峡谷激光对讲机的设计.docx

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峡谷激光对讲机的设计

峡谷激光对讲机的设计

１.技术指标

（１）输入电源电压：

220V、整流稳压输出；+6V，功耗不大于1瓦

（２）传递距离：

L≧50m

（３）通话音质：

清晰洪亮

（４）工作状况：

可连续工作，可加大通信距离，当在接收电路中再增加一级

放大，则通信距离可达千米以上。

２.峡谷对讲机的工作原理

峡谷激光对讲机用激光光束传递语音信号，传送距离可达数百米，声音清晰洪亮，又不受制于无线电管制条例，适用于边远山区的山谷间，河谷两岸间的通信联络，城市中高楼窗口之间只要空旷无阻，也可以用它作为热线电话，既安全保密，又可节省大量电话费开支。

其原理图如下图一：

　　　　　　　　　　　　　　　图一

语音信号激光束发射电路如上图一半部分所示，三端稳压器W7806为发射电路提供稳定的6v直流电压。

A点为语音信号输入端（此处可接入一只话筒），输入语音信号的大小由RP1进行调节，该信号经晶体管VT1，VT2两极放大后，使流过激光器的电流变为脉动电流，其中交变部分即为语音信号电流，最后经激光器将该脉动电流转变为脉动激光信号发射到对方。

接通电源后，可适当调整R2，RP2的数值，使晶体管VT1的集电极对地电压为2V即可。

语音信号激光束接收电路（用于接收对方发射过来的激光信号），如图一下半部分所示。

当光电管3DU5接收到脉动激光信号时，在B点产生一直流脉动信号电压，经过电容器C1隔直后，其中的交变部分（即语音信号）输入功放集成块TD/2002进行放大，音量大小可以通过电位器RP3进行调节。

图1的电路要制作两套，一套供A方使用，另一套供B方使用，其中激光器为市售的红色激光光点笔（630—650nm/50mW）。

峡谷激光对讲机方框图如图二：

　　　　　　　　　　　　　　图二

由图二可知峡谷激光对讲机的发射电路是由电源、调制电路、激光器三部分构成的；接收电路是由电源、光电管、解调电路、音频功放电路四部分构成的。

电源：

　　为各电路提供足够电压，电流等，保证电路的正常运行。

音频放大：

将声音信号加以放大后送到调制电路，保证信号较好传输。

调制电路：

将音频放大电路传输来的信号进行调制后由激光器发射出去。

激光器：

将调治信号通过载波激光发射出去。

光电管：

接受激光器发射出的信号，再把接受到的信号传递给解调电路。

调制电路：

对接收到的信号进行解调，把原音频信号从载波里面取出，再送到音频功放里面。

音频功放：

将接收到的音频信号的功率进行放大后送至扬声器。

由上可知峡谷激光对讲机的基本工作过程，现对其进行单元电路设计，将其分为电源部分、发射部分、接收部分四部分进行设计。

３.电源部分设计

电源是各电器的核心部位，为电路提供额定的电压、电流，保障电路的正常运行。

而获得稳定的直流电源的途径很多，有利用半导体二极管进行整流的单相半波、全波、桥式和倍压整流电路；还有利用进行晶闸管整流的可控硅整流电路。

而整流效果最好的是单相桥式整流电路。

通过整流后电流还不全是直流电，还应进行滤波，常用滤波电路有很多，如电容、电感、ＲＣ滤波电路，为了获得稳定的工作电压，往往还须对滤波输出进行稳压才能获得理想效果。

这里采用桥式整流电容滤波和三端固定集成稳压器构成的直流电源电路。

其电路图如图三：

图三

图中T1为电源变压器，将220V交流电压转换为9V交流电，而由四只整流二极管VD1—VD4构成的桥式整流电路对其进行整流，输入下级由电容C4进行滤

波，将滤波得到的平滑直流电输入三端固定集成稳压器，由此获得平滑稳定的6V输出直流电。

C4还起改善纹波电压作用，C5起着对稳压输出电流的滤波作用，以获得更好的直流电。

现将电源电路划分为三部分进行分析和设计，分别为整流电路、滤波电路、稳压电路。

3.1整流电路

在电源电压U2方向如图四所示为上正下负时,VD2和VD4导通,VD1和VD3截止;而U2为上负下正时,VD1和VD3导通,VD2和VD4截止.经分析可知在U2的正负半周均有电流流过负载RL,而且无论是在正半周还是负半周,流过RL的电流的方向是一致的,为上正下负。

