电子信息工程系毕业论文-无线防盗报警器设计.doc

索取号： 密级： 电 子 工 程 系 毕 业 论 文 无线防盗报警器设计姓 名： 孙鹏程 专 业： 电子信息工程系 班 级： 10级电信（2）班 学 号： G1010528 指导教师： 孙培华 二一一年五月 南京机电职业技术学院电子工程系毕业论文声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文，是本人在老师指导下，进行实践工作所完成的。除文中已经注明引用的内容外，本论文的成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文声明的法律责任由本人承担。 签名： 年 月 日2 南京机电职业技术学院电子工程系电子信息工程技术专业（二）班孙鹏程 目 录摘要4Abstract51 引言611 Multisim简介612 设计目的及要求62 设计方案及论证82.1 发射机82.1.1 方案一82.1.2 方案二92.2 接收机92.2.1 方案一92.2.2 方案二103 单元模块电路设计及分析113.1 发射机模块113.1.1 LC三点式反馈振荡器113.1.1.1 静态工作电流的确定123.1.1.2 确定主振回路元件133.1.1.3 保护电源电路133.1.2 缓冲级143.1.3 高频谐振功率放大器153.1.3.1 确定功放的工作状态153.1.3.2基极偏置电路计算173.1.3.3 计算谐振回路的参数173.2 接收机173.2.1 小信号谐振放大器173.2.1.1选定电路形式173.2.1.2 设置静态工作点183.2.1.3 谐振回路参数计算193.2.2 缓冲级193.2.3 声光报警电路204 总体电路图及仿真结果214.1 发射机214.1.1 总体电路图214.1.2 仿真结果234.2 接收机244.2.1 总体电路图244.2.2 仿真结果265 实物调试275.1 实物图片275.2 调试的结果275.3 结果分析286 总结307 元器件清单328 参考文献334摘要目前以计算机网络与通信为特征的信息技术正日新月异的快速发展，通信电子线路书中详细介绍了通信系统中电路的基本原理、分析方法和典型应用。按照线性电路、非线性电路以及频率变换电路来组织教材内容。介绍了高频小信号放大器，高频功率放大器，倍频器，高频振荡器，调幅电路，调频电路，混频电路等一些基本的电路，能够帮助我们学习通信原理。在此次课程设计中，我应用高频课上学的基本知识设计无线防盗报警器。在如今，居民财产安全得到越来越多的重视，防盗报警器能够帮助居民保护自己的财产。我用LC三点式反馈振荡器、射频跟随电路和高频谐振功率放大器设计一了一中心频率为12MHz的发射机，用高频小信号放大器的相关知识设计一个能够有声光报警的接收机，将高频课上所学的大部分知识都用到了，这对于我们学习高频这门课有很大的帮助，也是很有意义的。并且我对所有的电路都采用multisim仿真软件进行仿真，对仿真软件的使用也有了一个锻炼。关键字：报警器，射频跟随电路，高频谐振功率放大器，LC三点式反馈振荡器，高频小信号放大器AbstractCurrently with computer network and communication is the characteristic of information technology is changing fast development, the communication electronic circuit in the book introduces in detail communication system circuit, the basic principle of analysis method and the typical application. According to the linear circuits, nonlinear circuits and frequency conversion circuit to organize teaching material