1、1 CDIO 设计目的了解 2ASK 信号的频谱与数字基带信号频谱之间的关系。理解 2ASK 调制的工作原理及电路组成。理解 2ASK 解调的原理及实现方法。掌握 2ASK 信号的频谱特性。掌握 2ASK 调制与解调的设计方法和过程。2 CDIO 设计正文2.1 2ASK 调制解调工作原理2.1.1 2ASK 调制工作原理调制信号为二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。在 2ASK 调制中，载波的幅度只有两种变化状态，即利用数字信息“0”或“1”的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波，使载波时断时续的输出。有载波输出时表示“1”，无载波输出时表示发送“0”。2ASK 信号可表示为（2-1）
2、ttbtecos0）（）（ 式中， 为载波角频率，是为单极性 NRZ 矩形脉冲序列c（2-2）（）（ banTtgtb其中， g(t)是持续时间为 的矩形脉冲，常称为门函数； 为二进制数字，当bTna，出现概率为 P；当 ，出现概率为（1- P）。1na0n调制部分选用键控法实现，总体设计方案如图 2-1 所示。图 2-1 2ASK 键控法调制框图模拟双向开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。 LC 振荡器简单的说就是一个频LC 振荡器模拟双向开关2ASK 信号缓冲放大器载波缓冲放大器数字基带信号b(t)输出- 1 -率源，一般用在锁相环中。详细说就是一个不需要外信号激励、自身就可以将直流电
3、能转化为交流电能的装置。一般分为正反馈和负阻型两种。所谓“振荡”，其涵义就暗指交流，振荡器包含了一个从不振荡到振荡的过程和功能。它能够完成从直流电能到交流电能的转化。缓冲放大器的作用主要是提高负载能力和减少负载对信号源的影响，兼有增加抗干扰能力。2.1.2 2ASK 解调工作原理本设计解调部分选用包络检波法如图 2-2 所示。图 2-2 2ASK 包络检波法系统框图低通滤波器的作用是滤除高频杂波，使基带信号通过。比较器的功能是对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序，比较电平是由 2ASK 峰值检波并分压而得到。2.2 2ASK 调制解调电路设计2.2
4、.1 2ASK 调制电路设计调幅电路又称幅度调制电路，是指高频载波信号的幅度随调制信号的规律而变化的调制电路。幅度调制电路有多种电路形式，其中晶体管调制电路是利用晶体二极管、三极管的非线性特性，对输入的信号进行变换而产生新的信号，再利用电路中的 LC 谐振回路，选出所需的信号成分，从而完成调幅过程。本设计是用集电极调幅电路它是利用三极管的非线性特性实现调幅的。它具有较高的工作效率、调制度深等优点。1.LC 振荡器电路结构及工作原理LC 正弦振荡器是以 LC 谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器，采用正反馈连接方式实现等幅正弦振荡。本设计中， LC 振荡器的作用是产生频率为 500kHz、输出幅度
5、大于 1V的载波，其电路原理图如图 2-3 所示。在原理图中 、 、 和 构成并联谐振回路； 、 、 和 是稳定三极管L2C341R234低 通滤波器 比较器2ASK 已调信号比较电平输出)(tASKu- 2 -静态工作点；其中 、 也是分压式偏置电阻； 为基极耦合电容。三极管发射极通过1R2 1C交流接地。1CQ12N3393R41.0kohmR31.0kohmR133kohmR25.1kohmLc10mHC35600pFC45600pFC21800pF12VVCCL100uHC1100pFCarrier_Out参数计算与元件选择对电路性能的要求可以归纳以下三点：保证振荡器接通电源后能够从无
