发信机开关高压电路的制作方法

1.本专利申请属于通信设备技术领域，更具体地说，是涉及一种发信机开关高压电路。


背景技术：

2.广州海岸电台(广州通信中心)是华南地区规模最大、功能最齐全的海岸电台，代表国家参与国际海上人命安全公约(solas)，履行国际海事组织(imo)规定的责任和义务,承担着整个南中国海域的船舶安全通信值守任务，主要承担遇险安全值守、安全信息播发、船舶公众无线电通信三大通信业务。广州海岸电台在用jrc发信机42台，其中十千瓦发信机13台、五千瓦发信机29台。此部分发信机涵盖中心所有发射业务种类，其中dsc、navtex、ssb和气象传真等业务类型不定时或间歇性播发，非播发时段无空闲信号。目前中心中控系统送至发信台的信号无独立的开关高压和启停功放的控制信号，发信机高压要长置于开启状态，才能确保有业务信号送到时发信机正常发射。如此将加快设备硬件老化和折旧，同时也增加人为误操作的可能性。


技术实现要素：

3.本实用新型需要解决的技术问题是提供一种发信机开关高压电路，无需人工调节，在有业务信号送达时才加载功放高压、控制整机输出功率，可实现有效减少发信机运行耗电总量、节省运行成本，降低发信机运行噪音，降低元器件折旧损耗，减少人为误操作或疏漏风险。
4.为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案是：
5.一种发信机开关高压电路，与音频信号电性连接，包括电平传感器芯片u1，电平传感器芯片u1的1脚作为信号输入端通过电容c1连接音频信号输出端，电平传感器芯片u1的2脚通过可调电阻vr1连接电平传感器芯片的3脚，电平传感器芯片u1的3脚通过电容c3接地，电平传感器芯片u1的4脚接地，电平传感器芯片u1的5脚通过电容c5接地，电平传感器芯片u1的8脚通过开关sw1连接板卡j1的6脚，开关sw1输入端连接板卡j1的6脚并输出+5v；板卡j1连接发信机终端接口板(命名为tb3)，板卡j1的3脚输出音频信号；电平传感器芯片u1的6脚作为开启高压脉冲脚、7脚作为关闭高压脉冲脚；
6.电平传感器芯片u1的6脚连接多谐振荡器芯片u5a的1脚，多谐振荡器芯片u5a的3脚为复位脚、其连接板卡j1的4脚并通过电阻r9连接开关sw1，多谐振荡器芯片u5a的13脚依次通过电阻r4、发光二极管d3连接光电耦合器u6，光电耦合器u6连接板卡j1的5脚并输出+5v电压短脉冲实现自动开启高压；多谐振荡器芯片u5a的2脚连接开关sw1、14脚通过电容c10接多谐振荡器芯片u5的15脚，多谐振荡器芯片u5的15脚通过电阻r6连接开关sw1；
7.电平传感器芯片u1的7脚通过电容c7接定时器芯片u3的2脚，定时器芯片u3的2脚还通过电阻r8连接开关sw1，定时器芯片u3的1脚接地、5脚通过电容c9接地、6脚通过电容c8接地，定时器芯片u3的7脚一方面接定时器芯片u3的6脚、一方面通过可调电阻vr3连接定时
器芯片u3的4脚和8脚，定时器芯片u3的8脚还接开关sw1，定时器芯片u3的3脚作为信号输出脚、其连接多谐振荡器芯片u5b的9脚；
8.多谐振荡器芯片u5b的10脚接+5v、11脚连接反相器u4的4脚，反相器u4的2脚为信号输入脚、其连接板卡j1的4脚，反相器u4的3脚接地、5脚为vcc脚；多谐振荡器芯片u5b的6脚接电容c11，电容c11另一端接多谐振荡器芯片u5b的6脚以及通过电阻r7连接开关sw1；多谐振荡器芯片u5b的5脚依次通过电阻r5、发光二极管d4连接光电耦合器u7，光电耦合器u7连接板卡j1的5脚并输出+5v电压短脉冲实现自动关闭高压。
9.本实用新型技术方案的进一步改进在于：电平传感器芯片u1型号为njm2072，定时器芯片u3型号为ne555，光电耦合器u7和u6的型号均为pc817。
