单工无线呼叫系统分机电路设计

1.1 呼叫器机体系结构

1.1.1呼叫器机系统要求

对呼叫器机的要求是多方面的，功率、频率是最基本的。现代通信体制对呼叫器机的要求侧重于高纯度频谱及线形度。设计无线电呼叫器系统，应考虑的技术指标如下：
(1) 信息的性质（信息的性质是指语言信号还是图像信号，是模拟信号还是数字信号，以及基带所占的频带宽度）；
(2) 呼叫器功率大小，呼叫器机中心频率；
(3) 呼叫器信号频谱纯度要求，杂散及谐波要求；
(4) 呼叫器机频带宽度，频带内功率波动；
(5) 是否需要ALC（自动电平控制）；
(6) 呼叫器机线形度要求。
呼叫器厂家单工无线呼叫系统设计中主要考虑到发送信息的性质，即语音与英文短信，且规定呼叫器功率大小和呼叫器机的中心频率。呼叫器机的目的是调制基带信号，然后上变频到载波频率W_C射频。呼叫器机也需要充分的功率放大，同时不能产生信号失真和邻近信道干扰。为实现最好的设计，通常根据实际需要在各种不同的调制方案之间进行权衡。

1.1.2呼叫器机体系结构

医院无线呼叫器采用的是基于锁相环的直接调制压控振荡器调频电路，锁相环（PLL）可作为一个频率乘法器，用于调频和上变频。压控振荡器的输出频率受自身参数、控制电压的稳定性、温度、外界电磁干扰等因素的影响，往往是不稳定的。因此可以加入自动相位控制环节，即锁相环，来稳定呼叫器频率。呼叫器频率经反馈，与晶振产生的标准信号做比较，在锁相环的跟踪下，呼叫器频率始终向标准信号逼近，最终被锁定在标准频率上，达到与参考晶振同样的稳定度。在锁定状态，若锁相环具有输入频率Fref和反馈分频器，则输出频率Fout为
                   
在式(3-1)中：N为分频器的分频比。为了获得上变频调制信号，可对Fref进行调制，或者让分频比N随呼叫器信号变化。一个基于锁相环的直接压控振荡器调制呼叫器机，在这种体系结构中，紧急呼叫器由压控振荡器（VCO）直接调制基带数据。工作过程如下，压控振荡器由锁相环操作以准确地设置载波频率，将基带数据加到压控振荡器的控制电压上。该方法的优点是集成度高且功率低。因为压控振荡器可实现频率变换和调制，所以需要的硬件更少。
 

1.2 载波产生电路

1.2.1锁相环的工作原理

一个典型的叫号器相环（PLL）系统，是由鉴相器（PD），压控荡器（VCO）和低通滤波器（LPF）三个基本电路组成，被控参量是相位，如何利用相位差信号实现无线呼叫系统频差的频率跟踪呢？ 

设旋转矢量和分别表示鉴相器输入参考信号    和压控振荡器的输出信号U_y(t)。显然，无线呼叫器只有当两个矢量以相同的角速度旋转时，它们之间的相位差才能保持恒定值。鉴相器以此恒定相位差变换成对应的直流电压，去控制VCO的振荡角频率，使其稳定地振荡在与输入参考信号相同的角频率上，这种情况称之为锁定。反之，两者角频率不相等，相位差不恒定，则称之为失锁。若某种原因使偏离了，则鉴相器产生的误差电压也相应变化。该误差电压通过环路滤波器后，作为控制电压调整VCO的振荡角频率使其增大，因而瞬时相位差也将减小。经过不断地循环，矢量的旋转角速度也逐渐加快，重新实现，这时电路再次锁定，调幅无线呼叫器瞬时相位差为恒定值,鉴相器输出恒定的电压。

1.2.2鉴相器的工作原理

设鉴相器输入参考信号和VCO输出的信号均为单频正弦波，一般情况下取餐区与叫号器这两个信号的频率是不同的。在式(3-5)中，kb为鉴相器的增益，是一个常数。 

1.2.3环路滤波器的工作原理

环路滤波器实际上就是一个低通滤波器，其作用是滤除鉴相器输出电流中的无用组合频率分量及其干扰分量，以保证环路所要求的性能，并提高环路的稳定性。
设环路滤波器的传递函数为H(s)，则有
常见的环路滤波器有RC积分滤波器，无源比例积分无线呼叫系统和有源积分有线呼叫器系统三种。
（1）RC积分滤波器，是最简单的低通滤波器，在式(3-7)中，τ₁ = RC，是时间常数,为滤波器中唯一可调的参数。
（2）无源比例积分滤波器，与RC积分滤波器相比，它附加了一个与电容C串联的电阻R₂，这样就增加了一个可调参数。