6、到有建立起具有某一固定频率的正弦波输出。振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续的振荡。当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不受到破坏。LC 振荡器工作点的选择原则为：在保证起振的条件下，静态工作点电流应尽量小。在本电路中，采用分压式偏置电路，上、下偏置电阻分别为 33k 和 5.1k ，发射极偏置电阻为 1k ， 0.9mA。EI扼流圈 Lc 选为 10mH,集电极电阻为 1k ，其作用可防止扼流圈与电容形成振荡。振荡回路元件参数的计算较为复杂，下面给予详细讨论。首先，振荡频率（2-3）LCf210式中，C 为 C 、C 和 C 串联后的总电容值，满足式 。本设计234 4321C中， kHz。
7、500cf其次，振荡回路特性阻抗为图 2-3 LC 正弦波振荡器电路图- 3 -(2-4)CfLfC0021考虑到电感的自损耗电阻约为零点几至几欧姆，而回路空载品质因数不宜过低，可选的取值也不能太大，否则，不利于振荡和提高频率稳定度。又上述分析，可得下列二式：Hz (2-5)310521LCfo(2-6)00ff由上述二式可得H，实际取值为 H。 (2-7)5.91052330fL 10LpF (2-8)1022LC而 C 为 C 、C 和 C 串联后的总电容值，从减少三极管和负载对振荡回路的影响的234角度考虑，可选：接入系数 ,可得 pF，实际取值为 pF。.02P5025602C反馈系数
8、 ,可得 pF，实际取值 为 pF。.3CFu33由 ，可得 pF，实际取值 1800pF。6.02.11324 184C若振荡器频率的实际结果与期望值有误差，可通过调整电感和电容参数来消除。2.载波缓冲放大器电路结构及工作原理载波缓冲放大器将振荡级与功放级隔离，以减小功放级对振荡级的影响。因为功放级输出信号较大，当其工作状态发生变化时，会影响振荡器的频率稳定度，使波形产生失真或减小振荡器的输出电压。整机设计时，为减小级间相互影响，通常在中间插入缓冲隔离级。缓冲隔离级电路常采用射极跟随器电路。也就是基极分压偏置电路的共集放大电路，- 4 -信号从基极输入，发射极输出，原理图如图 2-4，图中
9、为输入的耦合电容。共集放大电5C路是利用三极管的电流控制作用来实现，其实质上是一种能量转换器。三极管可以通过控制基极的电流来控制集电极的电流，来达到放大的目的。放大电路就是利用三极管的这种特性来组成放大电路。三极管 2N3393 必须工作在放大区。12VVCCQ22N3393R51.0kohmR610kohmR710kohmC520pFCarrier_InCarrier_Out图 2-4 载波缓冲放大器参数计算及元件选择缓冲放大器就是电压增益约为 1 倍,以高输入阻抗和低输出阻抗为特征的放大器,从低电压、且电路简单的理由出发,在此决定采用选三极管 2N3393 构成射极跟随器，作为振荡器输出缓
10、冲放大器。根据图 2-4，将 的基极电位与发射极电位的中点设定为 =6V 这是由于从输入2Q21Vc侧来看，希望基极电位为 ，而从输出侧来看，发射极电位为 ，所以取其中间1Vc值。因此，如设 为 3V，则 的基极电位 与发射电位 如下：BE21B1EV (2-9)5.7321 ECV (2-10)42BEV的设定：射极跟随器上流过的电流通常选为 100A 5mA 如设 为 4000A5R 1CIA k ，实际取值为 1.0k 。 (2-11)405.15CEI15.和 的设定：在输入阻抗方面， 和 越大越好，但太大，则不能略去 的基67 6R7 2Q极电流引起的 的下降，所以通常选取几十千欧至
11、几百千欧。根据这些条件，在此就取为6R- 5 -=10k ， =10k 。6R7的计算： 是输入的耦合电容，如设低频截止频率为 500kHz 则1C1pF，实际取 20pF。 (2-12)7.635021)/(276Rf缓冲放大器,选三极管 2N3393 构成射极跟随器作为振荡器输出缓冲放大器。3.模拟双向开关调制器模拟双向开关 CD4066 简介模拟双向开关 CD4066 的引脚功能如下图 2-5 所示。每个封装内部有 4 个独立的模拟开关,每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子,其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时,开关导通；当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时,导通电阻为几
