课程名称：电子技术综合设计

实验题目：雷达信号模拟收发电路

课程简要信息

电子技术综合设计，40学时，适用雷达工程，通信工程，水声工程，电子对抗专业，本科三年级

实验内容与任务

设计并制作雷达信号模拟收发电路，包括雷达脉冲调制信号的产生和回波脉冲信号的处理电路,要求目标探测距离至少15km。根据不同层次要求，学生应选择完成以下实验内容。

（1）基础要求

1）雷达信号采用脉冲调制，调制信号重复周期1ms，脉冲宽度0.1ms；

2）载波频率f=1MHz，频率误差≤10^-4^；

3) 雷达信号产生电路输出阻抗为50Ω，输出幅度有效值为1V；

4）回波脉冲信号处理电路输入阻抗为50Ω，解调输出信号为Vorms=1V±0.1V，且波形无明显失真。

（2）提高要求

1）调制信号重复周期可在0.1ms—1ms范围内任意设定，最小设置单位为0.1ms；

2）调制信号脉冲宽度连续可调，可调范围为0.01ms—0.1ms；

3）载波频率范围为1MHz-10MHz，步进1MHz，频率稳定度≤10^-4^；

4）雷达信号幅度有效值可在500mV-1V之间变动，步进100mV，误差≤10%；

5）当雷达信号幅度有效值在500mV-1V之间变动时，通过自动控制增益电路（AGC），回波脉冲信号处理电路输出负载接600Ω负载时，其输出信号Vorms可稳定在 1V±0.1V。

实验过程及要求

将BOPPPS模型引入实践教学，实验过程分为6个环节。

（1）Bridge-in 引入：针对授课对象，要求熟悉相应实际装备的组成及工作原理，以雷达发射机和接收机为例引入，明确设计要求。

（2）Objective 目的：综合运用模电、数电、高频等知识，锻炼电子设计、仿真、制作及编程技能，提高工程素养。

（3）Pre-assessment 前测：包含555定时器、运放、调制、解调原理及应用电路。

（4）Participatory 参与：首先广泛查阅资料，设计系统方案；然后分模块设计电路并仿真，部分学有余力的同学设计FPGA/单片机、数模/模数转换电路，设计程序流程，编写代码及仿真；最后焊接调试电路。

（5）Pro-assessment后测：整体系统的连接测试并按验收表记录测试结果。

（6）Summary 总结：撰写实验报告和PPT汇报，交流不同解决方案的特点。

相关知识及背景

雷达用于目标探测和定位，是军事上常用的重要电子装备，包括发射机和接收机，其功能组成涵盖了模电、数电、高频等相关知识，要求学生在了解雷达工作原理的基础上，综合运用所学知识设计信号产生、放大、反馈、调制和解调电路，并掌握工程设计方法，包括参数计算、器件选型、两级电路间匹配、AGC技术和数字控制模块技术。

教学目标与目的

根据实际工程和海军电子装备应用等问题设计的综合实验，使学生掌握系统设计的方法，促进学生对电路参数计算、器件选型、阻抗匹配、电压匹配、信号范围及指标等工程设计概念，帮助学生掌握电子工程设计的专业知识，全面提升学生STEM（科学、技术、工程和数学）综合素质，增强创新意识。

教学设计与引导

依托布鲁姆教育分类学理论，按照认知能力模型（记忆、理解、应用、分析、判断、创造）将现有的实践活动划分等级，构建适合军队院校学员梯级层次化实践教学体系。《电子技术课程设计》是在大三下学期学生开始学习专业课时期开设，考察学生对各学科知识综合应用能力，针对不同专业学员设计不同实验案例，本实验项目面向雷达工程、通信工程、水声工程等专业学生，侧重于模拟、数字、高频电路基本理论知识的灵活运用，注重对学生自主学习习惯和创新精神的培养。教学的要点在于，告诉学生方法和最后要达到的目标，教师负责节点把关和考核，最终实现“学生以听课为主，转变为自主学习为主；老师以授课为主，转变为引导考核为主”的模式。在实验实施过程中，采用BOPPPS模型，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）要求学生了解雷达的定义、原理、应用，学习各装备中雷达系统的组成，归纳雷达装备电路的典型结构。

2）巩固利用555定时器构成矩形波发生电路的方法，重点掌握如何控制电路元件参数，调节振荡频率。

3. 巩固利用555定时器构成单稳态触发器的方法，重点掌握如何控制电路元件参数，调制输

出高电平脉冲宽度的方法，注意触发方式、触发条件等基本概念。

4. 熟悉石英晶体及掌握晶体振荡器的使用方法。

5）学习基于FPGA的DDS波形产生方法，根据信号的特点选择数模转换芯片的分辨率。

6. 学习常用脉冲调制方法，熟悉模拟乘法器(如AD835）、数字开关(如ADG608)的使用，

注意信号幅值的匹配。

7）设计放大电路，包括固定放大、可控放大、程控放大等方式，考虑基础运放的输入、输出阻抗、增益带宽积等，了解电流反馈型运算放大器及电压反馈型运算放大器。

8）本实验主要以模拟电路、数字电路、高频电路的基本知识为基础，采用模块化的设计方法，使学生能综合运用所学知识，构建应用系统。同时也给学有余力的同学提供进一步自学拓展的空间，可以把单片机系统和FPGA等后续课程知识提前应用。

