模数转换电路测试与MIX1电路设计.doc

1、武汉理工大学专业综合课程设计报告专业综合课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 模数转换电路测试与MIX1电路设计 课程设计目的：1. 通过对THEX-1型综合实验平台的使用，较深入了解通信电路的原理；2. 掌握通信电路的测试方法和设计实验的方法；3. 学习利用EWB仿真设计简单通信系统的方法；4. 练习利用Protel绘制PCB电路的方法；5. 提高正确地撰写论文的基本能力。课程设计内容和要求1. 电路测试：测试PAM1，PAM2，PAM3，PAM4，PCM，TDM1，TDM2实验电路板。要求详细分析实验电路的工作原理（说明每个元器件的作用和功能

2、），写出测试项目，并对测试结果作出详细分析；如果电路板不能测出所需要的结果，要分析原因，找出电路板损坏的部位。2. 用EWB做出MIX1的仿真电路，并测试各点的波形；要求详细分析电路原理（说明每个元器件的作用和功能），对测试结果作出详细分析。3. 用Protel绘制HDB33的PCB电路。4. 查阅不少于6篇参考文献。初始条件：1. THEX-1型综合实验平台及实验指导书；2. 示波器，万用表。3. EWB和Protel软件。时间安排：第18周，安排设计任务；第19周，完成实验测试和仿真电路的设计与测试；第20周，完成PCB电路绘制；撰写设计报告，答辩。指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任

3、教师）签名： 年 月 日目 录1. 模数转换电路测试21.1 PAM双路抽样脉冲发生实验 PAM121.1.1实验原理21.1.2 实验测试31.2抽样定理和脉冲调幅实验 PAM231.2.1 实验原理31.3 PAM模拟传输线实验PAM3（实验模块PAM1PAM3）61.3.1 实验原理61.3.2 实验测试71.4 PAM脉冲幅度解调实验PAM4（实验模块PAM1PAM2PAM4）81.4.1实验原理81.4.2 实验测试91.5 PCM脉冲编译码实验PCM111.5.1 实验原理111.5.2 实验测试121.6 数字多路传输系统实验 TDM1,TDM2131.6.1实验原理131.6.

4、2 实验测试142. 集成乘法器混频MIX1电路设计162.1实验目的162.2实验原理162.3 实验步骤192.4 实验仿真203 PCB制作 HDB3译码 HDB33224 总结235 参考文献241. 模数转换电路测试1.1 PAM双路抽样脉冲发生实验 PAM11.1.1实验原理 （一）电路组成 PAM双路抽样脉冲发生实验是供给PAM、PSK等实验所需时钟和基带信号，图1-1是实验电原理图，由以下电路组成： 1内时钟信号源。 2多级分频及PAM双路抽样脉冲产生电路。图1-1 PAM双路抽样脉冲发生实验电原理图 （二）电路工作原理 1内时钟信号源 内时钟信号源电路由晶振J1，电阻R1和R

5、2，电容C1，非门U1A，U1B组成，若电路加电后，在U1A的输出端输出一个比较理想的方波信号，输出振荡频率为4.096MHZ，经过D触发器U6B进行二分频，输出为2.048MHZ方波信号。 2三级基准信号分频及PAM双路抽样脉冲产生电路该电路的输入时钟信号为2.048MHZ的方波，由可预置四位二进制计数器（带直接清零）组成的三级分频电路组成，逐次分频变成8KHz方波，U2、U3的第二引脚为各级时钟输入端，输入时钟为2.048MHZ，128KHz，由第二级分频电路产生的多级分频脉冲输入3线-8线译码器74LS138的地址端和选通端，在译码器的输出端Y1、Y2输出频率8KHz、时延14us的双路

6、抽样脉冲。1.1.2 实验测试理论两路脉冲波形：TP12波形、TP22波形如图1-2； 图1-2实际测试图片：TP12波形、TP22波形如图1-3； 图1-31.2抽样定理和脉冲调幅实验 PAM21.2.1 实验原理利用抽样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为“抽样”，抽样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。在满足抽样定理的条件下，抽样信号保留了原信号的全部信息。并且，从抽样信号中可以无失真地恢复出原信号。图1-4 抽样定理和脉冲调幅实验电原理图抽样定理指出，一个频带受限信号m(t)如果它的最高频率为fH（即m(t)的频谱中没有fH以上的分量），可以唯一地由频率等于或大于2fH的样值序