其传递函数如下（3）有源积分滤波器，由运算放大器组成，如图3.7所示，当运算放大器开环电压增益A为有限值时，它的传递函数为在式(3-9)中，τ₁ =（R₁+AR₁+R₂）C；τ₂ = R₂ C。若A很高，则在式(3-10)中τ₁ = RC，负号表示滤波器输出电压与输入电压反相。

1.2.4频率合成器MC145152

该芯片内含参考频率振荡器，呼叫器厂家可供用户选择的参考分频器(12×8ROM参考译码器和12bit÷R计数器)、双端输出的鉴相器、控制逻辑、10 位可编程的10bit÷N计数器、6位可编程的6bit÷A计数器和锁定检测等部分。
 
医院无线呼叫器MC145152的管脚排列如图3.9所示。采用28脚DIP封装，各管脚功能如下：引脚4、5、6（R_A0、R_A1、R_A2）为参考地址码输入端，用于选择参考分频器的分频比。通过
12×8ROM参考译码器12bit÷R计数器进行编程。引脚26、27（OSCIN、OSCOUT）为参考振荡端，当两引脚接上一个并联谐振晶体时，便组成一个参考频率振荡器。

但在OSCIN到地和OSCOUT 到地之间一般应接上频率置定电容（一般为15pF左右）。OSCIN也可作为外部参考信号的输入端，引脚 1 （VCO）为输入信号端.将输入信号交流耦合到本引脚.其输入信号频率应小于30MHz。引脚10、21～25（A₅～A₀）为6bit÷A计数器的分频端。 其预置数决定了÷V/（V+1）双模前置分频器的÷V/（V+1）的次数。
引脚11～20（N9～N0）为10bit÷N计数器的分频端。引脚7、8（）为鉴相器双输出端, 用于输出环路误差信号。MC145152采用的是边沿触发的鉴频鉴相器，既可实现鉴频，又可以实现鉴相。
工作波形见图3.10，如果fv > fr 或fv 的相位超前fr ,则 变为低电平而仍为高电平；如果fv < fr 或者fv 的相位滞后fr ,则跳为低电平而 保持为fv = fr并fv与fr同相,则和保持高电平。仅在一个很短的时间内二者同时为低电平。其波形如图3.10所示。引脚9（MC）为模式控制端，输出的模式控制信号加到双模分频器即可实现模式变换。在一个计数周期开始时，“MC”处于低电平.一直到A下行计满它的编程值为止，然后“MC”跳为高电平，并一直维持到÷N计数器下行计满编程的剩余值（N-A）。N计数器计满量后，“MC”复位为低，两个计数器重新预置到各自的编程值上，再重复上述过程。引脚28（LD）为锁定检测端，用于锁定输出信号。当环路锁定时（即同频同相）该信号为高电平；当环路失锁时，LD为低电平。

1.2.5载波产生电路设计

（1）频率控制字计算
紧急呼叫器锁相环电路MC145152是大规模集成锁相环，集鉴相器、可编程分频器、参考分频器于一体，呼叫器分机分频器的分频系数可由并行输入的数据控制，
 
1．参考分频
参考晶振从OSCIN、OSCOUT接入，芯片内部的÷R参考分频器提供8种不同的分频系数，对参考信号进行分频。R值由R_A0，R_A1，R_A2设定，如表3.1所示。本设计中采用10.24MHz温度补偿晶体振荡器，频率稳定度可达10^-5～10^-6。R_A0R_A1R_A2＝101时，即R＝1024，对晶振频率进行1024分频得到10KHz的参考频率信号。

1．可编程分频
由于无线呼叫器部分的频率高达35MHz，MC145152的电路无法对其直接分频，必须先用ECL电路的高速分频器进行预分频，把频率降低，然后由MC145152继续分频，得到一个参考频率相等的频率，并进行鉴相。为使分频系数连续可调，可编程分频电路采用的是吞咽脉冲计数法，它由ECL（非饱和型逻辑电路）的高速分频器MC12022及MC145152内部的÷A减法计数器，÷N减法计数器构成。如图3.12所示。

