Міністерство освіти Російської Федерації
Уральський державний технічний університет - УПІ
Кафедра ВЧСРТ
Пояснювальна записка
до курсового проекту з дисципліни
"Пристрої генерування та формування сигналів"
Єкатеринбург 2002
Завдання
Скласти структурну схему передавача, розрахувати режим кінцевої щаблі з такими параметрами:
потужність Р 1 = 2,5 Вт,
частота f = 48 МГц,
антена - штир 0,8 м,
коефіцієнт придушення другої гармоніки Ф 2 = 35 дБ.
Розрахувати пристрій, що погодить оконечной щаблі й пояснити призначення всіх елементів схеми.
Зміст
Введення
1 Розрахункова частина
1.1 Складання структурної схеми передавача
1.2 Розрахунок режиму кінцевого каскаду
1.3 Розрахунок параметрів антени
1.4 Розрахунок узгоджувального пристрою
1.5 Конструктивний розрахунок котушок індуктивності
кінцевого каскаду передавача
2 Призначення елементів схеми
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Радіопередавальний пристрій (РПУ) - необхідний елемент будь-якої системи передачі інформації по радіо - будь то система радіозв'язку, телеметрична або навігаційна системи. Параметри радіопередавачів дуже різні і визначаються конкретними технічними вимогами до системи передачі даних. РПУ представляють складну систему, до складу якої входить високочастотний тракт, модулятор для управління коливаннями високої частоти відповідно до переданої інформацією, джерела живлення, пристрої охолодження та захисту. Діапазон НВЧ володіє величезною інформаційною ємністю. Радіопередавачі в діапазоні НВЧ застосовують в радіолокаційних станціях (РЛС), телебаченні, ретрансляційних лініях зв'язку, для тропосферного та космічного зв'язку, для радіоуправління і бортової апаратури радіопротидії і для багатьох інших спеціальних призначень. РПУ можна класифікувати за призначенням, діапазону хвиль, потужності, виду модуляції, умов праці та ін Ці ознаки визначають специфіку проектування кожного виду передавачів. Наприклад, робочий діапазон хвиль і потужність на виході обумовлюють вибір активного елемента і конструкцію коливальних систем. Амплітудну та імпульсну модуляцію коливань здійснюють у вихідних щаблях, частотну модуляцію - у збудників, причому для забезпечення високої стабільності частоти, що несе застосовують систему автоматичного підстроювання частоти (АПЧ).
1. Розрахункова частина
1.1 Складання структурної схеми передавача
За заданою принциповою схемою (див. Додаток 1) складена структурна схема передавача, яка зображена на рис. 1.
Рис. 1. Структурна схема передавача
Прийняті мікрофоном звукові коливання перетворюються в електричні і подаються на підсилювач. В підсилювачі ці коливання підсилюються і на його виході виходить модулююча напруга. Це модулююча напруга U W подається на варикап, за допомогою якого модулюється за частотою кварцовий автогенератор. Кварцовий генератор працює на частоті 16 МГц, потім його частота збільшується в 3 разів до робочого значення, сигнал подається на предоконечного, а потім на крайовий підсилювач потужності і через ланцюг зв'язку в антену.
1.2 Розрахунок режиму кінцевого каскаду РПУ
У заданою схемою крайовий каскад підсилювача виконаний на транзисторі КТ904, який має наступні параметри:
Опір насичення транзистора: r нас ВЧ = 1,73 Ом;
Опір матеріалу бази r б = 3 Ом;
Постійна часу колекторного переходу: τ K = 15 пс;
Опір емітера: r е ≈ 0,0 Ом;
Коефіцієнт посилення по струму в схемі з ОЕ: β про = 24;
Гранична частота підсилення по струму в схемі з ОЕ: f т = 350 МГц;
Бар'єрна ємність колекторного переходу: С до = 12 пФ;
Бар'єрна ємність емітерного переходу: З е. = 124 пФ;
Індуктивність емітерного висновку: L е. = 4 нГн;
Індуктивність базового висновку: L б = 4 нГн;
Індуктивність колекторного висновку: L к = 4 нГн;
Максимальна вихідна потужність: Р max = 5 Вт;
Гранично допустима постійна величина колекторний струм: I k 0. Max = 0.8 А;
Гранично допустима напруга колектор-емітер: U ке. Max = 40 В;
Гранично допустима напруга база-емітер: U бе. Max = 4 В;
Напруга відсічення: Е '= 0,7 В;
Схема включення: ОЕ.
