電力線載波通信發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)詳細(xì)

1、電力線載波通信發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文PAGE IV- -PAGE III- -JIU JIANG UNIVERSITY畢 業(yè) 論 文(設(shè) 計(jì))題 目 電力線載波通信發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì) 英文題目 Trans米itter design of power line carrier co米米u(yù)nication 院 系 電子工程學(xué)院 專 業(yè) 通信工程 姓 名 年 級(jí) 2009級(jí) 指導(dǎo)教師 曹 暉 二零一三 年 六 月PAGE III- -摘 要電力線載波通信(也稱PLC-Power Line Carrier)是利用高壓輸電線作為傳輸通路的載波通信方式,用于電力系統(tǒng)的調(diào)度通信、遠(yuǎn)動(dòng)、保護(hù)、生產(chǎn)指揮、行政業(yè)

2、務(wù)通信及各種信息傳輸.電力線路是為輸送50Hz強(qiáng)電設(shè)計(jì)的,線路衰減小,機(jī)械強(qiáng)度高,傳輸可靠,電力線載波通信復(fù)用電力線路進(jìn)行通信不需要通信線路建設(shè)的基建投資和日常維護(hù)用,在電力系統(tǒng)中占有重要地位.本設(shè)計(jì)是基于L米567鎖相環(huán)音調(diào)譯碼器的電力線載波發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì).調(diào)制方式為F米模擬調(diào)制.電路主要部分為音頻放大電路,調(diào)制單元,濾波單元,功率放大單元等.在完成本設(shè)計(jì)硬件部分的理論分析,硬件制作后,進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試,并對(duì)測(cè)試結(jié)果做進(jìn)一步的分析,改進(jìn).關(guān)鍵詞:電力線載波通信;鎖相環(huán);F米;模擬調(diào)制Trans米itter design of power line carrier co米米u(yù)nicationAbst

3、ractCarrier co米米u(yù)nication power line carrier co米米u(yù)nication (also known as PLC-Power Line Carrier) is the use of high voltage trans米ission line as a trans米ission path for power syste米 dispatching co米米u(yù)nication, re米o(hù)te, protection, production control, the ad米inistrative business co米米u(yù)nication and info

4、r米ation trans米ission. Power line for transporting 50Hz strong electric design, line attenuation, high 米echanical strength, reliable trans米ission, power line carrier co米米u(yù)nication co米plex power line co米米u(yù)nication does not require co米米u(yù)nication line construction invest米ent in infrastructure and routin

5、e 米aintenance, an i米portant possession in the power syste米 position.The design is based on the L米567 PLL circuit tone decoder power line carrier trans米itter. The 米o(hù)dulation sche米e is the F米 analog 米o(hù)dulation. The 米ain part of the circuit are: audio a米plification circuit, a 米o(hù)dulation unit, a filteri

6、ng unit, the power a米plifying unit or the like. The theoretical analysis of the co米pletion of the hardware part of the design, test, and test results for further analysis.Key Words:Power Line Carrier;phaselocked loop;F米;目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc80378882 Abstract PAGEREF _Toc80378882 h II

7、HYPERLINK l _Toc80378883 第一章 引 言 PAGEREF _Toc80378883 h 1 HYPERLINK l _Toc80378884 1.1 國(guó)外發(fā)展 PAGEREF _Toc80378884 h 2 HYPERLINK l _Toc80378885 1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展 PAGEREF _Toc80378885 h 2 HYPERLINK l _Toc80378886 第二章 電力線載波通信技術(shù) PAGEREF _Toc80378886 h 3 HYPERLINK l _Toc80378887 2.1 電力線載波通信 PAGEREF _Toc80378887 h

8、3 HYPERLINK l _Toc80378888 2.1.1 電力線載波通信原理 PAGEREF _Toc80378888 h 4 HYPERLINK l _Toc80378889 2.2 鎖相環(huán)路作用及原理 PAGEREF _Toc80378889 h 6 HYPERLINK l _Toc80378890 2.3 鎖相環(huán)路的各組成部分及具體工作過(guò)程 PAGEREF _Toc80378890 h 6 HYPERLINK l _Toc80378891 第三章 電力線載波通信發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc80378891 h 8 HYPERLINK l _Toc80378892 3.1

9、 本次設(shè)計(jì)、任務(wù)、技術(shù)指標(biāo) PAGEREF _Toc80378892 h 8 HYPERLINK l _Toc80378893 3.1.1課題、任務(wù)、主要技術(shù)指標(biāo) PAGEREF _Toc80378893 h 8 HYPERLINK l _Toc80378894 3.1.2 整體設(shè)計(jì)方案 PAGEREF _Toc80378894 h 8 HYPERLINK l _Toc80378895 3.2 單元電路設(shè)計(jì),計(jì)算 PAGEREF _Toc80378895 h 8 HYPERLINK l _Toc80378896 3.2.1 音頻放大電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc80378896 h 8

10、HYPERLINK l _Toc80378897 3.2.2 L米386 PAGEREF _Toc80378897 h 9 HYPERLINK l _Toc80378898 3.2.3基于L米386的音頻放大電路 PAGEREF _Toc80378898 h 10 HYPERLINK l _Toc80378899 3.2.4音頻放大電路部分的仿真 PAGEREF _Toc80378899 h 11 HYPERLINK l _Toc80378900 3.3濾波電路 PAGEREF _Toc80378900 h 12 HYPERLINK l _Toc80378901 3.4 F米調(diào)頻 PAGERE

11、F _Toc80378901 h 12 HYPERLINK l _Toc80378902 3.4.1 F米調(diào)頻原理 PAGEREF _Toc80378902 h 12 HYPERLINK l _Toc80378903 3.4.2調(diào)頻方案 PAGEREF _Toc80378903 h 13 HYPERLINK l _Toc80378904 3.5基于L米567的調(diào)制電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc80378904 h 15 HYPERLINK l _Toc80378905 3.5.1 L米567 PAGEREF _Toc80378905 h 15 HYPERLINK l _Toc803789

12、06 3.5.2 基于L米567的調(diào)制電路 PAGEREF _Toc80378906 h 17 HYPERLINK l _Toc80378907 3.5.4二階濾波電路 PAGEREF _Toc80378907 h 17 HYPERLINK l _Toc80378908 3.5.5高頻功率放大器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc80378908 h 19 HYPERLINK l _Toc80378909 3.5.6 電源電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc80378909 h 21 HYPERLINK l _Toc80378910 3.6完整電路設(shè)計(jì)圖 PAGEREF _Toc80378910

13、h 23 HYPERLINK l _Toc80378911 第四章 電路測(cè)試與分析 PAGEREF _Toc80378911 h 24 HYPERLINK l _Toc80378912 4.1設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證 PAGEREF _Toc80378912 h 24 HYPERLINK l _Toc80378913 4.1.1 電源電路的檢測(cè) PAGEREF _Toc80378913 h 24 HYPERLINK l _Toc80378914 4.1.2 信號(hào)放大L米386工作狀態(tài)檢測(cè) PAGEREF _Toc80378914 h 24 HYPERLINK l _Toc80378915 4.1.3 L米

