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1、电话原理,课程目的 -针对实习用产品,介绍电路原理,为调 试维修提供理论依据。 -通过实习,复习巩固以及检验大家学过 的知识。,了解和弄清如下内容: 1、基本概念和术语: 什么叫摘机、挂机;手柄摘机条件下的等效直流电阻;什么叫叉簧开关(它的作用是什么);人的话音频带(300Hz3400Hz)。 2、相关信号: 拨号通知音、忙音、催挂音;双音多频信号;振铃信号(75V, 25Hz。1S送 ,4S断)。 3、了解电话机的工作环境和供电方式。 4、了解话机电路中电源的取电方式:串联取电。 5、实习用话机电路原理分析 实习用话机单元电路包括: 防雷电路;极性保护桥路;CPU电源电路;摘、挂机控制电路;
2、微音器电路、发送电路;手柄接收电路;免提接收功放;振铃电路。,“叉子簧开关”名称的来历,1876年,贝尔发明电话机,那时市场上没有现存开关可用, 就用三个铜片以交叉形式组装后代替开关,如下图,当时称叉子簧,通 话 电 路,振 铃 电 路,T,R,拨 号 电 路,叉簧开关的作用:,用来直接或间接控制摘机和挂机, 即控制线路中的直流电流的通和断。 叉簧的英文名称:HOOK,简写为HK。 叉簧状态检测端:HOOK STATE,电路 图中简写为HKS. 摘挂机控制信号输出端:HFO (HFO意为HAND FREE OUT),挂机状态,HAND FREE,叉簧滑板,来 电 显 示 电 话 机,喇叭和喇叭
3、压圈,叉簧滑板,手柄,四芯曲线,免提微音器,盒底,主电路板,LCD模组,键盘板,机壳,灰色排线,整机分解,叉簧压板,导电橡胶,喇叭布,按键,受话器下垫,受话器,受话器上垫,手柄盖,配重块,配重块螺钉 ST2.6*6带垫,四芯插座,微音器,微音器套,手柄座,合盖螺钉 ST2.6*8,电路板组件的连接(板子之间方向注意不要连反),喇叭,LCD模组,键盘板,主电路板,在此喇叭暂不连,CPU邦定板,交换机送出的信号,(1)拨号通知音:450Hz连续的长音。 信号幅度:300500mVrms (2)忙音:450Hz的间断音,0.3秒送,0.3秒断。 信号幅度300500mVrms 。 (3)振铃信号:7
4、5V, 25Hz正弦交流,叠加在直流48V上。 (4)主叫显示信号:FSK或DTMF。 电话机送出的信号 (1)拨号时送出的信号-双音多频信号DTMF (Dual Tone Multi Frequency) (2)摘、挂机判据: 电话线中直流电流达到3.5mAdc以上可判断为摘机 (正常摘机工作电流约为30mA左右); 线路中直流电流降到3mAdc以下判断为挂机。,双音多频信号(DTMF)的频率组合,双音多频信号电平: 高频群:-73dBm 低频群:-93dBm 当量与电压的关系(以-7dBm为例): -7dBm=20lg(Ux/0.775V) Ux=346mVrms 主叫号码显示协议中用到D
5、TMF的A和C, A为头标C为尾标,中间为号码。例A63655906C。,1 电话机工作环境,48V 电源,铃流 电路,信号 设备,话音交 换网络,控制 电路,用户电路以恒流方式给话机 供电,馈电电流约2535mA。,铃继 电 流器,线路阻抗,交换机,用 户 电 路,双音多频信号电平: 高频群:-73dBm 低频群:-93dBm 当量与电压的关系(以-7dBm为例): -7dBm=20lg(Ux/0.775V) Ux=346mVrms 主叫号码显示协议中用到DTMF的A和C, A为头标C为尾标,中间为号码。例A63655906C。,电话线(通信电缆)的结构和电路模型: 电话线电缆是0.5mm单
