一种新型高频电子技术实验系统的设计与实现

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1、一种新型高频电子技术实验系统的设计与实现秦益霖 陈 斌 (常州信息职业技术学院 常州: 213015) (解放军理工大学通信工程学院 南京: 210016)摘 要 介绍了从高频电子技术实验教学的实际出发,围绕培养学生高频电子线路的系统知识和高频电子线路的工程设计能力,设计并制作出来的一个独具特色的高频电子技术实验系统。关键词 高频电路 工程能力 VCO DDS 性价比Design and I mplement of a New High Frequency Electron ic Teachn ique Experi ment SystemChen Bin,Yuan Zhendong(PLA

2、U niverisyt of Science engineering design;VCO;DDS; performance price ratio0 引言“高频电子线路实验” 是一门应用性极强的实验 课,当前,随着电子技术的飞速发展,已对高频电子 实验提出了很高的要求。 如何在有限的实验课时里, 让学生进一步熟悉高频电路的系统知识,学会观察和分析高频电路的基本方法,初步掌握高频电路的 设计工艺,从而具备一定的解决高频电路问题的工 程能力,这是高频电路实验课程的主要目标,我们遵 循的这些基本原则,设计制作了一个高频电路实验 系统。 下面就其特色、 构成、 实验内容等作详细介绍。1 实验系统主要

3、特色与基本思路111 经典性与新颖性统一 设计时考虑到电子技术的新进展及相应课程的增加,用于高频电子电路实验课时相对缩减,因此,在实验内容安排上作出了合理取舍,既保留了高频 电子线路经典内容,如小信号高频谱振放大电路、 调幅与解调、 调频与解调、LC压控振荡电路及模拟锁 相环等,保持高频实验内容的完整性;同时,又根据 电子电路理论教学的改革与发展,设置了直接数字 频率合成器(DDS)的内容,使学生能够接触并掌握 最新的高频电子技术成果与技术。112 实践性与生动性的统一 本实验系统尽量避免对理论电路的简单验证, 所选电路绝大部分都经过了反复的改进与实际使 用,或者直接选自成熟的电子设备。 对于

4、一些基本内 容的实验,特别注重理论与实践相结合,如小信号高频谐振放大电路实验,通过安排学生调试与测量,并 将实际内容适当加以引伸,再进行对比分析,掌握高 频电子线路不同于低频电子线路的特征。在实验方 法上,让学生从多角度对高频电路进行观察、 测量、第24卷第2期 2 0 0 2年4月电 气 电 子 教 学 学 报JOURNAL OFEEE Vol . 24 No. 2 Apr. 2 0 0 2收稿日期: 2002年1月15日 作者简介:秦益霖,男, 1970年5月出生,自动控制系主任,从事电子线路教学及嵌入式系统研究。 陈斌,男, 1975年7月出生,讲师,从事单片机实验及信号系统实验教学。图

5、2 小信号谐振放大电路比较,如在做系统综合实验时,将直接数字频率合成 单元设置成音乐信号产生器,该信号送到压控振荡 单元,进行频率调制,进而产生高频调频信号,而在 调频信号解调单元电路上以无线接收的形式,对调频信号进行解调,并通过功放电路推动扬声器播出 原音乐信号,这样光、 电、 声的结合使实验更加直观 生动。113 技术性与经济性的统一 由于该实验系统的压控振荡单元相当于一个520 M Hz的正弦信号源内核,而直接数字频率合成 单元可以产生1Hz6 M Hz,分辨率为1Hz的正弦 信号,这样,在做小信号高频谐振放大器实验及幅度 调制实验时,无需再配置高频信号发生器与低频信 号发生器,而这正是

6、高频电子线路实验设备的主要成本之所在。另外,除了压控振荡器以外,本实验系 统的电路工作频率都安排在110M Hz之间,既保 证是真正高频意义上的实验,又能够与较低频率的 示波器相配合,降低了实验仪器配置档次及成本。2 实验系统的构成与实现根据本科高频电子线路实验要求,本实验系统图1 实验系统方框图由如图1所示的几个部分所组 成,图中: 第1单元 为小信号高频谐振放大器, 由一个高频三极管与615M Hz为中心的选频回路组成。 第2单元 为集成锁相环,由单片锁相 环74HC4046与二进制步进分 频器74HC4040组成。第3单元 为振幅调制电路,以模拟乘 法器M C1496为核心。 第4单元

7、为由二极管组成的包络检波器,完成调幅信号的解调。 第5、6单元 为LC振荡电路及调频信号产生电路,由高频 三极管、 振荡线圈、 变容二极管等分立元件组成。第7单元 为调频信号解调单元,主要借用电视机伴音解 调芯片DG1353及外围电路构成一个中心频率为615M Hz的调频信号解调及音频功放电路,既实用 又经济。第8单元 为直接数字频率合成器单元电路由AD公司生 产的AD7008芯片为核心,由A T89C52及少量外围 元件组成控制与操作系统。 上述每个单元电路除了能构成实验体系以外,第3单元与第4单元可以组合构成调幅模拟通信系 统;第5、 第6、 第7、 第8单元可以组合构成调频模 拟通信系统

