電磁除鐵器的預(yù)設(shè)及電磁力場數(shù)據(jù)闡發(fā).doc

目錄摘要 11 引言32 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及方案32.1射頻識別的工作原理32.2射頻法設(shè)計(jì)思路42.3射頻法設(shè)計(jì)方案52.4整體的框圖設(shè)計(jì)53 單元電路設(shè)計(jì)53.1掃頻電路的設(shè)計(jì)63.2功率放大電路的設(shè)計(jì)73.3發(fā)射天線的設(shè)計(jì)113.4檢測電路的設(shè)計(jì)123.5單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)133.6報(bào)警電路的設(shè)計(jì)144 軟件設(shè)計(jì)155 系統(tǒng)調(diào)試155.1鎖相環(huán)的主要參數(shù)與測試方法155.2壓控振蕩器的控制特性曲線165.3 NE564的壓控掃頻調(diào)試176設(shè)計(jì)總結(jié)18參考文獻(xiàn) 19附錄 211 引言射頻識別（RFID）技術(shù)是一種無接觸自動(dòng)識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對靜止的或移動(dòng)中的待識別物品的自動(dòng)機(jī)器識別6。所涉及的關(guān)鍵技術(shù)大致包括：芯片技術(shù)、天線技術(shù)、無線收發(fā)技術(shù)、數(shù)據(jù)變換與編碼技術(shù)、電磁傳播特性。設(shè)計(jì)一個(gè)電子標(biāo)簽銷碼器。要求能識別電子標(biāo)簽，能對電子標(biāo)簽去活化處理，電子標(biāo)簽諧振頻率為8.2MHz10%。設(shè)計(jì)主要參數(shù)如下。 掃頻步進(jìn)：12.8kHz。 掃頻頻率：85Hz。 最大工作距離：45cm。 最大工作速度：30枚/秒。 額定功率：P10W。 輸入電源：220V20%（50Hz）。2 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及方案2.1 射頻識別的工作原理射頻識別系統(tǒng)一般由兩個(gè)部分組成，即電子標(biāo)簽和閱讀器。應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在待識別物上，閱讀器用于當(dāng)附著電子標(biāo)簽的待識別物品通過其讀出范圍時(shí)，自動(dòng)以無接觸的方式將電子標(biāo)簽中的約定識別信息取出，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識別物品或自動(dòng)收集物品標(biāo)識信息的功能6。 射頻識別系統(tǒng)的基本模型如圖2-1所示。圖2-1 射頻識別系統(tǒng)的基本模型 其中，電子標(biāo)簽又稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器、數(shù)據(jù)載體；閱讀器又稱為讀出裝置，掃描器、通訊器、讀寫器（取決于電子標(biāo)簽是否可以無線改寫數(shù)據(jù)）。電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合元件實(shí)現(xiàn)射頻信號的空間（無接觸）耦合、在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。 發(fā)生在閱讀器和電子標(biāo)簽之間的射頻信號的耦合類型有兩種。1 電感耦合：變壓器模型，通過空間高頻交變磁場實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。2 電磁反向散射耦合：雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。電感耦合方式一般適用于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有125kHz、225kHz和13.56MHz。識別作用距離小于1m，典型作用距離為10cm20cm。電磁反向散射耦合方式一般適用于高頻、微波工作的遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：433MHz，915MHz，2.45GHz，5.8GHz。識別作用距離大于1m，典型作用距離為3m10m。2.2射頻法設(shè)計(jì)思路1比特（bit）是可以表示的最小信號單位，且僅需識別兩種狀態(tài)：“1”或“0”。