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实验题目：飞机选择呼叫模拟系统

课程简要信息

课程名称：电子系统设计与制作（Ⅱ）

课程学时：36（课内24+课外12）

项目学时：36

适用专业：电子信息、通信工程

学生年级：大三

实验内容与任务

实验内容：

模拟飞机选择呼叫的工作原理，设计并制作一套飞机选择呼叫模拟系统，实现飞机选择呼叫的部分功能。模拟系统包括发射机和接收机。发射机产生并发射飞机选呼音频信号。接收机收到选呼信号后进行鉴频，当选呼信号频率与飞机固有频率一致时，接收机对应的指示灯亮，产生提示信号，选择呼叫成功。实验项目分课内必做部分和课外拓展部分，涵盖模拟电路和数字电路中的典型电路。

基本任务：（课内必做）

设计一套声音发射装置，从A-S中16个频率选择一个频率（偏差不超过±20Hz），正弦波无明显失真，有效值不小于2V。
设计一套声音接收装置，能够接收该频率的声音信号。收到声音后，光电指示，频率偏差不超过±50HZ。对于频带之外的声音，系统无输出指示。

提高任务：（课内必做）

发射装置产生两路频率， A路和B路（偏差不超过±20Hz），A和B为A-S中16个频率的两个频率。
两路信号编码格式如图1所示。A路信号持续1秒（±0.25秒），间断0.2秒（±0.1秒），B路信号持续1秒（±0.25秒）。
接收装置接收到AB两路声音信号，匹配成功。

拓展任务：（课外选做）

系统区分先A后B和先B后A两种状态。
消除说话声音的干扰。
从五个频率里任选两个进行编码，实现选择呼叫。

课程思政任务：

用辩证的思维设计电子系统；
科学方法，工程思维；
“备豫不虞，为国常道”的国家安全理念。

实验过程及要求

课前预习（课外4学时）

根据实验项目任务书、预习思考题和配套教学资源，查阅文献资料，复习模电和数电典型电路，了解飞机选择呼叫工作原理、双音多频原理。熟悉Multisim虚拟仿真软件的使用方法。

初步方案设计（课内4学时）

对项目进行分析，明确设计任务和指标。充分比较模拟数字电路、单片机、FPGA优缺点，构思单频信号产生的方式、选呼信号的编码、译码方法，画出原理框图确定初步设计方案。上交初步方案设计报告。

详细方案设计（课内4学时、课外6学时）

对单元电路进行定量计算、仿真，查询元件手册、选择关键的元器件，详尽说明各部分电路的原理和具体数值，给出详细设计方案。上交详细方案设计报告，仿真验收。

方案实施（课内12学时）

单元电路制作（元件检查、焊接、安装）、单元电路调试。系统级联、系统调试。单元电路测试、系统测试、数据处理、科学结论。

验收、总结、答辩（课内4学时、课外2学时））

实物验收，包括外观、焊接质量的验收和功能、指标的验收。撰写总结报告。优秀学生答辩。上交总结报告，实物演示。

实验环境条件

实验室提供示波器、信号源、直流电源、万用表、失真度测试仪等仪器设备，提供单片机开发系统。
提供Multisim、Proteus、Labview，Keil C，Protel等软件。提供单片机最小系统板，LM386,TDA2030A，NE5532，LM358, LM324，UA741，LM393， LM567,NE555，CD4051,74LS90,74LS164,74LS08 ,74ls04，电阻、电容、电位器、扬声器、麦克风等常用芯片和元件。
实验室提供PCB电路板快速打印机，供学生拓展实验使用。

教学目标与目的

知识目标：

掌握模拟电子技术和数字电子技术中典型电路
能够深入理解电子理论知识在实际电子系统中的作用，针对设计要求提出合理的解决方案。
掌握电子系统设计和制作的基本方法、流程和规范。

能力目标：

提高分析问题、解决问题的能力。
提高理论结合实践的能力。
初步具备设计、制作、调试、测试电子系统的能力。

素质目标：

激发探索精神和求知欲望，培养实事求是、科学严谨的工作作风。
建立责任、规章、安全、质量意识，培养良好的职业素养。

图2 教学目标

教学设计与实施进程

本实验项目是一个贴近生活应用的工程实践项目，在项目教学活动中，学生按照工程管理的规范完成资料收集、方案设计、仿真试验、电路设计、预算制定、制作加工、装配调试、测试方案、撰写科技报告的全过程，让学生渐渐形成系统概念，培养学生对航空电子系统领域复杂工程问题的解决能力。提倡劳模精神、工匠精神，将“三个敬畏”、科技自立自强、辩证思维等思政元素融入到电路设计、调试、焊接、故障排除和实验数据处理等实践教学环节，学中做，做中学，知行合一，在实践中培养安全意识、责任意识和严实创新的工作作风。在实验教学中，在以下几个方面加强对学生的引导：

