鈴流源電路的新設(shè)計(jì)

摘要：闡述三種新型鈴流源電路的工作原理，分析它們的性能與特點(diǎn)，并依據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)出具體的實(shí)用電路。

關(guān)鍵詞：階梯波 文氏電橋振蕩器 SPWM 解調(diào)器

鈴流源又稱鈴流信號(hào)發(fā)生器，它是一種特殊形式的電源。在通信交換設(shè)備中，鈴流源為用戶話機(jī)提供振鈴信號(hào)和工作電源。原郵電部標(biāo)準(zhǔn)化所制定的鈴流源技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:波形為正弦波，頻率為25Hz±3Hz，輸出電壓為75V±15V，失真度1％。在早期的通信設(shè)備中，采用的是集中式鈴流源，由單獨(dú)的鈴流源機(jī)架提供整個(gè)系統(tǒng)的鈴流信號(hào)，其輸出功率是很大的。而近期的通信設(shè)備多采用分布式鈴流源，將它與程控交換機(jī)的二次電源組合在一起，采用模塊化結(jié)構(gòu)，輸出功率從數(shù)瓦到數(shù)十瓦不等。由于鈴流源的電路型式為DC/AC變換器，除輸出的電壓幅度與頻率有所不同外，鈴流源電路與常用的逆變器電路在原理與制作上并無多大差別。

鈴流源的實(shí)際電路多種多樣。80年代，當(dāng)鈴流源由方波改為正弦波時(shí)，人們?cè)捎脼V波法，將羅耶振蕩器產(chǎn)生的方波信號(hào)，經(jīng)LC無源濾波器濾去高次諧波，從而得到25Hz的正弦基波。也有的鈴流源采用裂相法，通過裂相電容器和變壓器的作用，將頻率為50Hz的交流市電變?yōu)?5Hz的鈴流電壓。上述兩種方法都離不開低頻變壓器和濾波器，其缺點(diǎn)是效率低，體大笨重，噪聲也大，不符合現(xiàn)代通信設(shè)備的要求。

本文介紹的三種新型鈴流源電路，在一定程度上克服了上述兩種方法的缺點(diǎn)，在效率、體積、重量和噪聲方面均有所改善，加之電路新穎簡(jiǎn)潔，調(diào)試容易，對(duì)從事此類電源設(shè)計(jì)的人員會(huì)有一定的參考價(jià)值。

1 階梯波鈴流源

與正弦波波形最相近的是階梯波，階梯波可以用多個(gè)幅度不等的等寬矩形波合成，階梯波的階數(shù)越多，失真度越低，波形越近似于正弦波。當(dāng)階數(shù)為12時(shí)，失真度為14％；當(dāng)階數(shù)為16時(shí)，失真度為10％；當(dāng)階數(shù)為20時(shí)，失真度為7％左右。本文采用16階梯波，其失真度基本上能達(dá)到鈴流源的要求。16階階梯波的波形如圖1所示。

正弦波的周期為2π，16階階梯波每個(gè)矩形波的寬度為2π/16，即π/8，矩形波的幅度可以由正弦波的積分求得，在0～π/2區(qū)間內(nèi)有4個(gè)矩形波，它們的幅度比為：

經(jīng)計(jì)算得出其幅度比為0.20：0.56：0.85：1，其它區(qū)間矩形波的幅度比與此相同。產(chǎn)生這樣的階梯波并不困難，采用圖2的電路就能實(shí)現(xiàn)。

電路為一典型的推挽輸出電路，變壓器初級(jí)繞組有8個(gè)抽頭，分別由8只功率晶體管驅(qū)動(dòng)，初級(jí)繞組抽頭位置的不同，所繞的匝數(shù)就不同，輸出電壓的幅度也不同，每半個(gè)周期含有4個(gè)抽頭，其匝數(shù)比按0.20：0.56：0.85：1繞制，8只功率晶體管的導(dǎo)通順序?yàn)?234，4321，5678和8765，這樣在變壓器次級(jí)繞組上就會(huì)產(chǎn)生階梯波。驅(qū)動(dòng)晶體管的數(shù)目與變壓器抽頭數(shù)相等，與階梯波的階數(shù)比為1：2，階數(shù)越高，所需要的晶體管數(shù)越多，變壓器的抽頭也越多，制作工藝也越復(fù)雜，成本也越高，所以并非是階數(shù)越高越好，而應(yīng)視所要求的技術(shù)參數(shù)和成本而定。階梯波不是嚴(yán)格意義上的正弦波，而是準(zhǔn)正弦波，當(dāng)波形失真要求很低時(shí)，采用階梯波不一定適合，這時(shí)可以考慮用其它方法。