10.本实用新型技术方案的进一步改进在于：多谐振荡器芯片u5为可复位双触发单稳态多谐振荡器芯片。
11.本实用新型技术方案的进一步改进在于：电平传感器芯片u1的7脚还依次通过发光二极管d2、电阻r1连接开关sw1，电平传感器芯片u1的6脚还依次通过发光二极管d1、电阻r2连接开关sw1。
12.本实用新型技术方案的进一步改进在于：可调电阻vr2的标称值为100kω，发光二极管d2为红光二极管，发光二极管d1为绿光二极管。
13.由于采用了上述技术方案，本实用新型取得的有益效果是：
14.本实用新型升级现用的key&ptt信号转换电路，利用音频(af)信号转换生成控制发信机开关高压的信号，控制发信机启停高压和发射信号，提升优化key&ptt信号转换性能，避免pa pwr(功率放大)和key&ptt(push to hold，一键通)长时开启情况。在有业务信号送达时才加载功放高压、控制整机输出功率，无业务信号时发信机关闭功放高压，可实现有效减少发信机运行耗电总量、节省运行成本，降低发信机运行噪音，降低元器件折旧损耗，减少人为误操作或疏漏风险。
15.本实用新型的发信机开关高压电路致力于在硬件层面采用模块化芯片和分立元件相结合的方式自主设计，对key&ptt转换电路进行升级改版，采用数字化方式设计，进一步简化电路结构，减少或去除人工调整环节，消除原设计电容损坏隐患，增进适用性能，提高电路灵敏度、响应速度和工作稳定性。并制作pa on信号控制模块，整合成key&ptt和pa on综合信号控制模块，增添安装到发信机内，输出控制信号送至发信机对应端口或接入点，根据业务音频信号实时控制发信机开关高压动作。
附图说明
16.图1为本实用新型的发信机控制板的电路图；
17.图2为本实用新型的控制电路原理图；
18.图3为本实用新型的信号波形图。
具体实施方式
19.下面结合实施例对本实用新型做进一步详细说明。
20.本实用新型公开了一种发信机开关高压电路，包括电平传感器芯片u1、定时器芯片u3、反相器u4、多谐振荡器芯片u5a、多谐振荡器芯片u5b、光电耦合器u7和光电耦合器u6。
21.具体电路布局参见图1-图3，图1是为了方便pcb制板而绘制的线路布局图，图2是从功能实现的原理图。
22.具体方案为：与音频信号电性连接，包括电平传感器芯片u1，电平传感器芯片u1的1脚作为信号输入端通过电容c1连接音频信号输出端，电平传感器芯片u1的2脚通过可调电阻vr1连接电平传感器芯片的3脚，电平传感器芯片u1的3脚通过电容c3接地，电平传感器芯片u1的4脚接地，电平传感器芯片u1的5脚通过电容c5接地，电平传感器芯片u1的8脚通过开关sw1连接板卡j1的6脚，开关sw1输入端连接板卡j1的6脚并输出+5v；板卡j1连接发信机终端接口板(命名为tb3，图中未画出)，板卡j1的3脚输出音频信号；电平传感器芯片u1的6脚作为开启高压脉冲脚、7脚作为关闭高压脉冲脚；
23.电平传感器芯片u1的6脚连接多谐振荡器芯片u5a的1脚，多谐振荡器芯片u5a的3脚为复位脚、其连接板卡j1的4脚并通过电阻r9连接开关sw1，多谐振荡器芯片u5a的13脚依次通过电阻r4、发光二极管d3连接光电耦合器u6，光电耦合器u6连接板卡j1的5脚并输出+5v电压短脉冲实现自动开启高压；多谐振荡器芯片u5a的2脚连接开关sw1、14脚通过电容c10接多谐振荡器芯片u5的15脚，多谐振荡器芯片u5的15脚通过电阻r6连接开关sw1；
