家用载波电话机原理与设计.doc

绪论随着电信事业的飞速发展和人民生活水平的提高，电话普及率越来越高，作为电话通信的补充，在一些小范围内电力线载波电话仍有其重要的应用，它不需要交换机，不需要另架线路，实用性强，便于移动，特别适用与移动性强的工种和移动电话覆盖不到的地区，如边远地区，井下作业等。当今社会的家用电话机，对人民的生活起着很大的作用，其通信质量高，收发双方能清晰地听取对方的语音，而且电话线需要的电压很小，其不足之处就是需要专用的转换设备，需要架起电缆线路，投入较大，不便于灵活移动，而且受到外界环境的影响较大。 电力线载波电话机，最主要的特点是使用电力线载波，收发同频，与家用电话机的区别就是无须通过电话线，不需要电缆线，用电力线载波就可以实现数公里通信，非常实用，操作方便，可靠性强，适用于特殊条件下以及边远地带的局部通话。 家用电力线载波电话机的应用，迎合当今社会发展的趋势，为实用型电子产品中的精品制作。运用电力线载波是一种创新思想，这种方法不仅仅节约了昂贵的电缆线，最重要的是操作方便，接收信号清晰，便于安装、调试。是电子制作发展的前言。不足之处：电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制。具体地说有：1、 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域内传送。2、 三相电力线间有很大信号损失（10dB30dB）。通讯距离很近时，不同相间可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。3、 不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同，耦合方式有线地耦合和线中耦合。线地耦合和线中耦合相比，电力载波信号少损失十几dB，但线地耦合方式不是所有地区电力系统都适用。4、 电力线存在本身固有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50Hz和60Hz，则周期为20mS和16.7mS。在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，既电力线上有固有的100Hz或120Hz脉冲干扰，干扰时间约2mS，固定干扰必须加以处理。有一种利用波形过零点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过零点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用。5、 电力线对载波信号造成高消减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1欧姆以下，造成对载波信号的高削减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。因此，只有进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求，提高载波信号功率会增加产品成本和体积。而且，单一提高载波信号功率往往并不是有效的方法。6、 电力线上存在高噪声。电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，就会给电力线上带来各种噪声干扰，而且幅度比较大。用藕合电感从电力线上藕合下来的噪声一般就在10mV以上，而一般传输的数据信号会削减到1mV，如不采用电力线专用modem芯片来解调数据信号，通讯距离会相当短。7、 电力线引起数据信号变形。电力线是一个分布参数的网络，不同点对数据信号影响不一样，同时电力线时刻动态变化的，不同时间对数据信号影响也不一样，这就使发出的规则数据信号经过电力线后，接收到的信号是严重变形、参差不齐的信号，所以必须加以特殊处理。