正版新书]电子系统综合设计——基于精选案例与实战指导陈小桥

第1章大学生科研项目
1.1基于Nios的航空相机姿态矫正系统
1.1.1系统总体方案
1.1.2姿态角的处理——Kalman滤波
1.1.3相机姿态调整
1.1.4小结
1.2火力发电厂锅炉内化学量分布式监测系统
1.2.1系统总体方案
1.2.2分布式前置工作站
1.2.3系统通信与布局
1.2.4系统软件设计
1.2.5系统测试
1.2.6小结
1.3锁相环调频发射接收系统
1.3.1系统硬件设计
1.3.2系统硬件测试
1.3.3小结
1.4天地波组网雷达信号处理系统
1.4.1海洋表面流场提取
1.4.2系统测试
1.4.3小结
1.5数字检流计
1.5.1系统总体方案
1.5.2系统硬件设计
1.5.3小结
1.6智能光伏供电与监测系统
1.6.1系统总体方案
1.6.2光伏供电系统
1.6.3监控系统
1.6.4光伏系统测试
1.6.5小结
1.7基于TFT-LCD的多路实时采集显示系统
1.7.1系统总体方案
1.7.2系统测试
1.7.3小结
1.8基于H.265/HEVC的视频质量参数评价
1.8.1H.265/HEVC算法
1.8.2客观视频质量评价方法
1.8.3序列编解码测试
1.8.4小结
第2章全国大学生电子设计竞赛
2.1可控增益射频宽带放大器
2.1.1系统总体方案
2.1.2理论分析
2.1.3系统电路设计
2.1.4系统程序设计
2.1.5系统测试
2.1.6总结
2.2多旋翼自主飞行器系统
2.2.1系统总体方案
2.2.2理论分析
2.2.3系统电路设计和控制方法
2.2.4系统程序设计
2.2.5系统测试
2.2.6总结
2.380~100MHz频谱分析仪
2.3.1系统总体方案
2.3.2理论分析
2.3.3系统电路设计
2.3.4系统程序设计
2.3.5系统测试
2.3.6总结
2.4双向DC-DC变换器
2.4.1系统总体方案
2.4.2理论分析
2.4.3系统电路设计
2.4.4系统程序设计
2.4.5系统测试
2.4.6总结
2.5数字频率计
2.5.1系统总体方案
2.5.2理论分析
2.5.3系统电路与程序设计
2.5.4系统测试
2.5.5总结
第3章本科生毕业设计优秀作品
3.1VHF航空波段接收机的研究
3.1.1系统总体方案及硬件设计
3.1.2系统测试
3.1.3小结
3.2浊度计的设计
3.2.1系统总体方案
3.2.2浊度计硬件设计
3.2.3浊度计软件设计
3.2.4数据标定及测量结果
3.2.5小结
3.3基于DDS的高频信号源设计
3.3.1基于FPGA的DDS设计
3.3.2DDS系统硬件设计
3.3.3系统实现与测试
3.3.4小结
3.4基于嵌入式双目视觉测距系统的研究
3.4.1系统总体方案
3.4.2双目视觉测距系统硬件设计
3.4.3基于嵌入式的图像预处理
3.4.4基于嵌入式的SAD算法
3.4.5小结
3.5嵌入式智能小车无线控制与视频传输系统设计
3.5.1系统总体方案
3.5.2智能小车硬件设计
3.5.3智能小车软件设计
3.5.4系统测试
3.5.5小结
第4章英特尔杯大学生电子设计竞赛和Altera杯大学生电子设计竞赛
4.1基于EMG信号控制的智能探险机器人
4.1.1系统总体方案
4.1.2Genius Arm硬件设计
4.1.3Genius Arm软件设计
4.1.4Genius Arm系统测试
4.1.5小结
4.2基于SOPC的智能辅助饮食系统设计
4.2.1系统总体方案
4.2.2图像撷取处理模块
4.2.3语音交互模块
