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实验二 增量调制系统实验

一、实验目的

l．加深理解增量调制的基本原理。

2．加深理解连续可变斜率增量调制系统的电路组成与基本工作原理。

3．了解不同速率的编码时的输出波形。

4．了解系统的过载持性、动态范围以及最大量化信噪比等三大指标的测试方法。

二、实验所用仪器

1．+5V、+l2V、-l2V三路直流稳压电源

2．双踪示波器

3．通信原理实验箱

4．信号发生器

三、实验原理

1．增量调制的基本原理

增量调制是由PCM发展而来的模拟信号数字化的另一种编码方式，增量调制编码基本原理是只用一位编码，这一位码不是表示信号抽样值的大小，而是表示抽样幅度的增量特性，即采用一位二进制数码“1”或“0”来表示信号在抽样时刻的值相对于前一个抽样时刻的值是增大还是减小，增大则输出“1”码，减小则输出“0”码。输出的“1”、“0”只是表示信号相对于前一个时刻的增减，不表示信号的绝对值。增量调制又可以分为基本增量调制、连续可变斜率增量调制、总和增量调制。其原理见下图2-1：

2．芯片MC34115简介

MC34115是单片增量调制解调器大规模集成电路芯片。其内部组成框图分别如图2-2、图2-3所示，引脚排列图见2-4所示，引脚功能如表2-1所示。

由图2-2可知，MC34115集成电路内部电路由下列八个部分组成：模拟输入运算放大器、数字输入运算放大器、V—I电压/电流转换运算放大器、积分运算放大器、斜率过载检测电路、斜率极性控制电路、工作状态选择开关电路、Vcc/2稳压电源。








表2-1：引脚功能说明

引脚号	符 号	功 能
1	ANI(Analog input)	模拟信号输入端。输入音频模拟信号经过直流分量转换为内部参考电压值，则应在该端与第10 脚 (Vcc/2端)间接入偏置电阻。
2	ANF(Analog Feedback)	模拟反馈输入端。该端为集成电路内模拟比较器的同相输入端。当该集成电路工作于编码方式时，其本地解码信号从该端输入至内部的模拟比较器；当该集成电路工作于译码方式时，该端不用，可接到第10脚 (Vcc/2端)，也可以接地或悬空。
3	SYL(Syllabic Filter)	量阶控制信号输入端。当从第11引脚COIN (一致脉冲输入端)端输出的负极性一致脉冲经过音节平滑滤波器，得到量阶控制电压输入到该第3引脚至内部V—I变换运算放大器内，控制积分器量阶的大小。在进行音频信号编码时的典型时间常数为6～50 ms。
4	GC(Gain Control Input)	增量控制输入。该芯片内部的V—I变换运算放大器使该端电压跟随量阶控制电压变化，变换速率为0.5V/μs。因此输入该端的电流大小由外接调整电阻Rx决定，为保证电路稳定工作，Rx值一般不超过l0KΩ。
5	VREF(Ref Input)	参考电压输入端。该端为积分运算放大器的同相输入端，用于调节模拟信号的直流分量。在进行编码时，为保证输入输出模拟信号有相同的直流分量，该端应通过偏置电阻与Vcc/2端相连。在实验电路中视实际情况，可接入偏置电阻R(10K)。
6	FIL(Filter Input)	外接积分器输入端。该端为积分运算放大器的反相输入端，用于外接元件组成积分滤波器。在编码时，如果第一引脚即音频模拟信号输入端的输入信号幅度大于第二引脚，即大于模拟反馈输入端的反馈输入信号幅度，则积分电流输入到该引脚。反之，积分电流输出该引脚。在解码时第13引脚即接收数据输入端，若输入数据为“1”码，则积分电流输入该端，反之则积分电流输出该端。
7	ANO(Analog Output)	模拟信号输出端。该端为积分运算放大器输出端。它根据第13引脚即DDI(接收数据输入端)端输入数据恢复的音频模拟信号从该端输出到积分网络中。