6、股铜芯聚氯乙烯绝缘双绞线。每公里的电路模型如下图所示。 每公里环路电阻近似200 。国标规定线路长度在05公里范围内。5公里环路电阻1k 。,47-F,47-F,47-F,47-F,1.1 用户电路的四个基本功能 摘挂机检测, 把检测结果通知给控制电路。 模/数转换,数/模转换 恒流供电 (恒流源的交流阻抗)充当电话机发送放大器的直流负载电阻。,恒流源特性曲线,红线:输出电流与环路电阻(负载电阻)的关系 蓝线:恒流源上的电压降随负载电阻的变化关系,I / U,RL,30mA,1.2手柄摘机时的供电和等效直流电阻,48Vdc 稳压源,用户电路以恒流方式给话 机供电,馈电电流约为 2535mA。(
7、国标规定在 18mA80mA之间)。 国标要求手柄摘机下话机 等效直流电阻300,交换机,30mA,T R,线路阻抗,30mA,简单的恒流源电路,100K,RL,恒流条件:恒流源上的电压降应大于等于2V。 IL=(1.3-0.7)20 =30mA, UL=ILRL,20,48Vdc,1.3V,1530,0.6V,IL=30mA,UL,判断旧电池是否可用,电流表 300mA?,1000,稳压源与恒流源特性比较,稳压源: 1.稳压源输出端电压恒定,输出电流随负载的变化而变化。 2.稳压源的交流阻抗趋于0。 恒流源: 1.恒流源输出电流恒定,输出端电压随负载的变化而变化。 2.恒流源的交流阻抗趋于无
8、穷大。,采用恒流源供电的原因: 1、恒流源对外呈现的阻抗很大; 2、适应线路长短的变化。,1.2 免提摘机时的供电和等效直流电阻,48Vdc 电源,用户电路以恒流方式给话 机供电,馈电电流约为 2535mA。(国标规定在 18mA80mA之间)。 国标要求手柄摘机下话机 等效直流电阻300,交换机,30mA,T R,线路阻抗,30mA,250,2Q5,6V,1.3电话机挂机时线路电流-挂机漏电流,48V 电源,话机挂机后需50100uA 供CPU使用。 国标 要求话机挂机后 线路漏电流25uA,交换机,用户电路中 恒流源电路,T R,线路阻抗,100A,1.4 数字程控交换方式下通话原理示意图
9、,数字交换网络,A/D,平 衡 网 络,D/A,2/4线 转换,2/4线 转换,D/A,A/D,平 衡 网 络,2,2,2,2,G2,G1,1.5 对传输和交换网络的说明,图1.4 交换与传输网络示意图,中继线,用户线,中继线,市话 汇接局,市话 汇接局,DC2 长途局,DC1 长途局,DC1 长途局,DC2 长途局,端局 交换机,端局 交换机,关口局,PSTN以外的其他网络,长途局,(6)常见通知音信号波形,拨号音,忙音,崔挂音,注:1、 忙音是0.3秒送、0.3秒停的断续音; 2、崔挂音之后交换机将停止给话机供电; 3、信号幅度约为300500mVrms。-7dBm 话音频带:300Hz到
10、3400Hz,约20秒 450Hz,约20秒 450Hz,约30秒 950Hz,交换机电话机直流供电电流的路径: 交换机端48V直流稳压源经恒流源电路通过电 话线向电话机供电,恒流值约30mA左右。 在话机内部主电流路径如下: T端或R端流进极性保护桥路2Q5 3Q2 3R8 3R16(1N4004)+ LED1/LED2(此处抵达 “三横线”地,即VSS) 4ZD1 /(4Q3+4Q2) 抵达“三撇”地极性保护桥路 R端或T端流出。,开关2,交换机送到电话线上的振铃信号,t,电话线上的振 铃电压75V,25Hz 1秒送,4秒断-,48V直流,106V,DTMF双音多频信号(平均幅度大约为-8