7、列所决定。因此，对于一个最高频率为3400Hz的语音信号m(t)，可以用频率大于或等于6800Hz的样值序列来表示。由频谱可知，用截止频率为fH的理想低通滤波器可以无失真地恢复原始信号m(t)，这就说明了抽样定理的正确性。多路脉冲调幅的实验框图如图1-5所示，BG1和BG2构成第一路脉冲调幅信号，BG3和BG4构成第二路脉冲调幅信号。分路抽样电路的作用是：将在时间上连续的语音信号经脉冲抽样形成时间上离散的脉冲调幅信号。n路抽样脉冲在时间上是互不交叉、顺序排列的。各路的抽样信号在多路汇接的公共负载上相加便形成合路的脉冲调幅信号。本实验设置了两路分路抽样电路。 图1-5 多路脉冲调幅实验框图1.2

8、.2实验测试观测PAM2音讯发生器部分输出TP1是正弦波输出，将其幅度调至最大不失真调节电位器R5和RW1：波形如下图1-6所示：图1-6一路音频TP2输入1K、2V的音频信号，一路抽样脉冲从TP3输入TP11观测TP6脉冲调幅输出如下图1-7所示：TP6图1-7实际测试波形：TP1波形如图1-8： TP6波形如图1-9： 图1-8 图1-91.3 PAM模拟传输线实验PAM3（实验模块PAM1PAM3）1.3.1 实验原理 路际串话是衡量多路系统的重要指标之一。路际串话是指在同一时分多路系统中，某一路或某几路的通话信号串扰到其它话路上去，这样就产生了同一端机中的各路通话之间的串话。串话分可懂

9、串话和不可懂串话,前者造成失密或影响正常通话；后者等于噪声干扰。对路际串话必须设法防止。一个实用的通话系统必须满足对路际串话规定的指标。 在一个理想的传输系统中，各路PAM信号应是严格地限制在本路时隙中的矩形脉冲。但如果传输PAM信号的通道频带是有限的，则PAM信号就会出现“拖尾”的现象，当“拖尾”严重，以至侵入邻路隙时，就产生了路隙串话。 （一）路隙串话中的高频串话 在考虑通道频带高频端时，可将整个通道简化为图1-10所示的低通网络，它的上截止频率为：f1=1/(2R1C1)图1-10 通道的低通等效网络为了分析方便，设第一路有幅度为V的PAM脉冲，而其它路没有。当矩形脉冲通过图1-10(a

10、)所示的低通网络，输出波形如图1-10(b)所示。脉冲终了时，波形按R1C1时间常数指数下降。这样，就有了第一路脉冲在第二路时隙上的残存电压串话电压U，这种由于信道的高频响应不够引起的路际串话就叫做高频串话。（二）路隙串话中的低频串话当考虑通道频带的低频端时，可将通道简化为图1-11所示的高通网络。它的下截止频率为： f2=1/(2R2C2) 由于R2C2，所以，当脉冲通过图1-11(a)所示的高通网络后，输出波形如图1-11(b)所示。长长的“拖尾”影响到相隔很远的时隙。若计算某一话路上的串话电压，则需要计算前n路对这一路分别产生的串话电压，积累起来才是总的串话电压。这种由于信道的低频响应不

11、够而引起的路际串话就叫做低频串话。解决低频串话是一项很困难的工作。 图1-11 通道的高频等效网络限于实验条件，本实验只模拟了高频串话的信道。（三）模拟的传输通道低通等效网络图1-12是模拟的传输通道实验原理图（低通等效网络），R1、R2分别代表了传输线路的串联等效电阻，C1、C2分别代表了传输线路芯线和屏蔽层之间的分布等效电容。图1-12 模拟传输线实验电原理图1.3.2 实验测试J1、J3、J5分别输入TP11；J2、J4、J6分别为输出端；其各点波形如图1-13所示：图1-13实际测试波形：J2、J4、J6各点波形如图1-14所示： 图1-141.4 PAM脉冲幅度解调实验PAM4（实验

