PDF《科别：电子电机及资讯科》

科别:电子电机及资讯科 组别:高职组 作品名称:输 输电 电线 线载 载波 波传 传送 送之 之研 研究 究与 与应 应用 用 关键词:输电线、 、载波、 、PLL 输电线 载波 PLL 编号:091001 学校名称: 台北县私立格致高级中学 作者姓名: 程敬智、林英杰、黄超元 指导老师: 陈伟峰、潘国正 摘要 本作品主要是研究以一般室内交流输电线路来传输载波讯号.

由於绝大多数之室内配线 在房屋建筑完成之前就已做好埋设的工程,因此,若能加以适当的应用,来做为各种用途的 电气讯号传递,诸如:音响扬声器的传输线路、有线电视的讯号转接、家庭电气用品的控制、 电脑网路的连接等,将可避免许多额外的线路架设工程,破坏原有室内景观. 壹、研究动机 在通信电学实习中,习得如何制作信号调变发射机与接收机,在学习的过程中特别对调 频方面感到兴趣,尤其是锁相回路(PLL)频率解调器的工作原理,当初在这方面花了许多 时间请教老师,所以想制作相关电路作品参赛,且希望可以学以致用在现实生活中.而交流 输配电线是用来传输交流电源,这是众所周知的,但若能像电话线路一般,可做多重用途的 使用(如Home PNA、ADSL 等) ,在传送交流电源的同时也能传送其他的电气信号,对於不 想再另外架设传输线路的使用者而言,本实验作品将是一项非常便利的装置.因此,本实验 研究应是具有相当之实用价值. 贰、研究目的 本作品主要是希望能透过一般室内的交流输电线路来传送除了交流电源之外的电气信 号,并做应用研究.目前为止,输电线路一直都停留在传输交流电源的单一用途,不像电话 线路或有线电视电缆有那麽多的附加价值,所以期望透过一些目前学习过的基本电子电路的 应用,来达到提高输电线路附加价值的目的. 参、研究设备及器材

(一)设备表

1 名称 型号 用途 数位示波器 Tektronix TDS210 输出波形测试 讯号产生器 AMREL FG-506 输入测试信号 电源供应器 AMREL LPS-304 提供直流偏压 电路板雕刻机 禾宇 EP9702 电路板制作 个人电脑 PENTIUM4-2.4GHz 电路图绘制

(二)器材表 1.发射机部分: 名称 规格 数量 中心抽头变压器 30VCT,50mA

1 变压器(可调式) TOKO RAN-10A6729EK

1 IC LM566CN

1 LM78L12CZ

1 二极体 1N4002

2 1N914

1 电晶体 PN2222A

1 电解电容 2.2?f

1 1000?f/25V

1 10?f/16V

1 陶瓷电容 750pf

2 1000pf

2 3900pf

1 82pf

1 160pf

1 2 2200pf

1 塑胶电容 0.1?f/200V

1 固定式可变电阻 10K?

1 电阻 150K?

1 22K?

1 18K?

1 5.1K?

1 300?

1 10K?

2 2.接收机部分: 名称 规格 数量 中心抽头变压器 26.8VCT,1A

1 变压器(可调式) TOKO RAN-10A6845EK

1 IC LM565CN

1 LM380N

1 LM78L12CZ

1 LM3046

1 二极体 1N4002

2 1N914

1 电晶体 2N4248

1 电解电容 2.2?f/10V

2 1000?f/25V

1 47?f/6.3V

2 470?f/10V

1 3 陶瓷电容 100pf

1 1000pf

3 300pf

1 620pf

1 2200pf

1 0.1?f

4 3900pf

1 塑胶电容 0.1?f/200V

1 固定式可变电阻 10K?

1 1M?

1 电阻 3.6K?

1 1.2K?

1 820?

1 1.6K?

1 6.2K?

2 360?

1 510?

1 10K?

1 1.8K?

1 1K?

1 3.9K?

1 620?

2 33K?

1 2.7?