11、dBm),3 电话机通话电路 3.1 最简单的通话电路 此通话电路存在的问题:自己讲话产生的话音 电压毫不衰减的送回到了受话电路,这样在耳机里 会听到很大自己的声音(即侧音很大),致使打电话 者非常难受,会不由自主地减小说话的声音,从而 造成对方听到声音很小。,TIP线,RING线,TIP线,RING线,48V,线路阻抗,线路阻抗,线路阻抗,线路阻抗,47F,47F,30mA,30mA,早期的供电电路,TIP线,RING线,TIP线,RING线,48V,线路阻抗,线路阻抗,线路阻抗,线路阻抗,47F,47F,30mA,30mA,3.2 具有消侧音电路的通话电路(惠斯登),话机(2),Z4,Z3
12、,Z2,100,680,0.1,等效,平衡网络,a,b,c,d,话机(1),接受放大器,线路阻抗,线路阻抗,a、b:送话器(或送话放大器)输出端 c、d:受话器(或受话放大器)输入端,TIP线,RING线,Z1,3.3 对外线阻抗Z1的说明 Z1包括线路阻抗和对端话机阻抗之和。0.5mm 双绞铜线每公里阻抗用下图网络(a)等效,对方话机 阻抗用下图网络(b)等效。(F1%),100,680,0.1,(a),(b),47F,47F,47F,47F,图1.3 阻抗Z1的组成,3.4 消侧音方程式,侧音:讲话者自己听到自己的声音叫侧音。 根据惠斯顿电桥平衡原理,在送话时要使受话器里听不到自己的声音,
13、必须满足下列方程: 换句话说,只要满足上式,那么在送话时c、d两点的电位相等,因此没有信号进入受话放大器。 要特别说明一点,由于声音是从20Hz20kHz, 要在这么宽的频带内(加上线路)始终保持cd两点电位相等是做不到的,实际上没有必要做到所有频率点上侧音都为零,也不允许做到侧音为零。,由消侧音方程式我们自然就想到,在给定Z1的前提下,电路设计的任务就是合理而粗略地安排Z2、Z3和Z4,然后在调试过程中进一步确定它们。 普通电话电路中最难设计和不好理解的就是通话电路,其难点就是如何消侧音。其次是电源电路,由于电话线的供电电流很有限(虽然国标规定在18mA80mA之间,但一般都在2535mA)
14、,且话机挂机后要求漏电流小于等于25A,而话机挂机后还要执行一些工作任务,因此,电源电路是另一个难点。其余电路(整流桥路、拨号、振铃和来电显示电路)都很简单,是简单地叠加。下面分别加以介绍。 4 实际2/4线转换及消侧音电路,4.1 2/4线转换电路及消侧音原理之一,100,680,0.1,IT1,IT2,IR,T,R,原理:送话时IT1与IT2在变压器中产生的磁场抵消, 但受话时电流IR能在R器中产生话音电流。,话机,外线,d,b,c,a,4.2 2/4线转换电路及消侧音原理之二,9k1,5k1,18,560,3C3,3R8,3R11,3R10,3R9,103J,2Q5,3Q2,+,-,3C
15、5,+,-,1F,外线,话机,a,b,c,d,送话时红信号与绿信号叠加=0,5 主板上14芯排线端子的定义及MCU端子定义: 端子号 字符 对应MCU端子字符及其定义 1 R/C RDET 振铃信号检测 2 C/M CIDON/MUSIC 音乐保持输出 3 XSET 选项开关,内部上拉 4 SPI LDET 线路监视,用于防盗打 5 TONE MCU的DTMF信号输出端 6 VDD MCU的电源正端 7 BAT BDET 电池电压检测端(未启用) 8 TIP 来电显示信号输入端 9 RING 来电显示信号输入端 10 GND MCU的电源地端,主板上14芯排线端子的定义及MCU端子定义(续):
16、 端子号 字符 对应MCU端子及其定义 11 MUT MUTE 静噪输出端,低有效 12 HKS 摘挂机检测: H:挂机;L:摘机 13 HFO 摘挂机控制输出端 14 LED 连到键盘指示灯正端,不与MCU连 15 R2 排线未连接(无定义) 16 R3 排线未连接(无定义) XIN 晶体振荡器输入端 XOUT 晶体振荡器输出端 PLCC 锁相环电容 SEG 液晶显示器“段”驱动信号 COM 液晶显示器“组”驱动信号,键盘上18芯排线端子的定义及MCU端子定义: 端子号 字符 对应MCU端子及其定义 R1R4 键盘的行线,MCU 复位后为3.3V C1C8 键盘的行线,MCU 复位后为1.8