12、模块PAM1PAM2PAM4）1.4.1实验原理从抽样序列的形成可以知道，用一积分电路组成的低通滤波器可实现模拟信号的恢复。即实现PAM脉冲幅度解调。（一）分路选通电路多路脉冲调幅信号进入接收端后，由分路选通脉冲分离成n路，亦即还原出单路PAM信号。发送端分路抽样与接收端分路选通是一一对应的，这是依靠它们所使用的定时脉冲的对应关系决定的。为简化实验系统，本实验的分路选通脉冲直接利用该路的分路抽样脉冲经适当延迟获得，流程可参阅PAM2实验中的图1-5。接收端的选通电路也采用结型场效应晶体管作为开关元件,但输出负载不是电阻而是电容。采用这种类似于平顶抽样的电路是为了解决PAM解调信号的幅度问题。由

13、于时分多路的需要，分路脉冲的宽度S是很窄的。当占空比为S/T的脉冲通过话路低通滤波器后，低通滤波器输出信号的幅度很小。这样大的衰减带来的后果是严重的。但是，在分路选通后加入保持电容，可使分路后的PAM信号展宽到100%的占空比，从而解决信号幅度衰减过大的问题。但我们知道平顶抽样将引起固有的频率失真。PAM信号在时间上是离散的，但在幅度上却是连续的。而在PCM系统里，PAM信号只有在被量化和编码后才有传输的可能。本实验仅提供一个PAM系统的简单分路选通电路模式。（二）PAM脉冲幅度解调电路PAM时序信号经过分路选通电路选通后，即可进入脉冲幅度解调电路。解调电路由射随、低通滤波器和放大器组成低通滤

14、波器的截止频率为3400Hz。（三）实验电原理图分析PAM脉冲幅度解调实验的实验电原理图如图1-15所示。图1-15的左半部分为分路选通电路，J1输入PAM时序信号。BG1为射极跟随器，J4输入选通脉冲，通常为调制端的选通脉冲经适当延迟得到。BG3为选通脉冲驱动级。BG2为选通信号输出，C3为展宽电容；图1-15的右半部分为脉冲幅度解调电路，J5输入PAM时序信号，BG4为射极跟随器，U1A和U1B组成截止频率为3400Hz的低通滤波器，BG5为放大电路，J7输出恢复后的模拟音频信号。图1-15 PAM脉冲幅度解调实验电原理图1.4.2 实验测试准备好PAM1和PAM2，保证PAM2有脉冲调幅

15、波输出；TP1（J1）输入脉冲调幅PAM2的J6，如图1-16所示：TP1图1-16TP4(J4)抽样脉冲输入TP11，如图1-17所示：TP4图1-17观测TP3脉冲展宽输出波形如图1-18所示： TP3 图1-18PAM4的脉冲调幅输入J5输入PAM2的脉冲调幅输出J6，波形同TP1。观测TP7解调输出波形如图1-19所示： TP7 图1-19实际测试波形：TP1（J1）、TP4(J4)、TP3、TP7各点波形如图1-20所示： TP1（J1）： TP4(J4)： TP3： TP7： 图1-201.5 PCM脉冲编译码实验PCM1.5.1 实验原理（一）PCM基本工作原理PCM基群作为数字

16、微波通信和光纤通信系统的终端设备，在目前通信系统中占有很重要地位。脉冲编码调制通信就是把一个时间连续、取值连续的模拟信号变换成时间离散、取值离散的数字信号后在信道中进行传输。而脉冲编码调制就是对模拟信号先进行抽样后，再对样值的幅度进行量化、编码的过程。所谓抽样，就是利用抽样脉冲对模拟信号进行周期性扫描，从而把时间上连续的信号变成变成时间上离散的信号。该模拟信号经过抽样后还应当包含原信号中所有信息，也就是说能无失真地恢复原模拟信号。它的抽样速率下限是由抽样定理确定的。在该实验中，抽样速率采用8Kbit/s。模拟信号抽样示意图如图1-21所示。图1-21 模拟信号抽样示意图所谓量化，就是把经过抽样

