音信號敏感，其他頻率的聲音信號無效，有效信號頻率范圍不超過1kHz±80Hz。（3）發(fā)報機與收報機之間的有效通信距離不小于30cm。（4） 發(fā)報機與收報機均采用直流+5V單電源供電，發(fā)報機與收報機不得共用同一電源。2. 提高部分（1）發(fā)報機

4、具有自動編碼功能。但按下發(fā)報機上的任意一個“數(shù)字發(fā)報鍵”時，發(fā)報機可自動發(fā)送一組該數(shù)字所對應(yīng)的摩斯電碼。發(fā)報速度應(yīng)在100300毫秒/時間單位范圍內(nèi)。（2）收報機具有一位數(shù)字報文自動解碼顯示功能。當(dāng)收報機接收到發(fā)報機以人工或自動方式發(fā)送的一位數(shù)字摩斯電碼后，可自動將其翻譯為原始數(shù)字報文，并在數(shù)碼管上顯示。（3）發(fā)報機具有ID一鍵發(fā)送功能。當(dāng)按下發(fā)報機上的“ID發(fā)送鍵”后，發(fā)報機自動連續(xù)發(fā)送一組由8位數(shù)字構(gòu)成的ID。（4）收報機具有連續(xù)數(shù)字報文自動解碼顯示功能。當(dāng)收報機接收到發(fā)報機以人工或自動方式連續(xù)發(fā)送的一串摩斯電碼時，可顯示發(fā)送的數(shù)字報文內(nèi)容。3. 擴展部分 在較好地完成基本部分和提高部分各

5、項要求的前提下，實現(xiàn)其他有意義的功能。如實現(xiàn)英文字符及符號通信功能、收報機發(fā)報速度自適應(yīng)功能。2 設(shè)計方案及論證2.1 任務(wù)分析該設(shè)計任務(wù)主要分為兩部分：第一部分是具有人工和自動發(fā)報功能的發(fā)報機，第二部分為具有收報指示和解讀功能的收報機。下面具體分析以上兩部分的具體設(shè)計思路：1. 發(fā)報機設(shè)計要求分析根據(jù)發(fā)報機設(shè)計任務(wù)要求，發(fā)報機的組成及各部分功能如下：（1）發(fā)報鍵（手動、自動發(fā)報鍵及ID發(fā)送鍵）：發(fā)報鍵用于控制發(fā)報機聲音的發(fā)送；（2）發(fā)報指示燈：當(dāng)發(fā)報機有聲音信號發(fā)送時，發(fā)報指示燈應(yīng)點亮；（3）信號發(fā)生模塊：用于產(chǎn)生1kHz的正弦波；（4）聲音信號發(fā)送模塊：將正弦信號放大并通過揚聲器進行發(fā)送；

6、（5）編碼模塊：將自動發(fā)報鍵或ID發(fā)送鍵所對應(yīng)的數(shù)字編碼為對應(yīng)的摩斯電碼。通過以上分析可知，發(fā)報機的設(shè)計重點是1kHz正弦信號的生成和發(fā)送；以及自動發(fā)報的編碼功能。首先，對于1kHz正弦信號的產(chǎn)生，主要有以下幾種方法：第一，可以通過震蕩電路直接生成正弦波，如文氏電橋正弦波震蕩電路；第二，利用FPGA芯片及D/A轉(zhuǎn)換器，采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，實現(xiàn)正弦信號的發(fā)生；第三，利用方波發(fā)生器和低通濾波器生成正弦信號，方波信號的傅里葉級數(shù)展開如式2-1： （式2-1）由此可見，方波信號的傅里葉級數(shù)展開只包含基波和奇次諧波分量。因此，可以利用低通或帶通濾波器濾除高頻的奇次諧波，得到基頻的正弦信號。對于正弦

7、聲音信號的發(fā)送，常用的方法是利用揚聲器發(fā)聲，而常見的小型揚聲器規(guī)格為8，0.5W。而上述幾種正弦波信號發(fā)生器的輸出功率遠不及此，因此，需要通過功率放大來實現(xiàn)音頻信號的輸出。對于發(fā)報機的自動編碼功能，則需要發(fā)報機能夠儲存預(yù)先編碼的摩斯電碼，并通過按鍵選擇相應(yīng)的編碼進行發(fā)送。因此，自動編碼模塊需要具有儲存單元和地址選擇單元。如使用地址線與組合的數(shù)字邏輯電路，地址選擇單元將按鍵與儲存單元相連接，來實現(xiàn)數(shù)字發(fā)報鍵和預(yù)先存儲的摩斯電碼對應(yīng)的功能；或者使用單片機，通過編程的方法實現(xiàn)以上功能。2. 收報機設(shè)計要求分析根據(jù)收報機設(shè)計任務(wù)要求，收報機的組成及各部分功能如下：（1）接收麥克風(fēng)：用于接收由發(fā)報機發(fā)出

