国家电工电子实验教学中心 电子系统课程设计 设计报告
10Hz时钟1数字发报键D120预置输入计数器地址信号D2低通/带通滤波器音频功率放大电路ID发送键方案二：
利用单片机与按键外设，通过编程实现自动报文编码和方波输出，然后通过低通滤波器生成正弦波，经功率放大后由扬声器播放声音信号。方案原理图如图2-2。
1数字发报键 该方案中，编码信息的存储和调用、1kHz方波信号的生成均由单片机及其内部程序完成。因此，该方案优点是：集成度较高，电路构成简单，单片机部分仅需要最小系统与按键外设即可，系统调试灵活方便。缺点是：一，单片机负载能力较差，与下级滤波电路连接时，需要考虑驱动问题；二，单片机输出方波频率受晶振频率和软件程序影响，频率稳定性较差。 2. 收报机设计方案
根据对设计任务的分析，收报机设计方案原理图如图2-3所示，
收报指示灯 该方案中，麦克风用于接收发报机发送的声音信号，信号经过前置放大器放大后，
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...2ID发送键1kHz脉冲振荡器
图2-1 发报机方案一原理图
...0单片机低通/带通滤波器音频功率放大电路
图2-2 发报机方案二原理图
前置放大器锁相环音频解调电路单片机收报解码显示图2-3 收报机原理图
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传送至锁相环音频解调电路，当收到的声音信号且频率为1kHz时，锁相环电路输出电平由高变为低，同时收报指示灯点亮，同时，该电平信号传送给单片机I/O引脚，单片机利用定时器记录每次到达的声音信号的时长，并通过程序解码翻译出相对应的报文，然后通过数码管进行收报显示。
2.3 系统结构设计
1. 发报机结构设计
根据上一节中所给出的两种发报机设计方案，经过综合考虑，方案二电路结构简单，调试方便的特点使其更容易实现，因此，选定方案二为最终方案。
下面根据发报机设计方案的原理图（图2-2），具体介绍发报机的各个模块： （1） 单片机自动编码模块
该模块由单片机最小系统和按键外设构成，其中最重要的部分为自动编码程序，程序设计流程图如图2-4所示：
开始手动发报键是否按下？NYN输出1kHz方波ID发送键是否按下？Y发送8位连续编码Y序列数/英转换键是否按下？Y扫描按键，发送字母编码N扫描按键，发送数字编码结束 图2-4 发报机自动编码程序流程图
（2） 滤波电路设计
单片机可以通过程序控制，使其I/O引脚输出1kHz方波信号，通过（式2-1）可知，方波信号的傅里叶级数展开只包含基波和奇次谐波分量。因此，要得到1kHz的正弦波信号，滤波器应能保留1kHz基频分量，并将三倍频及以上频率的分量滤除。所以，滤波器类型应为低通型滤波器，设计指标为：通带截频?c>1kHz，阻带截频?s<3kHz，通带增益1dB，阻带衰减40dB。
根据以上设计指标，利用FilterPro Desktop软件，设计了如图2-5的Sallen Key结构的四阶切比雪夫型低通有源滤波器：
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图2-5 低通滤波器原理图
该滤波器理想频率响应如图2-6
图2-6 低通滤波器频率响应
从频率响应曲线可以看出，其1kHz增益为-0.421dB，-3dB截频为1.35kHz，3kHz衰减为-38.5dB，指标符合设计要求。
其中值得注意的是，设计任务要求发报机为单电源供电，因此，选择的运放应支持单电源供电，如LM324。 （3） 功率放大电路设计
经滤波器输出的正弦信号功率较小，不足以推动规格为8Ω，0.5W的扬声器发出足够大的声音，因此需要进行功率放大。
功率放大电路常采用LM386芯片实现，其具有自身功耗低，增益可调，电源电压范围大，外界元件少很总谐波失真小等优点。
LM386实现功率放大的原理是通过其内部的差分放大电路和多级放大电路放大电流及电压信号，其内部会有直流偏执来提供静态工作点。因此，输入LM386的信号中不应含有直流偏执，以免造成输出信号的失真。 2. 收报机结构设计
根据收报机设计方案的原理图（图2-3），具体介绍收报机的各个模块： （1） 麦克风及前置放大电路
常用驻极体麦克风在+5V单电源供电的条件下，输出电压幅度主要与几点因素有关：一是声音强度、二是麦克风与音源的距离，（以上两点均在信噪比较大的情况下成立），其输出电压峰峰值大于在5mV~30mV之间变化。LM567的最小分辨输入电压为20mVrms，因此前置放大电路电压增益范围应为100倍左右，效果较为理想。 （2） 锁相环音频解调电路
锁相环模块最重要的组成部分是LM567，LM567为锁相环音频译码电路、即只有当输入信号的频率和电路自身的振荡频率相一致时，电路输出低电平，否则输出高电平
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LM567为锁相环音频译码电路。它在电路中的功用是作选频用，即只有当输入信号的频率和电路自身的振荡频率相一致时，电路输出低电平，否则输出高电平。 （3） 收报解码显示模块
该模块功能主要利用单片机和数码管实现。当音频解调电路确认接收到的声音信号为1kHz时，LM567输出为高电平，利用单片机的I/O引脚读取该电平变化的信息，通过其内部的计时器，即可计算出声音信号的持续时间，从而实现解码功能。 收报机解码功能实现的程序框图如图2-7所示：
开始是否有信号输入？NY打开计时器开始计时信号是否结束？NY关闭定时器，并将信号时长记录在数组b[i]中i=5？YN7个单位时间内是否有信号输入？N将数组b的每一位与阈值对比，超过阈值为长音，否则为短音取数组b中的最长时间和最短时间计算阈值将数组b的每一位与阈值对比，超过阈值为长音，否则为短音数码管显示与该报文对应的字母数码管显示与该报文对应的数字结束
图2-7 解码显示功能程序框图
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2.4 具体电路设计
1. 发报机电路设计
（1）单片机自动编码模块电路设计
图2-8 单片机自动编码模块电路
自动编码模块电路主要由单片机最小系统和按键外设构成，电路图左侧0~9十个按键为自动编码按键，分别对应着数字0~9的电报编码；右侧LED1为“发报指示灯”，当有报文发送时，该指示灯亮起，否则熄灭；另外三个按键分别对应着手动发报键，一键ID发送及数字/字幕切换按键。 （2）低通滤波器电路设计
图2-9 低通滤波器电路
低通滤波器采用由LM324构成的有源低通滤波器，并采用Sallen Key结构，阶数为4，并采用单电源供电，具体参数由FilterPro Desktop软件设计生成。 （3）功率放大电路设计
功率放大电路采用LM386典型功率放大电路，1、8管脚悬空，使其增益为20倍。其中电源与地之间接有100nF电容，7管脚与地之间连接有一47nF电容，以减轻电源波动对功放电路的影响。 发报机完整电路见附录1。
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