對具有1比特應(yīng)答器的系統(tǒng)來說，意味著只有兩種可表示狀態(tài)：“響應(yīng)范圍內(nèi)有應(yīng)答器”或者“響應(yīng)范圍內(nèi)無應(yīng)答器”。雖然功能簡單，但1比特應(yīng)答器的使用范圍還是非常廣泛的。他的主要應(yīng)用領(lǐng)域是在商場里的電子防盜器（EAS）。電子標(biāo)簽防盜器由以下幾部分構(gòu)成：一個(gè)“閱讀器”或檢測器的天線、安全保密設(shè)備或標(biāo)簽以及一種可選的在付款后使用標(biāo)簽的去活化器。對現(xiàn)代系統(tǒng)來說，商品的標(biāo)簽在起登錄價(jià)碼的同時(shí)就失效了。有一些系統(tǒng)還使用另一種活化器，用這種活化器可以將去活化后的標(biāo)簽重新活化成為可以再次使用的。所有系統(tǒng)的主要功能特性是：識別率或檢測率與通道寬度（應(yīng)答器和檢波器天線之間的最大距離）有關(guān)。在聯(lián)邦德國工程師協(xié)會(huì)規(guī)范VDI4470的“貨物安全系統(tǒng)規(guī)范”中，規(guī)定了對所安裝的貨物安全系統(tǒng)進(jìn)行檢查和測試的過程，該規(guī)范包含計(jì)算檢測率的錯(cuò)誤報(bào)警率的一些定義和測試過程。這個(gè)規(guī)范可以作為零售業(yè)中簽訂銷售合同的基礎(chǔ)，或用于對安裝的系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的性能監(jiān)視。對廠商來說，顧客檢查規(guī)范為安全項(xiàng)目的綜合解決方案的優(yōu)化和發(fā)展提供了有效的評價(jià)基準(zhǔn)nach VDI4470。 射頻（RF）法是運(yùn)用L-C振蕩回路工作的。該振蕩回路調(diào)到一個(gè)規(guī)定的諧振頻率fH。早期的方案是用焊接在塑料殼（硬標(biāo)簽）中的電容和卷繞的漆包線電感?，F(xiàn)代系統(tǒng)中采用在商品名牌薄膜的導(dǎo)體上蝕刻應(yīng)答器線圈的方法。為了使阻尼電阻不因過大而使諧振回路的品質(zhì)因數(shù)變差，在25m厚的聚乙烯薄膜上的鋁導(dǎo)體厚度必須小于50m。生產(chǎn)電容器片必須使用10m厚的中間薄膜。如果人們將振蕩回路移入到交變磁場附近，那么，能量便通過振蕩回路的線圈感應(yīng)出交變磁場能量（感應(yīng)定律）。如果交變磁場的頻率fG與振蕩回路的諧振頻率fH相吻合，振蕩回路就激發(fā)了諧振振蕩。此振蕩過程從交變磁場取得能量。因而，振蕩線圈上的振蕩過程，可以根據(jù)交變磁場中振蕩線圈的短時(shí)電壓變化或電流變化得到。這種線圈電流的短時(shí)上升（或者線圈電壓下降）被直觀地稱作降落（Dip）。這種Dip的相對強(qiáng)度取決于兩個(gè)線圈的距離，受激的振蕩回路（在應(yīng)答器里）的品質(zhì)因數(shù)。尤其是取決于兩個(gè)線圈接近的速度，就是說，應(yīng)答器的振蕩回路以怎樣的速度接近振蕩器的線圈，后者的磁場當(dāng)距離增加是減弱。對防盜設(shè)備（電子防盜器）來說，通過設(shè)備的結(jié)構(gòu)限定了兩個(gè)線圈的最大距離。同樣，使用的材料也決定了振蕩回路的品質(zhì)因數(shù)。設(shè)計(jì)者不能對進(jìn)入振蕩器的磁場的進(jìn)入速度V施加限制，只能考慮以無限小的速度接近振蕩回路時(shí)所產(chǎn)生的一個(gè)無限小的Dip。 為了保證可靠地識別粘帖在產(chǎn)品上的1比特應(yīng)答器振蕩回路，需要獲得一個(gè)盡可能明顯的Dip。這是通過一個(gè)小技巧來實(shí)現(xiàn)的：使產(chǎn)生的磁場的頻率不是恒定的，而是“掃頻”的。振蕩器頻率不斷掃過最大和最小頻率之間的范圍。8.2MHz10%的頻率范圍供“掃頻”系統(tǒng)使用。 如果掃頻的振蕩器頻率正好命中了（在應(yīng)答器里的震蕩回路）諧振頻率，則振蕩回路就開始起振，并由此在振蕩器線圈的電源電流中產(chǎn)生一個(gè)明顯的Dip。對掃頻系統(tǒng)來說，在應(yīng)答器的諧振頻率的位置上的Dip取決于掃頻速度（頻率變化速度），而不是應(yīng)答器的運(yùn)動(dòng)速度，并可調(diào)整最佳的識別率。應(yīng)答器的頻率容許偏差受制造容許偏差或金屬環(huán)境限制，但是，對識別的可靠性是沒有影響的。 如果在付款處不揭下標(biāo)簽，就必須改變標(biāo)簽以防止啟動(dòng)電子防盜器。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，收銀員收款后將被保護(hù)的產(chǎn)品放到一個(gè)裝置上，即去活化器。