8、的1kHz聲音信號；（2）頻率選擇模塊：收報機僅對1kHz聲音信號敏感，而對其他頻率的信號不敏感；（3）收報指示燈：當(dāng)收報機接收到1kHz聲音信號時，接收指示燈點亮；（4）報文自動解碼顯示模塊：當(dāng)收報機接收到發(fā)報機以人工或自動方式連續(xù)發(fā)送的一串摩斯電碼時，可顯示發(fā)送的數(shù)字報文內(nèi)容。 根據(jù)對收報機設(shè)計要求的分析，收報機設(shè)計的重點為頻率選擇模塊和報文自動解碼模塊。 首先，收報機要對接收到的聲音信號具有頻率選擇性，即僅對1kHz的聲音信號敏感。根據(jù)所給參考資料，該功能的實現(xiàn)需要借助由LM567為核心所構(gòu)成的鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路。通過查閱LM567技術(shù)文檔，當(dāng)直流供電電源為+5V時，LM567的最小分辨

9、輸入電壓為20mVrms，而一般駐極體話筒的輸出電壓為10mV左右，不能達到LM567的最小分辨電壓，因此，駐極體話筒所采集到的音頻信號需要先經(jīng)過前置放大，才能輸入鎖相環(huán)。 當(dāng)輸入信號為1kHz時，LM567輸出為低電平，反之，為高電平。因此報文自動解碼顯示功能可以使用單片機和數(shù)碼管實現(xiàn)，LM567輸出連接單片機I/O引腳，通過單片機編程監(jiān)測其輸入引腳電平變化，即可檢測到有報文輸入。然后，利用程序?qū)⑹艿降膱笪慕獯a翻譯，通過數(shù)碼管將解碼后的報文顯示出來。2.2 方案比較根據(jù)以上對任務(wù)要求的分析，已經(jīng)明確了幾種發(fā)報機和收報機實現(xiàn)的方法，因此提出以下兩種發(fā)報機的設(shè)計方案和一種收報機的設(shè)計方案：1.

10、發(fā)報機設(shè)計方案 由于要實現(xiàn)發(fā)報機的自動編碼功能，因此，發(fā)報機需要使用到數(shù)字邏輯電路?？紤]到數(shù)字電路中僅有高低電平兩種狀態(tài)，更容易產(chǎn)生方波；同時，利用震蕩電路直接生成正弦波有頻率穩(wěn)定度低（10-210-3）的缺點，因此，以下兩種設(shè)計方案均采用通過方波濾波生成正弦信號的方法。方案一： 利用組合數(shù)字邏輯電路，控制方波發(fā)生器與低通濾波器的通斷，然后經(jīng)功率放大后播放，實現(xiàn)手動或自動編碼的摩斯電碼輸出。方案原理圖如圖2-1。 首先，通過按鍵將對應(yīng)的數(shù)字預(yù)置給計數(shù)器，計數(shù)器生成相應(yīng)的地址選擇信號，傳送給，調(diào)取其中儲存的編碼信息，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)時長的高低電平后輸出，并通過與門控制1kHz方波的輸出；輸出的方波經(jīng)過

11、低通濾波器轉(zhuǎn)換為正弦波，并通過功率放大電路后，有揚聲器發(fā)送。 該方案的優(yōu)點是：方波信號獨立生成，頻率穩(wěn)定性較高；缺點是：自動編碼模塊電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計難度較大，且調(diào)試不方便。圖2-1 發(fā)報機方案一原理圖方案二： 利用單片機與按鍵外設(shè)，通過編程實現(xiàn)自動報文編碼和方波輸出，然后通過低通濾波器生成正弦波，經(jīng)功率放大后由揚聲器播放聲音信號。方案原理圖如圖2-2。圖2-2 發(fā)報機方案二原理圖 該方案中，編碼信息的存儲和調(diào)用、1kHz方波信號的生成均由單片機及其內(nèi)部程序完成。因此，該方案優(yōu)點是：集成度較高，電路構(gòu)成簡單，單片機部分僅需要最小系統(tǒng)與按鍵外設(shè)即可，系統(tǒng)調(diào)試靈活方便。缺點是：一，單片機負載能力較

12、差，與下級濾波電路連接時，需要考慮驅(qū)動問題；二，單片機輸出方波頻率受晶振頻率和軟件程序影響，頻率穩(wěn)定性較差。2. 收報機設(shè)計方案 根據(jù)對設(shè)計任務(wù)的分析，收報機設(shè)計方案原理圖如圖2-3所示，圖2-3 收報機原理圖 該方案中，麥克風(fēng)用于接收發(fā)報機發(fā)送的聲音信號，信號經(jīng)過前置放大器放大后，傳送至鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路，當(dāng)收到的聲音信號且頻率為1kHz時，鎖相環(huán)電路輸出電平由高變?yōu)榈停瑫r收報指示燈點亮，同時，該電平信號傳送給單片機I/O引腳，單片機利用定時器記錄每次到達的聲音信號的時長，并通過程序解碼翻譯出相對應(yīng)的報文，然后通過數(shù)碼管進行收報顯示。2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計1. 發(fā)報機結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)上一節(jié)中所

