变频式射频密码锁控制软件混频器设计.doc
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1、精选资料中北大学课程设计说明书学生姓名: 陈学立 学 号: 1205094347 学生姓名: 丁超 学 号: 1205094237 学 院: 信息与通信工程学院 专 业: 信息对抗技术专业 题 目: 电子系统课程设计 变频式射频密码锁控制软件 子题目3:构建一个混频电路,要求工作带宽大于30M 指 导 教 师: 张丕状 王鉴 姚金杰 2015 年 7 月 3 日中北大学课程设计任务书 2014/2015 学年第 二 学期学 院: 信息与通信工程学院 专 业: 信息对抗技术专业 学生姓名: 陈学立 学 号: 1205094347 学生姓名: 丁超 学 号: 1205094237 题 目: 电子系
2、统课程设计 变频式射频密码锁控制软件 子题目3:构建一个混频电路,要求工作带宽大于30M 起 迄 日 期: 2015年6月8 日2015年7月3日 课程设计地点: 信息对抗技术专业综合实验室 指 导 教 师: 张丕状 王鉴 姚金杰 学科部主任: 张丕状 下达任务书日期: 2015 年6 月 8日课 程 设 计 任 务 书1设计目的:(1)通过本课程设计的学习,学生将复习所学的专业知识,使课堂学习的理论知识应用于实践,通过本课程设计的实践使学生具有一定的实践操作能力;(2)熟练使用示波器、信号源、万用表、频谱分析仪等仪器设备;(3)通过电子信息系统设计的课程设计,掌握设计信息处理系统的思维方法和
3、基本开发过程。2设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等):(1)熟悉Multisim、Protel DXP软件的使用a、熟悉Multisim的运行环境;b、掌握在Multisim平台上完成电路原理图的仿真;c、熟悉Protel DXP的运行环境;d、掌握在Protel DXP平台上完成电路原理图的绘制、pcb制版;e、根据所选题目的需要,会正确设计电路,最终优化电路。(2)实践设计要求:a、根据所选题目,设计相应的电路;b、根据设计的电路,完成电路仿真,根据仿真结果优化电路;c、根据设计电路完成PCB制版,最终完成电路的研制。(3)参考题目题目1 变频式射频密码锁控制软件基本
4、要求与目的:l 掌握压控振荡器原理、PLL原理和时钟调节的方法,掌握外围电路和接口了解可编程的概念l 增益带宽积、环路增益、稳定性原理、相频特性、幅频特性、阻抗匹配等含义,了解电流反馈运算放大器的特点l 调制解调的方式和调制解调电路、性能l 了解分布参数、地线布局电路性能的影响方式,掌握原理图和PCB的设计技巧课 程 设 计 任 务 书 和能力l 了解单片机特性,掌握单片机选择和系统外围电路及其接口电路设计l 进一步了解软件无线电的概念l 学习计算机仿真技术,掌握示波器、信号源等常规仪器使用方法l 进一步学习资料查阅能力和PPT制作能力子题目1:研制宽带双路放大器,要求带宽30M,增益40dB
5、,输入阻抗和输出阻抗为75欧(3人)。子题目2:构建一单片机控制系统,要求具有不少于4个按键,产生一个具有低相位抖动时钟信号,频率在10-100M可调。(2人+2人)。子题目3:构建一个混频电路,工作带宽分别30M(2人)。子题目4:设计调制、解调电路模块(3人)。题目2 基于TDOA技术的被动声定位系统设计基本要求与目的:l 了解被动声定位的基本原理;l 了解TDOA算法;l 了解前置放大器和AGC的工作原理;l 掌握有源滤波电路设计的基本工作原理;l 掌握定位精度与AD之间的关系;l 了解单片机特性,掌握单片机选择和系统外围电路及其接口电路设计l 学习掌握前置放大电路、AGC放大电路、滤波
6、电路、数据采集存储电路;l 培养资料查阅能力和团队合作精神和组织能力子题目1:设计一个前置放大电路,前置放大倍数20dB(3人合作完成)。子题目2:设计一个AGC电路,要求增益控制范围40dB,输出最大增益60dB。(3人合作完成)子题目3:设计一个有源低通滤波电路,要求倍频程衰减24dB,截止频率30kHz。(3人合作完成)子题目4:设计一个单通道信号采集存储电路,采样位数不低于12位,采样率100KSPS,存储深度512KB(4人合作完成)课 程 设 计 任 务 书3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等:(1) 要求设计组的每个成员都要了解整个的大题设
7、计要求和思路;(2) 子题目小组的同学各完成一份设计说明书,突出各自的工作内容;(3) 要求有正确的仿真结果及结果分析;(4) 要有正确的测试结果(示波器、频谱分析仪调试波形)。4主要参考文献:见提供的附件资料5设计成果形式及要求: 每个子题目小组提供详细的设计说明书一份 电路板实物,电路板上印制上所有小组成员完整的学号(1205094XXX)和姓名课 程 设 计 任 务 书6工作计划及进度:2015年06月08日 2015年06月14日:学习软件的使用,电路原理,完成电路的设计;2015年06月15日 2015年06月19日:完成电路的仿真,原理图绘制与制版;2015年 06月20日 201