4.2.4机械臂控制模块
4.2.5系统测试
4.2.6小结
4.3“凌动”的飞舞——室内飞行器定位与控制系统
4.3.1系统总体方案
4.3.2系统原理
4.3.3系统硬件设计
4.3.4系统软件设计
4.3.5系统测试
4.3.6小结
4.4知音识谱小琴手
4.4.1电子乐谱协议
4.4.2系统硬件设计
4.4.3系统软件设计
4.4.4系统测试
4.4.5小结
4.5反无人机侦察兵
4.5.1系统总体方案
4.5.2系统硬件设计
4.5.3系统软件设计
4.5.4系统测试
4.5.5小结
第5章全国电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛
5.1电子称的设计
5.1.1实验内容与任务
5.1.2实验过程及要求
5.1.3相关知识及背景
5.1.4教学目的
5.1.5实验教学与指导
5.1.6实验框图及方案
5.1.7实验报告要求
5.1.8考核要求与方法
5.1.9项目特色与创新
5.2加法器的设计与实现
5.2.1实验内容与任务
5.2.2实验过程及要求
5.2.3相关知识及背景
5.2.4教学目的
5.2.5实验教学与指导
5.2.6实验原理及方案
5.2.7实验报告要求
5.2.8考核要求与方法
5.2.9项目特色或创新
5.3嵌入式系统串口通信实验
5.3.1实验内容与任务
5.3.2实验过程及要求
5.3.3相关知识及背景
5.3.4教学目的
5.3.5实验教学与指导
5.3.6实验原理及方案
5.3.7实验报告要求
5.3.8考核要求与方法
5.3.9项目特色或创新
5.4数字调频收音机
5.4.1实验内容与任务
5.4.2实验过程及要求
5.4.3相关知识及背景
5.4.4教学目的
5.4.5实验教学与指导
5.4.6实验原理及方案
5.4.7实验报告要求
5.4.8考核要求与方法
5.4.9项目特色或创新
5.5射频收发系统
5.5.1实验内容与任务
5.5.2实验过程及要求
5.5.3相关知识及背景
5.5.4教学目的
5.5.5实验教学与指导
5.5.6实验原理及方案
5.5.7实验报告要求
5.5.8考核要求与方法
5.5.9项目特色或创新
参考文献

3.1VHF航空波段接收机的研究甚高频(VeryHighFrequency，VHF)是指电波频率在30~300MHz范围内的无线电波，在电台和电视台广播等领域有广泛的应用。VHF波段也用于航空和航海的沟通频道，并在国内外机场都有着广泛应用。民航客机进出场过程中和塔台的联系、塔台对场内飞机的调度、机场地勤人员与飞行员以及塔台的联系都通过这个频段的无线电波完成。因此，VHF航空波段接收机在协调机场各部门正常运行中发挥着不可或缺的作用，开发出灵敏度更高、选择性更好、噪声更小、性能更优异的航空波段接收机有着重要的意义和实用价值。
3.1.1系统总体方案及硬件设计由于超外差接收机有着优异的选择性、较好的灵敏度、较大的动态范围以及对镜像频率干扰的抑制，次航空波段接收机设计采用超外差结构，系统总体结构如图3.1所示。系统由天线、前端射频滤波器、混频器、检波模块、音频放大器和输出模块等基本模块构成。在实际的接收机设计过程中，通常还要加入低噪声放大器、中频滤波器、中频放大器以及自动增益控制(AutomaticGainControl，AGC)等模块，以提升无线接收机的性能以及可靠性。