Розрахунок колекторному ланцюзі вихідного каскаду
Розрахунок колекторному ланцюзі проводиться за методикою, викладеною в [2], для транзистора, що працює в критичному режимі з кутом відсічення - Q = 85 °.
Вихідні дані для розрахунку наступні:
Р 1 = 2,5 Вт - коливальна потужність транзистора,
В - напруга живлення колектора,
r нас ВЧ = 1,73 Ом - опір насичення транзистора,
I до0. Max = 0,8 А - допустима постійна складова колекторного струму;
Коефіцієнти, що залежать від кута відсічки були розраховані за наступними формулами:
І при куті відсічення 85 о вийшли наступні значення:
g 0 (q) = 0,276
g 0 (p - q) = 0,363
g 1 (q) = 0,445
a 0 (q) = 0,302
a 1 (q) = 0,487
Коефіцієнт використання за напругою в критичному режимі
;
Максимальне значення колекторного струму
А
Амплітуда першої гармоніки напруги на колекторі в критичному режимі
В;
Амплітуда першої гармоніки колекторного струму
А;
Постійна складова колекторного струму
А;
Потужність, споживана від джерела колекторного живлення
Вт;
Коефіцієнт корисної дії колекторної ланцюга
;
Потужність, що розсіюється на колекторі транзистора
Вт;
Опір колекторної навантаження
Ом;
Розрахунок вхідного ланцюга кінцевого каскаду
Величина шунтуючого додаткового опору
Ом;
Амплітуда струму бази
А,
де
Максимальна зворотна напруга на емітерний перехід
У
Постійні складові базової і емітерного струмів
Напруга зсуву на емітерний перехід
Рис. 2 Еквівалентна схема вхідного опору транзистора
6. Значення L вх ое, r вх ое, R вх ое, З вх ое в еквівалентній схемі вхідного опору транзистора.
7. Резистивна і реактивна складові вхідного опору транзистора (Z вх = r вх + jX вх)
8. Вхідна потужність
9. Коефіцієнт посилення по потужності
1.3 Розрахунок параметрів антени
Вихідними даними для розрахунку параметрів антени є
довжина антени l a = 0.8 м,
довжина хвилі l = 6,25 м,
радіус антени r = 1,5 мм.
Знайдемо хвильовий опір антени:
Оскільки довжина антени менше чверті довжини хвилі, то
Знайдемо вхідний опір антени:
Ом
де
1.4 Розрахунок узгоджувального пристрою
Для узгодження колекторної навантаження R к = 21,098 Ом з опором антени Z a = 6.468-j 152.514 Ом використовується Т-подібний чотириполюсник (рис 3).
Рис. 3 Схема Т-подібного чотириполюсника
Для зручності розрахунків уявімо це чотириполюсник як 3 Г-образних (рис 4)
Рис 4.
Перерахуємо опір антени з послідовного включення r a і x a в паралельне R a і X a за формулами:
розрахуємо добротність першого согласующего Г-образного чотириполюсника, що складається з Х а і Х L 1
тоді опір R 1 вийде:
а необхідна для компенсації Х а індуктивний опір Х L 1:
приймемо R 2 = 300 Ом, тоді добротність другий чотириполюсника:
звідси знайдемо опір Х L 2:
і опір Х С2:
знайдемо добротність третій чотириполюсника:
звідси знайдемо опір Х С3:
і опір Х L 9:
Розрахуємо номінали елементів узгоджувального пристрою:
Розрахуємо номінали блокувальних елементів
Візьмемо Х L 8 = 100 R K, тоді
Опір ємності С22 приймемо рівним r a / 200, тоді
За формулою наведеною в [1] розрахуємо коефіцієнт придушення другої гармоніки Ф 2
де Х хх - опору елементів на основній частоті,
r a 2 і х а2 - активний і реактивний опір антени для другої гармоніки.
У випадку, якщо Ф 2 не задовольняє завданням, потрібно збільшувати опір R 2. У нашому випадку отриманий коефіцієнт задовольняє завданням (Ф 2 = 35дБ).
1.5 Конструктивний розрахунок котушок індуктивності кінцевого каскаду передавача
Розрахунок котушок індуктивності
Методика розрахунку котушок індуктивності описана в [2].
Порядок розрахунку.