引脚号	符 号	功 能
8	V-	负电源端。当该集成电路单电源供电时该端接地。若正、负电源供电时该端接至负电源。在实验电路中，采用单电源+12V供电，故该引脚接地。
9	DOT(Data Output)	发送编码数据输出端。该集成电路将输入音频信号编成信码后从该端输出，其输出电平与TTL或CMOS兼容。
10	Vcc/2(Vcc/2 Output)	参考电压输出端。该端在单电源供电时，输出的参考电压值为电源电压的一半，可用来建立各运算放大器的直流工作点，输出电流至少为10mA。使用时一般接旁路电容到地。
11	COIN(Coincidence Output)	一致脉冲输入端。当该集成电路内的移位寄存器的各输出为全“1”码或全“0”码时，该端输出负极性一致脉冲，该脉冲经外接音节平滑滤波器后得到量阶控制电压。
12	DTN(Digital Threshold)	接口电平控制端。该端用于控制数字输入端接口电平。当该集成电路需要与CMOS电路接口时，该端应与Vcc/2端 (即第10引脚)相连；当该集成电路需要与TTL电路接口时，则该端应该比V-高两个二极管电压降的电位。
13	DDI(Digital Data Input)	接收数据输入端。当该集成电路用于译码时，其接收端的信码从该端输入至该芯片内的数字运算放大器进行比较。在时钟下降沿前后，该端的输入数据应保持有效0.5μs，该芯片如果用作编码，则该因引脚可不用。
14	CP(Clock Input)	编译码时钟输入端。该端输入时钟信号的频率决定于该集成电路的工作速率。该输入时钟信号最小正脉冲宽度为300ns，最小负脉冲宽度为600ns，在本实验电路中，该端的时钟信号输入可通过K201进行选择不同的时钟速率，其时钟速率有：64KHz、32KHz、16KHz、8KHz，四种方式可选择。
15	E/D(Encode/ Decode)	编码/译码方式控制输入端。当该端用于选择编码工作方式时，应接高电平，使该芯片内的模拟运算放大器与移位寄存器连接；在本实验电路中，该端由中央集中控制器U1(89C51)进行控制，由软件运行输出高电平送至该端；当该端用于选择译码工作方式时,该端应接低电平，使该芯片内的数字运算放大器与移位寄存器相连接，即做增量调制译码实验时，该端由中央集中控制器U1(89C51)进行管理与控制，由软件运行，输出低电平送至该端。
16	Vcc	正电源输入端。该端与GND端电压差为4.75～16.5V之内，在本实验电路中，该Vcc端为+l2V电源。

3．实验电路工作原理

图2-5是增量调制编码器电原理图，图2-6是增量调制译码器电原理图。

(1)编码电路工作过程

由图2-5可知，音频模拟输入信号由输入插座S201进入，经过发送通道电路输出到电解电容E201，经过耦合至MC34115的模拟信号输入端，第1引脚。因为是编码工作方式，所以中央集中控制器输出高电平送至本级U201(MC34115)的第15引脚。此时芯片内的模拟输入运算放大器与移位寄存器接通，从第1引脚(ANI)输入的音频模拟信号与2脚(ANF)输入的本地解码信号相减并放大得到误差信号，然后根据该信号极性编成数据信码从第9引脚(DOT)输出。

该信码在片内经过3级或4级移位寄存器及检测逻辑电路。检测过去的3位或4位信码中是否为连续“1”或连续“0”的出现。一旦当移位寄存器各级输出为全“1”码或全“0”码时，表明积分运算放大器增益过小，检测逻辑电路从第11引脚(COIN端)输出负极性一致脉冲，经过外接音节平滑滤波器后得到量阶控制电压输入到第3引脚(SYL端)，由内部电路决定，GC端电压与SYL端相同，这相当于量阶控制电压加到GC端。该端外接调节电位器W202，调节W202为一固定电位，改变此电位器即可改变GC端的输入电流，以此控制积分量阶的大小，从而改变环路增益，展宽动态范围。