1 AC 电源线

2 4 肆、研究过程或方法 本作品主要是利用一高品质、低杂讯的 FM 传送及接收机来完成.为何要使用 FM 调变 方式来制作,主要是因为 FM 调变的方式是将载波讯号的频率随调制信号作调变,因载波本 身振幅不变,若有杂讯加在振幅上,将会於接收时被截割而消失,因此 FM 调变方式不易受 杂讯干扰而有较佳的传真度.由於交流输电线本身并无如同轴电缆线一般有相当良好的杂讯 阻绝能力,因此采用 FM 系统便有相当之必要. 电路分为发射机及接收机两个部分,发射机部分主要是将欲传送之信号与载波加以调 变,再送至交流输电线上加以传送.接收机主要是将交流输电线上之传送讯号加以放大及解 调还原成原来的输入信号.以下分别予以说明:

(一)发射机 发射机部分主要是由 LM566 VCO(voltage controlled oscillator)所构成,利用 VCO 输出频 率由输入电压控制的特性,即: . ) t ( v c f ) t ( f in o ? + = 其中 fo 是VCO 的自由振荡频率,vin 是输入讯号电压,而c是常数.因此即可利用此特 性来完成 FM 调变的工作.电路如附图一所示. 电路中可藉由调整 R1 来改变输入信号的大小,以避免过度调变,VCO 的自由振荡频率 可由 R4 及C4 来设定,本电路将之设定为 210KHz 左右(如下图所示) ,此一高频足以有效率 的耦合至交流输电线上. VCO 的灵敏度由偏压来决定,本电路使用 12V 直流作为偏压,为达最小失真及误差,因 此将该限制偏压在 12V±10%.VCO 输出约 6VP-P,藉由 Q1 电晶体耦合至调谐变压器 T1,由 於调谐变压器必须能调谐出自由振荡频率,因此会在 Q1 电晶体集极端出现一高阻抗,所以需 注意 Q1 电流限制.於实验时,利用信号产生器输入 10KHz,12VP-P 的正弦波信号,经LM565

5 的调变后可得如下之波形. 最后由 T1 经由 C8 电容耦合至交流输电线 , 而C8 可有效阻隔输电线上之 60Hz 的交流电 , 因此耐压值需在 150V 以上.

6 7

1 1

2 2

3 3

4 4 D D C C B B A A 30VCT T2

300 R6 PN222A Q1

5100 R5

2200 C5 IN

1 OUT

3 G N D

2 M7812CT(3) IC2 1000u C6 G N D

1 SQOUT

3 TRIOUT

4 MODULTNIN

5 TIMR

6 TIMCAP

7 V C C

8 NC

2 LM566CN(8) IC1 18u C9

82 C4 18K R4

1000 C3 22K R3 150K R2 2.2u C1 10K R1 10K R7

750 C2 RAN-10A8729EK T1 0.1u C8

1000 C7 DIODE1 D3 DIODE1 D2 DIODE1 D1 toACpowerline 附图一 发射机电路图 Signalinput

8

(二)接收机 接收机部分主要是利用 LM565 PLL(phase-locked loop)及放大电路所构成.载 波信号由输电线路传送至调谐变压器 T1,藉由调整 T1 以找出正确的载波频率.经由LM3046 所构成的两级差动放大器放大后,再传送至 LM565 PLL 检波,而PLL 内部产生一个信号,去锁住送至输入端信号的相位,此时两者之频率必然相同, 所以当 PLL 锁住输入信号相位的同时,必然也锁住它的频率.当PLL 锁定时,则 两个信号的频率相同,相位差为一个定值. x(t) 压控振荡器 ( VCO ) 低通滤波器 ( Lowpass filter ) 相位检测器 ( phase detector ) 上图为一 PLL 之内部方块图,其中相位检测器的用途是侦测两个不同信号相 位差及频率差.而相位检测器的输出不止含有频率及相位差的信号,还含有一些 不需要的高频成分,故利用低通率波器将之滤除,载送到 VCO 输入端以改变 VCO 输出频率. 本电路可藉由调整 R16 来改变 LM565 内部 VCO 的自由振荡频率 , 使之与发射 机所发射之载波信号频率相同,以便能顺利锁住送入 LM565 之调变信号,并将其 加以检波后输出.经PLL 检波后,输出大约会减到剩下 1VP-P.因此,最后在经由 LM380 加以放大后输出最大可达 2.5W 输出功率之信号.