图四

输入的220V交流电经桥式整流后所得电压可由以下公式所求：

输出直流电压：

∪o=0.9∪2（3—1）

输出直流电流：

Ⅰo=0.9∪2/RL（3—2）

在桥式整流电路中，二极管VD1、VD2、VD3、VD4轮流导通，流过每个二级管的平均电流是输出电流平均值的一半，即

Id=1/2Io（3—3）

在U2半周时，整流二极管VD2和VD4导通,VD1和VD3截止。

此时，VD2、VD4导通相当于短路，电压U2同时加到VD1、VD3两端，VD1、VD3所承受的最大反向电压均为U2的最大值，即二极管的反向峰值电压为

Urm=√2U2（3—4）

同理,在U2负半周时,VD2,VD4也承受到同样大小的反向电压.

桥式整流电路的优点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受到的最大反响电压低.同时又因为此时电源变压器T1,不必为中心抽头,所以工艺简单,而且次级绕组正负半周均供负载电流,充分利用,效率高.

3.1.1整流二极管的选取

因为Io=12.5mA，所以每一个整流管的平均电流Ido=6.25mA，每个管上的最大反向电压为Urm=√2U2

Urm=√2×9V=12.7V

根据所得Id、Urm的数值，查晶体管手册，选用IN4001，其参数为

（Id=1.0A；Urm=50V），对此电路，所选晶体管满足电路要求。

3.2滤波电路

经过整流电路所得电压并不是纯直流电压，而是单相脉动电压，其中还有较大的交流成分，利用滤波电路可滤去脉动电压中的交流分量，或大大减少其交流分量。

滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C如图五，或与负载串联电感器L，或由电容与电感组成的各种复式滤波电路。

电抗元件在电路中有能作用，在电源供给的电压升高时，并联电容C把这部分能量藏起来，而当电压降低时，它又把藏起来的能量释放出来，以使负载上电压（即电容上电压）保持平滑。

电容C起到平波的作用，串联的电感L也能起到同样的效果。

但小功率整流电路应用电容滤波电路已经足够。

而且电容的容量大，起的作用能够也明显。

图五

当电路无负载时，设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，若U2在正半周，则电流通过VD2、VD4向电容器C充电；若U2在负半周，则电流通过VD1、VD3向电容C充电，充电的时间常数为T=RC.其中,R为整流器内阻,包括变压器负边绕组的直流电阻和二极管的正向电阻.由于R很小,电容器很快充电到交流电压U2的最大值√2U2。

由于电容器无放电回路，故电容器C两端的电压U2（即输出电压Uo）保持为√2U2，输出为一恒定的直流。

当电路有负载时，U2由0上升时接入负载电阻Rl，因C上已经充了√2U2的电压，此时，U2〈Uo，故二极管承受反向电压而截止，电容器C经Rl放电，于是Uo按指数规律缓缓下降，随后，随着交流电压U2按正弦规律上升，当达到U2〉Uo时，二极管VD1、VD2导通，电容C又开始充电，电容两端的电压升高，输出电压增大，以后重复上述的充电和放电过程，便可得到输出电压波形近似为一锯齿波直流电压。