在變壓器次級(jí)繞組增加LC濾波器，可以獲得更純正的正弦波，但由于輸出的是功率信號(hào)，頻率又很低，濾波用的LC元件數(shù)值很大，其體積和重量也不容忽視。

對(duì)于階梯波，階數(shù)為n，輸出信號(hào)的頻率為fo，則晶體管觸發(fā)信號(hào)的頻率fck=nfo，對(duì)于上述鈴流源而言，觸發(fā)信號(hào)的頻率fck=16×25=400HZ，實(shí)際電路如圖3所示。

電路由一只單結(jié)管和兩塊通用數(shù)字集成電路組成，它是一個(gè)16位的順控器。單結(jié)管又稱雙基極二級(jí)管，用它設(shè)計(jì)的張弛振蕩器，電路簡(jiǎn)單元件少，振蕩頻率公式f=1/T,T=RC1n[1/(1－η）]或T≈0.3RC1g[1/(1－η)]來確定，η為單結(jié)管發(fā)射結(jié)的分壓比，一般為0.3～0.9，本電路的振蕩頻率為400HZ，由電位器RP1進(jìn)行調(diào)節(jié)。CD4022是8進(jìn)制數(shù)/分配器集成電路，兩塊CD4022串接可組成16進(jìn)制的分配器。為增大鈴流源輸出功率，應(yīng)在控制電路與功率放大電路之間增加推動(dòng)級(jí)，功率放大管應(yīng)采用大功率達(dá)林頓管，如TIP142、TIP132等。

階梯波鈴流源已由線性電路向開關(guān)電路轉(zhuǎn)化，整個(gè)電路的輸出由8只晶體管分擔(dān)，散熱問題容易解決，電路具有較高的效率，它的缺點(diǎn)是所用的功率管較多，仍然采用輸出變壓器，它的體積和重量仍然比較大。

2 直放式鈴流源

直放即直接放大的意思，其工作原理是首先制作一個(gè)小的正弦波發(fā)生器，然后將這個(gè)正弦波信號(hào)進(jìn)行功率放大，使它達(dá)到鈴流源的指標(biāo)。直放式鈴流源與常用的擴(kuò)音機(jī)是相同的，只是它的輸入信號(hào)固定為25Hz，而不是變化的音頻信號(hào)，實(shí)際電路見圖4所示。

單運(yùn)放IC1構(gòu)成文氏電橋振蕩器，在RC正弦波振蕩器中，它是最常用的一種，電路起振的條件是要求電路的電壓增益大于3，低于這個(gè)臨界增益，電路不起振，而增益過高，也會(huì)使振蕩波形變劣，為使振蕩電壓幅度恒定，在負(fù)反饋電路里加有兩只二極管VD1、VD2的補(bǔ)償電路，利用它們的非線性，抵消外界溫度變化等影響，使輸出穩(wěn)定。R4、R5、C2、C3組成選頻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)R4=R5,C2=C3時(shí)，文氏電橋振蕩器的頻率，按圖中給定的數(shù)值，振蕩的頻率固定為25Hz，IC2為一小功率功放集成電路，型號(hào)為L(zhǎng)M386N4，外圍件很少，性能也很優(yōu)越。此集成塊的作用是將振蕩器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，使它具有一定的負(fù)載能力，以驅(qū)動(dòng)后級(jí)功率放大器。功放電路采用有輸入變壓器的OTL功放電路，優(yōu)點(diǎn)是無輸出變壓器，功率信號(hào)直接由電解電容器C7輸出。功放管采用大功率VMOS管擔(dān)任，工作在甲乙類狀態(tài)，為克服交越失真，由電阻R10～R13分壓為功放管提供偏置電壓。為使輸出的鈴流信號(hào)穩(wěn)幅，電路處于閉環(huán)工作狀態(tài)，由光耦器件GO1組成穩(wěn)幅電路，光耦GO1的初級(jí)是發(fā)光二極管，次級(jí)為光敏CDS電阻。其穩(wěn)幅過程如下：當(dāng)輸出的鈴流信號(hào)升幅時(shí)，流過發(fā)光二極管的電流也增加，光敏電阻的阻值隨之減小，它與電阻R8分壓，使IC2的輸入信號(hào)電壓降低，從而使功放級(jí)輸出的鈴流信號(hào)幅度回落。反之，當(dāng)輸出的鈴流信號(hào)降幅時(shí)，流過發(fā)光二極管的電流也減少，光敏電阻的阻值隨之增大，使IC2的輸入信號(hào)電壓升高，從而使功放級(jí)輸出的鈴流信號(hào)幅度上升。這樣就保持了輸出的鈴流信號(hào)在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定。