综上所述，电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成一个不理想的通讯媒介，但由于现代化通讯技术的发展，使电力线载波通讯成为可能，其中数据信号的信噪比决定传输距离的远近。电力线载波通讯的关键就是设计出一个功能强大的电力线载波专用modem芯片。第1章 载波电话机的组成和原理1.1电话机组成框图图1.1 电话机组成框图1.2工作原理发射：由稳压电源输出6V电压，供音乐片工作。音乐片发出的信号先经过前级音频放大电路（LM386）前级放大。放大后的信号经解码器LM567解码后，进入后级音频放大（功率放大），最后将放大后的已调信号送到发射机变压器的初级绕组。变压器经过耦合作用将该已调信号耦合到电力线上。电力线即是信号的载体。接收：由发射机而来的已调信号首先进入接收机变压器的初级绕组，经接收机变压器的耦合作用将信号耦合到前级音频放大电路（功率放大），再经过音频解码器LM567解码。解码后的信号经过频率调制（调频中周），将频率调整到适当的值（发射机和接收机的中心频率达到一致时方可接收到）。最后将调整好的信号经过后级音频放大（LM386）.将放大后的信号送到扬声器输出。第2章 载波发射机2.1发射机原理整机分2.1.1 电路组成图2.1为整机电路原理框图，由传呼电路、语音放大电路、频率调制电路、工作显示电路等几部分组成。传呼电路是将音乐片得电后的音乐信号传送到语音放大电路，经音频解码器，后级放大以及频率调制电路等将调制信号发射出去。语音放大电路是将发射方的语音进行放大。频率调制电路是将电路内部的传输频率调制到一个固定的值作为发射频率。后级放大电路是对由音频信号输出的音频信号后级放大。工作显示电路显示电路的工作与否。（参见附图发射机）用音乐片的音乐作传呼对方用。合上开关K，按下按钮AN，音乐片得电，发出音乐信号，对方接收机接收。图2.1 发射机原理框图2.1.2 工作原理l 传呼电路：传呼电路是由音乐片，MIC，R1,C1组成，其作用是将音频信号传送到音频放大电路。其工作原理是：接通开关K，再按下按键AN，此时，音乐片得到电压工作，发出音乐信号，音乐信号经过C1将信号耦合到音频放大器LM386。l 语音放大电路：语音放大电路主要的组成元器件是音频放大器LM386。LM386是一个集成运放。其作用就是将由音乐片或者麦克风传送来的信号进行信号放大。这样便于信号的在下级电路中的传送，避免因信号的幅度过小而使电路最终的输出很小。l 音频解码电路：LM567为通用型音调解码器，其内部电路图和电路分析详见图3.2，LM567的5脚输出调频波，R5、R6为分压电阻，调频信号经R5、R6分压后送入三极管BG1进行信号的放大。l 后级放大电路：BG1对由音频解码器LM567而来的调频信号后级放大，以便于有足够的输出功率。l 频率调制电路：通过调整W1来调整LM567的输出频率。l 工作指示电路：工作指示电路是由发光二极管和与其相连的限流电 阻组成。当电路中有电流通过时，发光二极管被点亮。此时表明电路正在工作。注意，在调试时，要将发射机的最终输出端输入到示波器进行检测，具体是看看其波形是否是正常的调频波波形，如果不正常，要及时作出调整，具体是调整发射机的中周，待波形完全正常时，再加以调整接收机的中周，使发射和接收频率达到一致时，接受机方可正常接收到清晰的原信号。2.2 LM386LM386属于音频放大器，其引脚配置图和内部电路如下：（a）图 (b)图图2.2 LM 386引脚配置图及内部电路LM 386集成功率放大器及其应用:LM386是一种低电压通用型低频集成功放.该电路功耗低,允许的电压范围宽,外接组件少,广泛用于收录音机,对讲机,电视半音等系统中.LM386内部电路图如上面（a）图所示:共有三级.V1V6组成有源负载单端输出差动放大器作输入级,V5,V6构成镜像电流源作差放的有源负载以提高单端输出时差动放大器的放大倍数.中间级是由V7构成的共射放大器,也采用恒流I作负载以提高增益.