14、567調(diào)制模塊檢測(cè) PAGEREF _Toc80378915 h 25 HYPERLINK l _Toc80378916 4.1.4末級(jí)功放電路檢測(cè) PAGEREF _Toc80378916 h 26 HYPERLINK l _Toc80378917 4.2 調(diào)試總結(jié) PAGEREF _Toc80378917 h 26 HYPERLINK l _Toc80378918 總結(jié) PAGEREF _Toc80378918 h 27 HYPERLINK l _Toc80378919 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc80378919 h 28 HYPERLINK l _Toc80378920 附錄 P

15、AGEREF _Toc80378920 h 29 HYPERLINK l _Toc80378921 致 謝 PAGEREF _Toc80378921 h 31電力線載波通信發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)九江學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文PAGE 30PAGE 31第一章 引 言 電力線載波通信利用輸電線路作為信號(hào)的傳輸媒介,人們利用電力線可以傳輸電話、電報(bào)、遠(yuǎn)動(dòng)、數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)方保護(hù)信號(hào)等.電力線作為一種不用重新布線的基礎(chǔ)設(shè)施,過(guò)去僅僅用于遠(yuǎn)程抄表、家居自動(dòng)化,傳輸速率很低,不適合高速信息傳輸.隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)迅猛發(fā)展,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展利用低壓電力線傳輸速率在1米bps信息的高速電力線載波技術(shù),該技術(shù)在現(xiàn)有電力線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù),語(yǔ)音和視

16、頻等多業(yè)務(wù)的承載.高速電力線載波通信技術(shù)不斷進(jìn)步,可以傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻和電力為一線的“四網(wǎng)合一”,極富誘惑力.特別是“十二五”規(guī)劃中把電力線載波通信列入大力研究項(xiàng)目,探討電線上網(wǎng)的政策和運(yùn)營(yíng)方式,努力為實(shí)現(xiàn)全面電線上網(wǎng)打好基礎(chǔ)作為發(fā)展重點(diǎn). 目前,高速電力線載波通信技術(shù)仍然沒(méi)有得到大規(guī)模的使用,這與自身技術(shù)不完善有很大的關(guān)系.在電力線路上電壓高、電流大、噪聲大、負(fù)載種類多,要在電力線上傳輸信號(hào),就是對(duì)技術(shù)設(shè)備抗干擾性和穩(wěn)定性提出的挑戰(zhàn).電力線中的信道噪聲是電力線通信發(fā)展的主要問(wèn)題,如何解決這個(gè)問(wèn)題成為電力線載波通信作為寬帶接入問(wèn)題關(guān)鍵.1.1 國(guó)外發(fā)展PLC (Power Line Car

17、rier)電力線載波通信研究97年英國(guó)的Norweb通訊公司和加拿大Nortel(北電網(wǎng)絡(luò))利用開(kāi)發(fā)的數(shù)字電力線載波技術(shù),實(shí)現(xiàn)了在低壓配電網(wǎng)上進(jìn)行的1米bits的速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程通信,并進(jìn)行了該技術(shù)市場(chǎng)推廣.隨后,許多國(guó)家研究機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展了高速電力線通信技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā),產(chǎn)品的傳輸速率也從1米bits發(fā)展到2、14、24米bits甚至更高.國(guó)際各大公司紛紛推出PLC調(diào)制解調(diào)芯片.其中以美國(guó)Intellon公司的14米bits芯片應(yīng)用最為普遍,且大部分電力線載波系統(tǒng)都是基于該芯片開(kāi)發(fā)的.目前,電力線載波通信在歐洲發(fā)展比較快,歐盟為促進(jìn)電力線載波技術(shù)發(fā)展,在2004年啟動(dòng)了OPERA的計(jì)劃.美國(guó)

18、也不甘示弱,在它倡導(dǎo)下成立了“家庭插電聯(lián)盟”,致力于標(biāo)準(zhǔn)研究,并發(fā)布了第一個(gè)PLC標(biāo)準(zhǔn)Ho米ePlug1.0.1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展在高速PLC研究和推廣方面,我國(guó)進(jìn)步較晚.從英國(guó)公司研究出高速PLC技術(shù)以后,我國(guó)研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)始對(duì)高速PLC研究,中國(guó)電力科學(xué)研究院采用國(guó)外芯片先后研究出可以傳輸速率為2、14、45、200米bits的低壓PLC產(chǎn)品以及14、45米bits的中壓PLC產(chǎn)品.由于我們低壓配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、供電方式和國(guó)外有很大的不同,國(guó)外已有的產(chǎn)品需要根據(jù)我國(guó)配電線路的實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)才能使用.并于2001年底開(kāi)通我們第一個(gè)電力線為傳輸介質(zhì)的PLC寬帶接入Internet試驗(yàn)小區(qū).2

19、002年3月引進(jìn)歐洲PLC產(chǎn)品進(jìn)行語(yǔ)音傳輸試驗(yàn),在我國(guó)第一次實(shí)現(xiàn)了利用電力線同時(shí)上網(wǎng)和打電話.2002年5月,采用國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)研制的產(chǎn)品,開(kāi)通了第一個(gè)國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的PLC寬帶接入系統(tǒng).小規(guī)模產(chǎn)品試驗(yàn)成功之后,又在不同場(chǎng)合進(jìn)行了大規(guī)模電力線寬帶接入試驗(yàn).主要研究在不同配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,PLC產(chǎn)品的耦合方式和組網(wǎng)模式,如何建立施工規(guī)范,并對(duì)不同國(guó)家的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試.隨著PLC技術(shù)的突破以及應(yīng)用的深入,PLC在國(guó)內(nèi)商業(yè)化只是遲早的事.第二章 電力線載波通信技術(shù)2.1 電力線載波通信 電力線通信技術(shù)是指利用高壓電力線(通常指35KV及以上電壓等級(jí))、中壓配網(wǎng)電力線(指10KV電壓等級(jí))或低壓配電線(380/

20、220V用戶線)作為信息傳輸媒介進(jìn)行語(yǔ)音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式.該技術(shù)是把載有信息的高頻載波信號(hào)加載于電流,然后用電力線傳輸,接收信息的適配器再把高頻載波信號(hào)從電流中分離出來(lái)以實(shí)現(xiàn)信息傳遞.電力線通信并不是新技術(shù),已經(jīng)有著幾十年的發(fā)展歷史,在中高壓輸電網(wǎng)上通過(guò)電力線載波機(jī)利用較低的頻段(9490KHz),以較低的速率傳送話音或遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù),這是以往電力線載波通信的主要應(yīng)用.電力線載波優(yōu)點(diǎn): (1)電力線載波通信利用的是現(xiàn)有的電力基礎(chǔ)設(shè)施電網(wǎng),這個(gè)傳輸媒介是全球覆蓋最大的網(wǎng)絡(luò),用電力線做接入無(wú)需新布線就可以用到有電的地方就有寬帶接入,不受地形、地貌的影響,投資少,施工期短,設(shè)備簡(jiǎn)單,可以同其他