17、V 某键按下时所在行列均变为2.2V,从而被 MCU识别。 1 GND 2 LED 指示灯正端, 不与MCU连 3 C2 4 R4 5 R3 6 R2 7 C5 8 C2,XSET功能选项表:,接二极管 R2 R3 C7 XSET 防盗ON DTMF拨号 用固化号码,键盘上18芯排线端子的定义及MCU端子定义: 端子号 字符 对应MCU端子及其定义 9 R1 10 C3 11 C1 12 C4 13 C5 14 C6 15 C1 16 C8 17 R2 18 R4,CPU邦定板,邦定工艺介绍(Bonding 超声波压焊工艺),COB(芯片在板上,即板上黑包) 绝大多数IC封装 DIP(双列直插
18、塑封) 的内部连接是用 SDIP(窄型双列直插塑封) 邦定工艺实现的 QFP(四边引脚扁平塑封) BGA(球栅阵列) 等,COB封装,密封胶,铝线,PCB板,环氧胶,芯片,邦定是内部芯片与外部封装引脚之间电气连接的加工工艺 名称,它只是连接方式而不代表具体封装。,SOT23封装,封装举例,DIP封装,SOP封装,TSOP封装,QFP封装,TO220封装,TO92封装,PLCC封装,BGA封装,PGA封装,SOT25封装,CPU与LCD的连接方式之一,CPU 比如89C51,LCD 玻璃片,串行或并行数据,液晶显示器模块(LCDM),是以串行方式还是以并行方式传送数据取决于LCM,LCD 控制器
19、,LCD 驱动器,CPU与LCD的连接方式之二,带LCD驱动端口的CPU 比如MSP430, EM78806 HC2007等,LCD 驱动器,LCD玻璃片,SEG,COM,n,6 电话机电原理框图(链接) 电路图中使用的符号说明 1、TIP和RING分别是交换机用户电路上用户接口的正端和负端。 2、V+是话机电路中整流桥路输出的正端。 3、GND是话机电路中整流桥路输出的负端,手柄摘机状态下GND与VSS被叉簧开关(HK2)连在一起。 4、VDD:供给MCU电源的正端。 5、 VSS:供给MCU电源的负端,同时也是接收电路和微音器电路的地端。 6、VR+:接收电路电原正端。 7、VHF+:免提
20、功放电路电原正端。,7电话机电路各功能块原理图 7.1 整流桥路及MCU电源电路 7.1.1 为什么要整流电路 交换机送给话机的是直流(馈电),为什么还要整流呢?由两方面原因: (1)话机在接入电话线时两根线是随意的,但话机电路的电子器件必须要有正确极性的电源才能工作,因此需要极性保护电路(即整流桥路)。 (2)交换机的馈电在摘机和挂机两种状态下的电压极性通常是相反的(作为计费信号的标志),因此话机也需要极性保护电路。,7.1.2 实习话机的整流桥路及CPU电源电路,TIP,RING,220K,2R9,5M6,2R8,5M6,2R24,1M,2R7,150k,2R6,150,2R10,2D6,
21、1N60,VDD,100K,2R23,2D8,1N4004,2Q3,2Q2,2Q1,从图中看出,这是一个串联型稳压电路。VDD是电源输出端,提供4V左右的稳压给MCU(微控制器)。MCU 在挂机下耗电约50A,来电接受时需23mA。摘机后耗电约3mA。2D8和2R23在摘机下给稳压电路提供偏流,此时由2R8来的不够用。,V+,2D1,2D2,2D3,2D4,7.2 发送电路原理 要发送的信号包括:话音信号和DTMF信号。 7.2.1 在分析送受话电路前先强调 三点: a、在看话机电源里图时,一定要理解二极管在导通状态下的交流阻抗趋近于零; b、饱和导通条件下的三极管ec极之间的交流阻抗趋近于0
