无线电源数字调谐超外差接收装置(附完整电路图)

2014年TI杯福建省大学生电子设计竞赛试题（D题）
设计报告
——无线电源数字调谐超外差接收装置
摘要
本设计采用无线电源供电，用MSP430单片机控制产生本振信号，通过超外差接收电路，可自动频率搜索输入载频，自动增益控制，可显示载频频率及调制信号。

本系统无线电能传输电源，采用磁耦合方式；高放AGC和中放AGC共同作用，实现电路增益的自动控制，使电路更加可靠、稳定；本振信号由MSP430单片机控制锁相频率合成电路产生，频率在10.1~20.1MHz范围连续可调，步进1kHz；LC选频电路和选频器件实现选频及通带带宽需求；通过电压检测电路来检测判断输入信号频率。

经测试，无线电能传输电源输出+5V为系统供电正常，本设计可对输入信号实现自动搜索、检测并显示，可对输入调幅信号解调并显示相应的调制信号。

本设计完成了题目所要求的基本指标以及大部分发挥部分的指标。

关键词：无线磁耦合MSP430超外差接收机AGC低功耗
1.系统方案设计
（一）设计原理
磁耦合无线电源：磁耦合谐振式无线电能传输技术，就是利用磁耦合和谐振技术来实现电能的无线传输。

其理论基础是耦合模式理论，其主要思想是系统中具有相同谐振频率的物体之间通过强耦合从而进行高效率的能量交换，而偏离谐振频率的物体之间相互作用则较弱。

超外差接收机：超外差接收，就是将所有要接收的电台在调频电路里调好以后，经过电路本身的作用，就变成另外一个预先设定好的频率，然后再经过放大和检波。

这个固定的频率就是由差额产生的。

在收音机内制造一个本地震荡，使它和外来高频调幅信号同时送到一个晶体管内混频。

由于晶体管的非线性作用导致混频的结果就会产生一个新的频率。

这就是外差作用。

采用了这种电路的接收机就叫外差式接收机，混频和振荡的工作，合称变频。

（二）设计方案
整体方案框图：
图1总体框图自动增益控制
节点四节点三高频信号接收放大本振模块产生本振频率混频合成
中频放大
检波低频放大键盘键入
频率自动扫描检测节点一
节点二
无线磁耦合
供电MSP430控制
无线电源数字调谐超外差接收装置由无线电源供电、mso430控制电路、超外差接收通道三部分构成，其中无线电源由无线系统集成芯片XKT-515结合匹配电容电感产生产生震荡发射，由电容电感谐振接收，经整流稳压后为接收机供电，接收机由手动键入或自动扫频监测输入频率，与锁相环产生的相应本振混频输出中频带载信号，并对其进行放大检波输出，在高品放大中频放大以完成设计要求。

（三）理论分析
1、无线电源供电分析：
XKT515是一款磁耦合谐振式无线电能传输的发射芯片，发射端
与接收端LC 谐振线圈回路、稳压电路组成。

XKT-515系列集成电路，采用最先进的宽电压自适应技术芯片设
计工艺，同样的发射电路可以在任意工作范围内电压使用而不改变任
何器件使用极为方便，电路极为简单，具有精度高稳定性好等特
点，其
专门用于无线感应智能充电、供电管理系统中，可靠性能高。

2、放大器和AGC 的分析
高频放大器
一般接收机接收到的调制后高频无线信号通常非常微弱，一般只有几十微伏至几毫伏，因此一般接收机必须在选择性电路和检波器之间插入一个高频放大器，放大信号的同时提高无线接收设备的噪声性能。

高频放大有多种方式，其中最常用的为晶体管谐振放大电路，设计要求高频放大带有AGC 自动增益控制，因此本设计采用双栅场效应管形成谐振放大电路，通过栅极反馈来进行增益控制，以达到要求。