8、5年06月28日:完成电路的实物制作(制版、焊接、调试);2015年 06月29日 2015年07月02日:撰写课程设计说明书; 2015年7月03日:提交实物,答辩学科部主任审查意见: 签字: 年 月 日目 录一、引言91.1 研究目的与意义91.2 研究背景101.3国内外研究现状111.3.1国外研究动态111.3.2国内研究动态121.4研究方法131.5设计流程141.5.1 multisim仿真141.5.2 Altium Designer绘制PCB板141.5.3 腐蚀电路板141.5.4 焊接电路141.5.6 测试及修改电路15二、混频器理论基础152.1混频器理论基础152
9、.1.1二极管环形混频器原理及基本组成152.1.2模拟乘法混频电路的基本组成模型及主要技术特点162.2带通滤波器的设计172.2.1有源带通滤波器原理172.2.2无源带通滤波器的设计18三、multisim设计及仿真213.1 二极管环形混频器设计213.2模拟乘法器混频电路:233.3带通滤波器电路的设计及仿真253.3.1 RLC串联滤波器253.3.2 有源带通滤波器253.3.3软件设计带通滤波器263.4 方案选择283.4.1 AD831芯片管脚293.4.2 AD831芯片内部原理图303.4.2 AD831双电源低功耗供电模式32四、 Altium Designer绘制P
10、CB板324.1.1 二极管环形混频器的原理图设计324.1.2 二极管环形混频器的PCB设计334.2 AD831模拟乘法器芯片实现混频电路334.2.1原理图及芯片封装的绘制334.2.2 AD831混频器原理图绘制及说明364.2.3 AD831混频器PCB绘制及说明374 腐蚀电路板384.2电路板腐蚀效果图及注意事项39六、电路焊接可修改编辑一、引言 在当今社会,安全防盗已成为社会问题,而锁自古以来就是防盗的重要工具,目前国内大部分人使用的还是传统的机械锁,然而,眼下假冒伪劣的机械锁互开率非常之高,此外,即使是一把质量过关的机械锁,通过急开锁,甚至可以在不损坏锁的前提下将锁打开。机械
11、锁的这些弊端为一种新型的锁电子密码锁,提供了很大的发展空间。 从目前的技术水平和市场认可程度看,使用最为广泛的是键盘式电子密码锁,该产品主要应用于保险箱、保险柜和取款机,由于人们对安全的重视和科技的发展,许多电子智能锁(指纹识别、IC卡辨认)已在国内外相继面世。但是这些产品的特点是针对特定的指纹和有效卡,只能适用于保密要求的箱、柜、门等。而且指纹识识别器在公共场所使用存在容易机械损坏,IC卡还存在容易丢失、损坏等缺点,再加上其成本较高,一定程度上限制了这类产品的普及和推广。鉴于目前的技术水平与市场的接受程度,键盘式电子密码锁是这类电子防盗产品的主流。在科学技术不断发展的今天,电子密码防盗锁作为
12、防盗卫士的作用也日趋重要。电子密码锁是集计算机技术、电子技术、数字密码技术为一体的机电一体化高科技产品,具有安全性高,使用方便等优点。 电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作,从而控制机械开关的闭合,完成开锁、闭锁任务的电子产品。它的种类很多,有简易的电路产品,也有基于芯片的性价比较高的产品。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心,通过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁。1.1 研究目的与意义本次课程设计我们分不同小组实现射频式电子密码锁的不同模块。第一组:研制宽带双路放大器,带宽30M,增益40dB,输入阻抗和输出阻抗为75欧。第二组:构建一单片机控制系统,要求具有不
13、少于4个按键,产生一个具有低相位抖动时钟信号,频率在10-100M可调。第三组:构建一个混频电路,工作带宽分别30M。第四组:设计调制、解调电路模块。各个小组协同工作,共同完成射频电子密码锁的设计。我们组设计的是混频器模块,顾名思义,混频器是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为混频器(或混频器)。一般用混频器产生中频信号:混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频,coscos=cos(+)+cos(-)/2。其中为信号频率量,为本振频率量,产生和差频。当混频的频率等于中频时,这个信号可以通过中频放大器,被放大后,进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大
14、,然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化,因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时,屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度,将不同频率上信号的幅度记录下来,就得到了被测信号的频谱。在射频电子密码锁中,我们的混频器模块承接第二组的信号发生器,对其输出的调制信号进行混频,输出到中频放大器,用于信号解调。1.2 研究背景混频器是微波集成器件中必不可少的部件,在微波通信、雷达、遥控、遥感、侦查与电子对抗系统、以及微波测量系统中,将微波信号用混频器降到中低频进行处理。经过混频后得到的中频信号比原始信号高,那么此种混频方式叫做上变频。由于变频获得的中
