铃流源电路的新设计

    摘要：阐述三种新型铃流源电路的工作原理，分析它们的性能与特点，并依据上述原理，设计出具体的实用电路。

    关键词：阶梯波  文氏电桥振荡器  SPWM  解调器

    铃流源又称铃流信号发生器，它是一种特殊形式的电源。在通信交换设备中，铃流源为用户话机提供振铃信号和工作电源。原邮电部标准化所制定的铃流源技术标准为:波形为正弦波，频率为25Hz±3Hz，输出电压为75V±15V，失真度<1％。在早期的通信设备中，采用的是集中式铃流源，由单独的铃流源机架提供整个系统的铃流信号，其输出功率是很大的。而近期的通信设备多采用分布式铃流源，将它与程控交换机的二次电源组合在一起，采用模块化结构，输出功率从数瓦到数十瓦不等。由于铃流源的电路型式为DC/AC变换器，除输出的电压幅度与频率有所不同外，铃流源电路与常用的逆变器电路在原理与制作上并无多大差别。

    铃流源的实际电路多种多样。80年代，当铃流源由方波改为正弦波时，人们曾采用滤波法，将罗耶振荡器产生的方波信号，经LC无源滤波器滤去高次谐波，从而得到25Hz的正弦基波。也有的铃流源采用裂相法，通过裂相电容器和变压器的作用，将频率为50Hz的交流市电变为25Hz的铃流电压。上述两种方法都离不开低频变压器和滤波器，其缺点是效率低，体大笨重，噪声也大，不符合现代通信设备的要求。

    本文介绍的三种新型铃流源电路，在一定程度上克服了上述两种方法的缺点，在效率、体积、重量和噪声方面均有所改善，加之电路新颖简洁，调试容易，对从事此类电源设计的人员会有一定的参考价值。

1 阶梯波铃流源

    与正弦波波形最相近的是阶梯波，阶梯波可以用多个幅度不等的等宽矩形波合成，阶梯波的阶数越多，失真度越低，波形越近似于正弦波。当阶数为12时，失真度为14％；当阶数为16时，失真度为10％；当阶数为20时，失真度为7％左右。本文采用16阶梯波，其失真度基本上能达到铃流源的要求。16阶阶梯波的波形如图1所示。

    正弦波的周期为2π，16阶阶梯波每个矩形波的宽度为2π/16，即π/8，矩形波的幅度可以由正弦波的积分求得，在0～π/2区间内有4个矩形波，它们的幅度比为：

    经计算得出其幅度比为0.20：0.56：0.85：1，其它区间矩形波的幅度比与此相同。产生这样的阶梯波并不困难，采用图2的电路就能实现。

    电路为一典型的推挽输出电路，变压器初级绕组有8个抽头，分别由8只功率晶体管驱动，初级绕组抽头位置的不同，所绕的匝数就不同，输出电压的幅度也不同，每半个周期含有4个抽头，其匝数比按0.20：0.56：0.85：1绕制，8只功率晶体管的导通顺序为1234，4321，5678和8765，这样在变压器次级绕组上就会产生阶梯波。驱动晶体管的数目与变压器抽头数相等，与阶梯波的阶数比为1：2，阶数越高，所需要的晶体管数越多，变压器的抽头也越多，制作工艺也越复杂，成本也越高，所以并非是阶数越高越好，而应视所要求的技术参数和成本而定。阶梯波不是严格意义上的正弦波，而是准正弦波，当波形失真要求很低时，采用阶梯波不一定适合，这时可以考虑用其它方法。

    在变压器次级绕组增加LC滤波器，可以获得更纯正的正弦波，但由于输出的是功率信号，频率又很低，滤波用的LC元件数值很大，其体积和重量也不容忽视。

    对于阶梯波，阶数为n，输出信号的频率为fo，则晶体管触发信号的频率fck=nfo，对于上述铃流源而言，触发信号的频率fck=16×25=400HZ，实际电路如图3所示。

    电路由一只单结管和两块通用数字集成电路组成，它是一个16位的顺控器。单结管又称双基极二级管，用它设计的张弛振荡器，电路简单元件少，振荡频率公式f=1/T,T=RC1n[1/(1－η）]或T≈0.3RC1g[1/(1－η)]来确定，η为单结管发射结的分压比，一般为0.3～0.9，本电路的振荡频率为400HZ，由电位器RP1进行调节。CD4022是8进制数/分配器集成电路，两块CD4022串接可组成16进制的分配器。为增大铃流源输出功率，应在控制电路与功率放大电路之间增加推动级，功率放大管应采用大功率达林顿管，如TIP142、TIP132等。

    阶梯波铃流源已由线性电路向开关电路转化，整个电路的输出由8只晶体管分担，散热问题容易解决，电路具有较高的效率，它的缺点是所用的功率管较多，仍然采用输出变压器，它的体积和重量仍然比较大。

2 直放式铃流源

    直放即直接放大的意思，其工作原理是首先制作一个小的正弦波发生器，然后将这个正弦波信号进行功率放大，使它达到铃流源的指标。直放式铃流源与常用的扩音机是相同的，只是它的输入信号固定为25Hz，而不是变化的音频信号，实际电路见图4所示。