13、給出的兩種發(fā)報機設(shè)計方案，經(jīng)過綜合考慮，方案二電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便的特點使其更容易實現(xiàn)，因此，選定方案二為最終方案。 下面根據(jù)發(fā)報機設(shè)計方案的原理圖（圖2-2），具體介紹發(fā)報機的各個模塊：（1） 單片機自動編碼模塊 該模塊由單片機最小系統(tǒng)和按鍵外設(shè)構(gòu)成，其中最重要的部分為自動編碼程序，程序設(shè)計流程圖如圖2-4所示：圖2-4 發(fā)報機自動編碼程序流程圖（2） 濾波電路設(shè)計 單片機可以通過程序控制，使其I/O引腳輸出1kHz方波信號，通過（式2-1）可知，方波信號的傅里葉級數(shù)展開只包含基波和奇次諧波分量。因此，要得到1kHz的正弦波信號，濾波器應(yīng)能保留1kHz基頻分量，并將三倍頻及以上頻率的分量濾

14、除。所以，濾波器類型應(yīng)為低通型濾波器，設(shè)計指標(biāo)為：通帶截頻>1kHz，阻帶截頻<3kHz，通帶增益1dB，阻帶衰減40dB。 根據(jù)以上設(shè)計指標(biāo)，利用FilterPro Desktop軟件，設(shè)計了如圖2-5的Sallen Key結(jié)構(gòu)的四階切比雪夫型低通有源濾波器：圖2-5 低通濾波器原理圖 該濾波器理想頻率響應(yīng)如圖2-6圖2-6 低通濾波器頻率響應(yīng) 從頻率響應(yīng)曲線可以看出，其1kHz增益為-0.421dB，-3dB截頻為1.35kHz，3kHz衰減為-38.5dB，指標(biāo)符合設(shè)計要求。 其中值得注意的是，設(shè)計任務(wù)要求發(fā)報機為單電源供電，因此，選擇的運放應(yīng)支持單電源供電，如LM324。（

15、3） 功率放大電路設(shè)計 經(jīng)濾波器輸出的正弦信號功率較小，不足以推動規(guī)格為8，0.5W的揚聲器發(fā)出足夠大的聲音，因此需要進行功率放大。 功率放大電路常采用LM386芯片實現(xiàn)，其具有自身功耗低，增益可調(diào)，電源電壓范圍大，外界元件少很總諧波失真小等優(yōu)點。 LM386實現(xiàn)功率放大的原理是通過其內(nèi)部的差分放大電路和多級放大電路放大電流及電壓信號，其內(nèi)部會有直流偏執(zhí)來提供靜態(tài)工作點。因此，輸入LM386的信號中不應(yīng)含有直流偏執(zhí)，以免造成輸出信號的失真。2. 收報機結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)收報機設(shè)計方案的原理圖（圖2-3），具體介紹收報機的各個模塊：（1） 麥克風(fēng)及前置放大電路 常用駐極體麥克風(fēng)在+5V單電源供電的條

16、件下，輸出電壓幅度主要與幾點因素有關(guān)：一是聲音強度、二是麥克風(fēng)與音源的距離，（以上兩點均在信噪比較大的情況下成立），其輸出電壓峰峰值大于在5mV30mV之間變化。LM567的最小分辨輸入電壓為20mVrms，因此前置放大電路電壓增益范圍應(yīng)為100倍左右，效果較為理想。（2） 鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路 鎖相環(huán)模塊最重要的組成部分是LM567，LM567為鎖相環(huán)音頻譯碼電路、即只有當(dāng)輸入信號的頻率和電路自身的振蕩頻率相一致時，電路輸出低電平，否則輸出高電平LM567為鎖相環(huán)音頻譯碼電路。它在電路中的功用是作選頻用，即只有當(dāng)輸入信號的頻率和電路自身的振蕩頻率相一致時，電路輸出低電平，否則輸出高電平。（3）