这使负载电压的波动大为减小。

因而输出的直流成分能得到提高，纹波减小，波形得到改善。

由此可知，电容滤波具有以下特点：

电容滤波能使输出电压脉动成分降低，直流成分提高，这是利用电容的储能作用来实现的。

二极管导通时，电容充电储能，二极管截止，再把储存的能量释放给负载，一方面可使输出电压波形变得较平滑，另一方面也增加了输出电压的

平均值。

电容滤波放电时间常数愈大，放电过程愈慢，输出电压愈高，同时脉动成分愈小，滤波效果愈好。

当RL开路时，输出电压为√2U2。

为此应选择大容量的电容作为滤波电容，而且要求负载电阻RL的值很大。

电容滤波适用于负载电流比较小的整流电路。

在整流电路采用电容滤波后，只有当u2>u0时,二极管才导通,所以整流二极管的导电时间缩短了。

由于电容C充电的瞬时电流很大，形成了浪涌电流，容易损坏二极管，故在选取二极管时，必须留有足够的电流裕量。

一般按（2—3）Io的值来选二极管。

为了有良好的滤波效果，一般取

C>（3—5）T/2RL（3—5）

式中：

T为输入交流电的周期。

当负载去掉后，电容端电压将升至√2U2，故电容耐压应大于它实际工作时所承受的最大电压√2U2。

当电容C的值满足式（7—8）时，输出电压的平均值近似为

Uo=1.2U2（3—6）

Io=Uo/RL=1.2U2/RL

3.2.1滤波电容的选取

由上分析可知选用滤波电容容量要大，承受耐压要高。

因此选用电解电容器中的铝电解电容器，其容量大、耐压高。

而整流滤波电路中的滤波电容C可由下式计算：

C=Ic×t/△Uc（3—7）

式中Ic——滤波电容放电电流，可取为最大负载电流Iomax=0.5A；

T——滤波电容放电时间，可取桥式整流中交流电半周期0.01秒；

△Uc—滤波电容在平均值上下的总波动量，一般取波动量±1V左右，△Uc=2V。

电容的最大电压Ucmax=√2U2=12.7V。

所以取C=0.5×0.01/2=2500微法，耐压50V即可满足要求。

3.3稳压电路

整流滤波后得到的平滑直流电压会随电网电压和负载电流的变化而改变，因

此，在对直流电压要求比较稳定的电子设备中，通常在整流滤波电路后面总是加有稳压电路，使之在上述两种变化条件下仍能输出稳定的直流电压。

常见的有稳压管稳压电路和串联型晶体管稳压电路两大类。

随着集成技术的发展，稳压器也实现了集成化。

今选用三端固定输出集成稳压器W78××系列的W7806作为稳压电路，电路图如图三所示。

W78××是正电压输出系列，××表示输出电压值。

如W7806，即输出正向电压6V。

其组成由图六可知：

输入

图六

由图可知三端固定输出集成稳压器包括启动电路、基准电压、调整管、放大电路、保护电路、采样电路六部分。

现对各部分简要介绍。

调整管：

调整管接在输入输出端之间，当电网电压波动或负载电流波动时，调整自身的集-射压降使输出电压基本保持不变。

W78系列调整管为两个三极管组成的复合管，这种结构只要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中的较大的输出电流。

放大电路：

将基准电压与从输出端得到的采样电压进行比较，然后送到调整管的基极。

放大电路的放大倍数越大，稳定性越好。

启动电路：

在刚接通直流输入电压时，使调整管、放大电路、和基准电压等建立各自的工作电流；而当稳压电路正常工作时，启动电路则被断开，以免影响稳压电路的性能。

基准电压：

因为稳压电路的输出电压与基准电压成正比，所以基准电压的稳定性直接影响稳压电路输出电压的稳定性。

采样电路：

采样电路由两个分压电阻组成，它将输出电压变化量的一部分送

到放大电路的输入端。

保护电路：

在W78系列三端集成稳压器中，有限流保护过热保护和过压保护。

3.3.1集成稳压器的选取

集成稳压器：

集成稳压器的输出电压Uo应与稳压电源要求的输出电压的大小及范围相同。

稳压器的最大允许电流Icm〈Iomax，稳压器的输入电压Ui的范围

Uomax+（Ui-Uo）min≦Ui≦Uomin+（Ui-Uo）max（3—8）

式中，Uomax是最大输出电压；Uomin是最小输出电压；（Ui-Uo）min是稳压器的最小输入输出压差。

电源变压器：

通常根据变压器副边输出的功率Po来选够（或自绕）变压器。

对于容性负载，变压器副边的输出电压U2与稳压器输入电压Ui的关系为Uimin/（1.1—1.2）≦U2≦Uimax/（1.1—1.2），字此范围内，U2越大，功耗也就越大，一般取副边电压U2≧Uimin/1.1（3—9）