输出级又V8V10组成准互补推挽功效,VD1,VD2组成功放的偏值电路以利于消除交越失真.LM386的引脚配置图如上面(b)图所示：为双列直插塑料封装. 管脚功能为:2,3脚分别为反相,同相输入端:5脚为输出端:6脚为输出端:4脚接地:7脚为旁路端,可外接旁路电容以抑制纹波，1,8脚为电压增益设定端.当1,8脚开路时,负反馈最深,电压放大倍数最小,设定为Auf=20.当1,8脚间接入10uF电容时,内部1.35K电阻被旁路,负反馈最弱,电压放大倍数最大,Auf=200(46dB).当1,8脚间接入电阻R和10uF电容串接支路时,调整R可使电压放大倍数Auf在20200间连续可调,且R越大,放大倍数越小.当R2=1.24K时, Auf=50. LM386的典型应用如下图所示: 图2.3 LM 386典型应用 电路中,5脚输出接R3,C3构成串联补偿网络与呈感性的负载(扬声器)相并,最终使等效负载近似呈纯阻,以防止高频自激和过压现象. 7脚外接旁路C2去耦电容,用以提高纹波抑制能力,消除低频自激.第3章 载波接收机3.1 接收机原理整机分析3.1.1 电路组成图3.1为整机电路原理框图，由前级放大电路，频率调制电路，限幅电路，音频解码电路，通断控制电路，后级音频放大等电路组成。前级放大电路是对由发射机发射来的调制信号进行前级放大，频率调制电路是对前级放大后的信号进行调制，其原则是要将中周的电感量调到适当的值，使接收机的中心频率与发射机的中心频率完全一致，此时方可有效地接收来自发射机的发射信号。音频解码电路是对经调制后的已调信号进行音频解码，使其还原出原基带信号。限幅电路是对解码后的信号进行限幅，避免因信号幅度过大而产生失真，使信号不能正确的输出。通断控制是对信号的传输进行控制，若有信号从LM567的6脚输出，那么4N25工作，使LM386工作，进而使信号后级放大。后级放大电路对由解码器而来的还原后的音频信号进行放大。最后由扬声器输出。（参见附图接收机）由发射机发出的调频信号经电力线传送到T2，由T2、C8耦合到BG2放大，经高放后的信号通过T3到D2、D3的组成限幅器。限幅后通过C9至IC3 LM567的脚，由IC3对调频波进行解调，音频信号由IC3的脚输出，送到IC4功率放大，最后信号由扬声器输出。接收机原理框图如下：图3.1 接收机原理图3.1.2 工作原理l 前级放大电路：该电路由以下元器件组成:BG2,R8.功放管BG2是对由变压器而来的调频信号进行前级放大。以便其在接受机的后级电路中有效的传输。限流电阻R8保证功放管有适当的偏置电流。使其不宜过大，理由是：电流过大，会使得三极管的导通压降过大，这样会烧坏三极管使电路无法正常工作，R9也是个限流电阻，限制流过电感以及BG2上的电流过大，以免烧坏中周和三极管。l 频率调制电路：该电路由R10,W2,C11等组成,调整W2的数值,使得IC3(LM567)的5脚输出以固有频率f0=300KHZ为中心的调制信号.l 限幅电路：该电路由D2,D3组成.由D2、D3组成的限幅器对其进行幅度限制。因为幅度过大会使接收信号严重失真。当调制信号经放大管放大后的幅度过大时,限幅电路可以将其限制到适当的信号幅度.l 音频解码电路：音频译码电路LM567:其脚为信号输入端。、脚的W2、C11决定其固有频率f0=300KHZ.当其脚输入的信号电压大于门限电压且频率落入固有频率f0的捕捉带宽内时，脚即可跳变为逻辑低电平。如果脚输入的是被音频调制的信号，则脚输出解调的音频信号。反过来，如果脚输入一个音频信号，那么脚就输出一个以固有频率f0为中心的调制信号。l 通断控制电路：主要的器件是光耦4N25.光耦4N25的作用是：为LM386提供正常工作时的工作电压，对LM386供电线路的通断予以控制。其原理是：当接收机LM567接收到信号时，LM567内部锁相环电路工作，8脚从高电平变为低电平，光电耦合器中的发光二极管导通并发光，于是光敏三极管导通，+6V电源加到LM386上。