CN102739204B - 220v电源线上宽带高频信号注入设备 - Google Patents
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Abstract
220V电源线上宽带高频信号注入设备，属于电子信息领域，其在Arduino？Mega开发板上集成的键盘、信号显示屏LCD、ATMEGA？1280处理器、AD9850信号发生器、400K-20M宽频信号放大器、220V电源过滤模块；其中，ATMEGA？1280处理器是注入设备的中央控制器，接收用户从键盘输入的频率数值，并将频率数值送显示屏LCD显示，ATMEGA？1280处理器将输入频率数值转换为输出频率控制字送往AD9850信号发生器；AD9850信号发生器根据输出频率控制字进行数模转换输出频率范围为400K-20M？Hz的高频正弦信号，并将高频正弦信号输出至400K-20M？Hz宽频信号放大器；400K-20M？Hz宽频信号放大器与AD9850信号发生器连接，220V电源过滤模6与400K-20M？Hz宽频信号放大器相连。本发明在工作过程中用户可根据需要输入频率范围在400K-20M？Hz间的任意信号，实现该信号的放大和增益控制。
Description
技术领域
本发明属于电子信息领域，具体来说是一种用于向220V电源线上注入400K-20M HZ宽带高频信号的设备。
背景技术
目前已有的无线室内定位技术，有的需要基站与感知节点之间精确同步；有的技术需要感知节点携带昂贵的收/发设备；Wi-Fi、GSM等无线定位技术使用前需要进行安装配置，对终端设备要求较高。上述因素制约了无线室内定位技术的推广。针对电源线是家居环境中不可或缺基础设施的现状，佐治亚理工学院Abowd教授等自2008年以来研究基于电源线和位置指纹的室内定位技术。基于电源线和位置指纹的室内定位技术是以家庭环境(如图1所示)中的电源线作为天线，在其上注入高频信号，并依据室内空间中接收到的信号强弱进行准确定位的室内定位技术。
向电源线注入抗干扰能力强、失真度小的信号是此定位技术的基础。Abowd等通过滤除110V强电（美标强电为110V），并直接使用昂贵的Agilent 33220A信号发生器向电源线上注入信号，目前国内外尚未有面向220V电源线的专用信号发生设备。已有的信号发生器,无法滤除电源线上220V的低频强电信号，会被强电烧坏；同时，通用高频信号发生器(如AD9850)产生的高频信号电压最高只能达到1V,信号在电源线上传输衰减大；此外，家用电器运行过程中产生的高压串扰会对注入的高频信号产生影响。
发明内容
针对电源线上存在220V/50Hz强电信号、信号衰减快和干扰信号多等问题，本发明提供了一种220V电源线上400K-20M Hz宽频信号注入设备。该设备不仅可以放大信号发生器产生的信号电压，解决信号在电源线上衰减问题，而且可以有效滤除电源线上220V强电的低频信号，起到保护注入设备的作用。
本发明采用如下技术方案：
如图2所示，220V电源线上400K-20M Hz宽频信号注入设备包括:在Arduino Mega开发板上集成的键盘1、信号显示屏LCD2、ATMEGA 1280处理器3、AD9850信号发生器4、400K-20M宽频信号放大器5、220V电源过滤模块6；其中，ATMEGA 1280处理器3是注入设备的中央控制器，接收用户从键盘1输入的频率数值，并将频率数值送显示屏LCD2显示，ATMEGA 1280处理器3按照公式:
将输入频率数值转换为输出频率控制字送往AD9850信号发生器4；AD9850信号发生器4根据输出频率控制字进行数模转换输出频率范围为400K-20M Hz的高频正弦信号，并将高频正弦信号输出至400K-20M Hz宽频信号放大器5；400K-20M Hz宽频信号放大器5与AD9850信号发生器4的输出端连接，用于提高系统的输入阻抗，防止前级信号源的信号反射，滤除400K-20M Hz以外的信号噪声，调节外部电阻控制增益，实现对注入信号的电压放大和阻抗匹配；220V电源过滤模块6与400K-20M Hz宽频信号放大器5的输出管脚相连，可以滤除工频信号，并通过偏置电阻隔离强电、保护设备。
图3所示的400K-20MHz宽频信号放大器5中，信号进入运放T1的正输入端，正输入端串联电阻R8接地。T1负输入端与输出端相连，T1输出端接电阻R1接入运放T2负输入端，T2正输入端串联电阻R2接地。T2输出端接电阻R2接运放T3负输入端，T3正输入端串联电阻R4，R5，接地，T3负输入端接电容C2，串联电阻R7，接T3正输入端，电阻R7接地，电容C1并联电阻R6分别连接运放T3负输入端与输出端。电容C3，C4分别接地，并分别接运放T3正负15V供电电源。T3输出端串联电阻R9接地。滑动变阻器R串联电阻R15，连电阻R9。T3输出端接电阻R10接入运放T4负输入端，电阻R12两端分别接T4负输入端和输出端，T4正输入端串联电阻R13，接地。T4输出端接电阻R14后信号输出。400K-20M宽频信号放大器的输出管脚连接220V电源过滤模块。
图4所示的220V电源过滤模块6中，电容C2与两个反向并联接地的二极管D1、D2并联，同时与四个串联偏置电阻R1、R2、R3、R4串联。高频信号注入端经电容C1，与四个偏置电阻串联，最终注入到电源线上。
本发明可以获得如下有益效果：
在工作过程中用户可以根据需要输入频率范围在400K-20MHz间的任意信号，实现该信号的放大和增益控制，进而提高注入信号的抗衰减和抗干扰能力；同时，可以有效滤除电源线上220V强电的50-60Hz工频信号，起到保护注入设备的作用。
附图说明
图1家居环境图；
图2电源线上400K-20M HZ宽频信号注入设备结构图；
图3400K-20M Hz宽频信号放大器电路图；
图4220V电源过滤模块电路图。
图中：1、键盘，2、信号显示屏LCD2，3、ATMEGA 1280处理器，4、AD9850信号发生器，5、400K-20M宽频信号放大器，6、220V电源过滤模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明。
如图2所示，Arduino Mega开发板上电启动后，从键盘1输入400K-20M Hz之间的频率值，ATMEGA 1280处理器3将输入值在信号显示屏LCD2上回显。用户观察信号显示屏LCD2上的频率值是否正确，如果不正确，重新输入频率值；如果正确，TMEGA 1280处理器3将输入频率转换为频率控制字送往AD9850信号发生器4，AD9850信号发生器4进行数模转换，产生相应频率值的高频正弦信号，并将高频正弦信号送往400K-20M宽频信号放大器5；400K-20M宽频信号放大器5滤除400K-20M Hz以外的信号噪声，通过调节外部电阻控制增益和阻抗匹配，实现对注入信号的电压放大，并将输出信号送往220V电源过滤模块6；220V电源过滤模块6滤除工频信号，通过偏置电阻隔离强电、保护设备，并将信号注入至电源线。
如图3所示，400K-20M宽频信号放大器由前置射随器、宽频低通滤波网络和宽频信号二级放大器组成。电阻R1和接地电阻R2、R8与三级管T1、T2共同构成前置射随电路，用以提高系统的输入阻抗，防止前级信号源的信号反射；前置射随器的输出信号送往宽频低通滤波网络，以保证400K-20M Hz之间信号频率的有效输入；电阻R3、R5、R6、R7、R9和电容C1、C2组成宽频低通滤波网络，其中，电阻R5和R9分别接地，电容C2与电阻R7串联接地；宽频低通滤波网络输出信号送往宽频信号二级放大器，三极管T3、T4与电阻R10、R12、R13、R14、R15和两个可调电阻R，以及电容C3、C4共同构成宽带增益二级放大器；其中，电容C3、C4和电阻R13接地，四个三极管T1、T2、T3、T4的管脚3、5分别接±15V，宽频信号二级放大器的正负15V管脚连接到开关电源的正负极以实现信号放大；AD9850信号发生器4的输入信号经过前置射随器、宽频低通滤波网络、宽带增益二级放大器实现信号的电压放大、阻抗匹配及外部电阻的控制增益。400K-20M宽频信号放大器的输出管脚连接220V电源过滤模块。