17、 收報解碼顯示模塊 該模塊功能主要利用單片機和數(shù)碼管實現(xiàn)。當(dāng)音頻解調(diào)電路確認接收到的聲音信號為1kHz時，LM567輸出為高電平，利用單片機的I/O引腳讀取該電平變化的信息，通過其內(nèi)部的計時器，即可計算出聲音信號的持續(xù)時間，從而實現(xiàn)解碼功能。 收報機解碼功能實現(xiàn)的程序框圖如圖2-7所示：圖2-7 解碼顯示功能程序框圖2.4 具體電路設(shè)計1. 發(fā)報機電路設(shè)計（1）單片機自動編碼模塊電路設(shè)計圖2-8 單片機自動編碼模塊電路 自動編碼模塊電路主要由單片機最小系統(tǒng)和按鍵外設(shè)構(gòu)成，電路圖左側(cè)09十個按鍵為自動編碼按鍵，分別對應(yīng)著數(shù)字09的電報編碼；右側(cè)LED1為“發(fā)報指示燈”，當(dāng)有報文發(fā)送時，該指示燈亮

18、起，否則熄滅；另外三個按鍵分別對應(yīng)著手動發(fā)報鍵，一鍵ID發(fā)送及數(shù)字/字幕切換按鍵。（2）低通濾波器電路設(shè)計圖2-9 低通濾波器電路 低通濾波器采用由LM324構(gòu)成的有源低通濾波器，并采用Sallen Key結(jié)構(gòu)，階數(shù)為4，并采用單電源供電，具體參數(shù)由FilterPro Desktop軟件設(shè)計生成。（3）功率放大電路設(shè)計 功率放大電路采用LM386典型功率放大電路，1、8管腳懸空，使其增益為20倍。其中電源與地之間接有100nF電容，7管腳與地之間連接有一47nF電容，以減輕電源波動對功放電路的影響。 發(fā)報機完整電路見附錄1。圖2-10 功率放大電路2. 收報機電路設(shè)計（1）話筒及前置放大電路設(shè)

19、計圖2-11 話筒及前置放大電路 前置放大電路采用三極管共射極放大電路，采用型號為S9013的NPN型三極管，其具體參數(shù)為：，。靜態(tài)工作點 （式2-2） 集電極電流 （式2-3） 電壓增益 （式2-4）其中 （式2-5）根據(jù)以上理論計算，輸出電壓符合下級輸入電壓要求。（2）鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路設(shè)計圖2-12 鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路 LM567的5、6腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f，即 （式2-6） 這里電阻的單位是k，電容的單位是uF，f的單位為kHz。根據(jù)式2-6，計算出在電容為0.1uF時5腳所需的電阻為9.09k左右。為避免由于元件誤差而帶來的鎖頻不準(zhǔn)確的問題，我們選擇了使

20、用了10k的電位器。（3）自動解碼顯示電路設(shè)計圖2-13 自動解碼顯示電路 自動解碼顯示電路有單片機最小系統(tǒng)和數(shù)碼管外設(shè)構(gòu)成，由LM567發(fā)送的電位信號傳送至單片機P10引腳，經(jīng)單片機內(nèi)部程序解碼后，有數(shù)碼管顯示報文信息。 收報機完整電路見附錄2。3 制作及調(diào)試過程3.1 制作與調(diào)試流程1. 發(fā)報機制作及調(diào)試流程 發(fā)報機制作及調(diào)制重點主要集中在硬件電路的制作和調(diào)試，而軟件部分相對簡單，因此，以下著重介紹硬件電路的制作和調(diào)試過程。 發(fā)報機的制作流程大致是：首先，各個模塊的按照電路圖進行獨立焊接，各模塊先進行獨立調(diào)試，符合功能要求后，再將各模塊相互連接，再進行整體調(diào)試。具體調(diào)試流程如下：（1）單片

21、機自動編碼模塊電路調(diào)試 單片機通過程序掃描按鍵輸入，并通過P10口輸出相應(yīng)時長的1kHz方波，并通過示波器觀察波形是否符合要求。（2）濾波器電路調(diào)試 首先通過信號發(fā)生器模擬單片機產(chǎn)生的峰-峰值為5V，且具有2.5V直流偏執(zhí)的方波信號，將其輸入濾波電路輸入端，通過示波器觀察輸出信號波形，發(fā)現(xiàn)輸出信號出現(xiàn)明顯的雙向截止失真。考慮到輸入信號幅度過大的可能，減小輸入信號峰-峰值，發(fā)現(xiàn)濾波器輸出信號逐漸恢復(fù)正常，為1kHz正弦波。（3）功率放大電路調(diào)試 通過信號發(fā)生器模擬經(jīng)濾波電路產(chǎn)生的1kHz正弦波，幅度為濾波電路輸出信號幅度，將其輸入功率放大電路，并利用示波器觀察揚聲器兩端輸出電壓波形，不斷調(diào)節(jié)分壓