22、; c、由于话机是恒流馈电,根据恒流源端电压由负载决定的原理,去理解摘机时话机线端电压是10V左右(话机摘机直流阻抗250350),挂机后接近48V (话机挂机后直流阻抗480k) 。 下面就a和b两点作一简述:,a、二极管导通状态下某点的交流阻抗 根据交流阻抗的定义: r = 2mA。由图可见, 在导通条件下,V0, 故动态电阻(即交流阻抗)0。,30mA,电流mA,电压(V),V,图6.1.2 a二极管的正向伏安特性,b、三极管饱和导通状态下ec间的交流阻抗0。 根据交流阻抗的定义: r = 由图可见, 在导通 条件下, V0, 故动态电阻(即交流 阻抗)0。,30mA,c电流(mA),V
23、CE电压(V),V,b一定,b一定,图6.1.2 b 三极管的输出特性曲线,二极管在截止和导通状态下的信号传输,0.5V,1、不导通时不能传输小信号,输入信号,输出信号=0,0.5V,2、导通时能够传输小信号,输入信号,输出信号,2K,VDD(5V),2K,VSS,7.2.2 发送电路原理,TIP,RING,100k,2R12,0,2R11,2R13,2Q5,2Q6,4k7,2R12,HFO,3R4,100k,270k,2R15,3R1,3R2,3R3,3C1,10F,5k6,150k,56k,10k,3R8,18,470,3R5,3R7,75,3Q1,3Q2,3R16,LED2,LED1,3
24、C9,1000F,4C1,1000F,4Z1 5V6,HK-2,12k,3R22,2R15,2C9,102J,270k,MIC,TONE,4C11,103J,VR+,Vss,GND,V+,(VHF+),2D1,2D2,2D3,2D4,4,5,6,7.5.1 两种电声器件内部结构和工作原理 (1)动圈式受话器,u,t,(2)驻极体微音器,Vdd,VSS,RD,u,o,铝外壳,驻极薄膜,ID,VGS,0.2mA,金属圈,原理: e q/d,e,纸圈,场效应管加电压时的极性确定-按箭头相反的方向加电压,绝缘栅增强型N沟道 绝缘栅增强型P沟道,G,Vdd,Vss,G,Vdd,Vss,Rd,Rd,电荷泵
25、,电荷泵,Vdd,由Vdd供电的负载,在通话电路中受话电路好理解,送话电路相对较难理解(看不出电源在哪) 。下面画一简图说明送话原理。 送话放大器实际由交换机的恒流源直接供电,在恒流原供电方式下,三极管的输出特性曲线将变的非常密 集,这时MIC若有话音输 入,则将引起 极射电压 (Vce)的显著变化, 这个变 化的电压在恒流原端被取 出并传输到接听的对方。,47F,30mA,Vout,3R4,10k,48V,Vce,3Q2,MIC,30mA,3R4,48V,3Q2,MIC,3R8,2/4线 转换电路 (600),A/D,输入话音存储器,输出话音存储器,Dx,Dr,10k,D/A,7.3 耳机接
26、收电路原理,100k,2R12,0,2R11,2R13,2Q5,2Q6,4k7,2R12,HFO,3R13,2R15,3R1,3k3,3Q3,3R16,LED2,LED1,3C9,1000F,4C1,1000F,4Z1 5V6,VR+,Vss,GND,V+,270k,100k,3R1,3R1,5k6,5k6,5k6,VR+,4R3,1k5,3C6,104,去免提功放,3C3,103J,HK-2,R 120,(VHF+),4,5,6,7.4 带自举的推挽功放电路(免提功放),4Q1,Vss,GND,4Q2,4Q3,4C6,10F,4R3,1k5,来自耳机接收电路,M,N,说 明: 1、M点相对G