l 后级音频放大电路：主要的器件是LM386.IC3对调频波进行解调后，音频信号由IC3的脚输出，送到IC4(LM386)功率放大。C13为耦合电容，将接收信号耦合到音频放大器LM386的3脚，由3脚输入的音频信号经LM386进行放大后输出，最后将信号加到扬声器上。使发射端的原信号原本不失真的还原出来。即实现了接收。 C14为滤波电容，作用是滤除高频杂波成分。R14、C16组成的串联电路是为了防止产生不必要的振荡。调试时用示波器观察各级输出波形，如果输出波形严重失真，说明中周调整的不适当，此时，可以适当调整中周，待波形正常时，即可正常接收，注意，检测波形时，要一级一级检测，先检测前级电路，再检测后级电路。3.2 接收机集成组件分析3.2.1 LM567LM567作用要领：1.LM567输出部分与普通数字IC等有所不同，其内部是一个集电极开路的NPN型三极管。使用时，8脚与正电源之间必须接一电阻或者其它负载，才能保证IC译码器输出低电平。2.实验表明，LM567接通电源瞬间，8脚会输出一低电平脉冲，因此，用作遥控器译码控制时，应在输出端后加装RC积分延时电路，以免每次断电后，重新复电时产生误动作。3.LM567第5、6脚为译码中心频率设定端，一般通过调整其外接可变电阻W改变其频率，实验发现，当W值变为0欧或者无穷大时，8脚电平状态即使无信号输入时也会变为低电平，因此，在调整W时不能使其短路或者开路。LM567的工作电压对译码器的中心频率有所影响，故最好采用稳压供电。4.LM567的2脚外接电容决定着锁相环捕捉带宽，容量越小，捕捉带宽越宽，但使用时不可为增大捕捉带宽而一味减小电容容量，否则，不但会降低抗干扰能力，严重时还会出现误触发现象，降低整机的可靠性。LM567特性：l 用外接电阻20：1的频率范围。l 逻辑兼容输出具有吸收100mA电流能力。l 可调带宽从0%至14%。l 宽信号输出与噪声的高抑制。l 对假信号抗干扰。l 高稳定的中心频率。中心频率调节从0.01HZ到500KHZLM567原理图如下:图3.2 LM 567原理图3.2.2 光耦4N25：光耦4N25：原理图如下：图3.3 光耦4N25原理图原理分析如下： 光电耦合器是由发光二极管和光电传感器构成的，与通光型光电开关类似。光电耦合器的LED及光电传感器都用塑料密封起来，与外界隔离，二者之间只有光通路而无电通路。即二者之间是电绝缘的。 当给发光二极管LED加一正向直流电流If时，它发出强度一定的光，该光敏三极管接收后产生一定的光电流I。，如果这时给LED施加一交流电压或脉冲电压，即施加输入信号，它的电流将在If基础上发生变化，即在If上叠加了交流电流或脉冲电流，此时，光敏三极管也在 I。上产生交流电流或脉冲电流，即产生输出信号。输出信号和输入信号接近于正比关系。第四章 电源电路4.1 电源整机分析4.1.1，电路组成图4.1为整机电路原理框图，由整流电路，稳压电路，工作指示电路组成，整流电路是对220V交流市电进行桥式全波整流，稳压电路是由集成组件7806以及其附属电路对由整流桥2脚输出的信号进行稳压，工作指示电路对电源电路是否正常工作起着指示作用。图4.1 电源电路原理框图4.1.2工作原理电源电路包括两大电路：一是整流电路，二是稳压电路。其电路概况和具体分析如下：220V的市电经变压器进行降压，然后，由D4-D7组成的桥式全波整流电路对其进行全波整流，其具体整流原理详见图4.2，在此不再敖述。稳压电路是由电容C19、C20、C21和三端式集成稳压器7806组成，其中，7806是主要的稳压器件，是一种串联调整式稳压器，正电压输出，内部电路由恒流源、基准电压源、取样电阻、比较放大调整管、保护电路、温度补偿电路等组成，输出电压值取决于内部取样电阻的数值。具体的稳压原理详见图4.3-4.4，C19为滤波电容，其作用是滤除高频杂波成分。C19也是为了改善纹波特性，加接C20是为了改善负载的瞬态响应。输入电压的选择：Vimax Vi Vo+2V. 式中Vimax为产品允许的最大输入电压，Vo为输出电压，2V为输入输出电压差。