22、電位器，當(dāng)輸入信號在200mV（峰-峰值）以內(nèi)時，功率放大電路可輸出穩(wěn)定且無失真的正弦波形，輸出電壓可在03V（峰-峰值）的范圍內(nèi)變化，揚聲器發(fā)出的聲音清晰穩(wěn)定。（4）濾波電路與功率放大電路級聯(lián)調(diào)試 由于濾波電路采用的是有源低通濾波器，因此不需要考慮阻抗匹配的問題，但其輸出的正弦信號中具有一定的直流分量，而功放電路中不允許輸入信號帶有直流分量，因此，濾波電路與功放電路之間應(yīng)添加耦合電容，去除信號中的直流分量。 把耦合電容加到電路中之后，耦合電容與負債電阻構(gòu)成的RC高通濾波器，其下限頻率不能高于信號輸入頻率，利用如下公式，即可計算出耦合電容的大?。?（式3-1） 其中f為信號頻率，大小為1kHz

23、；R為負載電阻，即功放電路輸入電阻，約為20k；C即為所求耦合電容的大小。根據(jù)計算C的取值應(yīng)大于8nF，本電路中取值為1uF。 添加耦合電容后的級聯(lián)電路，輸入（2）中符合要求的方波信號，通過示波器觀測揚聲器兩端輸出信號，輸出電壓可在03V（峰-峰值）的范圍內(nèi)變化，揚聲器發(fā)出的聲音清晰穩(wěn)定。（5）單片機自動編碼電路、濾波電路、功率放大電路級聯(lián)調(diào)試 在（2）調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，輸入方波信號幅度不能過大，因此要在單片機輸出引腳和濾波器輸入端添加分壓電阻。同時，由于單片機最大負載能力較差，其輸出最大拉電流僅為1mA，為盡可能提高單片機的負載能力，應(yīng)使其輸出電流盡可能大，根據(jù)歐姆定律，其分壓電阻阻值應(yīng)為5k

24、。實際分壓電路如圖3-1所示。圖3-1 分壓電路電路圖 使用如圖分壓電路后，雖然單片機負載能力仍不足，但輸出信號的波形失真已明顯減小，濾波器及功放輸出波形也符合要求。 至此，發(fā)報機已基本制作調(diào)試完成，且功能基本符合設(shè)計要求。2. 收報機制作及調(diào)試流程 收報機硬件電路制作及調(diào)試過程與發(fā)報機基本一致，但其較發(fā)報機硬件電路稍簡單。但收報機軟件部分難度相對較大，以下分硬件及軟件兩部分介紹。首先介紹收報機硬件電路制作和調(diào)試過程。過程與發(fā)報機基本一致：首先，各個模塊的按照電路圖進行獨立焊接，各模塊先進行獨立調(diào)試，符合功能要求后，再將各模塊相互連接，再進行整體調(diào)試。具體調(diào)試流程如下：（1） 話筒及前置放大電

25、路調(diào)試 由于咪頭收到信號產(chǎn)生的電壓過于微小，只有幾十毫伏，所以需要進行放大處理。我們組使用的放大電路是基于三極管放大的原理。其中三極管S9013用來實現(xiàn)電流放大；集電極直流電源VCC用來確保三極管工作在放大狀態(tài)；集電極負載電阻RC將三極管集電極電流的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，以實現(xiàn)電壓放大?；鶚O偏置電阻RB為放大電路提供靜態(tài)工作點。 耦合電容C1和C2用于隔直流通交流。調(diào)試過程中，我們使用示波器的CH1和CH2分別用來觀測話筒處及放大電路輸出的電壓，通過調(diào)節(jié)放大電路中的點位器對放大倍數(shù)進行調(diào)節(jié)，要滿足鎖相環(huán)輸入端可以檢測到信號輸入的電壓。具體放大倍數(shù)見表4-5。（2） 鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路 通過2.4

26、節(jié)中的計算，將LM567中心內(nèi)部壓控振蕩器中心頻率設(shè)置為1kHz時所需要的電容C=0.1uF，電阻R=9.09k。此處電阻使用10k電位器代替，并且我們在5V電源供電處與輸出端8腳之間加入了發(fā)光二級管，當(dāng)8腳電壓由高跳變?yōu)榈蜁r，發(fā)光二極管點亮。之后用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生1KHz的正弦波，加到鎖相環(huán)LM567的輸入端，再對音頻解調(diào)電路中的點位器進行調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)到發(fā)光二級管點亮?xí)r，說明此時電阻調(diào)節(jié)合適。接著改變函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生信號的頻率，對電位器進行微調(diào)，使選頻頻率中心接近1kHz，即完成了鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路的調(diào)試。（3） 前置放大電路與鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路級聯(lián)調(diào)試 使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生1kHz的正弦波加到喇