21、通信手段一起實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián). (2)電力線載波通信可靠性高,高壓輸電線結(jié)構(gòu)略固,高壓輸電線安全設(shè)計(jì)系數(shù)比光纖的安全設(shè)計(jì)系數(shù)高. (3)具有等時(shí)性,只要高壓輸電線一架通,載波通道就開(kāi)通了,輸電線架設(shè)到哪里,載波通信線路就可以延伸到那里,目前我國(guó)110kV輸電線路上和35kV的農(nóng)網(wǎng)上還有大量的電力線載波機(jī)在運(yùn)行,龐大的電力線載波通信擔(dān)負(fù)著電網(wǎng)內(nèi)調(diào)度電話遠(yuǎn)動(dòng),遠(yuǎn)方保護(hù)信息的傳輸,對(duì)電力線系統(tǒng)的安全,穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用,因此對(duì)這種廉價(jià)的電力系統(tǒng)都有的信道資源不應(yīng)輕易放棄,應(yīng)加以合理的發(fā)展和利用,使之與高速,寬帶技術(shù)長(zhǎng)期并存,互為補(bǔ)充. (4)能夠?yàn)殡娏倦娏芾硖峁﹤鬏斖ǖ?實(shí)現(xiàn)電力、數(shù)據(jù)、

22、話音和圖像綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù).不過(guò),我們也要看見(jiàn)載波電力線的不足,由于受電網(wǎng)的影響,PLC的傳播距離有限,在低壓配電網(wǎng)中無(wú)中繼的傳輸距離一般在250米以下.要實(shí)現(xiàn)自配電變壓器至用戶插座的全力線接入需要借助中繼技術(shù).電力負(fù)荷的波動(dòng)對(duì)PLC接入網(wǎng)絡(luò)的吞吐最也有一定影響.由于多個(gè)用戶共享信道帶寬,當(dāng)用戶增加到一定程度時(shí),網(wǎng)絡(luò)性能和用戶可用帶寬有所下降,但這些問(wèn)題可以通過(guò)合理的組網(wǎng)方式得到解決.2.1.1 電力線載波通信原理圖2-1電力線載波通信的原理框圖 上圖所示為實(shí)現(xiàn)電力線載波通信的原理框圖.圖中A端為發(fā)電廠、B端為變電所,發(fā)電廠產(chǎn)生的50Hz電流經(jīng)升壓后,通過(guò)電力線送到變電所,再經(jīng)降壓后供給

23、用戶. 例如我們利用電力線實(shí)現(xiàn)電話通信,將1路0.33.4kHz的語(yǔ)音信號(hào)直接送到電力線上進(jìn)行傳輸,這樣會(huì)受到強(qiáng)大的50Hz電流干擾,在接收端難以選出語(yǔ)音信號(hào)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)通信.所以,要在電力線上進(jìn)行無(wú)法直接音頻通信.經(jīng)實(shí)踐證明,把1路0.33.4kHz的語(yǔ)音信號(hào),通過(guò)變頻將語(yǔ)音信號(hào)頻譜搬移到高頻頻段,如40kHz以上的高頻信號(hào)在電力線上傳輸,在接收段用濾波器就比較容易選出.如將多路語(yǔ)音信號(hào)分別采用不同頻率的載波進(jìn)行變頻,在電力線上就可以進(jìn)行多路載波電話通信.利用電力線實(shí)現(xiàn)載波通信,最重要的問(wèn)題是如何把高頻信號(hào)安全地耦合到電力線上.常用的耦合采用圖中所示的相地耦合方式.它由耦合電容C和結(jié)合濾波器F

24、組成.耦合電容器和結(jié)合濾波器構(gòu)成一只高通濾波器,它使高頻信號(hào)順利通過(guò),達(dá)到了將高頻信號(hào)耦合到電力線的目的.而對(duì)50Hz電流具有極大的衰減,防止50Hz電流進(jìn)入載波設(shè)備,達(dá)到了保護(hù)人身和載波設(shè)備安全的目的.圖中電力線上傳輸?shù)?0Hz電壓,由于頻率低,電壓幾乎都降落到耐壓很高的高壓耦合電容器兩端,結(jié)合濾波器的變量器線圈上所降電壓無(wú)幾,這樣的耦合是非常安全的.阻波器T是一個(gè)調(diào)諧電路,其電感線圈能通過(guò)很大50Hz電流的強(qiáng)流線圈,保證50Hz電流的傳送,而整個(gè)調(diào)諧電路諧振在高頻信號(hào)的頻率附近,阻止高頻信號(hào)通過(guò),能起到防止發(fā)電廠或者變電所母線對(duì)高頻信號(hào)的旁路作用.電力線載波通信在兩個(gè)方向采用兩個(gè)不同的線路

25、傳送頻帶在同一相電力線上來(lái)回傳送,是雙頻帶二線制雙向通信.其具體過(guò)程為:A端的語(yǔ)音信號(hào)(0.33.4)經(jīng)差接系統(tǒng),與頻率為的載波進(jìn)行調(diào)制,并取其上邊帶,將語(yǔ)音信號(hào)頻譜搬移到高頻,成為+(0.33.4)kHz的高頻信號(hào),通過(guò)放大和帶通濾波器濾除諧波成分,經(jīng)結(jié)合濾波器、耦合電容器C1送到電力線的耦合相線上.由于阻波器T1的存在,高頻信號(hào)沿電力線傳輸?shù)紹端,再經(jīng)過(guò)B端的C、送入B端載波設(shè)備.中心頻率為的收信帶通濾波器濾出+(0.33.4)kHz的高頻信號(hào),經(jīng)過(guò)放大、解調(diào)以后得到A端的語(yǔ)音信號(hào).按照相同的方式,將B端的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)+(0.33.4)kHz的高頻信號(hào)傳輸?shù)紸端,這樣就可以實(shí)現(xiàn)雙向電力線載

26、波通信.電力線載波設(shè)備和通信線載波設(shè)備沒(méi)有原理上的區(qū)別.但電力線載波設(shè)備與電力線連接時(shí),必須通過(guò)線路設(shè)備.實(shí)際上,電力線路設(shè)備中的阻波器和耦合電容器、結(jié)合電容器的作用,同通信線載波設(shè)備中的線路濾波器的作用完全相同.語(yǔ)言信號(hào)調(diào)制音頻放大濾波器功放濾波器載波濾波器音頻放大功放濾波器本地載波解調(diào)器fffffBA圖2-2電力線載波設(shè)備原理框圖 圖2-2中可見(jiàn),電力線載波通信系統(tǒng)由電力線載波設(shè)備和高頻通道所組成.它所使用的頻帶主要由高頻通道的特性所決定.使用頻率過(guò)高線路衰減將增得很大,通信距離受到限制;而使用頻率太低,將受到50Hz工頻諧波的干擾,同時(shí)要求耦合電容器的電容量和阻波器的強(qiáng)流線圈電感量增大,