课前

老师提前发布项目任务书、预习思考题和配套教学资源，让学生了解学习任务，复习模电和数电典型电路，查阅文献资料，熟悉Multisim虚拟仿真软件的使用方法。

课中

课程引入： 采用问题驱动的教学模式。让学生观看电影“中国机长”空管人员呼叫“川航8633”的片段，激发学生极大的兴趣。提出“空管如何呼叫飞机”这一技术问题，引入飞机选择呼叫系统。进一步提出“如何采用所学的数模电知识就能实现飞机选择呼叫系统”等问题，让学生思考理论与实际相结合问题和解决复杂工程问题。进一步引出本次实验的任务“机选择呼叫模拟系统”。

**构思：**明确项目任务，对题目进行剖析并提出设计构想，根据该项目的功能和技术指标对项目进行任务分解。引导学生讨论：信号产生的基本方法、信号放大的基本方法、选呼编码、译码的方法等。每种方法优缺点、难易程度、成本、可实现度都不同，需要对照指标合理选择。

初步方案设计：提出实现此目标任务常用的方法，分析优缺点确定初步设计方案，画出总原理图，安排任务进度表和人员分工。在设计过程中，要有系统观念，抓住事务的主要矛盾，关心系统最主要的指标。要懂得取舍，忽略次要矛盾，方案合适即可。

**详细方案设计：**对原理图进行定量计算，选择关键的元器件，详尽说明各部分电路的原理和具体数值。对电路进行仿真，验证设计的正确性。给出详细设计方案，列出元件清单，给出成本预算。

在设计中，要注意设计的规范性：如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在电路设计时，要充分考虑电路耦合，防止电路自激振荡。设计的难点在选呼信号的编码，可以考虑模拟开关/多路复用器，使用数字技术设计时序电路。或者使用单片机编程，可以方便的控制时序。在接收端可以考虑带通滤波器和音频解码器。滤波器的带宽很小，对器件的要求很高，滤波器法能实现功能，但是很难满足指标。还可以向学生介绍频域处理方案，快速识别音频信号，并且能够方便扩展。但是算法复杂，考验学生的编程能力，有能力的同学可以尝试。

**电路制作：**对元件进行识别、测试，确保元件的质量。对电路进行合理布线，设置关键测试点。单元电路安装、焊接，确保没有虚焊、漏焊、错焊。引导学生培养质量、安全、责任意识。

**电路调试：**根据设计功能和指标，对电路进行调试，看是否符合设计要求。对设计进行微调，直到满足设计为止。在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；通过分析四渡赤水这一经典战例，四渡赤水是一个不断试错与学习的过程，是一个不断根据环境调整方案的过程。不确定中没有绝对的最优解，但我们可以在已知的确定信息中，选择相对最优解。

**电路测试：**对系统进行测试，合理分析测试数据，撰写测试报告。在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以修正。数据处理时要注重用数学工具或方法，科学得出结论。数据处理时要实事求是、科学严谨。

实物验收：功能、指标验收，建立考核标准。外观、焊接质量验收，学生互评。

**答辩总结：**优秀小组答辩，学习交流不同解决方案及特点，拓宽知识面。全体学生提交总结报告，总结实验过程中遇到的问题及解决方法，总结收获与不足，在实验的反思和交流中成长。

教师对教学过程和最后结果进行评价，点评学生在学习过程的表现，反馈学生在知识运用、操作规范、质量意识和能力成长等方面存在的问题。最后再次观看电影“中国机长”片段“敬畏生命、敬畏规章、敬畏职责”，升华本次教学的实践育人作用。

课后

本次实验任务已经完成，但是还有一系列的问题需要解决，比如人说话时会干扰到系统的识别结果，如何提出合理的改善方案。目前系统不能区分先A后B和先B后A两种状态。如果任选两个频率进行编码，工作量还是很大，如何才能实现。这些问题留给感兴趣的同学课外创新。