9）在电路设计、仿真、焊接、调试完成后，必须用示波器进行测量。

10）撰写设计报告，并分组演示讲解，交流不同方案的特点。

实验原理及方案

本实验是综合设计性实验，根据布鲁姆教育分类学理论，通过目标设定让学生的认知能力、基本设计能力和综合运用能力得到提升。一是通过资料查找、方案论证、撰写预习报告的方式提高认知能力；二是以模拟电路、数字电路、高频电路的基本知识为基础，采用系统集成的设计方法，构建应用系统；三是给学有余力的同学提供进一步拓展的空间 ，可以在前面的基础上将单片机系统、FPGA系统等知识综合应用，培养学生综合运用能力。

1. 系统结构

电路系统框图如图1所示。

图1 系统框图

（2）实现方案

图2 系统方案图

雷达脉冲调制信号产生模块

（1）载波信号产生电路

载波信号可根据实验基本要求通过晶体振荡器产生固定的工作频率，也可以基于FPGA实现DDS功能，经数模转换器ADC904进行信号变换产生频率、幅值可调的波形。

（2）调制信号产生电路

方案一：采用555构成多谐振荡器，调节信号重复周期，由555构成单稳态触发器，调节脉冲宽度。

方案二：采用反相输入迟滞比较器和RC电路产生，调节R值改变脉宽，虽改变电容C可以改变频率，但波形易失真，为此，需引入RC串并联网络振荡电路，在调节振荡电路频率过程中，矩形波相对稳定。

方案三:采用计数器实现矩形波信号，通过选择开关组合输出标定脉宽，通过码盘开关指示重复周期。输出通过反馈清零或反馈置数，注意脉宽设置计数器的计数长度减1决定了脉冲间隔设置的步进级数。考虑脉宽和脉冲间隔设置要求时，注意时基电路基本振荡信号频率的选择和电路形式、分频级数的设计。

（3）脉冲信号调制电路

调制信号为二进制数字信号时，以二进制数字信号去控制一个初始相位为0的正弦载波幅度，可得其时域表达式如下：

式中的各参数含义如下：Um为载波振幅，为二进制数字调制信号，为载波角频率，为已调波。在这种脉冲信号调制中，载波的幅度随着调制信号的变化而变化，实现这种调制的方式有两种：

方案一：相乘法。通过相乘器直接将载波和数字信号相乘得到输出信号，其电路如图3所示。

图3 相乘法 图4 开关法

选用乘法器芯片AD835可实现，该芯片要求输入电压的幅值在-1V—1V之间，因此经由调制信号和载波信号都须加衰减器，才能输至乘法器芯片。衰减器由电阻分压网络和电压跟随器构成。

方案二：开关法。这种方法是使载波在二进制信号“1”和“0”的控制下分别接通和断开，数字振幅键控电路原理模型如图4所示。可以通过选用模拟开关芯片如ADG608，由单片机直接控制选位端，设计中注意由于载波是正弦信号，需要一个负压芯片如ICL7660，输入电压范围为1.5V-12V，输出负电压电源，效率高达98%。

（4）放大电路

信号源输出放大电路可采用固定放大倍数放大前级信号，也可采用可控放大电路实时调节信号幅度。根据设计的要求，应当选择合适的运算放大器。当需要较高频率、高压摆率、失真度较低或电路增益可设的同时又不影响运放闭环增益带宽的电路中选择电流反馈型运算放大器，如AD8009、AD811及THS3091等；电压反馈型运算放大器如NE5532、OPA820等更适合于直流或低频电路、需要较低的失调电压或较低的噪声电路中。

回波脉冲信号处理模块

（5）解调电路

信号解调的常用方法主要有两种：相干检测法和包络检波法。

方案一：相干检测就是同步调解，要求接收机产生一个与发送载波同频同相的本地载波信号，称其为同步载波或相干载波。相干检波法原理方框图如图5所示。

利用载波与收到的已调信号相乘，输出为

经低通滤波器滤除第二项高频分量后，即可输出b(t)信号。低通滤波器的截止频率与基带数字信号的最高频率相等。由于噪声影响及传输特性的不理想，低通滤波器输出波形有失真，经抽样判决、整形后再生数字基带脉冲。

图5　相干检测法

虽然脉冲信号中确定存在着载波分量，原则上可以通过窄带滤波器或锁相环来提取同步载波，但这会给接受设备增加复杂性。因此，实际中很少采用相干解调法来解调脉冲信号。

方案二：包络检波法的原理如图6所示。带通滤波器恰好使脉冲信号完整的通过，经包络检测后，输出其包络，利用低通滤波器滤除高频杂波，使基带信号（包络）通过，使用两路包络检波，比较电平由脉冲峰值检波并分压而得到，还原出数字基带信号。