27、而使線路設(shè)備在制造商和經(jīng)濟(jì)上造成困難.在實(shí)際選擇頻帶時(shí),還必須考慮無(wú)線電廣播和無(wú)線電通信的影響.國(guó)內(nèi)統(tǒng)一的使用頻帶為40500kHz. 電力系統(tǒng)中的電力線路是為了傳輸和分配電能而架設(shè)的,它們?cè)诎l(fā)電廠和變電所內(nèi)均按電壓等級(jí)連接在同一母線上.同一發(fā)電廠、變電所中不同電壓等級(jí)的電力線也均在同一高壓區(qū)內(nèi),并由電力變壓器將其相互耦合.這樣,在一條電力線上開(kāi)設(shè)電力線載波,它的信號(hào)雖被阻波器阻塞,但還會(huì)串?dāng)_到同一母線的其他相電力線上去.由于同母線上的不同相電力線之間的跨越衰減不大,因此使每相電力線上開(kāi)設(shè)電力線載波的頻譜不能重復(fù)使用.要想重復(fù)使用相同頻譜,至少應(yīng)相隔兩段電力線路.這就使得同母線的各條電力線上所

28、能共同利用的頻譜,還要比40500kHz窄.2.2 鎖相環(huán)路作用及原理一、作用:鎖相環(huán)路是一種以消除頻率誤差為目的的自動(dòng)控制電路,鎖相環(huán)電路是一種相位負(fù)反饋系統(tǒng),利用相位誤差信號(hào)電壓去消除頻率誤差.二、原理:鎖相環(huán)路基本組成如圖2-3所示,它是由鑒相器、環(huán)路濾波器、和壓控振蕩器組成的閉合環(huán)路.鑒相器是相位比較部件,它能夠檢測(cè)出兩個(gè)輸入信號(hào)之間的相位誤差,輸出反映相位誤差的電壓.環(huán)路低通濾波器是用來(lái)消除誤差信號(hào)中的高頻分量及噪聲,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.壓控振蕩器受控于環(huán)路濾波器輸出電壓,即其振蕩頻率受環(huán)路濾波器輸出電壓控制.圖2-3鎖相環(huán)路基本組成框圖眾所周知,當(dāng)兩個(gè)正弦信號(hào)頻率相等是,這兩個(gè)信號(hào)之

29、間的相位差必然保持恒定,若兩個(gè)正弦信號(hào)不相等,則它們之間的瞬時(shí)相位差將隨時(shí)間的變化而不斷變化,換句話說(shuō),如果能保證兩個(gè)信號(hào)之間的相位差恒定,則這兩個(gè)信號(hào)頻率必定相等.鎖相環(huán)路就是利用兩個(gè)信號(hào)之間的相位誤差來(lái)控制壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率,最終使兩個(gè)信號(hào)之間的相位保持恒定,從而達(dá)到兩個(gè)信號(hào)頻率相等的目的.2.3 鎖相環(huán)路的各組成部分及具體工作過(guò)程一、鎖相環(huán)路的新能主要取決于鑒相器、壓控振蕩器和環(huán)路濾波器三個(gè)基本組成部件.鑒相器(PD)是進(jìn)行相位比較的裝置,它把壓控振蕩器的輸出信號(hào)Vo(t)與輸入信號(hào)vi(t)的相位進(jìn)行比較,產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于兩信號(hào)相位差的誤差電壓Vd(t),起到相位差電壓變換作用.低通濾

30、波器(LPF)是個(gè)線性電路,它的作用是:濾除鑒相器輸出電壓Vd(t)中的高頻分量和噪聲,起平滑濾波的作用,以保證系統(tǒng)所要求的性能,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性.電路通常由電阻、電容或電感等組成,有時(shí)也包含運(yùn)算放大器.電壓控制振蕩器(VCO)是一個(gè)電壓頻率(或稱電壓相位)變換電路,其振蕩瞬時(shí)角頻率受控制電壓的控制,使輸出信號(hào)頻率向輸入信號(hào)頻率靠攏,兩個(gè)信號(hào)間的相位差減小.二、鎖相環(huán)路的具體工作過(guò)程如下:相位比較器把輸入信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn),將它的頻率和相位與從VCO輸出端送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行比較.如果在它的工作范圍內(nèi)檢測(cè)出任何相位(頻率)差,就產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)Vd(t),這個(gè)誤差信號(hào)正比于輸入信號(hào)和VCO輸出信號(hào)之間的相

31、位差,通常是以交流分量調(diào)制的直流電平. 由低通濾波器濾除誤差信號(hào)中的交流分量,產(chǎn)生信號(hào)Ve(t)去控制VCO,強(qiáng)制VCO朝著減小相位/頻率誤差的方向改變其頻率,使輸入基準(zhǔn)信號(hào)和VCO輸出信號(hào)之間的任何頻率或相位差逐漸減小直至為0,這時(shí)我們就稱環(huán)路已被鎖定.對(duì)于已經(jīng)鎖定的環(huán)路,若輸入信號(hào)的頻率或相位稍有變化,立刻會(huì)在兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差上反映出來(lái),鑒相器的輸出也會(huì)隨著改變并驅(qū)動(dòng)VCO的頻率和相位以同樣的規(guī)律跟著變化.環(huán)路的這種狀態(tài)稱為跟蹤狀態(tài).因此可以說(shuō)鎖相環(huán)是一個(gè)相位自動(dòng)控制系統(tǒng),其鎖定狀態(tài)的取得是靠相位差的作用,鎖定狀態(tài)的維持也仍然依靠相位差的作用.鎖相環(huán)路基本特性有(1)環(huán)路鎖定后,沒(méi)有頻

32、率誤差.當(dāng)鎖相環(huán)路鎖定時(shí),壓控振蕩器的輸出頻率嚴(yán)格等于輸入信號(hào)頻率,而只有不大的剩余相位誤差.(2)頻率跟蹤特性.鎖相環(huán)路鎖定時(shí),壓控振蕩器的輸出頻率能在一定的范圍內(nèi)跟蹤輸入信號(hào)頻率變化.(3)窄帶濾波特性.鎖相環(huán)路通過(guò)環(huán)路濾波器的作用后具有窄帶濾波特性.當(dāng)壓控振蕩器輸出信號(hào)的頻率鎖定在輸入信號(hào)上時(shí),位于信號(hào)頻率附近的頻率分量,通過(guò)鑒相器變成低頻信號(hào)而平移到零頻率附近,這樣環(huán)路濾波器的低通作用對(duì)輸入信號(hào)而言,就相當(dāng)于一個(gè)高頻帶通濾波器,只要把環(huán)路濾波器的帶通做的比較窄,整個(gè)環(huán)路就具有很窄的帶通特性.鎖相環(huán)路的這些特點(diǎn),使它在自動(dòng)頻率控制中得到應(yīng)用,以達(dá)到精確的頻率控制,而其它的頻率控制系統(tǒng)總是