8、。 可以使学生在做好单元实验的基础上, 通过系统实验,增加对高频电子通信的系统知识的 理解和应用技能。3 主要实验内容与电路创新设计举例311 小信号谐振放大器实验 实验电路如图2所示: 实验中要求学生测试放大器的频率响应曲线,并比较在三极管的集电极P2处接入示波器探头的 情况与不接入示波器探头的情况下,放大器的频响38第24卷第2期 秦益霖等:一种新型高频电子技术实验系统的设计与实现 曲线的差异,并分析原因。而将P2点与扩展电路相 连,在P4点处测量的频响曲线则不受示波器探头 接入与否的影响。 通过分析这一实验现象,学生会明 白在高频情况下测试仪器对被测电路的影响,要想得到正确的测量结果,可

9、以采取高频隔离等办法。312 正弦波压控振荡器与调频信号产生电路实验 实验电路如图3所示:图3 正弦波压控振荡器与调频信号产生电路该实验的振荡管为T7,振荡线圈为L 3,振荡电容为变容二极管D4与D5,是一个共基极电容三点式振荡电路,从P25处加入音频信号,则可产生调频信号。R51为阻尼电阻,其作用是消除寄生振荡,振荡信号从振荡管发射极输出, T8、T9是隔离、 选频滤波及输出电路。 本电路的特点是振荡范围宽,大约5M Hz到20 M Hz,覆盖系数达到4,而一般的振荡电路有效覆盖系数为2。另外,设有由线圈L 4与D7、D8组成的选频回路,改善信号波形。电路中设 有振荡管静态工作点调整电位器W

10、 4,压控电压调节电位器W 5,通过正确调节多个可调元件,可以得到谐波抑制比达60db的高频谱纯度的正弦波。 通过 实验,学生可以获得对振荡管静态工作点、 同步滤波 网络、 压控特性曲线等有关知识的深刻认识。313 直接数字频率合成器及附属实验电路本项实验组成框图如图4所示:图4 直接数字频率合成电路框图(下转第88页)48 电气电子教学学报 2002年4月式,它根据元件序号、 元件外形与元件外观的数据, 使用一种动态元件外形算法,自动地将电路板文件 内容转换为3D图像并在屏幕窗口上显示出来,而 且可让设计者以任意角度旋转与翻转观察3D模拟电路板。21419 输出文件 可生成许多用于计算机辅助

11、制造(CAM)的输 出文件,如钻孔表报表、 自动插件报表等。图4 控制器的PCB布置图214110 打印PCB图 存盘和打印输出三岔路口路灯控制器的PCB 图如图4。3 结论Protel99SE软件集强大的设计能力、 复杂工艺 的可行性,使整个设计过程都在一体化的集成环境 中完成,可完整实现电子产品从电学设计到生成供 制造用的物理数据的全过程,其间包括了所有的分析、 模拟和验证。由于这些特点,该软件备受设计者 青睐,不失为首选的EDA软件。参考文献1 梁恩主 1Protel99SE电路设计与仿真应用 1 北京:清华大学出版社, 20002 边萌 1Protel99仿真与PLD设计 1 北京:机

12、械工业出版社, 20003 陈有卿 1 电子制作实例 1 北京:人民邮电出版社, 20014 梁义和 1Protel PCB99设计与应用技巧 1 北京:科学出版社,20005 赵晶 1Protel99高级应用 1 北京:人民邮电出版社, 20016 谢淑如 1Protel PCB99SE电路板设计 1 北京:清华大学出版社,2001(上接第84页秦益霖文)其中单片机为A T89C52,DDS芯片为AD公司生产的CMOS型芯片AD7008,相位累加器为32 位,频率分辨率为01012Hz,工作原理如图5所示:图5 AD7008工作原理框图 驱动时钟采用20 M Hz时钟,最高输出频率约为6 M

13、 Hz,最低频率为1Hz,最小频率间隔为1Hz (仅受输入方式限制)。本实验安排了6个固定实验内容,分别是:正弦波产生; FSK信号产生; PSK信 号产生;AM调制; FM调制;M I D I音乐。学生通过键盘设置工作频率、 幅度、 调制方式等参数, CPU(A T89C52)接受和处理键盘信息并完成对AD7008的处理,使其进行相应操作,经过滤波网络和推动电 路,得到相应波形输出。 此外,还将硬件资源公开,学 生可以亲自动手编程,对AD7008进行设置与操作, 掌握高频信号发生电路的新的设计方法。4 结束语我们设计制作的高频电子技术实验系统已在解 放军理工大学通信工程学院高频电子线路实验课程 中批量使用,教学效果良好;江苏大学、 南京航空航天大学等兄弟院校也已购置数十台用于实验课教 学,反映良好。 我们提供的上述情况或可供有兴趣的 院校自行制作时的参考,同时欢迎合作,进一步开发 或代为制作。88 电气电子教学学报 2002年4月