27、叭上，使喇叭發(fā)出1kHz的聲波，此時對接收機進行供電，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二級管點亮，說明前置放大電路與鎖相環(huán)解調(diào)電路功能同時實現(xiàn)，級聯(lián)測試成功。（4） 數(shù)碼管顯示電路調(diào)試 該調(diào)試過程是在沒有完成軟件前進行的，以便驗證硬件電路沒有問題：編寫程序，使數(shù)碼管從09依次顯示，如果沒有錯誤則說明硬件電路沒有問題。 對于軟件部分調(diào)試，直接下載程序到單片機進行驗證，往往不能發(fā)現(xiàn)程序具體錯誤出現(xiàn)在何處，因此，我們使用Keil的Debug功能，使用模擬I/O輸入，進行調(diào)試，效果較為理想。3.2 遇到的問題與解決方法在電路制作和調(diào)試過程中主要遇到了以下幾點問題：1. 單片機方波輸出引腳負載能力不足 這個問題在3.1節(jié)發(fā)報機

28、調(diào)試第（5）點中有所提及，由于單片機P1口內(nèi)部為推挽式結(jié)構(gòu)，輸出高電平時，最大輸出拉電流僅為1mA，而下一級有源低通濾波器輸入電阻為10 k，直接級聯(lián)則可能導(dǎo)致單片機輸出方波信號帶寬減小，波形出現(xiàn)失真，影響下一級電路的工作。 正確的解決方法應(yīng)該是在單片機輸出端后加驅(qū)動電路，增強驅(qū)動能力。而由于電路設(shè)計問題，沒有使用此種方法，而是在輸出端接入分壓電阻（詳見3.1節(jié)），盡可能提高輸出電流，來增強負載能力。使用此種方法后，雖然單片機輸出方波仍存在一定的失真，但對下級影響較小，基本可以忽略。2. 濾波器與功放電路之間耦合的問題 由于濾波器采用單電源供電，其輸出信號具有一定的直流偏執(zhí)，而功率放大電路中L

29、M386的輸入信號不允許有直流分量，因為其內(nèi)部會給輸入信號添加直流偏執(zhí)，因此，濾波器與功放電路之間需要添加耦合電容濾除直流分量（耦合電容參數(shù)的選擇詳見3.1節(jié)）。3. 收報機前置放大電路設(shè)計缺陷 收報機前置放大電路采用了一級共射極放大電路，之前在計算電路參數(shù)時電路為空載，沒有考慮LM567輸入阻抗對放大電路的影響。因此在實際電路中，由于級聯(lián)，前置放大電路的電壓增益會有所下降，但增益基本足夠，因此沒有進行更改。4. LM567輸出電位信號抖動 LM567輸出信號為高低電平，但由于接受信號混有噪聲等原因，可能會引起輸出電位變化時出現(xiàn)抖動，如圖3-2：圖3-2 LM567輸出電平抖動 這樣的抖動可能

30、會影響程序?qū)﹄娖降呐袆e，從而出現(xiàn)解碼錯誤的情況。為了解決這個問題，我們從軟件入手，在程序中增加了消抖算法，一定程度上避免了由于信號抖動帶來的誤差。4 系統(tǒng)測試4.1 測試方法1. 發(fā)報機各項性能指標(biāo)測試（1） 單片機輸出方波性能測試測試連接示意圖如圖4-1所示：圖4-1 單片機輸出方波性能測試連接示意圖方波輸出性能測試：將示波器CH1通道與單片機輸出引腳P10連接，觀察輸出信號的波形，并記錄波形的幅度、頻率等具體指標(biāo)。詳細測試數(shù)據(jù)見4.2節(jié)。（2） 濾波器性能測試 測試連接示意圖如圖4-2所示：圖4-2 濾波器性能測試連接示意圖將示波器CH1通道與濾波器輸入端連接，示波器CH2通道與濾波器輸出

31、端連接，輸入信號為分壓后的單片機P10引腳輸出信號；觀察并記錄輸入、輸出信號的各項指標(biāo)。詳細測試數(shù)據(jù)見4.2節(jié)。（3） 功率放大電路性能測試 測試連接示意圖如圖4-3所示：圖4-3 功率放大電路性能測試連接示意圖 將示波器CH1通道與功放電路輸入端連接，示波器CH2通道與揚聲器兩端連接，輸入信號為分壓后濾波器輸出信號；觀察并記錄輸入、輸出信號的各項指標(biāo)。詳細測試數(shù)據(jù)見4.2節(jié)。（4） 發(fā)報機自動編碼輸出性能測試 測試連接示意圖如圖4-4所示：圖4-4 發(fā)報機自動編碼輸出性能測試連接示意圖 將示波器CH1通道與揚聲器兩端相連，示波器掃描時間設(shè)置為200ms，依次按下09十個自動編碼發(fā)報鍵，觀察示