220V 市电稳压电路XKT-515无线电源发射电线圈耦合整流滤波
稳整流滤波稳
发射部分接收部分
图2：无线电源框图图3
XKT-515
中频放大器
高频放大后混频器把高频信号的载波频率变为中频，再用中频放大器加以放大，然后进行检波，最终得到原始的信号。

本设计对中频放大的要求是通带带宽不小于9KHz，当信号频率偏离载波10kHz时，中频信号幅值输出衰减10dB以上。

晶体管谐振放大电路具有通频带可控（增大谐振回路电阻提高Q值实现）
图4
的特性，并且多级放大共同作用可以增大选频特性，故选用多级谐振放大
实现。

AGC
AGC为自动增益控制，它的作用是当信号源较强是，使其增益自动降低；当信号较弱时，又使其增益自动增高，从而保证了强弱信号的均匀性。

AGC电路的基本原理是随着输入信号幅度的变化产生一个相应变化的直流电压（AGC 电压)，利用这一电压去控制一种可变增益放大器的放大倍数：当输入信号幅度较大时AGC 电压控制可变增益放大的放大倍数减小，当输入信号幅度较小时AGC电压控制可变增益放大的放大倍数增加。

这种自动增益控制可以达到输出信号幅度基本稳定的目的。

3、混频电路分析
混频器的作用是实现频率变换，也称变频器。

在接收机里常用混频器，把信号频率f1与本振信号f2相减，产生较低的中频信号，起到频谱平移的作用，将信号频率不失真地搬移到较低频率段。

依设计要求，外来载波频率为10.0M—10.5M，故而本振频率应为10.465M-10.965M。

两个信号同时在某一电路内，通过整合得到各次谐波，再通过选频得到465k的中频调幅波。

混频器的选择很多，考虑到题目要求的低功耗及使用简易程度，选择了NE602芯片为混频核心器件。

NE602混频器是是个双平衡混频器，双平衡混频器具有宽频带，高隔离性，和高中频等优点，普通的双平衡混频器通常由二极管组成，而GTC却采用有源器件，这使电路有很好的灵敏度，而且在输出端消除了本地震荡和射频信号，所以电路的设计可以选择“和”信号与“差”信号。

4、Msp430控制的本振模块分析
本振电路
一个简单的锁相环电路由鉴相器（PD）,环路滤波器（LF）,压控振荡器（VCO）三个部分组成。

PD的主要功能是比较两个输入的信号U1和U4，输出两者的相位差函数U2；LF的功能是滤除U2中的高频分量及噪声；VCO的功能是受U3的控制，使U1和U4靠拢，直至f相同，使VCO输出的信号的相位保持某种特定的关系。

由于整个环路的反馈作用，输出的频率可以和输入频率保持精确稳定的一致。

框图如下
图5
Msp430结构与运用分析
本设计使用MSP430G2553-28N芯片，在无线供电的要求下，低功耗是隐形性指标，MSP430G2x53系列是超低功耗混合信号微控制器，具有内置的16位定时器、多达24个
支持触摸感测的I/O引脚、一个多用途模拟比较器以及采用通用串行通信接口的内置通信
能力。

在满足题目需求的情况下我们选用具有低功耗模式的MSP430单片机做为主控芯片。

5、检波电路分析
6图7
检波即为调幅波的解调，其过程也是信号频谱搬移的过程，将高频载波端的频谱搬移到低频段，过程正好与调制相反，可分为包络检波和同步检波两大类。

二极管大信号检波器
检波电路的它的作用是对中频载波信号进行检波，检波后的残余中频及高次谐波再通过滤波电路滤除干扰信号，二极管大信号检波器简单的原理图如图5
所示，其波形变化如图7。

3.电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1无线电源供电系统设计
无线电源单元模块的电压由220V 市电引出，经集成整流桥整流，电容滤波后，用LM7812稳压成12V 为发射部分供电；无线电源发射部分由XKT-515发射芯片及其外设组成谐振发射；接收部分经LC 谐振接收后，用桥式整流，电容滤波，将交流整成直流电压，最后稳压6V 的直流电供负载使用。