呼叫器厂家MC12022有64和65两种分频系数。M为其控制端（从MC145152的9脚输出，输入MC12022的6脚）。M为高电平时，MC12022以P＋1＝65为分频系数，M为低电平时则以P＝64为分频系数。÷N 和÷A是可预置数的减法计数器，由并行输入口分别预置6位的A值和10位的N值。PD为数字鉴相器。f_o为压控振荡的输出频率（即呼叫器频率）。吞咽脉冲计数器开始计数时，M的初值为1，÷A和÷N两个闭，停止计数；而÷N计数器中还有N－A个数，它继续计（N－A）P个输入脉冲后，输出一个计数器被置入预置数并同时计数，当计到A（P+1）个输入脉冲（f_o）时，÷A计数器计完A个预置数，M变为0；此时÷A计数器被控制信号关脉冲到鉴相器PD。此时无线呼叫器品牌一个工作周期结束，Ａ和N值被重新写入两个减法计数器，M又变为1，接着重复以上过程。整个过程中输入的脉冲数共有Q＝A（P＋1）+(N-A)P=PN+A，也就是说，该吞咽脉冲计数器的总分频系数为PN+A。可见，采用吞咽脉冲计数方式，只要适当选取N值与A值，就能得到任意的分频比。为实现锁相，这就是输出频率数字化控制的原理。÷A计数器为8位，因此A值最大为63，MC12022的P值为64。

3．参考分频比和可编程分频比计算
本次设计中，设置参考频率＝10kHz，则输出频率要使呼叫器频率为35MHz，先令A＝0， 则取N ＝54＝110110B，得A＝－PN=(35×10MHz/10KHz)－64×54＝44＝101100B由此可得，即给MC145152的N₉～N₀和A₅～A₀口预置相应的数值，这就实现了对呼叫器频率的控制。

（2）环路滤波器设计
环路滤波器是滤除鉴相器输出电流中的无用组合频率分量及其它干扰成分，提高无线呼叫器系统环路的稳定性。在设计中由运放芯片MC33171构成了有源比例积分滤波器。
首先选择合适的电容C，然后，再根据已知参数计算R₁和R₂的值。
在上式中，为压控振荡器电调灵敏度，为比相器灵敏度，是运放的工作电压。 N为总分频次数，为锁相环路的阻尼系数，的合适取值范围是在0.5～1之间，通常选择最佳起始点＝0.707；为环路自然谐振角频率，值的选择将直接影响环路滤波特性和捕捉时间，为了保证环路对噪声有较好的抑制，应该远小于鉴相频率。
当噪声来源于参考频率和分频器时，可以选择得小些；当噪声来源于压控振荡器时，可选择得大些。

1.3  PT2262编码电路

PT2262是台湾普城呼叫器厂家生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262 最多可有12 位(A₀-A₁₁)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码。PT2262 最多可有6 位(D₀-D₅)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出。编码芯片PT2262 发出的编码信号由地址码、数据码以及同步码组成一个完整的码字。
本设计中共有26个英文字符和10个数字，加上呼叫、挂断、删除、业务类型选择键、从台地址选择键、4个导航键、*和#，共47个字符。可用6位二进制数表示，故取D₀-D₅(A₆-A₁₁)为并行数据输入端，由单片机(P₂₀-P₂₅)预置，A₀-A₅为地址码输入端，6个地址码也由单片机（P₀₀～P₀₅）预置。系统只有8各从站，A₃-A₅也可接地。17脚输出的信号通过左声道加入至压控振荡器(MC1648)进行调制呼叫器出去。引脚端功能表如表 3.2所示。

引  脚 端	功    能
Pin1-Pin6 （A0-A5）	地址输入端，可编成“1”、“0”和“开路”三种 状态
Pin7、Pin8、pin10-Pin13（A6/D0-A11/D5）	地址或数据输入端，地址输入时用Pin1-Pin6，做数据输入时只可编成“1”、“0”两种状态
Pin14（TE）	呼叫器使能端，低电平有效
Pin15、Pin16 （OSC1、OSC2）	外接振荡电阻，决定振荡的时钟频率
Pin17（Dout）	数据输出端，编码由此脚串行输出
Pin9、Pin18（VDD，Vss）	电源+、－输入端