15、频频率较高,所以对接收机中中频放大、滤波、解调都提出了更高要求,使整个接收机成本较高。上变频可获得极高的抗镜像干扰能力,且可获得整个频段内非常平坦的频率响应。综合以上因素,使这种变频方式通常只有军用等特殊场合(如军用电台)得到广泛应用,但在民用级产品中极少见到。 图一:上变频原理示意在超外差式接收机中,如果经过混频后得到的中频信号比原始信号低,那么此种混频方式叫做下变频。由于下变频方式的电路简单,成本较低,所以被广泛应用于民用设备和对性能要求不高的军用设备中。下变频的目的是为了降低信号的载波频率或是直接去除载波频率得到基带信号。下变频方式最大的缺点是对镜像干扰的抑制能力较差。 图二:下变频原理
16、示意1.3国内外研究现状接收机的关键部件之一是晶体检波器或二极管混频器,edwin armstrong首次采用真空管作为混频器,将入射的频率变为中频,再经过很好的选择性信号放大或检波。二战期间,伴随着雷达的发展,微波混频器有了进一步的发展,直到上世纪50年代末,系统噪声系数才可以达到7dB。从微波到毫米波频率范围内,接收机灵敏度和动态范围在很大程度上仍然要靠混频器。目前,国内外许多科研工作者对混频器的理论分析和工程应用都做了大量的研究,研制了各种结构和形式的混频器.而且其中很多取得了不错的指标。国外的研究起步早.工艺也较为先进.射频微波混频器主要为MMIC电路.性能也较为优良。1.3.1国外研
17、究动态 1994年,Jcan-M arc Mourant等人,设计了6-I8GHz超宽带镜像抑制混频器.其中的无源器件是根据当时最新的研究资料.采用平面小型化结构.LO和RF工作频段为6-18GHz.中频频段为400-750MHz.变频损耗小于9dB. 1995年Hwann-Kaco等人采用缺陷地非对称共面波导到共面带线过渡结构.设计了超宽带巴伦,工作频率可到50GHz.其回波损耗大于16dB:采用硅肖特基二极管,设计了工作频率可以达到40GHz的双平衡混频器.本振LO到中频IF端口的隔离度大于30dB.本振LO到射频RF端口的隔离度大于30dB.变频损耗小于11dB。 1998年 Shau-
18、Gang Mao等人采用共面波导(CPW)到共面带线(CPS)过度巴伦结构,同时采用了CPS高通滤波器和低通滤波结构.井且论文中提出了等效电路模型。变频损耗小于10dB. LO-IF的隔离度大于30dB. LO-RF的隔离度大于20dB.本振LO工作频带为10GHz-35GHz,中频工作频带为0.1-5GHZ. 2009年Young-Gun Kim等人.采用微带到共面带线(CPS)过渡巴伦结构.设计了可以从DC到40GHz的超宽带巴伦。他们采用此结构设计了超宽带双平衡混频器,LO和RF的工作频率在4-26GHZ范围内,中频IF在1GHz以下,变频损耗在10dB以下.此平面结构为二极管的安装带来
19、了方便。1.3.2国内研究动态 国内相关技术发展比国外晚.由于受到加工工艺及集成技术水平的限制.国内这方而的报道大部分采用混合集成电路.井且很多都是单独做的双平衡混频器.或者镜像抑制混频器.将二者结合起来的比较少。 2000年.Chi-Yang Chang等人.采用共面波导(CPW)到共面带线(CPS) T型结过渡的双巴伦结构.设计了平面双平衡星形混频器。此平面结构适合MMIC设计,设计的MMIC变频损耗在通带内为6-10dB。 2008年电子科技大学物理电子学院魏萍等人,采用了双面微带渐近线巴伦结构,研究设计了双双平衡超宽带微波混频器,射频RF和本振LO工作频段为2-18GHz.中频IF为0
20、.3-5GHZ.变频损耗为10dB.本振LO到射倾RF端口的隔离度大于18dB.本振LO到中频IF端口的隔离度大于17dB。. 2008年电子科技大学电子工程学院电磁场与微波技术专业宣扬采用鳍线结构,研究设计了“w波段宽带混频器”.工作频率在75-105GHZ范困内.变频损耗小于9dB,本振LO到射频RF端口的隔离度大于25dB。 2009年东南大学毫米波国家重点实验室王彦炜等人.采用半模SIW巴伦设计了X波段双平衡混频器.经测试.在8.7-9.7GHz的频率范闹内,变频损耗小于9dB.噪声系数小于10dB.实物面积60mm X 68mm. 2011年.Fan Fan He等人采用平而S1W结
21、构的魔 T结构.设计了工作在X波段的单平衡混频器.变频损耗在10dB以下。1.4研究方法设计混频电路,并测试其参数。混频器的主要参数如下:(1)噪声系数:混频器的噪声定义为:NF=Pno/Pso Pno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度即T0=290K时,传输到输出端口的总噪声资用功率。Pno主要包括信号源热噪声,内部损耗电阻热噪声,混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。(2)变频损耗:混频器的变频损耗定义为混频器射频输入端口的微波信号功率与中频输出端信号功率之比。主要由电路失配损耗,二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。(
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