contents. Introduces the high frequency amplifier, small signal frequency power amplifiers, frequency multiplication device, high frequency oscillators, am circuit, FM circuit, frequency mixing circuit to some basic circuit, can help us learn communication principle. In this course design of high frequency lectures, I used the basic knowledge of design of wireless alarm system. In nowadays, citizens property safety get more and more attention, and alarm system can help people to protect his own possessions. I SanDianShi feedback with LC oscillators, rf follow circuit and high-frequency harmonic power amplifier design one a center frequency for 12MHz transmitter by high-frequency small signal amplifier related knowledge of design a sound-light alarm can have the receivers, will high-frequency learned in class most knowledge both use the high frequency, this to our learning this course will help a lot, also is very meaningful. And I for all the circuit is adopted by the multisim simulation software, and simulation of simulation software use also had an exercise. Key word: alarm, rf follow circuit, high-frequency harmonic power amplifier, LC SanDianShi feedback oscillators, high-frequency small signal amplifier 1 引言11 Multisim简介Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。它结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。Multisim11.0特点有：（1）直观的图形界面；（2）丰富的元器件；（3）强大的仿真能力；（4）丰富的测试仪器；（5）完备的分析手段；（6）独特的射频(RF)模块；（7）强大的MCU模块；（8）完善的后处理；（9）详细的报告；（10）兼容性好的信息转换。12 设计目的及要求 本次任务是关于无线防盗报警器的设计，它包括包括发射机和接收机两大部分，当有人按下开关时，发射机会发出信号，接收机能够接收到信号，并发出声光报警信号。声光报警部分用发光二极管和蜂鸣器来代替。发射机和接收机的技术指标如下：(1)发射机 中心频率 输出功率 频率稳定度 最大频偏 35 (2)接收机 谐振频率：12MHz 谐振电压放大倍数： 通频带： 矩形系数：2 设计方案及论证2.1 发射机2.1.1 方案一下图1为无线发射模块的电路图。从图中可以看出无线的发射电路的调制方式为ASK调制。Datainput是信号的输入，用于数字信号的输入，控制振荡器的震荡。