直放式鈴流源省去了低頻輸出變壓器，體積小重量輕，波形良好，失真度很低，其缺點(diǎn)是要增設(shè)一組高壓供電電源（＋300V），此外，它的效率也不夠高，只能達(dá)到70％左右。

圖5是為鈴流源供電的高頻開關(guān)電源電路，采用DC/DC變換方法，將程控機(jī)上的－48V電源變換為＋300V和±12V等幾組電壓，變換器的核心器件為PWRTOP104，它集控制功能與功率開關(guān)管于一體，電路極為簡(jiǎn)單，此電路為一典型電路，很多書刊均有談及，這里不再贅述。

3 SPWM鈴流源

SPWM即正弦波脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，是當(dāng)前產(chǎn)生鈴流的先進(jìn)方法，其基本原理與高頻開關(guān)電源很相近，只是多了一組正弦波發(fā)生器電路而已，原理框圖如圖6所示。

首先產(chǎn)生25Hz正弦波信號(hào)，將其與頻率為數(shù)十千赫的三角波信號(hào)分別加到電壓比較器的正反相輸入端進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生脈寬可變的調(diào)制波，調(diào)制波的包絡(luò)線為25Hz的正弦波形。將調(diào)制波進(jìn)行開關(guān)放大，輸出功率信號(hào)，最后經(jīng)解調(diào)器解調(diào)，得到低頻率的25Hz鈴流信號(hào)。

其波形如圖7所示。

本電路采用數(shù)字式正弦波振蕩器，它與圖4中的模擬式文氏電橋振蕩器相比，它產(chǎn)生的正弦波信號(hào)的精度與穩(wěn)定度要高得多。振蕩器由兩塊集成電路組成。CD4060是通用14位分頻/振蕩器集成電路，外加的3.69MHz晶振與CD4060內(nèi)部電路組成晶體振蕩器。而后由CD4060內(nèi)部的分頻器對(duì)振蕩信號(hào)分頻，分頻數(shù)選為212=4096，得到900Hz的脈沖信號(hào)。IC2是一種開關(guān)電容濾波器SCF集成電路，內(nèi)含五階低通濾波器，可以將輸入的脈沖信號(hào)變?yōu)檎也ㄐ盘?hào)，輸出的正弦波頻率fo=fck/36，輸入900Hz的脈沖波，將得到900/36=25HZ的正弦波信號(hào)，失真度THD≤0.1％。IC2的國產(chǎn)型號(hào)5G6514，電路如圖8所示。

三角波發(fā)生器由雙運(yùn)放組成，它具有線性好、電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，見圖9。為穩(wěn)定三角波的幅度，在兩個(gè)運(yùn)放之間加有橋式整流器與穩(wěn)壓二極管組成的雙向限幅電路，三角波的頻率為100kHz。三角波信號(hào)與正弦波信號(hào)加到IC2的正反相輸入端，IC2為高速電壓比較器（可用運(yùn)放代替），由IC2對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，開關(guān)晶體管VT1、VT2為緩沖級(jí)，增大IC2的帶負(fù)載能力。功放級(jí)仍采用與圖4相同的帶輸入變壓器的OTL功放電路，本電路工作在開關(guān)狀態(tài)，得到功率放大的調(diào)制信號(hào)經(jīng)電感L1和電容器C5組成的解調(diào)器，去掉高頻載波信號(hào)，將所需要的25Hz鈴流信號(hào)由電解電容器C4輸出。供電電源仍采用高壓方式，電源電路與圖5相同。

為穩(wěn)定輸出鈴流信號(hào)的幅度，電路加有圖10所示的穩(wěn)幅電路。

這一電路也稱AGC，即自動(dòng)增益控制電路，IC1是一種被稱為“電子衰減器”的集成電路，型號(hào)為MC3400P，8腳DLL封裝，第2腳是它的增益控制端，當(dāng)2腳上的直流電壓由3.5V上升到6V時(shí)，MC3400P的電壓增益由＋13dB下降到－77dB，變化量為90dB，其控制電壓由輸出的鈴流信號(hào)經(jīng)分壓整流濾波后供給，其控制過程與圖4相近。IC2是通用小功率功放集成電路，起電壓調(diào)節(jié)和緩沖作用。

SPWM鈴流源體積小重量輕，功率容量大，代表了當(dāng)今電路水平，也是鈴流源電路的發(fā)展方向。