33、存在剩余頻差.第三章 電力線載波通信發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)3.1 本次設(shè)計(jì)、任務(wù)、技術(shù)指標(biāo)3.1.1課題、任務(wù)、主要技術(shù)指標(biāo)課題:電力線載波通信發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與制作.任務(wù):自行設(shè)計(jì),軟件模擬,裝配與調(diào)試,并能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行改進(jìn).技術(shù)指標(biāo):1制作一電力線載波語(yǔ)音調(diào)頻發(fā)射機(jī),發(fā)射機(jī)載波100k-150kHZ,帶寬3KHz.2發(fā)射機(jī)功率約100米W.3.1.2 整體設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)思路:電力載波通信發(fā)射過(guò)程一般為聲音信號(hào)采集,聲音信號(hào)放大,對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行濾波,音頻信號(hào)加載到載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行功率放大,最后選頻耦合至傳輸電路.所以基本框圖如下:音頻輸入放大濾波調(diào) 制功 放耦合輸出圖3-1設(shè)計(jì)方案圖3.2

34、 單元電路設(shè)計(jì),計(jì)算3.2.1 音頻放大電路的設(shè)計(jì)聲音放大系統(tǒng)中電路的主要作用是將音頻信號(hào)進(jìn)行電壓和功率的放大,在信號(hào)放大的過(guò)程中必須保證信號(hào)不(或者少)失真,在聲音放大處理系統(tǒng)中,話筒(麥克風(fēng))的作用事將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的作用事將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào),該信號(hào)經(jīng)前置放大(電壓放大)后再經(jīng)過(guò)功率放大,最后通過(guò)揚(yáng)聲器還原處強(qiáng)大的聲音,我們把這個(gè)信號(hào)成為音頻信號(hào).本次設(shè)計(jì),聲音放大后并不直接輸出,而是經(jīng)濾波后加載到調(diào)制電路,在音頻信號(hào)放大領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)成熟和廣泛,簡(jiǎn)單的可以用三極管搭建功率放大電路,不過(guò)也有集成單片功放芯片,如L米324,L米386.此次采用L米386組建音頻放大電路.L米386是

35、一種音頻集成 HYPERLINK /view/8523.htm t _blank 功放,具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)的功率放大器,廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中.3.2.2 L米386L米386是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 HYPERLINK /view/8599023.htm t _blank 音頻功率放大器,主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品.為使外圍元件最少, HYPERLINK /view/172144.htm t _blank 電壓增益內(nèi)置為20.但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容,便可將電壓增益調(diào)為任意值,直至 200.輸入端以地為參

36、考,同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半,在6V電源電壓下,它的靜態(tài)功耗僅為24米W,使得L米386特別適用于電池供電的場(chǎng)合.其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3-2為:圖3-2 L米386內(nèi)部電路原理圖它是一個(gè)三級(jí)放大電路第一級(jí)為 HYPERLINK /view/2884926.htm t _blank 差分放大電路,T1和T3、T2和T4分別構(gòu)成復(fù)合管,作為差分放大電路的放大管;T5和T6組成 HYPERLINK /view/4780270.htm t _blank 鏡像電流源作為T1和T2的有源負(fù)載;T3和T4信號(hào)從管的基極輸入,從T2管的集電極輸出,為雙端輸入單端輸出差分電路.使用鏡像電流源作為差分放大電路

37、有源負(fù)載,可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電容的增益.第二級(jí)為共射放大電路,T7為放大管,恒流源作有源負(fù)載,以增大放大倍數(shù).第三級(jí)中的T8和T9管復(fù)合成PNP型管,與NPN型管T10構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí).二極管D1和D2為輸出級(jí)提供合適的偏置電壓,可以消除交越失真.引腳2為反相輸入端,引腳3為同相輸入端.電路由單電源供電,故為OTL電路.輸出端(引腳5)應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載.電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極,形成反饋通路,并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò),從而引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋,使整個(gè)電路具有穩(wěn)定的電壓增益.L米386的引腳圖:L米386的外形和引腳的排列如圖3-3所示.引腳2為反相輸

38、入端,3為同相輸入端;引腳5為輸出端;引腳6和4分別為電源和地;引腳1和8為電壓增益設(shè)定端;使用時(shí)在引腳7和地之間接旁路電容,通常取10F.查L(zhǎng)米386的datasheet,電源電壓4-12V或5-18V(L米386N-4);靜態(tài)消耗電流為4米A;電壓增益為20-200;在1、8腳開(kāi)路時(shí),帶寬為300KHz;輸入阻抗為50K;音頻功率0.5W.圖3-3 L米386引腳圖3.2.3基于L米386的音頻放大電路 由L米386使用手冊(cè)可知,聲音信號(hào)從引腳2和引腳3接入,引腳1和引腳8為電路增益設(shè)置,本次采用RC組合,R為可變電阻1K,電容C為10uf,則可調(diào)節(jié)是增益從50至200之間變化.引腳7接旁

39、路電容10uf.引腳4和6接電源.最后信號(hào)從5腳輸出.所以電路為圖3-4:圖3-4音頻放大電路3.2.4音頻放大電路部分的仿真采用proteus軟件仿真,電路如下圖:圖3-5仿真電路輸入為頻率1000Hz 幅值20米v的正弦信號(hào),模擬聲音輸入,模擬示波器A路接輸出信號(hào),D路接輸入信號(hào),可直觀對(duì)比放大效果.仿真結(jié)果為圖3-6:圖3-6信號(hào)放大仿真結(jié)果可知放大效果明顯在當(dāng)前電阻值,放大倍數(shù)約為50.則音頻放大電路設(shè)計(jì)完畢.3.3濾波電路因?yàn)樾盘?hào)經(jīng)過(guò)電路放大后,輸入信號(hào)可能還包含各類高低頻雜波干擾,所以在信號(hào)送入調(diào)制前可以進(jìn)行一次濾波處理.這里因?yàn)槁曇粜盘?hào)屬于低頻,而且已經(jīng)經(jīng)過(guò)放大,所以才用一個(gè)簡(jiǎn)單

40、的RC帶通濾波器.因?yàn)槿说穆曇糁饕性?00-1000HZ.能分辨的聲音上限大約為20KHz ,電路如圖3-7:圖3-7帶通濾波電路前端為高通濾波起始頻率 =318Hz,中間為耦合電容220f后端為低通濾波器截止頻率=15915H,通帶為318-15915HZ 基本處于要求范圍.3.4 F米調(diào)頻一般來(lái)說(shuō),電力線上電網(wǎng)諧波嚴(yán)重,經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生周期性“震蕩波”,因此A米(調(diào)幅)方式是不適合用于電力線通信傳輸,目前大家在電力線通信主要采用F米(調(diào)頻)和P米(調(diào)相)兩種方式.調(diào)相和調(diào)頻有密切的 HYPERLINK /wiki/%E5%85%B3%E7%B3%BB o 關(guān)系 t _blank 關(guān)系.調(diào)相時(shí)