第4引脚(GC)输入电流经过V—I变换运算放大器，再经量阶极性控制开关送到积分运算放大器，极性开关则由信码控制。外接积分网络(由R207、C201组成)与芯片内部积分运算放大器相连，在二次积分网络上得到本地解码信号送回ANF端与输入信号再进行比较，以完成整个编码过程。

该芯片的外围辅助电路由三大部分组成:音节平滑滤波器电路、二次积分网络电路，其中R207、R212、C202组成一次积分电路，R206、C201组成二次积分电路。

在没有音频模拟信号输入时，话路是空闲状态，则编码器应能输出稳定的“1”、“0”交替码，这需要一最小积分电流来实现，该电流可通过增大调节电位器来获得。由于极性开关的失配，积分运算放大器与模拟输入运算放大器的电压失调，此电流不能太小，否则无法得到稳定的“l”、“0”交替码。该芯片总环路失调电压约为1.5mv，所以量阶可选择为3mv。当本地积分时间常数1mS时，则最小积分电流取1OμA，就可得到稳定的“l”、“0”交替码。如果输出不要求有稳定的“l”、“0”交替码，量阶可减小到0.lmV，而环路仍可正常工作。

(2)译码电路工作过程

由发端送来的编码数据信号加至信号转接开关K802的引脚，通过该开关的作用，把信号送到U80l(MC34115)芯片的第13引脚，即接收数据输入端。对译码电路，CPU中央控制单元送出低电平至U801(MC34115)的15引脚，使模拟输入运算放大器与移位寄存器断开，而数字输入运算放大器与移位寄存器接通，这样，接收数据信码经过数字输入运算放大器接形后送到移位寄存器，后面的工作过程与编码时相同，只是解调信号不再送回第2引脚，而是直接送入后面的积分网络中，再通过接收通道低通滤波电路滤去高频量化噪声，然后送出话音信号。

虽然增量调制系统的话音质量不如脉冲编码调制PCM数字系统的音质，但是增量调制电路比较简单，能从较低的数码率进行编码，通常为16～32kbit/s，而且在用于单路数字电话通信时，不需要收发端同步，故增量调制系统仍然广泛应用于数字话音通信系统中，如应用在传输数码率的军事，野外及保密数字电话等方面。

四、实验内容与步骤

1．对照说明书确认实验板上的元件和测试点的位置（元件位置见图2-7和图2-8）。检查确认板上无错误接线及杂物。

2．设置跳线开关位置：K101_1-2、K201_1-2、K801_1-2、K802_1-2。

3．打开电源开关，检查电源电压。按下按键开关：K2、K3、K100、K200、K800。按一下“复位”、“开始”与“Δ译码”功能键，显示代码“7”。

4．在不加信号的情况下，用二踪示波器测TP20l—207、TP80l—804各测量点的波形（包括脉冲形状、幅值、重复频率、相位关系）。

5．从信号发生单元TP106引入单音频信号至S201中，再测量TP20l—207、TP80l—804各点波形并记录下来。

6．输入信号幅度、频率保持不变，改变输入时钟的速率，如64KHz、32KHz、16KHz，分别逐点测TP20l—207、TP80l—804各点波形,并分析测试结果。编译码时钟速率由K201、K801跳线开关决定。

K201_1-2=64KHz；K201_2-3=32KHz；K201_4-5=16KHz；K201_5-6=8KHz

K801_1-2=64KHz；K801_2-3=32KHz；K801_4-5=16KHz；K801_5-6=8KHz

五、实验报告要求

1. 画出实验电路的方框图，并叙述其工作过程。

2. 画出实验过程中各测量点的波形图，注意相位关系，注明信号频率、峰-峰值。

六、注意事项

1. 实验前认真阅读本实验指导书。

2. 在实验中要细心，接线正确，避免因接线错误或探头抖动等导致测点短路；

3. 在关电源之前应该首先将所有外来的输入信号(如时钟，同步脉冲等)去除，即先关掉其他几部分的电源，最后关编译码器的电源，以免在关电后仍有信号输入。并将示波器去掉，以免关电后因示波器引起的静电对芯片产生影响