副边输出电流有效值I2〉Iomax（3—10）

整流二极管及滤波电容：

整流二极管VD1—VD4的反向击穿电压Urm应满足

Urm〉√2U2（3—11）

其额定工作电流应满足If〉Iomax（3—12）

滤波电容C的容量可由下式估算C=Ic×t/△Ui（p-p）（3—13）

式中，△Ui（p-p）是稳压器输入端纹波电压的峰—峰值；t是电容C放电时间，t=T/2=0.01s；Ic是电容C放电电流，可取Ic=Iomax，滤波电容C的耐压值应大于√2U2，亦可按下式估算

C≧（3—5）T/2×Iomax/Uimin（3—14）

纹波电压：

指叠加在输出电压Uo上的交流分量。

此项性能指标亦可用纹波抑制比爱表示，其意义是输出端对输入端叠加的交流纹波电压的抑制比，可反映稳压电源对输入端引入的交流纹波电压的抑制能力。

其表示式为

Sr=20lg△Ui（p—p）/△Uo（p—p）（dB）（3—15）

稳压系数：

指在负载电阻RL不变情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即

Sv=（△Vo/Vo）/（△Vi/Vi）|Rl=常数（3—16）

输出电阻：

其意义是在输入电压不变的情况下，输出电流的变化△Io引起输出电压的变化△Uo，其表达式为

Ro=-△Vo/△Io|Vi=常数（3—17）

它表示稳压电源受负载变化影响的程度。

在工程上也常用Io从零变到最大额定输出值时，输出电压的相对变化量来表征这一性能，称为电压调整率。

实际应用中还有一些参数须据实际需求侧重考虑，详细情况可由资料中查找，这里就不再介绍。

4.发送部分设计

峡谷激光对讲机的语音放大电路采用多级放大电路的阻容耦合方式。

其电路图如图七所示，稳压电源输出6V直流电为放大电路提供基极偏置电流，保证电

路的工作正常运行。

图七

当语音信号从话筒A输入经可变电阻器RP1传输到晶体管VT1基极，输入语音信号强弱可由RP1进行调节。

电容C6为隔直电容器，其作用是滤除语音信号中的直流部分，将语音交变部分送入晶体管VT1中进行放大，所得信号由隔直电容器C7，进一步对语音信号中直流成分进行滤波，得到更完整清晰的交变语音信号后，再经晶体管VT2进行二次放大，将所得信号送入激光器，使流过激光器的电流变为脉动电流，其中交变部分即为语音信号电流，最后经激光器将该脉动

电流转变为脉动激光信号发射出去，即完成信号调制。

R1为集电极偏置电阻，为晶体管VT1提供集电极电流，电阻R2是基极偏置电阻，为晶体管VT1提供基极电流，滑动变阻器RP2和电阻R3为基极偏置电阻，为晶体管VT2提供基极电流。

接通电源后，适当调整R2、RP2的数值，使晶体管VT1的集电极对地电压为3伏，晶体管VT2的集电极对地电压为2伏。

多级放大电路的耦合方式有4种，即组容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合。

变压器耦合和光电耦合方式使用得较少。

而直接耦合方式的缺点：

其一是各级的Q点相互影响；其二是存在电位逐级上升现象；其三是零点漂移问题。

这是直接耦合电路最突出的问题。

所谓零点漂移是指放大电路在输入端短路的条件下，输出端的直流影响而发生波动，导致各级Q点不稳定，原因之二是直接耦合电路本身造成的。

直接耦合方式的优点：

即能放大交流信号，也能放大缓慢变化信号和直流信号，低频特性很好。

而在激光通信的发射部分要求只对交流信号进性放大，因此不易采取直接耦合放大电路，而阻容耦合放大电路的优点是电容的隔直作用使各级电路的静态工作点相互隔离，互不影响；给设计、计算、和调试带来很大的方便；当耦合电容足够大时，在一定范围内可视为短路，所以可以有效地放大交流信号。