12、十欧姆;模拟开关截止时,呈现很高的阻抗,可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号,可传输的模拟信号的上限频率为 40MHz。各开关间的串扰很小,典型值为50dB。 CD4066 电路设计设计电路如图 2-6 所示。U1AMC74HC4066D2113147vssvdd12VVCCCarrier_InputSignal_InputModulated_Output图 2-6 模拟双向开关调制电路4.2ASK 信号缓冲放大器电路结构与工作原理图 2-5 CD4066 的引脚功能- 6 -2ASK 信号缓冲放大器的电路原理图如图 2-7 所示。 2ASK 输出缓冲放大器与上述载波缓冲放大器类似
13、，也是采用共集放大电路，信号从基极输入，发射极输出，三极管可以通过控制基极的电流来控制集电极的电流，来达到放大的目的。放大电路就是利用三极管的这种特性来组成放大电路。三极管 2N3393 必须工作在放大区。C60.1uF C747uFR210kohmQ12N3393Modulated_Input12VVCC图 2-7 2ASK 信号缓冲放大器电路参数计算与元件选择2ASK 信号缓冲放大器的参数计算与载波缓冲放大器的参数计算相似。根据图 2-7 将 的基极电位与发射极电位的中点设定为 =6V 这是由于从输入侧1Q21Vc来看，希望基极电位为 ，而从输出侧来看，发射极电位为 ，所以取其中间值。2V
14、c因此，如设 为 3V，则 的基极电位 与发射电位 如下：BE12B2EV (2-13)5.7312 ECBV (2-14)42BEV的设定：射极跟随器上流过的电流通常选为 100A 5mA 如设 为 400A2R 2CIA k ，实际取值为 10k 。 (2-15)405.2CEI.12.2.2 2ASK 解调电路设计在解调电路中，不论哪种振幅调制信号，对于同步检波电路而言，都可以实现解调。对于普通调制信号来说，由于载波分量的存在，可以直接采用非线性器件实现相乘作用，- 7 -得到所需的解调电压，不必另加同步信号，这种检波电路称为包络检波。本设计是用包络检波电路来实现的。 1.低通滤波器电路
15、结构与工作原理低通滤波器都采用二极管包络检波电路。本电路中是由理想二极管和低通滤波器 RC 相串联而构成的二极管包络检波电路，检波电路是对已调幅信号进行处理的电路，电路如图2-8 所示。图 2-8 二极管包络检波电路参数计算及元件选择在图 2-8 中，设 k 则 C 的选择应满足下述要求：1Rms02.1cfRms.Fms，则 nF。05.RC取 02.比较器电路结构本设计中使用的比较器电路如图 2-9 所示。工作原理比较器实际上是工作在开环状态下的运算放大器，它是用来比较两个电压大小的器件，其传输特性如图 2-10 所示。比较器的工作原理比较简单，当 稍高于 时，输入端的电压差 - 经过具有
16、很大2v12v1电压增益的集成运放进行放大，输出 时达到高电平饱和状态 ；当 稍低于HV2- 8 -时，输入 经过具有很大电压增益的集成运放进行放大，输出 时达到1v12v 21v高电平饱和状态 。饱和输出电压 和 分别接近于正电源电压 和负载电源 。LVHVLsVs当 时，对应的区域称为转换区域，它是输出电压不在任何一个饱和状态的区12v域。若集成运放的开环增益为 ，两个输出饱和状态电压之差 为 10V，则该转510 LH换区域的宽度为mV1.0245即转换区域内输入差模电压的范围是很小的在此电路中忽略这一转换区域。图 2-9 比较器电路 图 2-10 比较器传输特性2.2.3 2ASK 调制解调电路总体电路图2ASK 调制解调总体电路如图 2-11 所示。- 9 -图 2-11 2ASK 调制解调总体电路其 PCB 版图如图 2-12 所示。该图在 Altium Designer6.9 中生成，由于个人缘故，没有熟练操作 Altium Designer，也没有找到仿真中所用模拟开关和比较器的封装，所以该图中由其它模拟开关和比较器代替。图 2-12 2ASK PCB 版图2.3 2ASK 调制解调电路仿真测试经仿真，调制信号如图 2-13 所示，解调信号如图 2-14 所示，波形没有明显失真，符合设计要求。