图3.1系统总体结构1.射频前端滤波器滤波器主要分为有源滤波器和无源滤波器两大类。由于有源滤波器中运算放大器带宽的限制，在频率较高的甚高频波段，滤波器系统的Q值较低，达不到无线接收机系统所需要的滤波效果。而且，射频滤波器处于系统的第一级，对系统噪声影响很大，如果滤波器本身的噪声比较大，经过后续电路的一系列放大之后，噪声将变得更大，甚至掩盖实际需要接收的语音信号。因此，本航空波段接收机采用由L、C等无源器件构成的无源滤波器。
包括武汉天河机场在内的国内机场无线通信频率基本集中在118~138MHz，因此，接收机的前端滤波器必须完整覆盖这个波段。带通滤波器能够让指定范围内的频率信号通过并阻止其他频率的信号通过，多应用于音响装置以及无线收发装置中，以获得指定频段音频信号并滤除其他频段的杂波干扰。因此，接收机前端滤波器采用带通滤波器。
1)滤波器参数带通滤波器存在上限频率fH，下限频率fL以及通带带宽BW。位于下限频率fL和上限频率fH之间的频率的信号可以通过，其他频率信号会因受到极大衰减而不能通过电路。无源带通滤波器只由无源器件L、C等器件构成。带阻滤波器的中心频率f0、上限频率fH、下限频率fL以及阻带带宽BW的关系如式(31)和式(32)所示，其中Q为滤波器的品质因数，阻带带宽越窄的滤波器，品质因数越高。
Q=f0BW=f0fH-fL(31)f0=fH×fL(32)一个理想的带通滤波器通带边缘是垂直的，通带顶端是一条平坦的直线，而且在通带内信号没有衰减，在通带外信号增益为0，上限频率为fH，下限频率为fL。但是实际应用中不存在理想的带通滤波器，通带边缘并不是垂直下降的，而是有一个缓慢下降的过程，这个现象通常被称为滤波器的滚降现象，一般用10倍频的衰减幅度dB数来表示。一般情况下取3dB衰减点对应的两个频率FL与FH为带通滤波器实际的上限频率和下限频率。通常在设计带通滤波器时，应尽量保证通带边缘下降得越快越好。此外，实际滤波器的通带顶部并不平坦，通带顶部会有波纹出线，这种现象被称为吉布斯现象。为降低该现象的影响，应保证带通滤波器通带顶部的平稳度，通带顶部越平整，整个滤波器的效果就越好。理想带通滤波器(实线)与实际带通滤波器(虚线)的参数对比如图3.2所示。
图3.2理想带通滤波器与实际带通滤波器参数考虑到带通滤波器的滚降效应，接收机前端滤波器的带宽要略大于118MHz和138MHz这两个频率的差值。对比国内机场无线通信采用的频率，同时为了方便最终的系统测试和调试，频率应包含部分调频广播频段，或者下限频率尽量接近调频广播频段，最终无线接收机系统的前端滤波器下限频率fL=110MHz，上限频率fH=150MHz，通带带宽BW=40MHz，由式(32)可得，系统前端滤波器中心频率f0=128.5MHz。经过实验验证，这一组上下限频率以及带宽选取适当，可以很好地覆盖VHF航空接收机所需要接收的信号频段，基本上保证了系统的可行性与可靠性，为最终完成一个性能优良的航空波段接收机提供了最基础的保障。
2)滤波器电路滤波器电路如图3.3所示，是一个五阶巴特沃斯带通滤波器，中心频率f0为128MHz，通频带带宽为40MHz。
图3.3滤波器电路在PCB制作时，预留了两个滤波器通道。其中一个是由贴片电感电容构成的滤波器，另一个是由空心绕线电感构成的滤波器，以便在实际应用中比较两者的差别。
绕线电感制作过程中，通过精密LCR测量仪(安捷伦E4980A)测试多个绕制的空心电感，并与理论值进行比较，计算误差。空心绕线电感测试结果如表3.1所示。本电感绕制方式产生的误差在合理范围内，尤其是在电感值较小的情况下，也得到了比较精确的所需电感值的绕线电感。因此，通过此方式绕制的电感可以应用于本接收机设计的前端滤波器中。
表3.1空心绕线电感测试结果nH编号理论值实测值误差1100106623002919311.010.0141010.10.1