图6 包络检波法

包络提取是由检波二极管和低通滤波器 RC 相串联而构成的二极管包络检波电路如图7所示。

图7　二极管包络检波电路 图8　比较器传输特性

比较器用来比较两个电压大小的器件，其传输特性如图8所示。若集成运放的开环增益为，两个输出饱和状态电压之差为10V，则该转换区域的宽度为

mV

即转换区域内输入差模电压的范围是很小的在此电路中忽略这一转换区域。设计要求检出矩形波信号，因此采用集成运放构成的过零比较器即可满足要求。

（6）自动增益控制电路

通过单片机输出电压信号控制VCA810完成对增益的控制，软件设计流程图如图所示。VCA810有-40dB~40dB的增益调整范围，并且在整个范围内信号带宽和压摆率保持不变。

图9 AGC程序流程图

题设要求输出信号稳定在，用AD7705对经过AD637检测出的直流分量进行采样，判断信号幅值是否符合题设，若不符合则计算与题设差值，再用DAC7611转为模拟信号，通过VCA810进行自动增益控制，以获得的稳定输出。

教学实施进程

本实验是一个完整的电子系统实践工程,采用BOPPPS模型进行教学设计，由教师引入雷达装

备组成和功能（Bridge-in），明确实验具体要求及目的（Objective），对课程所涉及知识进行预习和前测（Pre-assessment），重点放在引导学生参与（Participatory）、测试（Pro-assessment）和总结（Summary），此过程需要经历资料查找、方案论证、系统设计、电路设计、焊接调试、数据记录、总结报告、作品展示和交流等过程。在实验教学中，学生注意以下内容。

（1）资料查找

内容：引导学生利用图书馆和网上各类电子资源，掌握各类检索工具和检索方法。比如技术论

坛、图书馆电子期刊、芯片资料、百度文库等。学习温度测量的基本方法，了解随着频率范围的不同，在芯片选择、测量方法等方面不同的处理方法。

目标：了解雷达信号的种类、原理及应用，查阅调幅信号产生电路、解调电路的原理和方法、电路仿真软件及仪器仪表的使用等参考资料。

（2）方案论证

内容：引导学生分类和整理不同雷达信号的设计方法，结合具体实验条件选择方法。

目标：分析课题要求、性能、指标及应用环境和外围电路。

（3）系统设计

内容：引导学生用自顶向下的方法，逐步细化，分解为可实现的技术点。

目标：形成设计框图，包括具体电路和软件模块。

（4）电路设计

内容：引导学生学习Altium Designer绘图软件，强调电路布局布线的要点。

目标：绘制出PCB。

（5）模块设计

内容：列出每个模块要实现的方法，比如信号源产生可以由纯模拟电路、纯数字电路、FPGA和单片机等多种方式实现。

目标：明确设计方法，掌握软件和硬件工具的使用技能。

（6）仿真测试

内容：掌握Multisim、Quartus II、ModelSim等工具的使用，并进行系统仿真测试。

目标：掌握开发工具。

（7）焊接调试

内容：让学生理解焊接对产品可靠性和质量的重要。学习示波器、信号源等测量仪器的使

用方法。

目标：提高焊接技能，掌握常用测试仪表的方法。

（8）数据记录

内容：使学生认识到数据记录是方便调试和问题分析的重要依据。记录内容包括对现象、

电压、电流、仿真数据、观测数据的记录。

目标：形成测试报告。

（9）总结报告

内容：记录方案论证、系统设计、电路设计、模块设计、仿真测试、焊接调试、数据记录、

总结分析。

目标：形成实验报告。

（10）作品展示和交流

内容：组织学生以作品展示、PPT答辩等形式进行交流，锻炼学生表现力和应变能力。

目标：进行公开答辩。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

（1）实验需求分析。

（2）实现方案论证。

（3）理论推导计算。

（4）电路设计与参数选择。

（5）电路测试方法。

（6）实验数据记录。

（7）数据处理分析。

（8）实验结果总结。

考核要求与方法

考核学生由实验报告、PPT交流答辩、作品验收三个部分构成，均以百分制记录成绩，最终成绩由这三部分加权产生，具体如下：

（1）实验报告（书面报告作品的设计思路、设计过程及结果等） （20%）

（2）PPT作品汇报（讲解作品，验收答辩） （15%）

（3）作品验收（按布卢姆认知能力层次分阶段测评，见表1） （65%）

表1 作品验收标准量化及布鲁姆认知能力等级分类

项目特色或创新

（1）项目背景的工程性：项目以雷达、水声、通信专业工程应用为背景，贴近实战化教学。

（2）教学设计的先进性：采用BOPPPS模型进行实验教学设计和实施。

（3）实现方法的多样性：综合模电、数电、高频基本理论知识，各单元电路有多种实现方法，同时给学有余力的同学进一步自学拓展的空间。

（4）考核方法的多元性：布鲁姆教育分类学，根据认知能力划分考核等级。

参赛选手信息表