1. Уточнюється розрахункове значення індуктивностей:
L розр @ (1.1 - 1.2) 0 L
2. Задаються відношенням довжини намотування котушки l до його діаметру D (для котушок діаметром до 50 мм зазвичай беруть l / D = 0.5 ... 0.8, а для великих котушок потужних каскадів l / D = 1 ... 2).
3. Діаметр проводу котушки вибираємо виходячи з міркувань її допустимого нагрівання:
де d - діаметр проводу, [мм];
I - радіочастотний струм, [А];
Δ T - різниця температур проводи й навколишнього середовища, [К] (для котушок ГВВ беруть Δ T = 40 ... 50 К);
f - частота струму, [МГц].
4. Вибирається крок намотування (теоретичні дослідження і практика проектування рекомендують g = (1.3 ... 1.5) d).
5. Число витків спіралі котушки
,
де L розр - розрахункове значення індуктивності, [Гн];
D - діаметр котушки, [мм];
F (l / D) - коефіцієнт форми котушки ([3], Рис. 10.3, стор 294).
Котушка L9:
1. L розр = 1.2 0 L = 305,2 нГн.
2. L / D = 0.5 D L9 = 10 мм l Lбл = 5 мм
3.
стандартний діаметр: d L9 = 0.64 мм
4. g L9 = 0.97 мм.
F L9 = 12,5 0 10 -3
5.
Котушка L10:
1. L розр = 1.2 0 L L розр = 780,2 нГн.
2. L / D = 1 D L10 = 10 мм l L10 = 10 мм
3.
стандартний діаметр: d L10 = 0.64 мм
4. g L10 = 0.97 мм.
F L10 = 7,5 0 10 -3
5.
Котушка L8:
1. L розр = 1.2 0 L L розр = 8,4 мкГн.
2. L / D = 1 D L8 = 20 мм l L8 = 20 мм
3.
стандартний діаметр: d L8 = 0.55 мм
4. g Lбл = 0.81 мм.
F Lбл = 7,5 0 10 -3
5.
2. Призначення елементів схеми
Мікрофон М1 призначений для перетворення звуку в електричний сигнал, тобто при зміні тиску акустичної хвилі на мембрану мікрофона змінюється струм, що протікає через нього, а оскільки харчування на нього подається через резистор R 1 (виходить дільник напруги R 1 - M 1), то на мікрофоні виділяється змінну напругу з частотою звуку. Конденсатор С1 - це блокувальна ємність, яка має відносно малий опір на частоті звуку і не пропускає постійний струм, тобто виключає вплив R 1 на дільник напруги R 2, R 3 яким задається постійна напруга на не інвертуючому вході операційного підсилювача (ЗУ) А1 рівне половині напруги живлення. Ця напруга необхідно для нормальної роботи ОУ, тому що у нього має бути двухполярной харчування, а в нашій схемі він живиться від однополярного, тому половина напруги живлення на вході підсилювача створює для нього квазіноль. Елементи C 2, R 4, R 5 складають ланцюг зворотного зв'язку для ОП, яка в даній схемі включення визначає коефіцієнт передачі підсилювача по напрузі наступним чином:
(2.1)
Але для постійної напруги X C 2 = ¥, тому , Тобто постійна напруга прикладена до не інвертує входу ОУ буде передаватися на вихід без змін, а змінна у відповідності з формулою (2.1).
Напруга на виході ОУ - це напруга зсуву для варикапа VD 1, яке подається через резистор R 7, призначений для запобігання впливу високочастотних коливань на низькочастотну схему. Напруга зсуву варикапа змінюється за законом коливання звукової частоти прийнятого мікрофоном і посиленого підсилювачем щодо деякого постійного рівня (половина напруги живлення), внаслідок чого змінюється ємність варикапа, а отже і частота автогенератора, зібраного на транзисторі VT 1.
Генератор зібраний за схемою ємнісної трехточкі, де С7 - ємність між базою і емітером транзистора, С8 - між емітером і колектором, а роль індуктивного опору виконує ланцюжок складається з Q 1, L 1, С4, С5, VD 1. Ємності С4 і С5 служать для лінеаризації залежності ємності (опору) варикапа від напруги зсуву, тобто для зменшення нелінійних спотворень, але при цьому зменшується також девіація частоти. Залежності ємностей і опорів ланцюжка С4, С5, VD 1 від напруги зсуву варикапа можна подивитися в Додатку 2 і Додатку 3.