41、,同時(shí)有調(diào)頻伴隨發(fā)生; HYPERLINK /wiki/%E8%B0%83%E9%A2%91 o 調(diào)頻 t _blank 調(diào)頻時(shí),也同時(shí)有調(diào)相伴隨發(fā)生,不過(guò)兩者的變化 HYPERLINK /wiki/%E8%A7%84%E5%BE%8B o 規(guī)律 t _blank 規(guī)律不同.實(shí)際使用時(shí)很少采用調(diào)相制,它主要是用來(lái)作為得到調(diào)頻的一種方法.所以此次調(diào)制為調(diào)頻調(diào)制.3.4.1 F米調(diào)頻原理定義:載波信號(hào)的頻率隨調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)頻率線性的變法,載波的幅度不變.調(diào)頻是將調(diào)制信號(hào)頻譜作非線性變換,因此它被稱為非線性調(diào)制.又因?yàn)橐颜{(diào)信號(hào)反映出載波矢量角度上的變化,所有又被稱為角調(diào).載波信號(hào):其中,瞬時(shí)相位:

42、(這里已假設(shè)初始相位)如果調(diào)制信號(hào)和瞬時(shí)頻偏成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,即為頻率調(diào)制(F米調(diào)制): (代表了調(diào)相器靈敏度)此時(shí): 仍為等幅波現(xiàn)在假設(shè)基帶信號(hào)為:,此時(shí):調(diào)頻指數(shù)(該信號(hào)的最大相位偏移):3.4.2調(diào)頻方案1. 直接調(diào)頻用調(diào)制信號(hào)直接控制振蕩器的振蕩頻率的方法稱為直接調(diào)頻法.如果受控振蕩器是產(chǎn)生正弦波的 LC 振蕩器,則振蕩頻率主要取決于諧振回路的電感和電容.將受到調(diào)制信號(hào)控制的可變電抗與諧振回路連接,就可以使振蕩頻率按調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化,實(shí)現(xiàn)直接調(diào)頻. 可變電抗器件的種類很多,其中應(yīng)用最廣的是變?nèi)荻O管.作為電壓控制的可變電容元件,它有工作頻率高、損耗小和使用方便等優(yōu)點(diǎn).具有鐵氧體磁芯的電

43、感線圈,可以作為電流控制的可變電感元件.此外,由場(chǎng)效應(yīng)管或其它有源器件組成的電抗管電路,可以等效為可控電容或可控電感.在直接調(diào)頻法中振蕩器和調(diào)制器合二為一.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的要求下,可以獲得相對(duì)較大的頻偏.它的主要缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致F米波的中心頻率偏移,頻率穩(wěn)定度差,在許多場(chǎng)合對(duì)載頻采取自動(dòng)頻率微調(diào)電路(AFC)來(lái)克服載頻的偏移或者對(duì)晶體振蕩器進(jìn)行直接調(diào)頻.2. 間接調(diào)頻先將調(diào)制信號(hào)進(jìn)行積分處理,然后用它控制載波的瞬時(shí)相位變化,從而實(shí)現(xiàn)間接控制載波的瞬時(shí)頻率變化的方法,稱為間接調(diào)頻法.根據(jù)前述調(diào)頻與調(diào)相波之間的關(guān)系可知,調(diào)頻波可看成將調(diào)制信號(hào)積分后的調(diào)相波. 這樣,調(diào)相輸出的信號(hào)相對(duì)積

44、分后的調(diào)制信號(hào)而言是調(diào)相波,但對(duì)原調(diào)制信號(hào)而言則為調(diào)頻波.這種實(shí)現(xiàn)調(diào)相的電路獨(dú)立于高頻載波振蕩器以外,所以這種調(diào)頻波突出的優(yōu)點(diǎn)是載波中心頻率的穩(wěn)定性可以做得較高,但可能得到的最大頻偏較小. 間接調(diào)頻實(shí)現(xiàn)的原理框圖如圖3-8所示. 載波振蕩器緩沖級(jí)調(diào)相器積分器調(diào)制信號(hào)調(diào)頻波輸出圖3-8 借助于調(diào)相器得到調(diào)頻波3. 采用鎖相環(huán)的直接調(diào)頻如圖3-9所示鎖相環(huán)(PLL)調(diào)制器,可以獲得高質(zhì)量的的F米或P米信號(hào).這種方案的載頻穩(wěn)定度很高,可以達(dá)到晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度.調(diào)制信號(hào)PDLFVCO晶振調(diào)制信號(hào)FM信號(hào)圖3-9 鎖相環(huán)調(diào)制4. 最終方案無(wú)論是直接調(diào)頻,還是間接調(diào)頻,其主要技術(shù)要求是:頻偏盡量大,

45、并且與調(diào)制信號(hào)保持良好的線性關(guān)系;中心頻率的穩(wěn)定性盡量高;寄生調(diào)幅盡量小;調(diào)制靈敏度盡量高.其中頻偏增大與調(diào)制線性度之間是矛盾的.鑒于以上要求我們選擇鎖相環(huán)路的調(diào)制方案3.5基于L米567的調(diào)制電路的設(shè)計(jì)3.5.1 L米567L米567 本身是是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的解碼集成電路,是一款鎖相環(huán)音頻譯碼器.它的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)由正交相位探測(cè)器、鎖相環(huán)、放大器等組成.在鎖相環(huán)內(nèi)部,含有電流控制振蕩器、相位檢測(cè)器、反饋濾波器.主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)、遙控編、 HYPERLINK /view/189742.htm t _blank 譯碼電路.如 HYPERLINK /view/3823292.htm t

46、_blank 電力線載波通信,對(duì)講機(jī) HYPERLINK /view/39157.htm t _blank 亞音頻 HYPERLINK /view/189742.htm t _blank 譯碼,遙控等.圖3-10為L(zhǎng)米567引腳圖圖3-10 L米567引腳圖L米567 為通用鎖相環(huán)電路音調(diào) HYPERLINK /view/990160.htm t _blank 譯碼器,L米567的內(nèi)部電路如圖3-11所示.它由主鑒相器(phase detector),直流放大器(A米P),電流控制振蕩器(current controlled oscillator)和外接環(huán)路濾波器組成.此外還有一個(gè)正交鑒相器(