27、ND的电位是: (Vss-VGND)/2。 2、4C6上的电压约为(Vss-VGND)/2。 3、4C6和4R4是实现自举的元件,作 用是在M点电位升高时自动提高N点 的电位(即所谓自举),从而给4Q3提 供附加偏流,最终目的是保证M点正 向振幅与负向振幅基本对称。,(VHF+),4D2,4D3,Y,7.5 微音器电路,3C10,10F,HK2,4,5,6,3C11,203,4C11,103J,3C12,123J,3D4,Vss,GND,-,+,+,-,M1,M2,去发送放大器,VR+,MUTE,4和5接为手柄状态; 4和6接为免提状态。,7.6 摘挂机识别电路,HKS MCU,HK-1,1,
28、2,3,2C13,103,Vss,2C7,470F,VDD,叉簧开关状态: 手柄摘机1和2接; 挂机后1和3接。,4 1,5 2,6 3,叉簧焊点面,7.7 振铃电路和防雷击电路,2L1,1R2,1ZD1,1C3,10F,22k,C,D,T,R,1 2411振铃芯片 8 5 2 4 3 6 7,1R4,C1,223J,C2,682J,1C6,0.33F,Y 8,C,D,33k,ZNR1,2C1,103,1315Vac,538Hz/653Hz,30V,7.7.1 了解振铃电路的输入输出信号 振铃时交换机送到话机TIP和RING端70V,25Hz铃流,经整流稳压后在C、D两端得到27V的直流电源供
29、振铃芯片2411,2411实际是一个振铃信号发生器,它产生两个频率的音信号: fH1=1/(1.518R2C2) (Hz) fH2=1.214fH1 (Hz) 2411的第8脚输出的信号幅度约为5Vrms。输出阻抗约1k。 另外,上面的两个信号不是同时输出的,而是按下面的周期(或频率)fL交替的输出: fL=1/(1.359R1C1) (Hz)。,计算一下: fH1=1/(1.518R2C2) =1/(1.5180.18M 0.0068F) = 538 (Hz) fH2=1.214fH1 =1.214538 =653 (Hz) fL=1/(1.359R1C1) =1/(1.3595.1M0.0
30、22 F) =6 (Hz)。 换算成周期 T=0.15s。,振荡器原理图,C,R,控制,输出,计算一下变压器的变压比n: 条件:1、2411输出阻抗800 2、喇叭阻抗8 公式:阻抗之比等于变压之比的平方。,另外,6.7的图中,2411管脚的功能除第2脚以外,其余管脚的功能是显而易见。第2脚叫起振灵敏度设置,所接电阻越大越容易起振。,7.7.2防雷击电路,2L1 2.2mH,TIP,RING,ZNR1 TPA200,2C1,103,图(a) 电原理图,图(b)TPA200防雷管伏安特性,V,190V,260V,4V,50A,被保护电路,注:电话的正常直流馈电 是48V;振铃时的峰值 电压=直流
31、馈电+铃流峰值 =48+1.414105(V) =196 (V) 正常工作的峰值200V,48V,300mA,eL=L,1500V,室内有线通讯设备雷击测试波形,10S,700 S, U,t,雷 击 信号源,内阻,话机,eL=L,=2.2mH,1A,50A,雷击测试示意图,8 电话终端CID信号接收电路,2L1,TIP,RING,ZNR1 TPA200,2C1,103,LCD玻璃片,DTMF解码器,FSK解码器,LCD 驱动器,5C2,472J,5C1,472J,CPU,译码器,译码器,8,1,4,附录:三极管三个工作区域 放大、 截止和饱和区。,Ib=0,多功能电话测试仪: 1016-A,a. 摘机后按下T键测拨号 b. 挂机后按一下BELL 键测振铃; c. 按下T可试验送话; d. 按下R可试验受话。 注: 左边三个按键组合, 用于调节线路馈电 电流大小,一般要求 在18mA 和80mA 下 测试. T键和R键都不 按下为线路电流指 示状态.,REST,BELL,LINE,R,T,TALK,4,2,1,
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