电阻R2是一个基极的偏置电阻，用于确定电路的静态工作点。L1与L2与Y1一起构成震荡电路，由于Y1是带有声表面滤波器的震荡源，所以该电路的频率稳定度很好。C2则将震荡信号的电路耦合到天线上发射出去。这里的Q1选用CS9018，它的放大倍数HFE虽然不高，但是它的截止频率却相当的高，达1G，是完全能够满足315MHz的震荡频率的。而且电路中的分布参数对于电路的影响也会因为声表面滤波器而降低。图中的L1和L2中的3mm表示电感线圈的线圈直径大小，4T5表示是线圈的匝数为4.5圈。当Datainput为1时下面的Q2打开，电路可以产生震荡，当Datainput为0时，Q2截止，上面的电路就没法震荡了。所以这个电路的调制方式为ASK调制。图1 无线发射模块图2.1.2 方案二该方案主要有振荡电路、缓冲电路和高频功率放大器电路组成。其中振荡电路主要是产生频率稳定且中心频率符合指标要求的正弦波信号，目前应用较为广泛的是三点式振荡电路和差分对管振荡电路。三点式振荡电路又可分为电感三点式振荡电路和电容三点式振荡电路，由于是固定的中心频率，因而采用频率稳定度较高的改进行电容反馈振荡器西勒振荡电路来作振荡级。缓冲级采用射极跟随器，来减弱放大器与LC正弦波振荡器之间的影响，以保证频率的稳定性。而功率放大器要做到功率与效率兼备，就采用工作于丙类状态的高频谐振功率放大器。其方框图如下图2所示：图2 发射机方框图对比方案一和方案二：可知方案二原理更加简单，容易理解，而且经济可靠，同时相关的电路内容同我们上课所学的高频知识基本相似，所以操作起来会更加方便。故我采用方案二的发射机。2.2 接收机2.2.1 方案一 采用运算放大器进行控制。运算放大器可将由传感器获得的微弱信号进行放大，从而使电路发出声、光等报警信号。正常情况下，运算放大器不工作，直到有信号时才工作，将信号放大后送入NE555时基电路和阻容组件组成音调振荡器，输出音频信号使扬声器发声报警。其方框图如下图3所示：此方案需要使用运算放大器，使电路变得复杂。图3 运放控制的接收机机方框图2.2.2 方案二采用小信号放大器的输出信号与可控硅进行控制，小信号放大器没有接收到信号时，则被控器的声、光信号产生电路不工作；一旦发射机发射信号，小信号放大器也接收到信号，被控器的声、光信号产生电路产生声、光报警信号。这种方案更加节省能量，而且也更加方便。图4 可控硅控制的接收机机方框图综上所述，采用方案二更加经济可靠，电路设计也更加方便。故我采用方案二的接收机。3 单元模块电路设计及分析3.1 发射机模块3.1.1 LC三点式反馈振荡器正弦波振荡器的任务是在没有外加激励的情况下，产生具有某一频率的等幅正弦振荡。反馈式正弦波振荡器有RC、LC和晶体振荡器三种形式，电路主要由放大网络、选频回路和反馈网络三个部分构成。本设计中，我们研究的主要是LC三点式振荡器。所谓三点式振荡器，是晶体管的三个电极（B、E、C），分别与三个电抗性元件相连接，形成三个接点，故称为三点式振荡器，其基本电路如 图5所示：图5 三点式振荡器的基本电路其中依靠电容产生反馈电压构成的振荡器为电容反馈三点式振荡器，依靠电感产生反馈电压构成的振荡器为电感反馈三点式振荡器。电容反馈振荡器与电感反馈振荡器相比，振荡器工作频率高，输出波形好。而且经过改进后的西勒振荡器，克服了电容反馈振荡器调整频率时会改变反馈系数的缺点，因此，本次设计我采用的是频率稳定度较高的改进行电容反馈振荡器西勒振荡电路来作为振荡器的主要组成部分。如下图6所示：图6 LC振荡器电路图3.1.1.1 静态工作电流的确定合理地选择振荡器的静态工作点，对振荡器的起振，工作的稳定性，波形质量的好坏有着密切的关系。般小功率振荡器的静态工作点应选在远离饱和区而靠近截止区的地方。根据上述原则，一般小功率振荡器集电极电流ICQ大约在0.8-4mA之间选取，故本实验电路中： 选ICQ=2mA VCEQ=6V =100 则有为提高电路的稳定性R8值适当增大，取R10=2K则R61K 因：UEQ=ICQR6 则： UEQ =2mA1K=2V 因： IBQ=ICQ/ 则： IBQ =2mA/100=0.02mA 一般取流过Rb2的电流为5-10IBQ , 若取10IBQ 因： 则： 取适当电阻5K。