它產(chǎn)生一個(gè)足夠強(qiáng)的磁場，其感生電壓能破壞應(yīng)答器的薄膜電容。電容器設(shè)有固定的短路點(diǎn)，即所謂的淺凹（Dimples）。因?yàn)?，電容器的擊穿是不可逆轉(zhuǎn)的，并嚴(yán)重地壞了振蕩回路，以至于回路不再被掃描信號激活。 為了產(chǎn)生所需的交變磁場，應(yīng)該使用大面積的框形與普通閘門在一起，在較大的百貨商店可以看到這種結(jié)構(gòu)形式。使用射頻系統(tǒng)時(shí)閘門寬度可達(dá)2m。對相當(dāng)?shù)偷臋z出率（大約70%）來說，被檢商品材料有著相當(dāng)大的影響。例如金屬（如罐頭）影響標(biāo)簽的諧振頻率和檢波器線圈的耦合，從而降低了檢出率。為了達(dá)到以上所說的閘門寬度和檢出率，必須使用5050mm的標(biāo)簽。 對系統(tǒng)生產(chǎn)者的一個(gè)很大挑戰(zhàn)是：不僅有各種產(chǎn)品的材料性能問題，還有諧振頻率問題（例如電纜卷）。如果它們的諧振頻率正處于8.2MHz10%的掃頻范圍內(nèi)，那么比定引起錯(cuò)誤報(bào)警。2.3射頻法設(shè)計(jì)方案 采用NE564的信號調(diào)頻功能的掃頻電路如圖2-2所示。圖2-2 采用NE564的信號調(diào)頻功能的掃頻電路 高頻模擬鎖相環(huán)NE564的最高工作頻率可達(dá)到50MHz，采用+5V單電源特性，特別適用于高速數(shù)字通信中FM調(diào)頻信號及FSK移頻鍵控信號的調(diào)制，解調(diào)，無需外接復(fù)雜的濾波器。利用NE564的調(diào)頻功能，先讓其工作在一固定頻率，利用其調(diào)頻特性進(jìn)行頻率的掃描。通過輸入NE564的調(diào)制。2.4整體的框圖設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)方案，確定了整體的設(shè)計(jì)框圖，它由掃描頻率產(chǎn)生電路、功率放大電路、發(fā)射電路、檢測電路、單片機(jī)控制模塊、報(bào)警電路和穩(wěn)壓電源電路等7個(gè)模塊構(gòu)成，如圖2-3所示。圖2-3 系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)框圖3單元電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的單元電路包括掃描電路、功率放大電路、發(fā)射電路、檢測電路、單片機(jī)控制模塊、報(bào)警電路和穩(wěn)壓電源電路。3.1 掃頻電路的設(shè)計(jì)鎖相環(huán)路PPL(Phase Lock Loop)是一個(gè)能夠跟蹤信號相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它在無線電技術(shù)的許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。鎖相技術(shù)的主要應(yīng)用有調(diào)制、解調(diào)、頻率合成、數(shù)字通訊的同步系統(tǒng)、FM立體聲解碼等。鎖相環(huán)具有載波跟蹤特性，可作為一個(gè)窄帶跟蹤濾波器，提取淹沒在噪聲中的信號，可作為高頻穩(wěn)定的振蕩器，經(jīng)分頻提供一系列具有高穩(wěn)頻率的信號，還可以進(jìn)行高精度的相位與頻率測量等3。通用單片集成鎖相環(huán)路及多種專用集成鎖相環(huán)路的出現(xiàn)，使鎖相環(huán)路逐漸變成了一個(gè)成本低、使用簡便的多功能組件，為鎖相技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了條件?，F(xiàn)代電子技術(shù)中常常要求高精度和高穩(wěn)定的頻率，一般都用晶體振蕩器來實(shí)現(xiàn)。但是，晶體振蕩器的頻率單一，且其頻率只能在極小的范圍內(nèi)微調(diào)：LC振蕩器改變頻率方便，但頻率的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度又不夠高。目前很多通信設(shè)備都要求在一個(gè)寬的頻率范圍內(nèi)提供大量穩(wěn)定的頻率點(diǎn)，這就需要采用頻率合成技術(shù)。頻率合成器用于將一個(gè)高精度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)參考頻率 ，經(jīng)過混頻、倍頻與分頻等，最終產(chǎn)生大量具有同樣精確度和高穩(wěn)定度的頻率源。頻率合成的方法很多，一般分為直接合成法和間接合成法。其中利用鎖相環(huán)路的實(shí)現(xiàn)方法就是間接合成法。