9 10

1 2

3 4

5 6 D C B TRANS5 T2 1N4002 D2 1N4002 D3 47u C3

820 R3

1200 R2

6200 R5

6200 R6

360 R7

510 R8 1N914 D1

1600 R4 0.1u C5 10K R9 2N4248 Q2 0.1u C7

1000 R10 2.2u C6

3900 R12

1000 C8

820 R14

820 R13

100 C10 33K R15

2200 C11 TIMCAP

9 IN

3 NC

14 VCOOUT

4 IN

2 NC

13 + V C C

1 0 REFOUT

6 VCOCNTLVLT

7 VCOIN

5 NC

11 NC

12 - V C C

1 TIMRES

8 LM565CN(14) IC1

300 C13

820 R13 2.2u C18

1000 C12 10K R16 IN

1 OUT G N D

2 LM7812CT(3) IC3 0.1u C9 1M R17 RAN-10A6845EK T1 0.1u C1

1000 C2

3600 R1 47u C14 0.1u C15 2.7 R18 C1 Q

5 C

1 4 Q

5 E

1 3 Q

5 B

1 2 Q

4 C

1 1 Q

4 E

1 0 Q

4 B

9 Q

3 C

8 Q

1 C

1 Q

1 B

2 E

3 Q

2 B

4 Q

2 C

5 Q

3 B

6 Q

3 E

7 LM3046 Q1

1 1

2 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 7 LM380 IC3 FromACpowerline 附图二 接收机电路

1 2

3 4

5 6

7 7

8 8 B A A

3 1000u C17 D C 470u

6 8

8 9

9 10

10 11

11 12

12 13

13 14

14 N1-1 附图二接收机电路图 Signaloutput

11

(三)实验历程记录 日期 工作内容

7 月21 日~

7 月27 日 讨论参赛内容重点及要求

7 月28 日~

8 月4日寻找适合之参赛题目

8 月4日~

8 月10 日 决定参赛题目及分配工作

8 月11 日~

8 月17 日 找寻无线及有线通讯相关资料

8 月18 日~

8 月24 日 绘制调频发射电路

8 月25 日~

8 月31 日 先以面包板插零件线路做实验

9 月1日~

9 月7日以讯号产生器输入讯号,测量每一点的讯号

9 月8日~

9 月14 日 讯号不稳定,且发生电阻过烫,重新检讨电路的配 置、电阻电晶体的额定功率

9 月15 日~

9 月21 日 再一次以讯号产生器输入讯号 , 测量每一点的讯号

9 月22 日~

9 月28 日将AC110 电源接上,测试隔离状况

9 月29 日~10 月5日以不同频率及波形作为输入讯号 , 测量每一点的波 形10 月6日~10 月12 日 发射器功能初步测试完成

10 月13 日~10 月19 日 将原面包板上的电路焊至 PC 板上,发射器测试完 成10 月20 日~10 月26 日 接收电路的绘制与相关杂志资料收集研究

10 月27 日~11 月2日接收电路考虑杂讯滤除的部分

11 月3日~11 月9日接收电路解调电路,还原音频讯号

11 月10 日~11 月16 日 接收电路后级放大

11 月17 日~11 月23 日 接收电路的组成,作最后的电路分析

11 月24 日~11 月30 日 先以面包板插零件线路做实验

12 月1日~12 月7日先不外加 AC110 电源,以两台讯号产生器产生调 频载波作为输入讯号

12 月8日~12 月14 日 测量各点电压波形,检讨元件更换的必要性

12 12 月15 日~12 月21 日 未如预期的顺利,再次检讨电路的可行性,并查询 相关资料,交互比较

12 月22 日~12 月28 日 逐步检讨每一级错误讯号产生的原因 , 先从差动放 大开始

12 月29 日~

1 月4日解调周围电路每一点、每一元件作分析

1 月5日~

1 月11 日 后级 LM380 放大,再次查询 IC 手册,是否有遗漏 之处

1 月12 日~

1 月18 日 再次整合接收器的电路,作交叉分析,并确认每一 点正确的讯号波形

1 月19 日~

1 月25 日 输入载波讯号至接收器,测量各点波形并记录

2 月9日~

2 月15 日 重新调整部分元件后,接收器各点波形已然正确

2 月16 日~

2 月22 日 接上 AC110 电源线,测试讯号是否能正确接收

2 月23 日~

3 月1日接收器初步测试完成

3 月2日~

3 月8日将原面包板上的电........