24.电平传感器芯片u1的7脚通过电容c7接定时器芯片u3的2脚，定时器芯片u3的2脚还通过电阻r8连接开关sw1，定时器芯片u3的1脚接地、5脚通过电容c9接地、6脚通过电容c8接地，定时器芯片u3的7脚一方面接定时器芯片u3的6脚、一方面通过可调电阻vr3连接定时器芯片u3的4脚和8脚，定时器芯片u3的8脚还接开关sw1，定时器芯片u3的3脚作为信号输出脚、其连接多谐振荡器芯片u5b的9脚；
25.多谐振荡器芯片u5b的10脚接+5v、11脚连接反相器u4的4脚，反相器u4的2脚为信号输入脚、其连接板卡j1的4脚，反相器u4的3脚接地、5脚为vcc脚；多谐振荡器芯片u5b的6脚接电容c11，电容c11另一端接多谐振荡器芯片u5b的6脚以及通过电阻r7连接开关sw1；多谐振荡器芯片u5b的5脚依次通过电阻r5、发光二极管d4连接光电耦合器u7，光电耦合器u7连接板卡j1的5脚并输出+5v电压短脉冲实现自动关闭高压。
26.具体的，电平传感器芯片u1型号为njm2072，定时器芯片u3型号为ne555，光电耦合器u7和u6的型号均为pc817。
27.具体的，多谐振荡器芯片u5为可复位双触发单稳态多谐振荡器芯片。
28.具体的，电平传感器芯片u1的7脚还依次通过发光二极管d2、电阻r1连接开关sw1，电平传感器芯片u1的6脚还依次通过发光二极管d1、电阻r2连接开关sw1。
29.具体的，可调电阻vr2的标称值为100kω，发光二极管d2为红光二极管，发光二极管d1为绿光二极管。
30.同时本实用新型还公开了一种发信机开关启停功放电路，该电路也与音频信号电性连接，包括电平传感器芯片，电平传感器芯片的1脚作为信号输入端通过电容c2连接音频信号，电平传感器芯片的2脚通过可调电阻vr2连接电平传感器芯片的3脚，电平传感器芯片的3脚通过电容c4接地，电平传感器芯片的4脚接地，电平传感器芯片的5脚通过电容c6接地，电平传感器芯片的6脚作为信号输出端。
31.电平传感器芯片的6脚一方面连接板卡j1的2脚，电平传感器芯片的6脚另一方面依次连接发光二极管d6、发光二极管d5、电阻r3，电阻r3另一端连接板卡j1的6脚，板卡j1的1脚接地、3脚分别连接电容c2和开关高压电路的信号输入端、4脚连接开关高压电路的高低
压反相输入端、5脚连接开关高压电路的信号输出端；
32.板卡j1的3脚输出音频(af)信号。
33.作为优选，电平传感器芯片型号为njm2072，发光二极管d5为黄色发光二极管，电容c6为极性电容(22μf)、可调电阻vr2的标称值为100kω。电容c4为104pf，电容c2为10μf，发光二极管d6、发光二极管d5型号为in4148，电阻r3为1kω。
34.发信机开关高压电路在开关sw1的输出端，发信机开关启停功放电路连接开关sw1的输入端。本实用新型的发信机开关启停功放电路可以结合图中的电路来使用，也可以采用其他的开关启停功放电路。
35.以图1为例，电路工作原理：
36.针对key&ptt启停功放功能，音频(af)信号经信号电平传感器芯片u2(njm2072，声控电路)的1脚进入、6脚输出，有音频业务信号进入时，6脚从高电平陡拉至低电平，输出到发信机tb2的5脚，控制发信机功率发射。
37.针对pa on开关高压功能，音频(af)信号经信号电平传感器芯片u1(njm2072)的1脚进入、6脚和7脚输出。u1的6脚为开启高压脉冲脚，当音频(af)信号进入时6脚从高电平置位低电平，进入可复位双触发单稳态多谐振荡器芯片u5芯片(74hc123)的1脚(低电平有效)，在u5芯片的3脚复位口置位高电平前提下，从13脚输出一个正向脉冲，驱动光电耦合器u6工作，并输出5v电压短脉冲给到激励器pa on开关键对应管脚，实现自动开启高压。