所謂的頻率合成技術(shù)，就是將一個(gè)高穩(wěn)定度和高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過加、減、乘、除的四則運(yùn)算方法，產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精度的大量離散頻率的技術(shù)。頻率合成器中的標(biāo)準(zhǔn)頻率是由一個(gè)高穩(wěn)定晶體振蕩器產(chǎn)生的，這個(gè)高穩(wěn)定晶體振蕩器常稱為頻率標(biāo)準(zhǔn)。由于頻率標(biāo)準(zhǔn)決定了整個(gè)合成器的頻率穩(wěn)定度，因此，應(yīng)盡可能地提高頻率標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定度和精確度。從頻率合成技術(shù)的發(fā)展過程來看，頻率合成的方法可以分為3種：直接合成法、鎖相環(huán)路法（也稱間接合成法）和直接數(shù)字合成法。相應(yīng)地，頻率 合成器可分為3種：直接式頻率合成器（DS）、鎖相式頻率合成器（PLL）和直接數(shù)字式合成器（DDS）。頻率合成器應(yīng)用廣泛，但在不同的使用場合，對它的要求則不完全相同。大體來說，有如下幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)。 頻率范圍。頻率范圍是指頻率合成器輸出最低頻率和輸出最高頻率之間的變化范圍。通常要求在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，在任何指定的頻率點(diǎn)上，頻率合成器都能工作，而且電性能都滿足質(zhì)量指標(biāo)要求。 頻率間隔。頻率合成器的輸出頻譜是不連續(xù)的。兩個(gè)相鄰頻率之間的間隔稱為頻率間隔，有稱為分辨力，用F表示。對于短波單邊帶通信來說，現(xiàn)在多取頻率間隔為100Hz，有的甚至取為10Hz或1Hz。對于超短波來說，頻率間隔多取為50Hz或10kHz。 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器由一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率，并達(dá)到穩(wěn)定工作時(shí)所需要的時(shí)間。它與采用的頻率合成方法有密切關(guān)系。對于直接式頻率合成器，轉(zhuǎn)換時(shí)間取決于信號通過窄帶濾波器所需要的建立時(shí)間；對于鎖相式頻率合成器，則取決于環(huán)路進(jìn)入鎖定所需要的暫態(tài)時(shí)間，即環(huán)路的捕捉時(shí)間。 頻率準(zhǔn)確度。頻率準(zhǔn)確度表示合成器輸出頻率偏離其標(biāo)準(zhǔn)值的程度。若設(shè)頻率合成器實(shí)際輸出頻率為fG，標(biāo)準(zhǔn)頻率為f，則頻率準(zhǔn)確度定義為： 應(yīng)指出，晶體振蕩器在長期工作時(shí)，振蕩頻率會(huì)發(fā)生漂移，不同時(shí)刻的準(zhǔn)確度則不同。因此，在描述頻率準(zhǔn)確度時(shí)，除應(yīng)指出其大小和正負(fù)外，還需要給出時(shí)間，說明是何時(shí)的準(zhǔn)確度。 頻率穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)頻率準(zhǔn)確度的變化。對頻率穩(wěn)定度的描述應(yīng)該引入時(shí)間概念，有長期、短期和瞬間穩(wěn)定度之分。長期穩(wěn)定度是指年或月范圍內(nèi)頻率準(zhǔn)確度的變化。短期穩(wěn)定度是指日或小時(shí)內(nèi)的頻率準(zhǔn)確度的變化。瞬時(shí)穩(wěn)定度是指秒或毫秒內(nèi)的隨機(jī)頻率準(zhǔn)確度的變化，即頻率的瞬間無規(guī)則變化。 頻譜純度。頻譜純度是衡量頻率合成器輸出信號質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。若用頻譜分析儀觀察頻率合成器的輸出頻頻，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在主信號兩邊出現(xiàn)了一些附加成分，除了有用頻率外，其附近尚存在各種周期性干擾與隨機(jī)干擾，以及有用信號的各次諧波成分。這里，周期性干擾多數(shù)來源于混頻器的高次組合頻率，它們以某種頻差的形式，成對的分布在有用信號的兩邊。而隨機(jī)干擾，則是由設(shè)備內(nèi)部各種不規(guī)則的電擾動(dòng)所產(chǎn)生的，并以相位噪聲的形式分布與有用頻譜的兩側(cè)。理想的頻率合成器輸出頻譜應(yīng)該是純凈的，即只有f0處的一條譜線。