LED2为发光二极管，其作用是正确指示电路工作状态，当接通电源时，如果发光二极管正常点亮，说明电路已经接通，若不亮说明电路未正确接通或者电路发生损坏，此时，要及时进行维修，使电路正常工作。因为电源部分是整个接收和发射的关键组成部分。而且，电源是否稳定，直接关系到整个电路发射和接收信号的质量。R15为限流电阻，目的是为了保护发光二极管不会被烧坏，因为，发光二极管的正常工作时的电压降大约为0.7V（硅管）、0.3V（锗管），当加到发光二极管的电压降大于其正常工作时的电压降时会使发光二极管损坏，造成整个电路的工作状态不能正确指示。 经过7806稳压后输出的电压为大约+6V，提供发射机和接收机正常工作时的工作电压。4.2 电源单元电路分析4.2.1 整流电路整流桥电路原理图如下：图4.2 整流电路原理图 该整流电路为桥式全波整流电路，该电路整流利用了交流的全周期。所以效率高、纹波小。分析整流原理图：图4.3 图4.4整流原理：在（a）图里，E2是正半周，D2、D4为导通方向，即可形成：+ D2 R D4 - 的闭合电路，这时，负载R上流过如图一所示的正半周电流。在图（b）中，E2是负半周，D1、D3为导通方向，即可形成：+ D3 R D1 - 的闭合电路，这时负载R上流过如图二所示的负半周电流。4.2.2 稳压电路电路原理图：图4.5 稳压电路原理图电路分析:C19是为了改善纹波特性，加接C20是为了改善负载的瞬态响应。输入电压的选择：Vimax Vi Vo+2V. 式中Vimax为产品允许的最大输入电压，Vo为输出电压，2V为输入输出电压差。4.2.3、集成组件7806原理图：图4.6 7806原理图原理分析如下：7806是一种三端固定输出集成稳压器，是一种串联调整式稳压器。它将全部电路集成在单块硅片上，整个集成稳压电路只有输入、输出和公共端三个引出端。使用非常方便。78系列的为正电压输出，内部电路由恒流源、基准电压源、取样电阻、比较放大调整管、保护电路、温度补偿电路等组成，输出电压值取决于内部取样电阻的数值。每次稳压器电路输出电压有5V、6V、7V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、24V等多档，输出电流一般为100Ma(78L*/79L*)、1.5A（78*/79*）等，最大输出电压为40V 。三端固定输出电压集成稳压器，因其内部有过热、过流保护电路，因此，它的性能优良、可靠性高，又因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点，得到广泛应用。第5章 电路板设计过程5.1原理图设计过程1. 打开Protel99SE操作界面，为接收机命名，指定保存路径。2. 点击NEW命令，新建原理图文件（Schematic Document），打开原理图编辑界面。3. 点击放置命令（Place）中的Part命令，按照原理图中的组件放置各个组件，注意，其中的集成块在常用组件库中找不到，此时要进一步添加新的组件库，添加过程是：在Browse Sch界面中点击Browse菜单，再在Browse菜单中点击ADD/REMOVE菜单，在该菜单界面中有好多的组件库，选择适当的组件库，最后点击ADD按钮，即可将所选的组件库添加到原理图编辑界面。4. 将各个组件按照原理图中的放置位置适当放置，然后进行组件之间的连接。5. 保存编辑好的原理图。（其它电路原理图编辑同上）5.2 PCB图设计过程1. 点击NEW命令，建立PCB文件（PCB DOCUMENT），打开PCB编辑界面。2. 在编辑界面的最下方点击KEEPOUT LAYER，为线路板大小画框图，点击工具栏中的尺寸标注图标，其命令是：PLACE DIMENSION，根据该电路画出6*10的电路板。3. 在BROWSE PCB 界面下点击ADD/REMOVE命令，为PCB图的编辑添加PCB封装库。先添加常用封装库（MISCELLANEOUS.LIB）。