PT2262的频率通常取为为f=l0kHz，由公式(3-17)
1.4 音频放大电路
由于呼叫器语音信号的峰峰值大约为5mV，而需要放大到1V以上才能送入调制器调制，所以在送入无线呼叫器调制之前须将信号放大200倍，采用两级共发电极放大器，一级用10倍放大，另一级采用20倍放大。为了使电路简单采用的LM324作为低频放大电路的放大管。

1.5 调频电路VCO

1.5.1 VCO的分类与应用

无线呼叫器振荡器分为普通压控振荡器(VCO)、晶体压控振荡器(VCXO)和温补振荡器(TCXO)。广泛用于各种通信设备、电视机、微处理机、电话机、移动通讯手持机和电子玩具等方面。
（1）温补振荡器（TCXO）是一种在一定温度范围内具有很好稳定度和老化度的振荡器，手机中振荡电路设计中首先确定的是手机的参考振荡器频率源。典型的应用首先是13MHz或26MHz温补压控晶体控振器，图3.16是典型的温补低躁控电路，D是一只变容二极管，此电路广泛用于手机中。

（2）普通压控振荡器(VCO)以变容二极管作为频率调谐器件，用微波放大管、谐振电路和匹配网络将直流能量转换成微波能量。通过适当设计这些参数值，可设计出各种频率的宽带振荡器。图3.17为VCO原理图。

（3）晶体压控晶体振荡器（VCXO）包含一个晶体和一个含有电感和变容二极管的网络，如图3.18所示。整个结构都是以给予一个线性电压/频率响应为目的设计的,调谐范围的极限是共鸣器的Q值的反函数,特殊技术可以扩展频率牵引范围，但同时这会降低相位噪声。

1.5.2 VCO电路设计

医院无线呼叫器用的是基于锁相环的压控振荡器（VCO）直接调频，应用温补振荡器（TCXO）的工作原理。压控振荡器主要由压控振荡器芯片MC1648、变容二极管V149以及LC谐振回路构成。MC1648需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路。为达到最佳工作性能，在工作频率时要求并联谐振回路的Q_L≥100。电源采用+5V的电压，一对串联变容二极管背靠背与该谐振回路相连，调整加在变容二极管上的电压大小，使振荡器的输出频率稳定在35MHz。图3.19为压控振荡器电路图。压控振荡电路其振荡频率由式（3-18）计算   
VCO的芯片管脚3为缓冲输出，一路供前置分频器MC12022，一路供放大后输出。该芯片的5脚是自动增益控制电路（AGC）的反馈端。将功率放大器输出的电压V_out1通过一反馈电路接到该脚，可以在输出频率不同的情况下自动调整输出电压的幅值并使其稳定，由于本设计的频率固定在35MHz，且其反馈幅度不大，因此5脚直接接地。VCO产生的振荡频率范围和变容二极管的压容特性有关。由LC振荡电路的频率计算公式(3-18)可得取_VD=20pF，f_c=35MHz，得L=1.04μH

1.6 语音信号和数据信号的逻辑控制

语音信号和数据信号的选通分别受三极管Q1和Q2 控制，来自呼叫器厂家的单片机的控制信号给三极管加高电平时，相应通道的信号将通过电阻短路到地；单片机控制端输出为高阻态时，三极管基极相当于开路。语音信号和数据信号的逻辑控制电路如图3.20所示。 

相应信号可加到求和电路，这样各路信号即可受单片机控制。实现两路信号中的任意一路和载波信号进行混频，再通过压控振荡器完成电压对呼叫器频率的控制。

1.7 高频功率放大电路

功放管为2SC1970，采用感性负载，输出幅度较大。丙类功放的基极电压是利用呼叫器极电流的直流分量在射极电阻上产生的压降来提供的。

当放大器的输入信号正弦波时，集电极的输出电流为余弦脉冲波。利用谐振回路LC选频作用获得输出基波电压，电流。集电极基波电压
式中，为集电极基波电流的振幅；为集电极负载阻抗。集电极输出功率直流电源V_CC供给的直流功率考虑到效率和功率，选择导通角θ为经验值70°。当功放工作在临界状态时对应的等效负载电阻按照设计要求呼叫器功率为40mW。

1.8 变压器阻抗变换电路

本设计末级功放的输出电阻为1.7KΩ，要使其与50Ω的天线匹配，必须加装降阻匹配网络。本设计采用的是L型的LC网络来实现阻抗匹配，L型电路只有两个元件，两个要求，所以它的解是唯一的，下面为L型电路的匹配原理和计算方法。如图3.22所示。R₁、R₂为欲匹配的电阻值。