17、得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示。一个模拟信号，经过抽样量化后，得到已量化的脉冲幅度调制信号，它仅为有限个数值。所谓编码，就是用一组二进制码来表示每一个有固定电平的量化值。然而，实际上量化是在编码过程中同时完成的，故编码过程也称为模/数变换，可记作A/D。在幅度与时间上连续变化的模拟信号经抽样后，虽然在时间轴上变为离散量，但在幅度上每一采样仍为连续量，为了使每一采样用数字代码表示，就必须将幅度用有限个电平来表示，实现这个过程称作幅度量化。由此可见，脉冲编码调制方式就是一种传递模拟信号的数字通信方式。PCM的原理如图1-22所示。话音信号先经防混迭

18、低通滤波器，得到限带信号（3003400Hz），进行脉冲抽样，变成8KHz重复频率的抽样信号（即离散的脉冲调幅PAM信号），然后将幅度连续的PAM信号用“四舍五入” 办法量化为有限个幅度取值的信号，再经编码，转换成二进制码。对于电话CCITT规定抽样率为8KHz，每抽样值编8位码，即共有28=256个量化值，因而每话路PCM编码后的标准数码率是64kb/s。为解决均匀量化时小信号量化误差大、音质差的问题，在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法，即量化特性在小信号时分层密、量化间隔小，而在大信号时分层疏、量化间隔大，如图1-23所示。图1-22 PCM的原理框图图1-23 A律与u律的压

19、缩特性1.5.2 实验测试J1话音输入1K、2V的音频信号；J6时分脉冲输入Q8K；J5时钟输入2048K；连接PCM编码输出和编码输入，观测编码输出TP2如图1-24所示：图1-24观测话音输出J4为1K的是频信号如图1-25所示： 图1-25实际测试波形：TP2、J4各点波形如图1-26所示： TP2： J4： 图1-261.6 数字多路传输系统实验 TDM1,TDM21.6.1实验原理数字复接设备的结构简图如图1-27所示。 图1-27 数字复接调设备结构简图数字复接系统包括数字复接器和数字分接器两部分。数字复接器是把两个或两个以上的支路数字信号按时分复用方式合并成为单一的合路数字信号的

20、设备；数字分接器是把一个合路数字信号分解为原来多个支路信号的设备。通常总是把数字复接器和数字分接器装在一起作为一个设备，称为复接分接器，统称为数字复接设备。 数字复接器是由定时、调整和复接单元所组成；数字分接器是由同步、定时、分接和恢复单元所组成。定时单元提供统一的基准时间信号。分接器的定时单元由接收的时钟来推动，借助同步单元的控制，使得分接器的基准时间信号与复接器的基准时间信号保持正确的相位关系，即保持同步。调整单元与恢复单元是对应的，复接单元与分接单元是对应的。调整单元的作用是把各输入支路数字信号进行必要的频率或相位调整，形成与本机定时信号完全同步的数字信号，然后由复接单元对它们实施时间复

21、用形成合路数字信号；分接单元的作用是把合路单元数字信号实施时间分离形成同步支路数字信号，然后再通过恢复单元把它们恢复称为原来的支路数字信号。如果复接器输入支路数字信号与本机定时信号是同步的，那么调整单元只需调整相位，有时甚至连相位也不必调整，这种复接器称同步复接器；如果输入支路数字信号与本机定时信号是异步的，那么调整单元要对各个支路数字信号实施频率和相位调整，使之成为同步数字信号，这种复接器称异步复接器。本实验以同步复接器为例说明数字复分接的原理。本实验系统由发送端的复接器和接收端的分接器两部分组成，系统模块图如图1-28所示，由于是同步复接系统，可以略去调整单元和恢复单元，增加了复接器中的支

22、路信号产生单元和分接器中的支路信号输出路序选择单元。图1-28 数字多路传输实验系统1.6.2 实验测试测得回路信号波形如图1-29所示：FD1、FD2、FD3、FD4为四路输入信号；图1-29复接器复接单元复接信号为DOUT是波形如图1-30所示：图1-30分接单元信号波形FD1、FD2、FD3、FD4为四路输入信号同图1-29。实际测试波形：各点波形如图1-26所示：FCLR: FCLK: FD1: FD2: FD3: FD4: F1EN: F2EN: DEN: CLKO: DOUT: 图1-292. 集成乘法器混频MIX1电路设计 2.1实验目的1学习混频电路的概念和原理。2掌握用集成模