其过程是：依次点PROTEL99SE-BACKUP-EXAMPLES-PCB-CONNECTORS-MISCELLANEOUS。最后点击ADD命令。其它组件库添加方法同上。4. 添加相应的组件封装到框图中，选中组件点击PLACE 命令即可添加，最后进行连线，连线的线宽可以通过依次点击DESIGN-RULES-WIDTH CONSTRAINT 进行设置。相应的其它设置根据需要可进行适当更改。5. 保存好编辑好的PCB图。（其它PCB图编辑同上）。5.3 电路板制作过程1. 打印：将设计好的PCB图用打印机打印出来。注意：打印时一定要将焊盘孔显示出来，因为，在用打孔机打孔时，若焊盘孔也被敷铜覆盖 的话，打孔机的转头来回移动，这样的话，就不容易刚好打进焊盘孔的中心位置。2. 转印：将6*10的电路板用打印好的PCB油墨图纸牢牢包住（注意：包的层数不要太多，以免因温度过高而使纸张燃烧），再将包好的电路板放入转印机（注意转印方向，还有，在此之前将转印温度调到大约120度。电路板未完全脱出转印机之前不要用力拉出）。3.腐蚀：将转印好的电路板放入预先准备好的氯化铁溶液中进行腐蚀。注意氯化铁溶液的浓度要适当，不宜过高也不宜过低。若反应特别慢，可适当加温使之快速反应，若反应快可及时取出看看腐蚀情况。因为，腐蚀的太厉害时，会将原本很细的线路由于过腐蚀而影响电路的性能，严重的话还会发生线路的断裂，造成电路不通。4. 清洗：将腐蚀好的电路板用清水冲洗，有条件的话用超声波清洗仪 器处理。5. 打孔：将清洗好的电路板放到打孔机下打孔，打孔时要用左手拿稳电 路板，用右手扳住打孔机的旋柄使打孔机的转头缓慢下移，朝焊盘没有敷铜的中点出打孔即可，（注意：对大小不同的焊盘要选择合适的转头）。6. 插组件：将电子组件按照PCB图，插到适当的焊盘孔中。7. 焊接：将插好的电子组件用电烙铁进行焊接，注意焊接的方法：先将事先烧好的电烙铁顶端放到组件管脚紧贴电路板的部位，再将焊锡丝接触电烙铁的顶端部分。待焊锡丝融化后先去除焊锡丝，最后移去电烙铁，且电烙铁应朝上迅速调走。这样做是为了防止虚焊。还有，焊接时电烙铁的停留时间不宜过长，以免将焊盘焊掉。8. 去除多余管脚：用专用剪刀将较长的电子器件管脚剪掉。9. 调试：根据电路的原理，对焊好的电路板进行检测、调试。看看其性能有没有问题，对出现的问题要及时作出调整、解决。10. 验收。 结论/展望本次设计本着实用的思想，电路新颖、易于操作，迎合当今社会发展的趋势，为实用型电子产品中的精品制作。运用电力线载波是一种创新思想，这种方法不仅仅节约了昂贵的电缆线，最重要的是操作方便，接收信号清晰，便于安装、调试。是电子制作发展的前言。在设计过程中，必然会遇到一些技术上的麻烦，自己平时所学不免有所缺漏之处，因为这次设计，需要大量知识的综合、归纳，需要重新回顾以前所学的知识，还有，有些电子组件不能正确的分析其内部电路原理，需要从网上下载其相关电路。比如，电路中的集成块LM567、TDA2822等，需要找到其内部电路，根据其内部电路再作出相应的分析。其中，TDA2822是电路设计中创新的地方，用TDA2822代替了发射机和接收机中的集成块LM386，这样，即简化了电路，又减少了电路中的干扰。从而提高了电路的性能。设计过程中，巩固了以前的知识，在调试过程中，需要观察输出的调频波波形，要用到示波器，要将中周调整到适当的电感量，当调整到发射机和接收机的中心频率一致时，双方才能够进行清晰方便的通信。当然，设计也存在着一些问题，比如，集成块LM567供电需要加上+6V的稳压电源，而且LM567对电源的性能要求很高，要求电源电压要相对稳定，以免因电压不稳造成电路中心频率偏移。近而使得接收信号不清晰。影响通话质量。对此，还需要作出进一步的创新设计，改善电路是一项很麻烦的过程，需要考虑各方面的因素，不如，抗干扰性、稳定性、节约性、外形要美观大方等，所以，电子电路的高质量设计是我们电子爱好者创新的天地，努力的方向。我确信在不远的将来，我们的生活中处处都要用到相