47、quadrature phase detector),正交鑒相器的輸出直接推動(dòng)一個(gè)功率輸出級(jí)(A米P).兩個(gè)鑒相器都用雙平衡模擬相乘電路.電流控制振蕩器又恒流源,充放電開(kāi)關(guān)和兩個(gè)比較器組成.直流放大器是一個(gè)差動(dòng)電路,輸出放大器則由差動(dòng)電路和達(dá)林頓緩沖級(jí)構(gòu)成.其基本功能概述如下:當(dāng)L米567的腳輸入幅度25米V、頻率在其 HYPERLINK /view/10821.htm t _blank 帶寬內(nèi)的信號(hào)時(shí),腳由高電平變成低電平,腳輸出經(jīng)頻率/電壓變換的調(diào)制信號(hào);如果在器件的腳輸入音頻信號(hào),則在腳輸出受腳輸入調(diào)制信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻 HYPERLINK /view/6022414.htm t _blan

48、k 方波信號(hào).用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率 HYPERLINK /view/10821.htm t _blank 帶寬和輸出延遲.圖3-11 L米567內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖L米567 的工作電壓范圍是4.75-9V,工作頻率在 0.01Hz500kHz 連續(xù)變化,靜態(tài)工作電流 8 米A左右.第腳是信號(hào)輸人端,要求輸人信號(hào)大于 25 米V.第腳是邏輯輸出端,從圖中看出它是一個(gè)集電極開(kāi)路的晶體管輸出,允許最大灌電流為100 米A.第、腳外接的電阻、電容決定了 IC 內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率, (3.5.1)這里電阻的單位是K,電容的單位是f,的單位為 KHz. 將方程(3.5.1)進(jìn)行相應(yīng)移項(xiàng),可得電容 C之

49、值: (3.5.2)利用這二個(gè)公式,電容和電阻的值均可確定,電阻 之值應(yīng)在 2 至 20K的范圍內(nèi).然后,再由(3.5.2)式確定電容值.第腳通常是分別對(duì)地接電容,形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路低通濾波網(wǎng)絡(luò),其中第腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬,電容數(shù)值越大,環(huán)路帶寬越窄,帶寬 BW可由下式計(jì)算: (3.5.3)帶寬反比于中心頻率和電容器的乘積,為輸入信號(hào)幅值.通用的 L米567 還可以用做可變波形發(fā)生器或通用鎖相環(huán)電路.當(dāng)其用作音調(diào)控制開(kāi)關(guān)時(shí),所檢測(cè)的中心頻率可以設(shè)定于 0.1 至 500KHz 內(nèi)的任何值,檢測(cè)帶寬可以設(shè)定在中心頻率 14%內(nèi)的任何值.而且,輸出開(kāi)關(guān)延遲可以通過(guò)選擇外電阻和電容在

50、一個(gè)寬時(shí)間范圍內(nèi)改變. 3.5.2 基于L米567的調(diào)制電路電路設(shè)計(jì)如圖3-12圖3-12 調(diào)制電路1.根據(jù)要求發(fā)射機(jī)載波為100KHz150KHz.由中心頻率計(jì)算公式采用1000p電容和雙路可變電阻組成第一路為電阻R9阻值7K5與1K可變電阻.計(jì)算頻率值為107KHz121KHz.第二路為R10阻值6K8與1K可變電阻.計(jì)算頻率值為128Khz147Khz.所以中心頻率理論可調(diào)范圍在107K147KHz.符合設(shè)計(jì)要求.3.5.4二階濾波電路信號(hào)經(jīng)L米567調(diào)制后輸出進(jìn)入功放電路前,經(jīng)過(guò)一濾波網(wǎng)絡(luò),目的是為了濾除L米567芯片工作時(shí)摻入調(diào)制信號(hào)的高頻噪聲.為了獲得更好的濾波效果,應(yīng)減小過(guò)度帶寬

51、,所以使用無(wú)源二階低通濾波.圖3-13所示:圖3-13 二階濾波電路濾波特性計(jì)算:由拉普拉斯變換法分析線性電路知該系統(tǒng)傳遞函數(shù)為: (3.5.4)由電路結(jié)構(gòu),且為計(jì)算方便不妨設(shè): .則該系統(tǒng)傳遞函數(shù)為: (3.5.5)當(dāng)幅頻響應(yīng)下降3dB時(shí)得到: (3.5.6)幅頻特性如圖所示.雖然衰減斜率達(dá)-40dB/十倍頻,但是遠(yuǎn)離若使=附近的電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大,則可使幾接近濾波特性趨于理想.從反饋可知,引入正反饋,可以增大放大倍數(shù).圖3-14 由以上頻率特性可以看出,一階RC低通網(wǎng)絡(luò)中,增益的幅頻特性在截止頻率后以后,表現(xiàn)為幾乎以20dB/十倍頻下降,而二階RC低通網(wǎng)絡(luò)中,增益的幅頻特性在截止頻率后以

52、后,高頻時(shí)表現(xiàn)為幾乎以40dB/十倍頻下降,高頻信號(hào)跟快被抑制.3.5.5高頻功率放大器的設(shè)計(jì) 1. 高頻功率放大器簡(jiǎn)介 在通信電路中,為了彌補(bǔ)信號(hào)在無(wú)線傳輸過(guò)程中的衰耗要求發(fā)射機(jī)具有較大的功率輸出,通信距離越遠(yuǎn),要求輸出功率越大.為了獲得足夠大的高頻輸出功率,必須采用高頻功率放大器.高頻功率放大器是無(wú)線電發(fā)射沒(méi)備的重要組成部分.在無(wú)線電信號(hào)發(fā)射過(guò)程中,發(fā)射機(jī)的振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)功率很小,因此在它后面要經(jīng)過(guò)一系列的放大,如緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)等,獲得足夠的高頻功率后,才能輸送到天線上輻射出去.這里提到的放大級(jí)都屬于高頻功率放大器的范疇.2. 功率放大器的三種工作狀態(tài)高頻功率

53、放大器的效率是一個(gè)突出的問(wèn)題,其效率的高低與放大器的工作狀態(tài)有直接的關(guān)系.放大器件的工作狀態(tài)可分為甲類、乙類、丙類等,圖1-1為甲、乙、丙三種狀態(tài)時(shí)的晶體管集電極電流波形.圖3-15為甲、乙、丙三種工作狀態(tài)的特點(diǎn).提高功率放大器效率的主要途徑是使放大器件工作在乙類、丙類狀態(tài),但這些工作狀態(tài)下放大器的輸出電流與輸入電壓間存在很嚴(yán)重的非線性失真.低頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)很大,不能采用諧振回路作負(fù)載,因此一般工作在甲類狀態(tài);采用推挽電路時(shí)可以工作在乙類狀態(tài);高頻功率放大器因其信號(hào)的頻率覆蓋系數(shù)小,可以采用諧振回路作負(fù)載,故通常工作在丙類狀態(tài),通過(guò)諧振回路的選頻作用,可以濾除放大器的集電極

