图 3.2 编码电路模块原理图
对比曼彻斯特编码与原码波形，可以看出在理想状况下，曼彻斯特码在时钟的前半周期和原码相同，后半周期和原码相反。因此要用一个数据选择器，在时钟信号为高电平时，选择原码作为曼彻斯特编码的信号，而时钟信号为低电平时，选择原码的反码作为曼彻斯特编码信号即可。但是上面的思路还有一定的问题。其一，时钟信号与原码的信号起始位置不同。如果按照上面的思路编码，就会在编码时出现错误情况。例如：”1″的宽度与一般的宽度不同，导致之后的编码全部出错，显然编码是错误的。在通信系统中，时钟和信号往往是由电路的不同部分产生的，起始时刻不同也是很正常的。在对信号进行编码前，用一个D触发器对信号进行整形，可以使信号和时钟同步，而且能调整信号的脉宽，使信号的宽度为时钟周期的整数倍。当时钟的频率和信号发送的波特率相等时，就只会在原码中较宽(比时钟周期宽)的码元处产生一个误码，而较窄(比时钟周期窄)的码元处不会产生误码。。很明显，原码就是在时钟的前半周期(高电平的时候)保持曼彻斯特的码不变，而时钟后半周期，维持前半周期的电平不变，就恢复出原码了12,31。这个过程只要时钟相位调整得当，同样可以用一个D触发器实现。综上所述，编码电路仅需要一个D触发器，一个数据选择器;而译码电路仅需要一个D触发器就可以实现。另外只需要构建一个占空比为1/2，且频率大于两倍于信号速率的时钟。硬件电路比较简单，使用的元器件也比较简单，成本较低。而且可以方便地测试编码。
编码电路主要由时钟电路模块、占空比调整电路、编码电路部分组成。时钟信号 产生很多时候多是采用集成电路定时器555产生，作定时器时，定时时间长。555的静态电流较小，一般为80 LA左右。改变R,,R2,C 的值可得到任意频率的时钟脉冲。由于电容C的充放电时间常数不相等。因此电路的输出波形为矩形脉冲，脉冲的占空比随频率的变化而变化。
然而，555定时器作为时钟源时，它的时钟稳定性不够高，一般只有三个数量级，而此处设计的曼彻斯特编解码电路设计速率为100KBps，误码率要求0.001以下。要求时钟频率为100 000Hz ,并且因为占空比调整电路实际上是一个二分频电路，因此时钟源频率要求达到200 000Hz.显然，555定时器不能满足要求。所以此处选用了稳定度高得多的晶体震荡定时电路，精确度可达4五至9个数量级，完全符合电路的要求。具体实际应用中采用了比较常用性价比高的石英晶体正弦波振荡电路。
3.1.1 石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
一、石英晶体振荡器的基本原理
1、石英晶体振荡器的结构
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚 上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
2、压电效应
若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
3谐振频率
从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C。发生并联谐振，其并联频率用fd表示。
二、石英晶体振荡器的主要参数
标称频率大都标明在晶振外壳上。如常用普通晶振标称频率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，对于特殊要示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C。发生并联谐振，其并联频率用fd表示。
根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗-频率特性曲线如图2e所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fs＜f＜fd极窄的范围内，石英晶体呈感性。
石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。石英晶体正弦波振荡电路的形式是多种多样的，但基本电路只有两类，即并联型和串联型石英晶体正弦波振荡电路，前者石英晶体工作在接近于并联谐振状态，而后者则工作在串联谐振状态。
在工程应用中，例如在实验用的低频及高频信号产生电路中，往往要求正弦波振荡电路的振荡频率有一定的稳定度，有时要求振荡频率十分稳定，如通讯系统中的射频振荡电路、数字系统的时钟产生电路等。因此，有必要引用频率稳定度来作为衡量振荡电路的质量指标之一。频率稳定度一般用频率的相对变化量△f/f0来表示，f0为振荡频率，△f为频率偏移。频率稳定度有时附加时间条件， 如一小时或一日内的频率相对变化量。
影响LC振荡电路振荡频率无的因素主要是 LC 并联谐振回路的Q值，可以证明，Q值愈大，频率稳定度愈高。由电路理论知道：为了提高Q值，应尽量减小回路的损耗电阻R并加大L/C值。 但一般的LC振荡电路，其Q值只可达数百， 在要求频率稳定度高的场合，往往采用石英晶体振荡电路。它的频率稳定度可高达10-9甚至10-11。
石英晶体振荡电路之所以具有极高的频率稳定度，主要是由于采用了具有极高Q值的石英晶体元件。石英晶体是一种各向异性的结晶体，它是硅石的一种，其化学成分是二氧化硅 。 从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片称为晶片（可以是正方形、矩形或圆形等)， 然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品，一般用金属外壳密封，也有用玻璃壳封装的。
图3.3 石英晶体产品外形
石英晶片所以能做振荡电路是基于它的压电效应，可以用上图所示的等效电路来模拟。等效电路中的C。 为切片与金属板构成的静电电容，L和C分别模拟晶体的质量(代表惯性)和弹性，而晶片振动时,因摩擦而造成的损耗则用电阻R来等效。 石英晶体的一个可贵的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值 (等效于L/C)，因而它的品质因数Q高达10000~500000的范围内。 等效电路中元件的典型参数为：Co很小：几pF～几十pF，L：几十mH～几百mH，C：0.0002 pF ～0.1pF 。
下图为石英晶体的符号、等效电路和电抗特性。
图3.4 石英晶体的符号、等效电路和电抗特性
由等效电路可知，石英晶体有两个谐振频率，即
（1）L-C-R支路串联谐振
（3.1）
（2）当f>fs时，L-C-R支路呈感性，与Co产生并联谐振。
（3.2）
由于Co>>C，故fP≈fS.
在实际应用中，通常串入一个用于校正振荡频率的小电容CS，如上图所示。 CS的选择应比C大。
因此，利用石英晶体的频率特性可构成两种不同类型的频率高度稳定的正弦波振荡电路：
当石英晶体发生串联谐振时，它呈纯阻性，相移是0。若把石英晶体作为放大电路的反馈网络，并起选频作用，只要放大电路的相移也是0，则满足相位条件， 形成串联型石英晶体正弦波振荡电路。
当频率在fs与fp之间，石英晶体呈感性，可将它与两个C构成电容三点式正弦波振荡电路，形成并联型石英晶体正弦波振荡电路如图3.5所示。
综合以上因素本次设计时钟源选用并联型石英晶体正弦波振荡电路如图3.5所示电路完全可以满足系统在频率稳定度以及精确度等各项要求。
图3.5 并联型石英晶体正弦波振荡电路
3.1.2 占空比调整电路
占空比调整电路采用一个D触发器，将其反向输出端接至其输入端D 管脚，时钟源输出端接入其CP管脚，从而构成一个二分频电路实现占空比调整，将原来由石英晶体震荡电路产生的占空比随频率变化而变化的时钟信号调整其占空比为50%。如下图所示：