实验原理及方案

选择呼叫模拟系统产生选呼音频信号，利用扬声器发射声音。接收端利用麦克风拾取选呼音频信号，进行译码，收发频率一致则匹配成功。

（1）系统结构

系统结构如图3所示，系统主要由发射和接收两部分组成。发射部分要产生单音频信号，并且将两路信号按照编码时序进行编码，经功率放大后，由扬声器放音。接收部分由麦克风、前置放大、译码电路、匹配电路和显示电路组成。

单频信号

功率放大

电路匹配

音频译码

前置放大

报警显示

控制部分

选呼时序

单频信号产生

图3 系统结构图

图3 系统结构图

图4选呼信号形成图

（2）实现方案

收发两部分皆由多个模块组成，每个模块实现方式又是多样的。基本任务是完成一路声音信号的发射和接收。提高部分是完成选呼信号的发射和接收。

RC震荡

单片机+

DDS

单片机+

信号产生

显示

匹配

音频解码芯片

音频译码

前置放大

功率放大

单片机

选呼时序

带通滤波器

三极管

OCL

LED

数值比较

AD+频域处理

运放

OTL

数字电路+模拟开关

点阵

单片机

BTL

图5 多种实现方案

1）单音频率产生模块

方案一：单片机+DDS

利用频率合成, 目前主要的技术手段有直接合成法和间接合成法, DDS是直接合成法的一种。选用DDS芯片AD9832作为可控的数字频率的产生芯片。单片机用来完成芯片的配置,产生的频率经过滤波网络后线性叠加成双音多频信号。该方法使用简单，不需再增加额外的滤波器了。

方案二：RC振荡电路

利用RC正弦波振荡电路可非常方便的实现正弦信号产生，如图5所示。但是，电路对于元器件参数值的精度要求高，误差较大，频率稳定度稍差。

f=1/2RC=1KHZ （1）

A=1+(R3+R5//D1//D2)/R4 （2）

电路的频率由电阻R和电容C的乘积确定，R=R1=R2， C=C1= C2。选择电容C，改变电阻值就可以改变电路的频率。当电路的电压放大倍数A>3时，电路起振。因为二极管D1、D2的非线性，电路进入稳定状态，最终A=3。该电路如果参数选择不当，输出电压会很大，直接满足设计指标，但是输出波形会失真。因此对于输出幅度和失真要做出取舍，合理选择。

图6 单音频信号产生电路

方案三：单片机+DA

正弦波信号通过DAC+DMA+定时器产生，提前在软件中建立正弦波数组，通过定时器控制DMA转运数组的时间间隔，达到控制DAC输出信号频率。

2）选呼编码

方案一：模拟开关

利用数字逻辑电路和多路复用开关设计产生编码用的时序。设计占空比为83%的方波作为多路复用开关的使能。利用90计数器的分频功能，第一个脉冲选通第一路信号，第二个脉冲选通第二路信号。图7为选呼时序电路图，图8为选呼编码时序图。

图7 选呼时序电路图

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图8 选呼时序实测图形

方案二：通过单片机产生相应的时序。控制简单，易于实现。

3）前置放大

麦克风接收到的音频信号需要经过放大才能供后级电路处理。选呼信号前置放大电路采用基本运算放大电路，反相放大电路、同相放大电路，单电源电路、双电源电路都可实现，具体电路如图8所示。对于同相放大电路，放大倍数为：

A= 1+R4/R1 （3）

电容C1、C2对音频信号相当于短路。在选用元件时，应当考虑由于元件参数误差对传递函数存在影响。经过前置放大后波形如图9所示。

图9 前置放大电路

$F:\WeChat Files\WeChat Files\wxid_nl4qmktxdiw221\FileStorage\Temp\cacd9dba1addd065353e419c2a79d3a.jpg$

图10接收端经过前置放大后的选呼信号

4）译码电路

方案一：窄带带通滤波器

设计窄带带通滤波器，中心频率为其中一路信号的发射频率，如图11所示。收到的选呼信号经过窄带滤波器后，频率在通频带内的信号放大，频率在通频带外的信号衰减。其仿真效果如图12所示。缺点是中心频率过低，通频带不易做的太小。