因此在激光通信电路中采用阻容耦合电路。

该电路采用两级放大电路，由多级放大电路特性可知其电压放大倍数为：

Au=Au1×Au2×······×Aun（4—1）

输入输出电阻：

多级放大电路的输入电阻就是第一级放大电路的输入电阻，而多级放大电路的输出电阻等于末级放大电路的输出电阻。

由上面的分析过程可得如下数据（设电源电压为Ucc，激光器内阻为RL）：

Ucc=6V；R1=3K；R2=220K；R3=22K；Rp2=100K;Uce1=3V；Uce2=2V；放大电路无信号输入则

Ir1=（Ucc-Uce1）/R1=3V/3K=1mA；

IbQ1=Ir2=（Uce1-UbcQ）/R2=0.01mA

UceQ1=Ucc-IcQ1×R1=3V

IcQ1=Ir1-Ir2=0.99mA

Pce1=Uce1×IcQ1=3×0.99=2.97mW

由Ic=Bib→B=Ic/Ib=99

由P=（Ucc-Uce2）×Irl→Irl=P/（Ucc-Uce2）=50mW/4V=12.5mA=IcQ2

Irp2=（Ucc-UbeQ）/（Rp2+R3）=（6-0.7）/122K=0.43Ma=IbQ2

UceQ2=Ucc-IcQ2×RL=2V

Pce2=Uce2×IcQ2=2×12.5=30mW

当开关S2闭合时:

激光器功率最大,此时激光器上电压为电源电压6V.

由上分析输出级功率较大，选用三极管9014（其Pcm=300mW），为统一前级也选用9014管满足要求。

以上所求参数都是集电极电源Ucc在无信号状态下产生的直流量，它们决定了放大电路的直流工作状态。

放大电路无信号输入时的直流工作状态叫作静止状态，简称“静态”。

由这些电流电压参数在三极管输入/输出特性曲线族上所确定的点称为静态工作点，用Q表示。

描述Q点的量用Ubeq、Ibq、Uceq表示。

若放大电路不设置静态工作点，则当电路的输入端加入交流信号Ui，则在输入信号正半周期间，且信号电压大于发射结死区电压时，发射结才因正偏而导通，产生随Ui变化的基极电流Ib。