u1的7脚为关闭高压脉冲脚，当音频(af)信号截止时，短暂延时后7脚从高电平置位低电平，利用c7和r8搭建的微分电路(微分电路公式为uo＝-rcdduti)，当r8*c7远小于t/2时(t为方波周期)，输出一个下降沿尖底波，电平瞬间被拉低，送入ne555定时器芯片u3的2脚(2脚为触发脚，低电平有效)，调整外围可变电阻vr3和电容c8的大小可以改变延时时长，经3脚送入u5b的9脚。此时为高压状态，从发信机终端接口板tb3的9脚可以获取到低电平，并经板卡j1接口的4脚接入电路，先送入u5a的3脚，置位低电平使其处于低电平复位状态，再经反相器u4(74ahc1g04)转换为高电平后送入u5b的11脚使u5b工作，同时经555定时器芯片延时后将获取一个低电平(本电路中延时时间tw＝1.1*vr3*c8)，同样从u5b的5口输出一个正向脉冲，驱动光电耦合器u7工作，并输出5v电压短脉冲给到激励器pa on开关键对应管脚，实现自动关闭高压。
38.考虑到控制发信机启停功放的key&ptt信号，现行方案是采用“放大-整流-分压取样-模拟开关”方式利用音频(af)信号转换生成key&ptt信号，接入发信机对应接口使用。该种电路设计方式存在一定的不足：主要是模拟方式设计，需要人工调整，参数调整指标不够明晰；电路灵敏度、稳定性和响应速度一般；长时间使用后电路中个别电容器有烧坏情况。因此利用数字化方式升级和实现该部分电路。数字化模块的响应速度更快捷，上升沿和下降沿更垂直陡峭，响应时间可以去到ms、us级；微分电路实现精准及时触发；定时器芯片模块也可以更准确的计算和设计出所需的延时时长；光电耦合器u7则通过电光和光电信号的两次转换极大的提升电气隔离度，有效的抑制电干扰，极大的提升响应速度和综合抗干扰能力。
39.为了直观判障和方便调试，在电路主通路中接入了不同颜色的发光二极管，方便在用状态监视和后续运维保障工作。
40.本电路中，为适应不同的业务种类特点，特设置了开关用于开启或关闭高压启停
功能，对于arq(自动重传请求automatic repeat-request)或fec(forward error correction向前纠错)等业务，持续有空闲信号输入，没有必要频繁开启或关闭高压。而对于dsc(数字选择性呼叫)、navtex(航行警告电传)、ssb(同步信号)和气象传真等业务种类不定时或间歇性播发，非播发时段无空闲信号，为了降低人为开关高压的误操作率，则可以引入高压启停电路，及时准确的处理机务需求。
41.电路波形监测
42.根据key&ptt和pa on控制电路特点，当有音频信号输入时，波形如tp1所示，此波形未体现音频信号在起始和尾声阶段的幅值变小趋势变化，不影响电路分析。针对key&ptt启停功放功能，音频(af)信号输入到u2的1脚，输出为tp9(xmt)波形，音频(af)信号开始阶段实现高电平置位低电平转换，控制发信机开启功放输出功率；音频(af)信号尾声阶段实现低电平置位高电平转换，控制发信机停止功放输出功率。针对开关高压功能，音频(af)信号输入到u1的1脚，从u1的6脚输出如tp2的波形，高电平置位低电平。此时脚接入5v和上拉电阻，为高电平状态，即置位u5a的3脚高电平、u5b的11脚低电平，u5a处于工作状态、u5b处于低电平复位状态。因此u1的6脚信号输入至u5a的1脚后从13脚输出如tp6波形的短脉冲信号，控制光电耦合器u6动作，进而产生5v短脉冲电压信号，并输入至激励器开关面板的pa on按钮对应管脚，实现开启高压功能。音频(af)信号输入u1后，同时从7脚输出一个如tp3波形的脉冲信号，实现从低电平到高电平的转换，在音频(af)信号尾声阶段，电平从高电平置位低电平，经微分电路优化后产生短暂的低电平脉冲，并输入至555定时器u3模块，并从u3的7脚输出如tp5的延时长脉
43.ˉˉ