本次設(shè)計(jì)的發(fā)射頻率以8.2MHz為中心頻率，左右頻偏10%，且通過掃頻方式（85Hz掃頻），步進(jìn)128 步來完成7.38MHz9.02MHz的頻率產(chǎn)生。在設(shè)計(jì)當(dāng)中通過利用調(diào)制解調(diào)中調(diào)頻的原理，通過電壓產(chǎn)生頻率即V/F變換。在此采用NE564的調(diào)頻電路（見圖3-1和3-2），從放大器LM324輸入（Vi-o）步進(jìn)電壓從而產(chǎn)生所需要的步進(jìn)頻率輸出（WAVE）。由單片機(jī)控制D/A產(chǎn)生輸出步進(jìn)電流，經(jīng)過LM324將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，同基準(zhǔn)電壓相加輸出Vi-o。圖3-1 單片機(jī)控制D/A產(chǎn)生壓控所用的電壓電路圖3-2 壓控使鎖相環(huán)產(chǎn)生所需頻率電路3.2 功率放大電路的設(shè)計(jì) 利用寬帶變壓器耦合回路的功率放大器稱為寬帶功率放大器。常見寬帶變壓器有用高頻磁芯繞制的高頻變壓器和傳輸線變壓器。寬帶功率放大器不需要調(diào)諧回路，可在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得線形放大。但功率較低，一般只有20%左右。它通常作為發(fā)射機(jī)的中間級，以提供較大的激勵(lì)功率2。圖3-3為所設(shè)計(jì)的寬帶功率放大器，用來放大頻率信號?，F(xiàn)將設(shè)計(jì)寬帶功率放大器的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)描述如下。1. 靜態(tài)工作點(diǎn)功放主要技術(shù)指標(biāo)的測量電路如圖3-4所示。圖3-3 寬帶功率放大器圖3-4 功放主要技術(shù)指標(biāo)的測量電路晶體管Q1組成的寬帶功率放大器工作在甲類狀態(tài)。其中RB1、RB2為基極偏置電阻，RE1為直流負(fù)反饋電阻，以穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。RF為交流負(fù)反饋電阻，可以提高放大器的輸入阻抗，穩(wěn)定增益。電路的靜態(tài)工作點(diǎn)由下列關(guān)系式確定：式中，RF一般為幾歐姆至幾十歐姆。2. 高頻變壓器參數(shù)設(shè)計(jì)圖3-3中磁環(huán)耦合由高頻變壓器完成。變壓器仍然是應(yīng)用變壓器原理，依靠磁心的公共磁通將初級線圈的能量傳輸?shù)酱渭壘€圈。線圈漏感和分布電容的影響限制了它的高頻特性。這種寬帶變頻器一般用在短波段。由變壓器原理可得，寬帶功率放大器集電極的輸出功率PC為：式中PH為輸出負(fù)載上的實(shí)際功率；T為變壓器的傳輸功率，一般T = 0.750.85。為獲得最大不失真輸出功率，靜態(tài)工作點(diǎn)Q應(yīng)選在交流負(fù)載線AB的中點(diǎn)集電極的輸出功率PC的表達(dá)式為：式中RH為集電極等效電阻；VCM為集電極交流電壓的振幅，其表達(dá)式為：式中VSES稱為飽和壓降，約1V。ICM為集電極交流電流的振幅，其表達(dá)式為：如果變壓器的初級線圈匝數(shù)為N1，次級線圈的匝數(shù)為N2，則： 式中RH為變壓器次級接入的負(fù)載電阻，即下級功放的輸入阻抗|Zi|。 3. 功率增益計(jì)算 與電壓放大器不同的是，功放應(yīng)有一定的功率增益，寬帶功放要為下一級功放提供一定的激勵(lì)功率，必須將前級輸入的信號進(jìn)行功率放大，功率增益為：式中Pi為功放的輸入功率，它與功放的輸入電壓Vim及輸入電阻Ri的關(guān)系為：式中Ri又可表示為：式中hie為共發(fā)射極接法晶體管的輸入電阻，高頻工作時(shí)，可認(rèn)為它近似等于晶體管的基極電阻rbb；hfe為晶體管共射電流放大系數(shù)，即。4. 高頻變壓器的繞制高頻變壓器的磁芯應(yīng)采用鎳鋅（NXO）鐵氧體，而不能用硅鋼片貼芯，因硅鋼片在高頻工作時(shí)鐵損耗過大。NXO-100環(huán)行鐵氧體作高頻變壓器鐵芯時(shí)，工作頻率可達(dá)十幾兆赫。其結(jié)構(gòu)尺寸為外徑內(nèi)徑高度，電感量L由下式計(jì)算：式中為磁導(dǎo)率，單位H/m；N為線圈匝數(shù)；A為磁芯截面積（單位cm2);1為平均磁路長度（單位cm）。若選尺寸為10mm6mm5mm的NXO-100鐵氧體磁芯（=100H/m），可求出A=10mm2,1=10mm。則電感L、線圈匝數(shù)N的值可由上面的電感量公式確定。繞制高頻變壓器的漆包線一般選用線徑為0.31mm的漆包線。