    单运放IC1构成文氏电桥振荡器，在RC正弦波振荡器中，它是最常用的一种，电路起振的条件是要求电路的电压增益大于3，低于这个临界增益，电路不起振，而增益过高，也会使振荡波形变劣，为使振荡电压幅度恒定，在负反馈电路里加有两只二极管VD1、VD2的补偿电路，利用它们的非线性，抵消外界温度变化等影响，使输出稳定。R4、R5、C2、C3组成选频网络，当R4=R5,C2=C3时，文氏电桥振荡器的频率，按图中给定的数值，振荡的频率固定为25Hz，IC2为一小功率功放集成电路，型号为LM386N4，外围件很少，性能也很优越。此集成块的作用是将振荡器输出的信号进行放大，使它具有一定的负载能力，以驱动后级功率放大器。功放电路采用有输入变压器的OTL功放电路，优点是无输出变压器，功率信号直接由电解电容器C7输出。功放管采用大功率VMOS管担任，工作在甲乙类状态，为克服交越失真，由电阻R10～R13分压为功放管提供偏置电压。为使输出的铃流信号稳幅，电路处于闭环工作状态，由光耦器件GO1组成稳幅电路，光耦GO1的初级是发光二极管，次级为光敏CDS电阻。其稳幅过程如下：当输出的铃流信号升幅时，流过发光二极管的电流也增加，光敏电阻的阻值随之减小，它与电阻R8分压，使IC2的输入信号电压降低，从而使功放级输出的铃流信号幅度回落。反之，当输出的铃流信号降幅时，流过发光二极管的电流也减少，光敏电阻的阻值随之增大，使IC2的输入信号电压升高，从而使功放级输出的铃流信号幅度上升。这样就保持了输出的铃流信号在一定的范围内稳定。

    直放式铃流源省去了低频输出变压器，体积小重量轻，波形良好，失真度很低，其缺点是要增设一组高压供电电源（＋300V），此外，它的效率也不够高，只能达到70％左右。

    图5是为铃流源供电的高频开关电源电路，采用DC/DC变换方法，将程控机上的－48V电源变换为＋300V和±12V等几组电压，变换器的核心器件为PWRTOP104，它集控制功能与功率开关管于一体，电路极为简单，此电路为一典型电路，很多书刊均有谈及，这里不再赘述。

3 SPWM铃流源

    SPWM即正弦波脉冲宽度调制技术，是当前产生铃流的先进方法，其基本原理与高频开关电源很相近，只是多了一组正弦波发生器电路而已，原理框图如图6所示。

    首先产生25Hz正弦波信号，将其与频率为数十千赫的三角波信号分别加到电压比较器的正反相输入端进行调制，产生脉宽可变的调制波，调制波的包络线为25Hz的正弦波形。将调制波进行开关放大，输出功率信号，最后经解调器解调，得到低频率的25Hz铃流信号。

    其波形如图7所示。

    本电路采用数字式正弦波振荡器，它与图4中的模拟式文氏电桥振荡器相比，它产生的正弦波信号的精度与稳定度要高得多。振荡器由两块集成电路组成。CD4060是通用14位分频/振荡器集成电路，外加的3.69MHz晶振与CD4060内部电路组成晶体振荡器。而后由CD4060内部的分频器对振荡信号分频，分频数选为212=4096，得到900Hz的脉冲信号。IC2是一种开关电容滤波器SCF集成电路，内含五阶低通滤波器，可以将输入的脉冲信号变为正弦波信号，输出的正弦波频率fo=fck/36，输入900Hz的脉冲波，将得到900/36=25HZ的正弦波信号，失真度THD≤0.1％。IC2的国产型号5G6514，电路如图8所示。

    三角波发生器由双运放组成，它具有线性好、电路简单的优点，见图9。为稳定三角波的幅度，在两个运放之间加有桥式整流器与稳压二极管组成的双向限幅电路，三角波的频率为100kHz。三角波信号与正弦波信号加到IC2的正反相输入端，IC2为高速电压比较器（可用运放代替），由IC2对信号进行调制，开关晶体管VT1、VT2为缓冲级，增大IC2的带负载能力。功放级仍采用与图4相同的带输入变压器的OTL功放电路，本电路工作在开关状态，得到功率放大的调制信号经电感L1和电容器C5组成的解调器，去掉高频载波信号，将所需要的25Hz铃流信号由电解电容器C4输出。供电电源仍采用高压方式，电源电路与图5相同。

    为稳定输出铃流信号的幅度，电路加有图10所示的稳幅电路。

    这一电路也称AGC，即自动增益控制电路，IC1是一种被称为“电子衰减器”的集成电路，型号为MC3400P，8脚DLL封装，第2脚是它的增益控制端，当2脚上的直流电压由3.5V上升到6V时，MC3400P的电压增益由＋13dB下降到－77dB，变化量为90dB，其控制电压由输出的铃流信号经分压整流滤波后供给，其控制过程与图4相近。IC2是通用小功率功放集成电路，起电压调节和缓冲作用。

    SPWM铃流源体积小重量轻，功率容量大，代表了当今电路水平，也是铃流源电路的发展方向。