图11 带通滤波器电路图

图12 选呼时序滤波仿真效果图

方案二：采用LM567通用锁相环音频解调电路

当LM567的输入信号频率在设定频率带宽内时，输出由高电平变成低电平。因此，只需要对输出的低电平信号进行检测与分析，就可以实现译码的全过程。调试要比滤波器简单。

图13 鉴频电路图

LM567振荡器的中心频率（f0）由下式确定：

　　f0≈1.1/{（R3+W1）×C4 } （4）　　
　　 R3+W1 ≈ 1.1/（f0×C4）（5）
　　这里电阻的单位是KΩ，电容的单位是uF，f0的单位为KHz。先确定电容C4，容量范围0.01~0.1UF。

方案三：频域处理

用AD转换器将模拟音频信号转换成数字信号，然后用FFT计算信号频率，可以快速识别音频信号，并且能够方便扩展。信号流程图如图14所示。

图14 选呼发射接收信号流程图

5）匹配

方案一：单片机查询

通过单片机I/O口查询的方式，检测输出脚是否有电平的跳变，同时使用定时器和中断方式记录各个低电平与高电平的跳变时间，然后进行比较分析，从而确定信号到达的先后顺序，与发射端比较，就可确定是否呼叫本机了。

方案二：数值比较器

$F:\WeChat Files\WeChat Files\wxid_nl4qmktxdiw221\FileStorage\Temp\6601cbf14578f40e951de02fd888607.jpg$ $F:\WeChat Files\WeChat Files\wxid_nl4qmktxdiw221\FileStorage\Temp\96d0973fc6816ad7030cce2e261418e.jpg$ 将首先接收到的音频编码送到移位寄存器，后接收到的音频编码按位移动，待音频编码都收到后，用数值比较器与设定值进行比较，比较结果一致，匹配成功；否则，匹配失败。

图15 学生实验过程中

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

实验需求分析：功能分析、指标分析。
初步方案设计：实现方案论证，电路结构设计，电路原理框图，参考文献。
详细方案设计：包含理论推导计算，电路仿真，电路设计与参数选择，总体电路图，成本预算，任务分工和进度计划。
测试方案设计：电路测试方法、实验数据记录、数据处理分析、实验结果。
项目总结：项目完成情况、出现的故障和解决方法、成本决算、心得体会、项目贡献率，意见建议。

考核要求与方法

对小组进行打分，然后按照组内贡献进行重新分配。既重视结果，也重视过程。

出勤、课程参与、劳动教育。实验过程认真投入，人身安全、操作安全、仪器工具无损坏。个人任务，独立完成，不模仿抄袭他人作品；小组项目，共同完成任务。10分
电路仿真，10分。
实验质量-主观评价。焊接质量高，整机水平好，组装工艺好，外观整洁，试音效果好。同时参照完成的时间快慢。15分
实物验收-客观评价。对照任务书，检查各项功能和指标的完成度，实验数据科学合理，测量误差满足设计要求。参照完成时间。25分
实验过程，电路调试无错误，测试方案正确，仪器使用符合规范。15分
报告撰写完整，条理分明，逻辑严密，分析透彻，计算正确。15分
优秀组员答辩，5分，对个人计分。思路清晰，对老师提出的问题能够流利回答。自我评价和贡献率，5分。

项目特色或创新

**完整的工程设计项目：**本项目设计制作飞机选择呼叫模拟系统，模拟飞机选择呼叫的原理，通过原理分析、方案设计、电路仿真、电路制作、调试测试、故障排除等环节，体现了飞机的设计、制作和保障一体化过程，具有很强的工程性和应用性。
**系统综合性：**飞机选呼模拟系统分为发射和接收两部分，综合运用模拟、数字电子技术相关知识，涵盖信号产生、放大、变换、检测、处理等，是一个复杂的综合系统。
**项目具有挑战性：**项目分为基本任务、提高任务和拓展任务，具有很强的挑战性和高阶性。

附表1：选呼频率对照表


字母代号	频率（Hz）	字母代号	频率（Hz）	字母代号	频率（Hz）	字母代号	频率（Hz）
A	313	E	473	J	716	P	1084
B	347	F	525	K	794	Q	1202
C	385	G	582	L	881	R	1334
D	427	H	646	M	977	S	1479

附件：开课证明

近三年学生实验报告

考核 $F:\WeChat Files\WeChat Files\wxid_nl4qmktxdiw221\FileStorage\Temp\1d5adac10055d9433504ba2d083f703.jpg$ 验收表
$F:\WeChat Files\WeChat Files\wxid_nl4qmktxdiw221\FileStorage\Temp\9f4f43a0d6ce07e6b1955684991e6db.jpg$ 学生分组

4、学生上课作品以及课外拓展作品

飞机选择呼叫模拟系统