為減小線圈漏感與分布電容的影響，匝數(shù)應(yīng)盡可能少，匝間距離應(yīng)盡可能大。5.放大器選擇在功率放大電路中廣泛采用VMOS器件，VMOS器件較之晶體管有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）VMOS管為壓控電流源，工作是不需要靜態(tài)電流，故耗散功率大大降低。（2）VMOS器件的工作電流可以做到很大，可達(dá)數(shù)十安。（3）VMOS器件沒有二次擊穿現(xiàn)象，工作的安全性大大提高。（4）VMOS器件的驅(qū)動(dòng)電路異常簡單，可由單片機(jī)，TTL電路，CMOS電路直接驅(qū)動(dòng)，而且開關(guān)特性好，工作頻率可達(dá)幾百兆赫。故本設(shè)計(jì)采用了VNOS器件作為功放電路。6.主要技術(shù)指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)測試方法（1）輸出功率高頻功放的輸出功率是指放大器的負(fù)載RL上得到的最大不失真功率。在圖3-4所示電路中，由于負(fù)載RL與丙類功放的諧振回路之間采用變壓器耦合方式，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，則集電極回路的諧振阻抗R0上的功率等于負(fù)載RL上的功率，所以將集電極的輸出功率視為高頻功放的輸出功率，即：測量功放主要技術(shù)指標(biāo)的電路見圖3-4，其中高頻信號發(fā)生器提供激勵(lì)信號電壓與諧振頻率，示波器監(jiān)測波形失真，由直流毫安表的指針來判斷集電極回路是否諧振，即電壓表的指示為最大值、毫安表的指示為最小值時(shí)集電極回路處于諧振（或用掃頻儀測量）。放大器的輸出功率可以由下式計(jì)算：式中VL為高頻電壓表的測量值。（2）效率功放的能量轉(zhuǎn)換效率只要由集電極的效率所決定。所以常將集電極的效率視為高頻功放的效率，用表示，即：如圖3-3所示的電路可以用來測量功放的效率。集電極回路諧振時(shí)，的值由下式計(jì)算：式中VL為高頻電壓表的測量值；IC0為直流毫安表的測量值。（3）功率增益功放的輸出功率P0與輸入功率Pi之比稱為功率增益，用AP（單位dB）表示。3.3 發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 1.天線在無線電工程中的作用 一切無線電通信、廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航等工程系統(tǒng)都是利用無線電波來進(jìn)行工作的。而無線電波的發(fā)射和接收，則依靠天線來完成，天線是無線電波的出口與入口。發(fā)射機(jī)末級回路的高頻電流經(jīng)過饋線送到發(fā)射天線，發(fā)射天線的作用是將高頻電流變換成電磁波，向規(guī)定的方向發(fā)射出去。反之，接收天線的作用是將來自一定方向的無線電波還原為高頻電流。類似電機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的關(guān)系：前者是在高頻電流和電磁波之間變換，而后者是在機(jī)械能和電能之間變換。這種關(guān)系暗示著一種相互的可逆性，即從理論上說，發(fā)射天線可以當(dāng)作接收天線使用，接收天線也可以當(dāng)作發(fā)射天線使用。同樣一副天線，無論是作為發(fā)射或接收，天線的基本特性參量保持不變1。 2.天線的分類 為了適應(yīng)各種不用用途的要求，設(shè)計(jì)了各種形式的天線。對于這些天線的分類，也有各種不同的方法?？梢园垂ぷ餍再|(zhì)分為接收天線與發(fā)射天線兩大類。也可以按用途分為通信天線、廣播天線、雷達(dá)天線等等。按波長來劃分，即將各種形式的天線使用的波長歸納為長波天線、中波天線、短波天線。目前絕大多數(shù)都采用按天線原理來劃分的方法，即把天線分為線天線與口徑天線兩大類。 3.天線的主要特性參量 天線的理論主要有輻射理論、阻抗理論與接收理論。輻射理論研究天線的電流分布、輻射強(qiáng)度、輻射效率等等。阻抗理論研究天線的輸入阻抗，使饋電系統(tǒng)取得匹配。接收理論研究天線接收外來電磁波的能力，無線上感應(yīng)的電壓等等。根據(jù)這些理論就可以確定某一副天線用作發(fā)射或接收的特性。工程上采用一些特性參量來表征這些特性，它們是方向圖、主瓣寬度、副瓣寬度、方向性系數(shù)、增益、輸入阻抗、頻帶寬度、有效面積等等。 設(shè)計(jì)良好的天線可以使上述能量的變換達(dá)到最佳效果。對于發(fā)射天線來說，可以用最小的電能在規(guī)定的方向產(chǎn)生足夠的電磁波強(qiáng)度，同時(shí)盡量減小它對其他方向產(chǎn)生不必要干擾；對于接收天線來說，可以從外來的電磁波獲得盡可能大的功率，同時(shí)不會(huì)受到其他電臺(tái)的干擾。