32、波器所顯示的五位電碼所持續(xù)的時間。詳細測試數(shù)據(jù)見4.2節(jié)。2. 收報機各項性能指標(biāo)測試（1） 話筒及前置放大電路性能測試 測試連接示意圖如圖4-5所示：圖4-5 話筒及前置放大電路性能測試連接示意圖將示波器CH1通道與前置放大電路輸出端相連，發(fā)報機與收報機之間最短距離為30cm，發(fā)報機持續(xù)發(fā)出1kHz正弦波音頻信號，觀察并記錄輸出信號的各項指標(biāo)詳細測試數(shù)據(jù)見4.2節(jié)。（2） 鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路性能測試 測試連接示意圖如圖4-6所示：圖4-6 鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路性能測試連接示意圖 將信號發(fā)生器輸出接測試用揚聲器，調(diào)整信號發(fā)生器輸出正弦信號頻率，使揚聲器發(fā)出0.8kHz、0.9kHz、1.0kHz

33、、1.1kHz、1.2kHz五種頻率的聲音信號，觀察鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路“收報指示燈”是否隨聲音信號的頻率變化。具體測試數(shù)據(jù)見4.2節(jié)。（3） 收報機一位解碼顯示功能測試 使用發(fā)報機自動編碼發(fā)送十個數(shù)字電碼，觀察收報機是否正確顯示相應(yīng)數(shù)字。具體測試數(shù)據(jù)見4.2節(jié)。（4） 收報機連續(xù)解碼顯示功能測試 使用發(fā)報機ID一鍵發(fā)送方式連續(xù)發(fā)送8位數(shù)字電碼，觀察收報機是否正確顯示相應(yīng)數(shù)字報文序列。具體測試數(shù)據(jù)見4.2節(jié)。4.2 測試數(shù)據(jù)1. 發(fā)報機各項性能指標(biāo)測試數(shù)據(jù)（1） 單片機輸出方波性能測試數(shù)據(jù)表4-1單片機輸出方波性能測試數(shù)據(jù)序號輸出信號波形是否有明顯失真頻率(kHz)峰-峰值(V)直流偏置(V)1

34、方波無1.0075.032.522方波無1.0054.982.493方波無1.0025.012.53 （注：測試時P10口為空載。）（2） 濾波器性能測試數(shù)據(jù)表4-2 濾波器性能測試數(shù)據(jù)序號輸入波形輸出波形是否有明顯失真頻率(kHz)峰-峰值(V)直流偏置(mV)1方波正弦波輕微失真1.0061.182.732方波正弦波輕微失真0.9971.17-5.813方波正弦波輕微失真1.0021.17-5.31（注：濾波器具體失真情況與功方電路失真情況相同。）（3） 功率放大電路性能測試數(shù)據(jù)表4-3 功放電路性能測試數(shù)據(jù)序號輸入波形輸出波形是否有明顯失真頻率(kHz)峰-峰值(V)直流偏置(mV)1正

35、弦波正弦波輕微失真1.0052.95-5.72正弦波正弦波輕微失真0.9993.003.13正弦波正弦波輕微失真1.0002.973.1（注：功放電路具體失真情況見4.3節(jié)圖4-7。）（4） 發(fā)報機自動編碼輸出性能測試數(shù)據(jù)表4-4 發(fā)報機自動編碼輸出性能測試數(shù)據(jù)發(fā)報鍵第一位持續(xù)時長(ms)第二位持續(xù)時長(ms)第三位持續(xù)時長(ms)第四位持續(xù)時長(ms)第五位持續(xù)時長(ms)110030030030030021001003003003003100100100300300410010010010030051001001001001006300100100100100730030010010010

36、0830030030010010093003003003001000300300300300300（注：每位電碼之間間隔時間均為100ms。）2. 收報機各項性能指標(biāo)測試數(shù)據(jù)（1） 話筒及前置放大電路性能測試數(shù)據(jù)表4-5 話筒及前置放大電路性能測試數(shù)據(jù)測試距離(cm)輸入信號峰峰值（mV）輸出信號波形是否有明顯失真頻率(kHz)峰-峰值(V)電壓增益1023正弦波底部截止失真0.9932.491082011.75正弦波輕微失真1.0201.61137309.5正弦波基本沒有1.0100.96101（注：測試時輸出端為空載，測試環(huán)境噪聲較小。）（2） 鎖相環(huán)音頻解調(diào)電路性能測試表4-6 鎖相環(huán)音

37、頻解調(diào)電路性能測試輸入信號頻率(kHz)0.80.91.01.11.2收報指示燈狀態(tài)不亮不亮亮不亮不亮（注：測試距離為30cm。）（3） 收報機一位解碼顯示功能測試表4-7 收報機一位解碼顯示功能測試發(fā)送數(shù)字1234567890接收數(shù)字1234567890（注：測試距離為20cm。）（4） 收報機連續(xù)解碼顯示功能測試表4-8 收報機連續(xù)解碼顯示功能測試序號發(fā)送序列接收序列112211160122111602122111891221118931229201812292018 （注：測試距離為20cm。）4.3 數(shù)據(jù)分析和結(jié)論根據(jù)測試數(shù)據(jù)，發(fā)報機在按下手動發(fā)報鍵后，揚聲器可輸出正弦波頻率為1kHz