Котушка індуктивності L 1 призначена для збільшення діапазону регулювання частоти, тобто вона збільшує діапазон частот, де загальний опір ланцюжка Q 1, L 1, С4, С5, VD 1 має індуктивний опір, необхідне для самозбудження автогенератора. Резистори R 8 і R 9 - це ланцюг автосмещенія для автогенератора. Коливальний контур, що складається з С9, L 2 засмучений щодо частоти генерації так щоб виконувалася умова самозбудження ємнісний трехточкі. За допомогою магнітного зв'язку високочастотні коливання з котушки L 2 передаються на котушку L 3, яка разом з конденсатором С11 утворює коливальний контур настроєний на частоту автогенератора. Напруга з цього контуру подається на базу транзистора VT 2, який виконує роль активного елементу помножувача частоти. Резистор R 11 - це ланцюг автосмещенія VT 2 по постійному струму, тому що по змінному струмі його шунтирует малим опором конденсатор С13. Оскільки VT 2 працює з відсічкою, то його колекторний струм містить вищі гармоніки, і контур складається з С12, L 4 налаштований на третю гармоніку і виділяє напруга частотою в три рази більше частоти автогенератора. За допомогою трансформаторної зв'язку з L 4 в L 5 сигнал передається через блокировочную ємність С14 на базу транзистора VT 3. С14 необхідний для того щоб не «садити» по постійному току базу VT 3 через L 5 на загальний дріт. R 13, R 14 - це дільник напруги, з якого через дросель DL 1 подається напруга зміщення на транзистор VT 3. Дросель DL 1 і конденсатор С15 потрібні для того щоб змінна напруга не проходило з бази VT 3 на дільник напруги.
Індуктивність L 6 - це блокувальна індуктивність, яка служить для подачі постійної напруги живлення на колектор VT 3 та блокування проходження змінного струму колектора в ланцюг живлення. Ланцюг складається з L 7, C 17, C 18 - це ланцюг узгодження вихідного опору предоконечного каскаду підсилювача на VT 3 з вхідним опором кінцевого каскаду, зібраного на VT 4. Ємність С17 також розв'язує по постійному току колектор VT 3 і базу VT 4.
Дросель DL 4 забезпечує нульовий зсув по постійному струму на базі VT 4, а резистор R 15 необхідну амплітуду змінної напруги. Індуктивність L 8 - це блокувальна індуктивність і виконує ті ж функції для VT 4, що L 6 для VT 3.
Ланцюжок складається з L 9, L 10, C 21 виконує функції узгоджувального пристрою опору антени з колекторним опором і одночасно є фільтром нижніх частот, який забезпечує заданий коефіцієнт придушення другої гармоніки вихідного сигналу. Конденсатор С22 є блокувальною ємністю, яка запобігає виходу з ладу елементів схеми та / або джерела живлення при замиканні антени на корпус.
С3, R 6, C 6, R 10, C 10, R 12 утворюють RC фільтр з харчування малопотужної частині схеми. Оскільки потужність мала, а отже і струми, то падіння напруги на резисторах буде незначно і не позначиться на роботі схеми. С6 також забезпечує умова самозбудження генератора, тобто з'єднує по змінному струмі колектор VT 1 з загальним проводом.
Оскільки підсилювачі на VT 3 і VT 4 щодо потужні, то резистори в фільтрі харчування застосовувати не можна, тому там включені дроселі DL 2, DL 3, які з конденсаторами С16, С19, С20 і утворюють фільтри.
Висновок
В результаті виконання даного курсового проекту було зроблено розрахунок кінцевого каскаду передавача і ланцюги узгодження з антеною задовольняє технічним завданням. Складена структурна схема РПУ, відповідна принциповою схемою. Принципова схема наведена у додатку. Проведено пояснення призначення всіх елементів схеми. Таким чином, завдання і цілі курсового проекту можна вважати виконаними.
Список використаної літератури
Проектування радіопередавальних пристроїв: Навчальний посібник для вузів / В. В. Шахгільдян, В.А. Власов, Б.В. Козирєв та інші; Під ред. В.В. Шахгільдян. - 3-е изд., Перераб. і доп. - М.: Радіо і зв'язок, 1993, 512 с., Іл.
Шумилін М.С., Козирєв В.О., Власов В.А. Проектування транзисторних каскадів передавачів: Навчальний посібник для технікумів .- М.: Радіо і зв'язок, 1987, 320 с., Іл.