例如：對于點(diǎn)對點(diǎn)之間的通信，如果裝置了定向發(fā)射天線，使電磁波能量集中向一個(gè)輻射，則對發(fā)射機(jī)的輸出功率就可以要求小些。反之，如果不裝置定向發(fā)射天線，或是設(shè)計(jì)的天線錯(cuò)誤，則電磁波的輻射效率很低，雖然采用了很大功率的發(fā)射機(jī)，在接收點(diǎn)仍得不到足夠的場強(qiáng)。所以天線的設(shè)計(jì)是否合理，對整個(gè)工程系統(tǒng)的質(zhì)量有很大的影響，天線設(shè)計(jì)不好，甚至可以破壞整個(gè)系統(tǒng)的工作。 圖3-5為所設(shè)計(jì)的發(fā)射電路。圖3-5 發(fā)射電路3.4 檢測電路的設(shè)計(jì) 前面提到：當(dāng)標(biāo)簽諧振時(shí)，天線上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)Dip點(diǎn)。而Dip點(diǎn)的頻率也就是掃頻頻率（85Hz）。所以檢測電路的任務(wù)就是在天線中的眾多頻率中檢測出這一特殊頻率，并且獎(jiǎng)旗轉(zhuǎn)換成單片機(jī)的外部中斷電平。但在工程中，對于Dip點(diǎn)的檢測并不容易實(shí)現(xiàn)，所以我們采用的方法是檢測電子標(biāo)簽產(chǎn)生諧振時(shí)發(fā)射產(chǎn)生的二諧波5。 如將一個(gè)應(yīng)答器放入具有能使其產(chǎn)生諧振（8.2MHz頻率）的范圍內(nèi)，在應(yīng)答器產(chǎn)生諧振時(shí)，它的特性曲線上產(chǎn)生的二次諧波方向發(fā)射，并被接收器檢測到，用第二次諧波頻率產(chǎn)生的信號能使報(bào)警設(shè)備啟動(dòng)。 如果對載波的振幅或頻率進(jìn)行調(diào)制，那么所有的諧波也都有著相同的調(diào)制。由此有用于區(qū)別“干擾”信號和“有用”信號，以防止由于外來信號造成的錯(cuò)誤報(bào)警。 檢測電路主要由接收天線、帶通濾波電路、放大電路、電平轉(zhuǎn)換電路組成，如圖3-6和3-7所示。 接收天線用于接收高次諧波；帶通濾波電路用來取出二次諧波分量；電瓶轉(zhuǎn)換電路用來盡可能把交流分量轉(zhuǎn)換為直流分量，用于產(chǎn)生一個(gè)外部中斷送至單片機(jī)。在系統(tǒng)檢測時(shí)，單片機(jī)會(huì)產(chǎn)生一組控制信號控制HC4066的“SW0”和“SW1”接口來關(guān)斷發(fā)射電路和打開檢測電路。檢測信號由Fi0和Fi1傳遞過來，通過IN4148限幅和OP37組成的二階帶通濾波器，輸出帶寬在14MHz18MHz之間的二次諧波分量。諧振時(shí)反饋的檢測信號相當(dāng)微弱，且?guī)V波后輸出二次諧波，信號遷都更加微弱，信號的頻譜范圍廣，在對信號進(jìn)行放大時(shí)，進(jìn)行常規(guī)放大比較困難，在此通過OP37輸出信號加栽入由晶體管2N2218同電感、電容組成的多級雙調(diào)諧諧振回路放大器中，將其放大，輸出所需的諧波分量，再經(jīng)過LM324組成的削波整形電路，輸出直流電壓，控制單片機(jī)產(chǎn)生檢測中斷。圖3-6 接收和帶通濾波電路圖3-7 放大和電平轉(zhuǎn)換電路3.5 單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì) 單片機(jī)是本次設(shè)計(jì)的核心控制模塊，見圖3-8。圖3-8 單片機(jī)控制模塊 本次設(shè)計(jì)由于控制部分少，數(shù)據(jù)傳輸量不高，故采用89C2051，此系統(tǒng)主要起控制發(fā)射和檢測作用。 在單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部采用定時(shí)器T0的定時(shí)中斷來控制模擬開關(guān)HC4066（發(fā)射和檢測的控制）和給ADC0832賦值，輸出步進(jìn)電壓用以產(chǎn)生步進(jìn)頻率；一旦系統(tǒng)檢測到報(bào)警物的存在，通過INT0給單片機(jī)以中斷，單片機(jī)系統(tǒng)此時(shí)控制P3.0，打開功率管Q2，加大發(fā)射功率擊穿標(biāo)簽，并打開P3.7，控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警47。3.6 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 報(bào)警電路如圖3-9所示。