23、拟乘法器构成混频电路的原理。3掌握集成模拟乘法器MC1496用于混频电路的方法以及对干涉的测定。2.2实验原理（一）混频器电路模型 混频器的功能是将载波为fs（高频）的已调波信号不失真地变换为另一载频fI（固定中频）的已调波信号，而保持原调制规律不变。例如在调幅广播接收机中，混频器将中心频率为5351605KHz的已调波信号变换为中心频率为465KHz的中频已调波信号。此外，混频器还广泛用于需要进行频率变换的电子系统及仪器中，如频率合成器、外差频率计等。混频器的电路模型如图2-1所示。 图2-1 混频器电路模型混频器常用的的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。本振用于产生一个等幅的高

24、频信号uL，并与输入信号uS经混频器后所产生的差频信号经带通滤 I =L-S波器滤出。目前，高质量的通信接收机广泛采用二极管环 形混频器和由双差分对管平衡调制器构成的混频器，而在一般接收机（例如广播收音机）中，为了简化电路，还是采用简单的三极管混频器。本实验采用集成模拟乘法器作混频电路实验。为了实现混频功能，混频器件必须工作在非线性状态，而作用在混频器上的除了输入信号电压uS和本振电压uL外，不可避免地还存在干扰和噪声。它们之间任意两者都有可能产生组合频率，这些组合信号频率如果等于或接近中频，将与输入信号一起通过中频放大器、解调器，对输出级产生干涉，影响输入信号的接收。干扰是由于混频不满足线性

25、时变工作条件而形成的，因此不可避免地会产生干扰，其中影响最大的是中频干扰和镜象干扰。（二）集成模拟乘法器的混频电路两信号相乘可以得到其和，差频分量，因此两信号相乘实现混频是最直观的方法。设调制波信号为，本振信号为，其乘积为产生的两个新变频信号、，分别称为上变频信号和下变频信号，波形示意图和频谱图如图2-2所示。图2-2 混频器输入输出波形和频谱图集成模拟乘法器是完成两个模拟量（电压或电流）相乘的电子器件。高频电子线路中的振幅调制、同步检波、混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程，均可视为两个信号相乘或包含相乘的过程。采用集成模拟乘法器实现上述功能比采用分立器件要简单得多，而且性能优越。在无线

26、通信、广播电视等方面有广泛地应用。集成模拟乘法器的常见产品有MC1495/1496、LM1595/1596等。（三） MC1496应用介绍1内部电路介绍 MC1496是双平衡四象限模拟乘法器，其内部电路如图2-3所示。其中，T1、T2与T3、T4组成双差分放大器，集成极负载电阻是RC1、RC2。T5、T6组成的单差分放大器用于激励T1T4。T7、T8及其偏置电路构成恒流源电路。引脚与接输入电压，和接另一输入电压，输出电压从引脚与输出。引脚与外接电阻RE，对差分放大器T5、T6产生电流负反馈，可调节乘法器的信号增益，扩展输入电压的线性动态范围。引脚为负电源端（双电源供电时），引脚外接电阻R5，用

27、来调节偏置电流I5及镜像电流I0的值。 图2-3 MC1496的内部电路及引脚图 2静态工作点设置（1） 静态偏置电压的设置应保证各个晶体管工作在放大状态，即晶体管的集-基极间的电压应大于或等于2V,小于或等于最大允许工作电压。对于图2-3所示的内部电路，在应用时，静态偏置电压应满足下列关系： （2-1） （2-2） (2)静态偏置电流的确定静态偏置电流主要由恒流源I0的值来确定。当器件为单电源工作时，引脚接地，脚通过一电阻R5接正电源+VCC(+VCC的典型值为+12V)，由于I0是I5的镜像电流，所以改变电阻R5可以调节I0的大小，即 静态偏置电流当器件为双电源工作时，引脚接负电源-VEE