44.冲信号。此时是开启高压的状态，pa on脚从激励器端被置位低电平，输入电路后即置位u5a的3脚低电平、u5b的11脚高电平，实现u5a处于低电平复位状态、u5b处于工作状态。在延时长脉冲信号的尾声阶段，实现从高电平置位低电平的转换，输入至u5b的9脚，并从5脚输出一个如tp7的短脉冲信号，控制光电耦合器u7动作，进而产生5v短脉冲电压信号，并输入至激励器开关面板的pa on按钮对应管脚，实现关闭高压功能。tp8波形为tp6和tp7波形的综合体，形象的展现出开关高压的短电压脉冲出现时间节点和波形形态特点。数字化模块具有集成度高、功能完善、参数精确、波形参数反应灵敏迅速，温漂少工作稳定等特点，可以有效的满足和改善发信机音频(af)信号发射需要。key&ptt和pa on控制电路信号波形见图3。
45.接线方法
46.本电路启停功放部分需要方便接入音频(af)信号和引出key(xmt)信号，并在合适位置取电和下地；开关高压部分需要将光耦出来的开启高压和关闭高压的电脉冲送入激励器pa on高压开关的对应管脚，并将上高压前后的高低压电平状态值进入板卡，配合着反相器控制u5芯片的a或b部分工作(上高压前是u5a工作，u5b处于低电平复位状态，随时控制开启高压；上高压后是u5a处于低电平复位状态，u5b工作，随时控制关闭高压)。同时tb3的19脚要接入20脚下地，才可以让9脚正常反馈工作电平的变化状态。兼顾美观和防尘防潮，要求设计电路小巧易安装，出现故障时能及时判障并方便更换。选择安装在机器后下部终端接口单元内，并用绝缘柱架空固定在该单元盒子内壁，以满足电路工作的基本条件。
47.本设计电路设六个接线端子，分别为电源(5vdc)、地(gnd)、音频信号输入(af)、
key键控输出信号(xmt sw)、pa on开关高压电脉冲输出信号(pa pwr sw)和开关高压状态电平输入信号(pa on)，分别接到终端接口单元tb2、tb3、j411和激励器pa on开关按钮的对应接线端口。具体接线信息见表1。终端接口单元接线端口定义见表2。激励器开关面板接线端口定义见表3。
[0048][0049]
表1 key&ptt和pa on控制电路接线表
[0050][0051][0052]
表2终端接口单元接线端口表
[0053][0054]
表3激励器开关面板接线端口表
[0055]
3.5电路效益测算
[0056]
按本项目对应发信机的功率放大级主功放情况，10kw发信机主功放级共20个功放
模块、5kw瓦发信机主功放级共10个功放模块；按该品牌7系列型号(jrs-714、jrs-753)发信机静态电流值4a/功放模块、功放电路高压80vdc，9系列型号发信机(jrs-914、jrs-953)发信机静态电流值2a/功放模块、功放电路高压110vdc计算，另按每台机每天工作12小时待机12小时计算，节能测算值见表3。按长时节能效益估算，一台5kw的jrs953型发信机一年节电量超过1万度(kw
·
h)，一台10kw的jrs914型发信机一年节电量超过2万度(kw
·
h)。
[0057]
可预估的设计项目运行节能效能明显。
[0058][0059]
表4 key&ptt和pa on控制电路节能测算表
[0060]
广州海岸电台整体改造后主用jrc发信机。此部分发信机涵盖中心所有发射业务种类，其中部分业务种类具有不定时或间歇性播发的特点，非播发时段无空闲信号。而目前中心中控系统送至发信台的信号无独立的开关高压和启停功放的控制信号，发信机高压要长置于开启状态，才能确保有业务信号送到时发信机正常发射。本文探究在jrc短波发信机中采用数字化方式升级现用ptt&key信号转换电路，并整合增加高压开关控制电路，有效实现降低能耗、降低噪音、降低硬件折损和人为误操作风险的目的，提高发信机整体运行质量，提升信号发射保障能力。