圖3-9 報(bào)警電路通過將蜂鳴器連接到三極管9018的集電極，一旦有被檢測物體進(jìn)入，單片機(jī)打開SP控制口，打開三極管，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。4 軟件設(shè)計(jì)圖4-1 主程序流程圖程序見附錄。5 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容包含：鎖相環(huán)的主要參數(shù)測試、壓控振蕩器的控制特性曲線測試和NE564壓控掃頻調(diào)試。5.1 鎖相環(huán)的主要參數(shù)與測試方法 1.捕捉帶fV 捕捉帶是指所鎖相環(huán)處于一定的固有振蕩fv，并當(dāng)輸入信號的頻率fi偏離fv上限值fimax或下限值fimin時(shí)，環(huán)路還能進(jìn)入鎖定，則稱fimax-fimin=fv為捕捉帶。 2.同步帶fl 同步帶是指從PLL鎖定開始，改變輸入信號的頻率fi（向高或向低兩個(gè)方向變化），直到PPL失鎖（由鎖定到失鎖），這段頻率范圍稱為同步帶。捕捉帶fv與同步帶fl的測試量示意圖如圖5-1所示。 圖5-1 捕捉帶fv與同步帶fl的測試量示意圖 測試步驟如下。 （1）將開關(guān)S置于0處，這時(shí)頻率計(jì)應(yīng)顯示VCO的固有頻率fv的值。 （2）將開關(guān)S置于1處，設(shè)信號源的輸出電壓Vi=200mV，選擇合適的頻率fi(fi fv)值，觀察VCO的輸出fv是否變?yōu)閒i，如果fv=fi，則說明環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。在繼續(xù)增高fi直到環(huán)路剛剛失鎖時(shí)為止，記下此時(shí)的頻率fi1的值，如圖4-2中的所示。 （3）再減小fi直到環(huán)路剛剛鎖定為止，記下此時(shí)的頻率fi2的值（fv=fi2），如圖4-2中所示。 （4）繼續(xù)減小fi直到環(huán)路再一次剛剛失鎖為止，記下此時(shí)的頻率fi3的值，如圖4-2中所示。 （5）在增高fi直到環(huán)路剛剛進(jìn)入鎖定狀態(tài)，記下此時(shí)的頻率fi4的值，如圖4-2中的所示。 由捕捉帶fv與同步帶fi的定義可得： 捕捉帶： 同步帶： 分析表明，捕捉帶fv與同步帶fl的表達(dá)式分別為： 式中：KV為壓控振蕩器的電壓頻率轉(zhuǎn)換增益（控制靈敏度），其表達(dá)式為KV = f v ( t )Vd ( t)。 KP為相位比較器的相位電壓轉(zhuǎn)換增益，其表達(dá)式為KP = Ve ( t ) / 。 F(S)為低通濾波器的傳遞函數(shù)，其表達(dá)式為F(S) =Vd ( t ) / Ve ( t )。 通常低通濾波器的|F(S)|1，故捕捉帶fv通常小于同步帶fl，即fvfl。5.2 壓控振蕩器的控制特性曲線 圖5-2所示是指壓控振蕩器的瞬時(shí)振蕩頻率fV ( t )與控制電壓Vd ( t )的關(guān)系曲線。圖5-2 fV ( t ) Vd ( t )關(guān)系曲線 在一定范圍內(nèi)，fV ( t )與Vd ( t )呈線性關(guān)系，可表示為： 式中的電壓頻率轉(zhuǎn)換增益KV就是特性曲線的斜率。當(dāng)Vd ( t )=0時(shí)，壓控振蕩器的固有頻率為fv。 壓控振蕩器特性曲線的測量步驟如下。 （1）將VCO的輸入、輸出與環(huán)路斷開。 （2）使直流控制電壓Vd=0，測量壓控振蕩器的固有振蕩頻率fv，這時(shí)fv的值由VCO的外接定時(shí)電阻與電容決定。 （3）使Vd由零逐漸增大，直到線性區(qū)的臨界值（注意更換VCO的外接定時(shí)電阻與電容）為止，測量與VCO對應(yīng)的輸出頻率fv。 （4）接入負(fù)直流控制電壓Vd重復(fù)步驟（3）。 （5）根據(jù)紀(jì)錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制VCO的控制特性曲線，確定Vd與fv的線性范圍并求斜率。5.3 NE564的壓控掃頻調(diào)試 如圖5-3所示的NE564壓控掃頻調(diào)試電路。圖5-3 NE564壓控掃頻調(diào)試電路改變Vi-o的大小，就可以改變輸出頻率的大小。R8、C23組成輸入偏置電路濾波器，可濾除壓控信號中的雜波，其值與中心頻率f0及雜波的幅度有關(guān)。R10（包含電位器RP3）對引腳2提供輸入電流I2，可控制環(huán)路增益和壓控振蕩器的鎖定范圍，R10與I2的關(guān)系表示：一般為幾百微安。調(diào)整時(shí)，可先設(shè)I2的初始值為100A，待環(huán)路鎖定后再調(diào)節(jié)電位器RP3是環(huán)路增益和壓控