因： (公式3-1-1-1-1) 故： 为调整振荡管静态集电极电流的方便，Rb1由50K电阻与8.2K电位器串联构成。3.1.1.2 确定主振回路元件回路中的各种电抗元件都可归结为总电容C和总电感L两部分。确定这些元件参量的方法，是根据经验先选定一种，而后按振荡器工作频率再计算出另一种电抗元件量。从原理来讲，先选定哪种元件都一样，但从提高回路标准性的观点出发，以保证回路电容Cp远大于总的不稳定电容Cd原则，先选定Cp为宜。若从频率稳定性角度出发，回路电容应取大一些，这有利于减小并联在回路上的晶体管的极间电容等变化的影响。但C不能过大，C过大，L就小，Q值就会降低，使振荡幅度减小，为了解决频稳与幅度的矛盾，通常采用部分接入。反馈系数F=C1/C2，不能过大或过小，适宜1/81/2。因振荡器的工作频率为： 当LC振荡时，f0=12MHz L10H 本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C2、C7决定，即 (公式3-1-1-2-1) 有 。取C4=10pf，C9=12.6pf（5-20Pf的可调电容），因要遵循C3，C2C4,C9，C3/C2=1/81/2的条件，故取C3=150pf，则C2=270pf。3.1.1.3 保护电源电路直流电源不能承受交流电的冲击，用扼流线圈和旁路电容来分担交流电，扼流线圈的取值为330H,旁路电容的取值为0.01-1F。直流馈电电路图有串联馈电和并联馈电，如下图7所示。我在此次设计中采用的是并联馈电，并联馈电的优点是回路一端处于直流电位，回路的L、C元件可以接地，方便安装。图7 电源馈电电路3.1.2 缓冲级因为本次实验对该级有一定的增益要求，而中心频率是固定的，因此在LC振荡器与功率放大器电路之间要加一个缓冲级，缓冲级一般为射极跟随器。射极跟随器为共集电极电路，由于其输入电阻大，输出电阻小。射极跟随器静态工作点的确定与LC正弦波振荡器的静态工作类似。缓冲级与振荡器相连时，中间有个耦合电容，滤除直流，只得到交流信号，可在1000 pf0.01uf之间选择。其电路如下图8所示：图8 振荡器和缓冲级电路图3.1.3 高频谐振功率放大器功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(c90)，为了不失真的放大，它的负载必须是谐振回路。其电路如下图9所示：图9 高功放电路图3.1.3.1 确定功放的工作状态对高频功率放大器的基本要求是,尽可能输出大功率、高效率，为兼顾两者，通常选丙类且要求在临界工作状态，其电流流通角在650750范围。现设=700。由下图10可得，集电极电流余弦脉冲直流图10 尖顶余弦脉冲的分解系数ICO分解系数，集电极电流余弦脉冲基波ICM1分解系数，。设功放的输出功率为0.05W。功率放大器集电极的等效电阻为： (公式3-1-3-1-1) 集电极基波电流振幅为： (公式3-1-3-1-2)集电极电流脉冲的最大振幅为： (公式3-1-3-1-3)集电极电流脉冲的直流分量为： (公式3-1-3-1-4)电源提供的直流功率为： (公式3-1-3-1-5)集电极的耗散功率为： (公式3-1-3-1-6）集电极的效率为： (公式3-1-3-1-7)设功率放大倍数为20倍则：输入功率：基极余弦脉冲电流的最大值（设3DA1的=10） 基极基波电流的振幅为：得基极输入的电压振幅为：3.1.3.2基极偏置电路计算 因 (公式3-1-3-2-1) 则有 ： 因 则有 ：(51的电阻与2K电位器串联)取高频旁路电容C6=0.1F。3.1.3.3 计算谐振回路的参数因振荡器的工作频率为： 当LC振荡时，f0=12MHz L10H 本电路中，则回路的谐振频率fo主要由C13、C14决定，即 (公式3-1-3-2-1)有 。取C13 =5pf，C147=12.6pf（5-20Pf的可调电容）3.2 接收机3.2.1 小信号谐振放大器3.2.1.1选定电路形式依设计技术指标要求，考虑高频放大器应具有的基本特性,可采用共射晶体管调谐回路谐振放大器。