3.1.2高放、中放及其AGC 电路设计整流电路接收电路
发射电路
高频放大由双栅场效应管谐振放大电路组成，信号由双栅管栅极输入，输出级由C20，L3形成10M到10.5M选频网络，并通过中周变压器耦合输出，AGC控制电压同时由双栅管第二个栅极输入，与输入电压形成负反馈控制达到自动增益控制效果。

中频放大由三级三极管放大共同作用增大放大倍数，一、二级放大中间接365K陶瓷滤波器选频，第三级放大由365K中周选频并耦合至下级，达到选频放大作用。

AGC自动增益控制电压由控制电压游P2加至基级形成负反馈达到自动增益控制效果。

3.1.3本振模块与Msp430运用设计
本振单元模块由集成锁相环芯片MC145162，环路低通滤波，及VCO压控振荡器组成，外部晶振提供参考频率，经145162检相输出误差电压，控制VCO压控振荡器输出不同频率本振信号，MC145162锁相芯片控制信号由MSP430单片机产生，结合MC1648可精确产生最高220M本振信号，调整参考频率为1K，可按题意产生在10M到11M之间正弦信号。

3.1.4混频模块电路设计
混频单元模块采用NE602集成混频IC，图？为NE602内部结构图，高频信号从输入脚1（输入A）单端输入，外部本振信号从脚6（内部振荡器基级）输入，经GTC（双平衡混频器）混频后由脚4（输出A）单端输出置365K陶瓷滤波器滤波，NE602可内部滤除本振信号和射频信号，可以良好的选出差频信号。

3.1.5检波模块电路设计
检波单元电路为二极管检波，二极管导通时，电容C8充电，充电时常数为RC，充电快；二极管截止时，C向R12放电，放电快。

在输入信号作用下，二极管导通和截止不断重复，
直到充放电达到平衡后，输出信号跟踪了输入信号的包络。

3.2程序框图
4.测试方案与测试结果
（一）测试方案
（二）测试条件与仪器
（三）测试结果
1、硬件测试
2、软件仿真测试
3、硬件软件联调
（二）测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：高精度的LCR 测试仪，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，低频扫频仪。

开始
键入扫频控制145162产
生相应频率
键入频率
键盘扫描初始化
显示频率结束
（三）测试结果
1、
5cm2cm5v距离
绕制方式8.55V8.55V 1.5CM
两线并绕10.5V35V7.5CM
单线并绕11.5V33V7CM
大径线圈15.5V22V9.5CM
表1：空载下无线电源传输距离测试
注：空载情况发射线圈不变条件下
2、中频放大器中心频率：465.7K
中频放大器带宽：5-6K
自动增益控制：输入增益40db不可控
测试结果分析：本实验完成了超外差式接收机部分内容，其中本振部分可精确控制频率，输入带载信号可成功接收并检波，检波无明显失真，完成了无线电能传输，空载下供电5V最高可达9.5cm，最高可同时带载超外差接收电路控制、显示、及本振模块，完整接收机带载失败，超外差接收机带宽在4-6K，在输入信号变化范围40db下，接收机部分自动增益控制不可控。

5、结语
经过几天的设计，感触颇深的是解决问题的方法、技巧。

在这设计中，我们遇到许许多多问题，对待问题要多方法、多角度处理。

通过这几天的设计竞赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了联系实际的重要性，这对我们以后的学习和工作不无裨益。

当然，我们的设计还存在着一些缺陷，有待于在将来设计中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。

参考文献
[1]张素文主编.《高频电子线路》[第五版].北京：高等教育出版社，2009年.
[2]童诗白，华成英主编.《模拟电子技术基础）》[第四版].北京：高等教育出版社，2006年.
[3]赫建国，葛海波，郑燕主编.《MSP430微控制器基础和应用设计》.北京：
电子工业出版社，2014年.
附：接收机整体设计电路图,。