如图4所示，220V电源过滤模块中的电阻R1、R2、R3、R4为偏置电阻，两个反向并联接地的二极管D1、D2与两个串联接地的电容C1、C2组成π型滤波器，本电路可以滤除工频信号，并通过偏置电阻隔离强电，保护宽频信号注入设备，提高运算放大电路的负载能力。
最后，220V电源过滤模块连接电源插座，将宽频信号注入到电源线上。
Claims (1)
1.220V电源线上400K-20M Hz宽频信号注入设备，其特征在于：在Arduino Mega开发板上集成有键盘(1)、信号显示屏LCD(2)、ATMEGA 1280处理器(3)、AD9850信号发生器(4)、400K-20M宽频信号放大器(5)、220V电源过滤模块(6)；其中，ATMEGA 1280处理器(3)是注入设备的中央控制器，接收用户从键盘(1)输入的频率数值，并将频率数值送显示屏LCD(2)显示，ATMEGA 1280处理器(3)按照公式:
将输入频率数值转换为输出频率控制字送往AD9850信号发生器(4)；AD9850信号发生器(4)根据输出频率控制字进行数模转换输出频率范围为400K-20M Hz的高频正弦信号，并将高频正弦信号输出至400K-20MHz宽频信号放大器(5)；400K-20M Hz宽频信号放大器(5)由前置射随器、宽频低通滤波网络和宽频信号二级放大器组成；其中，前置射随电路，用以提高系统的输入阻抗，防止前级信号源的信号反射；前置射随电路的输出信号送往宽频低通滤波网络，以保证400K-20M Hz之间信号频率的有效输入；宽频低通滤波网络输出信号送往宽频信号二级放大器，以实现信号放大；上述三部分共同构成400K-20M Hz宽频信号放大器(5)，它与AD9850信号发生器(4)的输出端连接，提高系统的输入阻抗，防止前级信号源的信号反射，滤除400K-20M Hz以外的信号噪声，调节外部电阻控制增益，实现对注入信号的电压放大和阻抗匹配；220V电源过滤模块(6)与400K-20M Hz宽频信号放大器(5)的输出管脚相连，滤除工频信号，并通过偏置电阻隔离强电、保护设备；
在400K-20M Hz宽频信号放大器(5)中，信号进入运放T1的正输入端，正输入端串联电阻R8接地；T1负输入端与输出端相连，T1输出端接电阻R1接入运放T2负输入端，T2正输入端串联电阻R2接地；T2输出端接电阻R2接运放T3负输入端，T3正输入端串联电阻R4，R5，接地，T3负输入端接电容C2，串联电阻R7，接T3正输入端，电阻R7接地，电容C1并联电阻R6分别连接运放T3负输入端与输出端；电容C3，C4分别接地，并分别接运放T3正负15V供电电源；T3输出端串联电阻R9接地；滑动变阻器R串联电阻R15，连电阻R9；T3输出端接电阻R10接入运放T4负输入端，电阻R12两端分别接T4负输入端和输出端，T4正输入端串联电阻R13，接地；T4输出端接电阻R14后信号输出；400K-20M宽频信号放大器的输出管脚连接220V电源过滤模块；
在220V电源过滤模块(6)中，电容C2与两个反向并联接地的二极管D1、D2并联，同时与四个串联偏置电阻R1、R2、R3、R4串联；高频信号注入端经电容C1，与四个偏置电阻串联，最终注入到电源线上。
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