其电原理如下图11所示： 图11 单调谐高频小信号放大器电原理图图中放大管选用2N2222，该电路静态工作点Q主要由R3和R1、R2、R10与Vcc确定。利用和、的分压固定基极偏置电位，如满足条件：当温度变化，抑制了变化，从而获得稳定的工作点。由此可知，只有当时，才能获得恒定，故硅管应用时， 。只有当负反馈越强时，电路稳定性越好，故要求，一般硅管取：。3.2.1.2 设置静态工作点由于放大器是工作在小信号放大状态，放大器工作电流一般在0.82mA之间选取为宜，设计电路中取 ，设。因为： 而 所以：因为：(硅管的发射结电压为0.7V) 所以： 因为： 所以：因为： 而 取则： 取标称电阻8.2K因为： 考虑调整静态电流的方便，用50K电位器与10K电阻串联。3.2.1.3 谐振回路参数计算1）回路中的总电容C因为： (公式3-2-1-3-1)则: (公式3-2-1-3-2)2） 回路电容因有 (公式3-2-1-3-3) 取C为20Pf,与5-20Pf微调电容并联。3.2.2 缓冲级接收机中包含的缓冲级电路与发射机内的缓冲电路类似，作用也相似。图12 射极跟随电路3.2.3 声光报警电路声光报警电路是用双向可控硅来控制电路的通断，并用555定时器产生的方波来控制蜂鸣器的频率。图13 声光报警电路图用555定时器组成的多谐振荡器接通电源后，电容充电时将经历Vcc R4R8的上半部D1C9公共端。一直维持到C9两端的电压略超过Vcc。当C9两端的电压略超过Vcc时，晶体管导通，电容放电。电容放电时将经历C9R6D2R8的上半部三极管T公共端。这种情况一直维持到C9的两端电压略低于Vcc。此后重新回到上述的充电过程，如此周而复始，形成振荡，产生矩形脉冲波输出。可控硅97A6是双向导通的，当G,K两端的电压达到一定值时，可控硅就会导通，A，K之间的电压近似为0V。电路就会导通。4 总体电路图及仿真结果4.1 发射机4.1.1 总体电路图发射机是由LC反馈振荡器，中间缓冲级和高频谐振功率放大电路组成。其中高频振荡级主要是产生频率稳定、中心频率符合指标要求的正弦波信号；缓冲级主要是对前后级起有一定的隔离作用，为避免后级功放的工作状态变化而直接影响振荡级的频率稳定度；功放级的任务是确保高效率输出足够大的高频功率，并馈送到天线进行发射。其总体电路如下图13所示：图14 发射机总体电路图4.1.2 仿真结果图15 LC振荡输出的波形 图16 缓冲后的波形 图17 最终输出的波形图18 输出频率4.2 接收机4.2.1 总体电路图接收机由小信号谐振放大器和中间缓冲级，声光报警电路组成。其总体电路如下图18所示：图19 接收机总体电路图4.2.2 仿真结果 图20 接收机总体电路图 图21 射极跟随器输出波形 图22 定时器输出波形 图23 输入信号的频率和幅值仿真结果表明，小信号放大器能够接收到50mv的12Mhz的信号，并将其放大到2V左右。5 实物调试5.1 实物图片图24 发射机图25 接收机5.2 调试的结果 （1）发射机 经过仔细调试后，发射机的各个三极管静态工作点是正常的。电路图中从左至右，依次将各个三极管标为VT1，VT2，VT3，则其静态工作点如下： 表1 发射机各静态工作点三极管VBVCVEVT1-1.51V10.22V1.02VVT21.93V11.99V1.53VVT31.99V12V1.98V 并测得其振荡频率可以达到11.98MHz,可是振荡的幅度很小。（2）接收机接收机的工作很正常，二极管也会发光，蜂鸣器可以发声，小信号放大器也能正常放大信号。调试过程是输入70mv的电压信号，输出幅值为1.72V。下图为蜂鸣器的输入波形图。图26 定时器输出波形5.3 结果分析 本次实物调试的过程中，我遇到了很多问题，后来又慢慢的一步一步的解决了这些问题，最终的到正确的结果。 在调试发射机的时候，我一连爆了三个电感，经过再三检查终于发现了这个问题的原因，却是我不小心将电源和地短接了，不过我们预备有有很多的电感，足够制作实物的需求。在调试的过程中，我还发现了自己在焊接方面的问题，比如这次在焊接LC三点式反馈振荡器模块中就出现了忘记焊一些连线，而且我每次总是不记得焊接地线。总之在调试发射机时感觉困难重重，以后我一定会在细节方面多加注意，以求做的更好！