38、±10Hz的正弦波，同時“發(fā)報指示燈”點亮；輸出波形有輕微失真（見圖4-7）；同時，收報機僅對1kHz聲音信號敏感，并且“收報指示燈”隨聲音信號亮滅，有效通信距離30cm；收、發(fā)報機均為+5V單電源供電?；緷M足設(shè)計任務(wù)基本部分的要求。其次，發(fā)報機具有自動編碼功能，能夠發(fā)送09十個數(shù)字所對應(yīng)的摩斯電碼，發(fā)報速度為100ms/單位時間；收報機具有一位數(shù)字報文自動解碼功能，能夠?qū)l(fā)報機所發(fā)送的數(shù)字摩斯電碼解碼顯示。同時，發(fā)報機具有ID一鍵發(fā)送功能，能夠發(fā)送一組8為數(shù)字構(gòu)成的ID；收報機具有連續(xù)數(shù)字報文自動解碼顯示功能，能夠連續(xù)解碼顯示多位數(shù)字報文。滿足設(shè)計任務(wù)提高部分要求。在此基礎(chǔ)上，發(fā)

39、報機具有英文字母發(fā)送功能，收報機具有英文字母解碼顯示功能，并且收報機還具有數(shù)字報文發(fā)報速度自適應(yīng)功能。滿足拓展部分的要求。對于以上提到的發(fā)報機輸出波形的輕微失真，具體的誤差分析如下：該波形失真情況比較類似交越失真，其出現(xiàn)在正弦信號過零點位置上下，其產(chǎn)生的原因我認為與單電源供電有關(guān)。當(dāng)LM324使用單電源供電時，輸入信號需要添加直流偏執(zhí)，該直流偏執(zhí)應(yīng)等于運放內(nèi)部直流靜態(tài)工作點，即所謂的“虛地”，相當(dāng)于將運放的直流供電電源變?yōu)?#177;VCC。但在實際電路中，由于元件的誤差，輸入信號的直流偏執(zhí)于運放內(nèi)部靜態(tài)工作點不可能完全一致，導(dǎo)致運放靜態(tài)工作點失調(diào)，使波形出現(xiàn)失真。圖4-7 發(fā)報機揚聲器輸出波

40、形以上有關(guān)信號失真的分析是我經(jīng)過查閱資料后分析總結(jié)出的?？赡軙屑劼┥踔铃e誤，請諒解。5 系統(tǒng)使用說明5.1 系統(tǒng)外觀及接口說明1. 發(fā)報機外觀及接口說明 從發(fā)報機實物圖5-1中我們可以看出，所有的指令按鍵都是獨立焊在一塊電路板上的，這樣使整個操作頁面非常簡潔大方。最上面的三個較大的按鍵從左到右的功能分別為發(fā)報按鍵，一鍵ID發(fā)報以及數(shù)字英文轉(zhuǎn)換按鍵。下面的兩排按鍵在數(shù)字發(fā)報模式下代表09的摩斯碼發(fā)報。在英文字母模式下代表字母的摩斯碼發(fā)報。發(fā)報機的底層從左到右分別為單片機模塊，濾波模塊以及功率放大模塊。5V供電接左上方的紅色導(dǎo)線，地接黑色導(dǎo)線。左上角的電源開關(guān)控制整個發(fā)報機的供電，按下電源開關(guān)，

41、發(fā)報機就可以正常工作。圖5-1 發(fā)報機實物圖2. 收報機外觀及接口說明 接收機電路從左到右分別為放大器模塊，鎖相環(huán)模塊，單片機模塊以及數(shù)碼管模塊。5V供電接于最上方的排針，地接于最下方的排針，左上角的電源開關(guān)控制整個接收機的供電，按下電源開關(guān)，接收機就可以正常工作。圖5-2 收報機實物圖5.2 系統(tǒng)操作使用說明首先將兩個獨立的5V電源分別于發(fā)報機、收報機相連；調(diào)整發(fā)報機與接收機距離大于30cm；按下電源開關(guān)，此時收、發(fā)報機處于待機狀態(tài)。長按發(fā)報機手動發(fā)報鍵，可以聽到從發(fā)送端揚聲器發(fā)出的1KHz的聲波，并且“發(fā)報指示燈”亮起，同時收報機“收報指示燈”也會亮起。分別按下自動編碼09按鍵，可以觀察到收報機的“接收指示燈”隨聲波和“發(fā)報指示燈”有規(guī)律的閃動。發(fā)報結(jié)束后，數(shù)碼管會顯示發(fā)報機所按按鍵的相應(yīng)數(shù)字。按下ID發(fā)送鍵，發(fā)報機