28、（一般接-8V），脚通过电阻R5接地，因此，改变R5也可以调节I0的大小，即 根据MC1496的性能参数，器件的静态电流应小于4mA，一般取 左右。 器件的总耗散功率可由下式估算： （2-3） PD应小于器件的最大允许耗散功率（33mW）。3.实验电原理图分析MC1496构成的集成乘法器混频电路如图2-4所示。其中，本振信号(16.455MHz)经高频耦合电容C1从脚（TP1端）输入，C8为高频旁路电容，使脚交流接地。调制信号(10MHz)经低频耦合电容C2从脚（TP2端）输入，C4为低频旁路电容，使脚交流接地。混频信号(6.455MHz)从脚单端(TP3)输出。采用双电源供电方式，所以脚的偏

29、置电阻接地，可计算静态偏置电流I5或I0，即 mA。脚与间可接入负反馈电阻以扩展调制信号的线性动态范围，反馈电阻增大，线性范围增大，但乘法器的增益随之减小。实际电路脚与短接。L803,C4,C5为中频选频回路，调谐在6.455MHz。图2-4 集成乘法器混频电原理图2.3 实验步骤1中频LC滤波器的调整扫频输出衰减10db，Y衰减10，调节Y增幅至适当幅度，扫频输出接LC型带通滤波器的输入端（TP3），检波探头接至输出端（TP4），调整电感线圈L803的磁芯，使6.455MHz出现峰值，并记录之。2中频频率的观测将LC与晶体振荡器实验（OSC）振荡输出信号16.455MHz作为本实验的本振信号

30、输入乘法器的一个输入端（TP1），乘法器的另一个输入端（TP2载波输入）接高频信号发生器的输出（10MHz，0.4VP-P的载波）。在输出端（TP4）观测输出的中频信号，并记录之。3镜象干涉频率的观测在双踪同时观测载波-中频后，缓慢将高频信号发生器的输出频率从10MHz调至22.91MHz，再次观测载波-中频，记录之，并验证下列关系：f镜象f载波=2 f中频2.4 实验仿真1.总电路图：图2-52. 中频LC滤波器的调整图2-63.中频频率的观测图2-74. 镜象干涉频率的观测图2-83 PCB制作 HDB3译码 HDB33 用Protel绘制HDB33的PCB电路从HDB3编码原理可知信码的

31、V脉冲总是与前一个非零脉冲同极性。因此，在接收到的脉冲序列中可以很容易辨认破坏点V，于是断定V符号及前面三个符号必是连“0”符号，从而恢复四个连“0”码，即可以得到原信息码。HDB3译码的电原理框图如图3-1所示。图3-1 HDB3码译码原理框图PCB原理图:图3-3 HDB3码译码原理图图3-4 HDB3码译码PCB图4 总结通过本周的课程设计，我认识到课本上的知识的实际应用，激发了学习兴趣，增强了思考和解决实际问题的能力。课程设计，使我学会了充分利用图书馆资源和网络资源进行自主学习研究。这让我明白了阅读查找文献的重要性，平时多积累知识，真正到了用的时候，做题才会得心应手。通过本次课程设计学

32、习掌握了Multisim，Protel99Se，EWB的使用,对THEX-1型综合实验平台的使用，较深入了解通信电路的原理握通信电路的测试方法和设计实验的方法；进一步理解并夯实了自己的理论知识。对电路测试模块进一步理解。当然在这一星期里，在实习中常遇到一些自己不明白的问题，通过和同学的交流和向其他人请教来解决。另外，在和别人交流的同时我们可以获得不同的想法，不断地完善自己的设计。通过一周的课程设计，自己掌握了丰富的科学文化知识，提高了自己的思考能力。更加的熟悉了专业方面的知识，这次课程设计是我受益匪浅！5 参考文献1电子线路设计实验测试 第三版，谢自美主编，华中科技大学出版社2高频电子线路第三版，张肃文主编，高等教育出版社3 阎石.数字电子技术基础（第4版）.高等教育出版社.2001年4 Protel 99 SE 印刷电路板设计教程.肖玲妮编 清华大学出版社，20035夏路易 石宗义 电路原理图与电路板设计教程 北京希望电子出版社6胡烨 姚鹏翼 江思敏 电路设计与仿真教程 机械工业出版社