输入信号负半周，发射结因反偏而截止，无基极电流，Ib=0。

可见，在交流信号的一个周期内，三极管只有有小部分时间辅导通，大多数时间没有基极电流和集电极电流，使输出波形与输入波形不同，这种现象称为放大电路的失真。

若不设置Q点，波形将严重失真。

如果放大电路设置静态工作点，但其位置不合理，同样也会造成输出信号波形失真。

若工作点位置太高，尽管iB波形完好，但在输出特性上，信号IB的摆动范围有一部分进入饱和区，ic的正半周和Uce的负半周被“削”去一部分，产生饱和失真。

若静态工作点位置太低，那么在输入特性上，信号电压的负半周就可能有一部分进入截止区，使iB的负半周被“削”去一部分，从而使iC的负半周，Uce

的正半周相应的部分被削去，产生截止失真。

截止失真和饱和失真都属于非线性失真。

假设电路参数的选择能保证三极管工作在放大去区，且静态工作点位于放大区中央。

此时若在电路输入端加一个微小的电压信号，则电路中各处的电流、电压变化如下：

Ui→uBE1→iB1→iC1→uCE1→uBE2→ib2→iC2→uCE2→uo

由此可见，在放大电路中设置合适的静态工作点是十分必要的。

虽然放大电路种类繁多，但其功能均是将微弱的电信号（电压、电流、功率）进行放大，以便得到所需要的较强的电信号的输出。

而决定放大电路优劣的主要性能指标却是相同的，有以下几点：

放大倍数：

放大倍数是衡量放大电路放大能力的参数。

电压放大倍数Ao：

即放大电路交流输出电压uo与交流输入电压ui之比。

Au=uo/ui（4—2）

电流放大倍数Ai：

即放大电路交流输出电流io与交流输入电流ii之比。

Ai=io/ii（4—3）

功率放大倍数Ap：

即放大电路输出功率po与放大电路输入功率pi之比。

Ap=po/pi（4—4）

再分析计算过程中，通常只需求出Au或Ai即可。

放大倍数用对数表示叫做增益。

电子技术对增益有如下规定：

电压增益：

Gu=20lgAu（dB）

电流增益：

Gi=20lgAi（dB）

功率增益：

Gp=20lgAp（dB）

输入阻抗和输出阻抗：

若在放大电路中输入交流信号ui，将在输入回路产生输入电流ii这如同一个阻抗上加上交流电压将产生交流电流一样。

这个阻抗叫做放大电路的输入阻抗。

输入阻抗可等效为一个纯电阻，用Ri表示，则有

Ri=ui/ii（4—5）

放大电路的输出阻抗是从放大电路的输出端看进去的等效电阻（不包括负载

电阻RL），用Ro表示，则有

Ro=uo/io（4—6）

输入电阻越大，放大电路要求信号源提供的电流就越小，信号源的负担就越小。

再应用中，输入电阻越大越好。

输出电阻越小，在负载变化时，对放大电路的影响也越小，说明带负载的能力越强。

所以在应用中输出电阻越小越好。

实际应用中还有一些参数须据实际需求侧重考虑，如通频带，非现性失真等，详细情况可由资料中查找，这里就不再介绍。

5.接收部分设计

峡谷激光对讲机的接收部分采用功率放大电路，其具体电路如图八所示：

图八

电源由前级整流输出来提供，其电压为9V，为光电管提供集电极偏压，为集成功率放大器TDA2002供电，保证电路的正常运行。

R4为分压电阻，VD5为发光二极管，其正常工作时压降为2V，这里起电路指示作用；VT3为光电管3DU5，是此电路的重要部件，是用来接收激光信号的，是接收电路的核心部分；R5为射级偏置电阻，起保护作用；C1为隔直电容，只允许交流分量通过，起过滤直流作用；VD6和VD7组成检波电路，这里起解调作用，将语音信号从激光脉动信号里面解调出来，即恢复发射电路的原始音频信号

（声音）。

C2起滤波作用，电位器RP3起调节作用，即可用来控制音量大小。

R6为分压电阻。

防止电路的波动对输出的影响。

TDA2002为集成功率放大器，起放大接收到的音频信号，并对其进行调节使输出音量清晰无噪音。

C3为隔直电容器，对最后输出信号进行滤波，让声音信号更好更完整的传到扬声器中。

BL扬声器输出声音信号。

当光电管3DU5接收到脉动激光信号时，在图八B点产生一直流脉动信号电压，经过电容器C1隔直后，其中的交变部分经二极管VD6和VD7进行检波后，再送入功率放大器集成块TDA2002中进行放大后输出，信号经电容器C3滤波后经扬声器BL输出就完成了信号的接收，扬声器音量大小可由RP3进行调节。

设二极管VD5压降为Ud，则Ud=2V。

由图八可得：

R4=2KR5=47KRP3=100欧R6=680欧

设输入电压为Ucc则Ucc=9V，设扬声器电阻为RL，且RL=4欧。

Ir4=（Ucc-Ud）/R4=（9—2）V/2K=3.5mA

Ir5=（Ucc-Uce3）/R5=（9—0.7）/47K=0.17mA

检波又称解调，检波过程就是信号源通过二极管给电容充电与电容对电阻R放电的交替重复过程。

其参数如下：

检波器传输系数Kd或称为检波系数、检波效率，是用来描述检波器对输入已调信号的解调能力或效率的一个物理量。

若输入载波电压振幅为Um，输出直流电压为Uo，则Kd定义为

Kd=Uo/Um（5—1）

检波电路中另外一些参数视具体情况而定，这里就不多说明了。

集成功率放大器输出功率大、外围连接元件少，安装调试方便，保护功能齐全，性能优越。

它是将放大电路的输入极、前置放大级、激励级包括大功率晶体管都制作在一块芯片上，就构成集成功率放大电路，通常分为通用型和专用型。

功率放大电路的作用是给负载RL提供所需要的输出功率，其输出方式有变压器输出、无变压器输出（OTL）、无电容输出（OCL）、无变压器平衡输出（BTL）等。

工作方式则可分为甲类、甲乙类、丙类、丁类等。

其中BTL电路的输出功率最大，为2Ucc/RL，是OCL电路的4倍，是OTL的16倍。

因此在选用功率放大电路时。

对其技术要求有以下几点：

输出最大信号功率Pom：

要求送到负载的输出功率为Plm，考虑到功放输出电路的损耗并留有适当的余量（取25%的余量），则

Pom=（1+25%）Plm（5—2）

三极管最大集电极功耗Pcm1