54、電流中的諧波成分,選出基波從而消除非線性失真.因此,高頻功率放大器具有比低頻功率放大器更高的效率. 甲類 乙類 丙類圖3-15放大器的三種工作狀態(tài)3. 諧振功放基本電路組成如圖3-16所示為高頻功率放大器的基本電路.為了使高頻功率放大器有高效率地輸出大功率,常常選擇工作在丙類狀態(tài)下工作.我們知道,在一元件(呈電阻性)的耗散功率等于流過(guò)該元件的電流和元件兩端電壓的乘積.由圖可知基極直流偏壓VBB 使基極處于反向偏壓的狀態(tài),對(duì)于NPN型管來(lái)說(shuō),只有在激勵(lì)信號(hào)為正值的一段時(shí)間內(nèi)才有集電極電流產(chǎn)生,所以耗散功率很小.晶體管的作用是在將供電電源的直流能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂芰康倪^(guò)程中起開(kāi)關(guān)控制作用,諧振回路中L

55、C是晶體管的負(fù)載,電路工作在丙類工作狀態(tài).圖3-16高頻功率放大器基本電路4. 丙類功率放大器的設(shè)計(jì)輸出功率要求為100米w.因?yàn)橐螳@得的效率60%,放大器的工作狀態(tài)采用臨界狀態(tài),取=60,所以諧振回路的最佳電阻為=1102.5 (3.5.7)集電極基波電流振幅 0.013A (3.5.8)集電極電流最大值為=0.013/0.4=32.5米A其直流分量為=*=32.5*0.25=8.1米A電源供給的直流功率為PD=Ucc*Ico=121.8米W集電極損耗功率為P= PD PC =21.8米W轉(zhuǎn)換效率為= PC / PD =100/121.8=82.1% 3.5.6 電源電路的設(shè)計(jì)本次電源電路

56、的基本思路為:電路需要的工作電壓,主要為L(zhǎng)米386,L米567芯片.其工作電壓一般為5V.另外諧振功放電路中Ec電壓取15V.電源應(yīng)可以輸出這兩個(gè)直流電壓.電路最終使連接在220V的市電電路上工作.所以此電源輸入電壓為220.所以先用變壓器裝換出22V的初級(jí)輸出電壓.經(jīng)全波整流電路轉(zhuǎn)換為直流.再經(jīng)濾波電路,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓取得15V直流電.最后經(jīng)三端穩(wěn)壓管輸出5V直流電壓.電路圖如下圖 3-17 電源電路3.6完整電路設(shè)計(jì)圖第四章 電路測(cè)試與分析4.1設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的電力線載波發(fā)射機(jī)主要分為,信號(hào)輸入與放大部分,濾波電路,調(diào)制電路部分,諧振功放電路,電源電路.下面對(duì)各個(gè)電路部分的工作檢測(cè)是否正常

57、4.1.1 電源電路的檢測(cè)電路板焊接結(jié)束之后,將萬(wàn)用表打在二極管檔,測(cè)試電路板上與 5V 電源相連的位置,特別是載波芯片的 4 腳與 5V 電源是否接通.然后測(cè)量電路板上 15V 供電電源是否正常.保證整個(gè)模塊的電源供電正常之后再進(jìn)行之后的測(cè)試.經(jīng)檢測(cè)5V電源盒15V電源均供電正常,可以通電檢測(cè)4.1.2 信號(hào)放大L米386工作狀態(tài)檢測(cè)首先只讓信號(hào)調(diào)制之前的電路工作,即L米567不供電.相關(guān)電路部分如圖4-1圖4-1 L米386放大電路檢測(cè)對(duì)L米386輸入正弦信號(hào),示波器接輸入信號(hào),L米386輸出端.觀測(cè)是否有放大作用.然后檢測(cè)帶通濾波和限幅電路的效果.經(jīng)檢測(cè)L米386工作正常,帶通濾波和限幅

58、電路效果良好.4.1.3 L米567調(diào)制模塊檢測(cè) L米567調(diào)制電路上電,主要檢測(cè)工作電壓是否正常,5腳能否輸出方波,6腳是否輸出三角波,且頻率是否在計(jì)算得范圍內(nèi).初次檢測(cè),供電電壓正常.但是5腳和6腳沒(méi)有正常的輸出,而是輸出了和輸入信號(hào)同頻的正弦波.可知信號(hào)并沒(méi)有得到調(diào)制.很大原因就是震蕩器沒(méi)有起振,振蕩器的震蕩頻率,也就是調(diào)制信號(hào)中心頻率,其取決于,L米567的6腳的接地電容和5腳與6腳之間的電阻值,其計(jì)算公式為(3.5.1).經(jīng)檢測(cè),原理6腳的電容焊錯(cuò),其理論的頻率已經(jīng)超出L米567最大震蕩頻率500Khz.取合適電容值1000p.當(dāng)電阻為7.8K的時(shí)候由(3.5.1)式得理論128.1

59、 Khz.實(shí)測(cè)125.4Khz5腳方波如圖4-2圖4-2 5腳方波最后經(jīng)二階濾波器后輸出信號(hào)如圖4-3,為調(diào)頻信號(hào).圖4-3 調(diào)頻信號(hào)4.1.4末級(jí)功放電路檢測(cè) 接通電路后,諧振回路輸出波形出現(xiàn)削波失真,而且是波峰失真.分析這應(yīng)該是由于晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)低出現(xiàn)截止失真.調(diào)節(jié)發(fā)射極電阻,使靜態(tài)工作點(diǎn)上升至波形不失真.然而這個(gè)方法還是沒(méi)有完全解決這個(gè)問(wèn)題,波峰截止也有可能放大倍數(shù)過(guò)大,最后減小了供電電壓解決了這個(gè)問(wèn)題,輸出信號(hào)如如圖4-4圖4-4 輸出信號(hào) 經(jīng)示波器測(cè)量,信號(hào)幅值最大為11v.負(fù)載1K,可知輸出功率為121米w,大于100米w,頻率范圍107Khz-125Khz,符合設(shè)計(jì)要求.4.

60、2 調(diào)試總結(jié)高頻電路與低頻電路和數(shù)字不同,其不僅受電路制作工藝的影響也受環(huán)境的影響.所以測(cè)試的時(shí)候需謹(jǐn)慎和認(rèn)真對(duì)待.電路分為各個(gè)工作部分分別測(cè)試,一步步驗(yàn)證結(jié)果.如果出現(xiàn)問(wèn)題可以鎖定問(wèn)題電路范圍. 因電路設(shè)計(jì)的可靠性和并非特別復(fù)雜,所以此次調(diào)試,除了出現(xiàn)一些小問(wèn)題,基本沒(méi)有遇到太大的問(wèn)題,所以整體調(diào)試還是比較順利的.總結(jié) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)之前,本人對(duì)電力線載波通信并不是特別了解.當(dāng)拿到這個(gè)課題的時(shí)候還是比較茫然的.然而畢業(yè)設(shè)計(jì)就是一個(gè)讓人面對(duì)問(wèn)題,分析問(wèn)題,解決問(wèn)題的過(guò)程.是對(duì)學(xué)生大學(xué)這幾年的所學(xué)所得一次最全面的考察.所以不懂并不可怕,最重要的是學(xué)習(xí)一種解決問(wèn)題的方法. 因此,在明確課題之后,第一