在接收机的调试过程中还算比较顺利，基本上没什么大问题，虽然遇到了一些小问题，但自己能够很快找到错误并改正。总之本次的实物制作及调试过程算是努力认真的完成了！6 总结在本次的课程设计中，我学到了很多东西。首先在进行电原理图的设计与选择过程中，我深深感觉到“学以致用”的重要性。在本学期，我们通信专业开设了通信电子线路（惯用语：高频）这门课程。我自己觉得高频这门课学起来并不难，但是很多有经验的学长跟我说其实要真正弄懂高频是比较难的，但一旦你精通这方面的知识后，就会受益颇多。似乎有价值的东西都具有这样的特点，不容易得到吧！在进行设计的过程中，我根据上课所学的理论知识，利用LC三点式振荡器、缓冲级（射极跟随电路）和高频谐振功率放大器组成了发射模块。利用高频小信号谐振放大器、中间缓冲级（射极跟随电路）和声光报警电路组成了接收模块。至此完成了电原理图的设计，然后又跟其他方案进行对比，最终得出了价格经济、电路简单、操作方便的最佳方案。其次，比较重要的一项是关于仿真。其实之前我已经试过两套方案，但都因为仿真不出来，最后就都放弃了。之后我也请教过很多人，后来看了书才知道这些软件只适合做数电和模电仿真，高频基本都需要做实物，在实际中调试，再加上高频的元件布局，甚至一个抗干扰的电容没加，就可能导致失败，仿真不出来。最后我试着自己设计部分电路，再接着进行部分仿真，直到将整个电路图完整仿出来为止！最后，就是关于实物的制作与调试了。学校为我们环境优越的实验室，在那里我们可以认真安心的进行实物的焊接，又一次锻炼了我的焊工技术。在调试的过程中我犯过将电源短接的错误。是电源接上去之后，电源指示灯就灭了，同学告诉我这是把电源和地短接了，我在仔细检查线路后发现真的是有一根线短接了。把那根线取下来后，电路还是不正常工作，还有一股很奇怪的气味。我当时的第一反应是我肯定又烧坏了什么东西，于是立刻拔掉电源，仔细检查电路板后发现我的芯片用错了，换了正确的芯片后，电路基本上就能正常工作了，这个小小的电路给了我一些经验教训。在后面的焊接工作中，我也更加小心，再没有犯过这种粗心大意的错误。当然，本次设计中，我也用到了仿真软件multisim，我对这个仿真软件并不陌生，在做过那么多次课程设计之后，对仿真软件的基本操作都掌握了。遇到的一点小问题就是可控硅，以前都没接触过它，刚开始对它有一种畏惧心理，在通过到网上搜搜资料后，对它也就有点了解了。我做仿真的时候，并没有一开始就将可控硅接入到总电路上去，而是对它的基本功能用一个简单的电路来实现，看是否能都打到预期标准。这样慢慢的一步一步，就对可控硅的很多基本性能了解的差不多了。虽然这次课程设计结束了，但是还有好多东西要学习的。我清醒的意识到，作为通信专业的学生，硬件和软件我都没有进行足够的训练，这样真的可以说是既辜负了很多人对我对我们大学生的期待，也已经远远偏离了当初我们进大学时的初衷。我会在以后的时间里，注重理论与实践、硬件与软件的同步学习，继续努力完善自我！7 元器件清单元件名称型号个数备注电容10f1极性电容电容100nf4电容30pf3可变电容电容1.5nf2电容20pf2电容47nf1电容10pf2电容10nf3电容5pf3电容270pf1电容150pf1电容24nf1电容110pf1电感330H2电感4.5H1电感1H2电感10H2电阻50k3电位器电阻10k4电阻6.2k1电阻2k5电阻50k1电阻6802电阻5k1电位器电阻1k3电阻8.2k1电阻5k1电阻511电阻2k1电位器稳压管二极管IN40013发光二极管LED1可控硅97A61NE5551蜂鸣器15V三极管2N22225 8 参考文献1 刘泉. 通信电子线路（第2版）. 武汉理工大学出版社. 20052 张肃文. 高频电子线路（第4版）. 西安电子科技大学出版社. 20063 谢自美. 电子线路设计实验测试（第3版）. 华中科技大学出版社. 20064 钱聪. 通信电子线路. 人民邮电出版社. 20035 李银华. 电子线路设计指导. 北京航空航天大学出版社. 20056 李晋矩. 通信电路与系统实验教程. 北京理工大学出版社. 20067 张新喜. Multisim10电路仿真及应用. 机械工业出版社出版社. 2010.02.