Основні позначення та скорочення

Курсова робота

з дисципліни

«Методи генерування і формування сигналів»

на тему:

“Розрахунок схеми формувача радіосигналу”

 

Виконав:

студент групи РТ-41

Скочеляс М.Й.

Прийняв:

Кузик А.О.

 

Львів 2014

 

ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ

1. Вихідні параметри:

· робоча частота , МГц;

· відносна нестабільність ;

· Вт;

· ;

· ;

2. Вид модуляції: ЧМ

ширина спектру НЧ сигналу

3. Види розрахунку:

· ескізний (структурна схема з діаграмою рівнів потужності на виході кожного структурного елементу);

· електричний (режиму роботи модулятора та кінцевого підсилювача потужності);

· моделювання роботи ПП з вихідним фільтром.

ОСНОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ ТА СКОРОЧЕННЯ

 

АГ - автогенератор

АМ - амплітудна модуляція (амплітудний модулятор)

АПЧ - автоматичне підстроювання частоти

АЕ - активний елемент

ГКН - генератор керований напругою

ДНЗ - діод з нагромадженням заряду

ЕВП - електровакуумний прилад

ІМ - імпульсна модуляція (імпульсний модулятор)

КУ - коло узгодження

КАГ - кварцовий автогенератор

КР - кварцовий резонатор

МІС - монолітна інтегральна схема

МСЛ - мікросмужкова лінія

ПАХ - поверхнева акустична хвиля

ПЧК - помножувач частоти коливань

ПЕ - перелік елементів

СЧ - синтезатор частоти

ТЗ - технічне завдання

ФМ - фазова модуляція (фазовий модулятор)

ЧМ - частотна модуляція (частотний модулятор)

ЧМГ - частотно-модульований автогенератор

- рівень фільтрації гармонік сигналу

- рівень вихідної потужності

ЕВ - напруга колекторного живлення

- напруга зміщення

КР - коефіцієнт підсилення потужності

N - коефіцієнт помноження частоти

- частота модулюючих коливань

- індекс модуляції

- кількість каскадів

- робоча частота

- частота КАГ

- частота ЧМГ

- робоча смуга частот

- девіація частоти

- типова частота транзистора

- відносна нестабільність частоти

- коефіцієнт корисної дії

Зміст

Технічне завдання 2

Основні позначення та скорочення 3

Вступ 5

1. Обґрунтування та розрахунок структурної схеми пристрою 7

2. Ескізний вид розрахунку 12

3. Розрахунок вихідного каскаду 16

4. Розрахунок модулятора 20

4.1. Розрахунок колекторної ланки 22

4.2. Розрахунок базової ланки 23

5. Розрахунок збуджувача 25

5.1. Розрахунок колекторної ланки збуджувача 28

5.2. Розрахунок базової ланки збуджувача 29

6. Розрахунок помножувача частоти 30

6.1. Розрахунок колекторної ланки 31

6.2. Розрахунок базової ланки 32

7. Розрахунок передвихідного каскаду 34

7.1. Розрахунок колекторної ланки 35

7.2. Розрахунок базової ланки 36

8. Розрахунок коефіцієнтів трансформації узгоджувальних трансформаторів 39

Схема електрична передавача з ЧМ 40

Розрахунок вихідного кола узгодження (П-контура) 41

Опис конструкції 46

Висновок 48

Список використаної літератури 49

 

ВСТУП

Для передачі сигналів на великі відстані необхідно, щоб вони володіли великою енергією. Відомо, що енергія сигналу пропорційна четвертій степені його частоти, тобто сигнали з більшою частотою володіють більшою енергією. У практиці часто сигнали, що несуть у собі інформацію, наприклад, мовні сигнали, мають низьку частоту коливань і тому, щоб передати їх на велику відстань необхідно частоту інформаційних сигналів підвищувати. Домагаються цього шляхом «накладання» інформаційного сигналу на інший сигнал, який має високу частоту коливань.

Частотна модуляція — тип аналогової модуляції, при якому частота вихідного сигналу змінюється у часі залежно від миттєвого значення інформаційного сигналу, тобто інформаційний сигнал управляє частотою несучого сигналу. У порівнянні з амплітудною модуляцією тут амплітуда залишається постійною.

Частотна модуляція застосовується для високоякісної передачі аудіо сигналу в радіомовленні (у діапазоні УКХ), для звукового супроводу телепередач, передачі сигналів кольоровості в телевізійному стандарті SECAM, відеозаписі на магнітну стрічку, музичних синтезаторах.

Висока якість кодування аудіосигналу обумовлена тим, що при частотній модуляції застосовується велика (в порівнянні з шириною спектра сигналу амплітудної модуляції) девіація несучого сигналу, а в приймальній апаратурі використовують обмежувач амплітуди радіосигналу для ліквідації імпульсних перешкод.

Модуляція радіосигналу — процес зміни одного або кількох параметрів високочастотного модульованого коливання за законом низькочастотного інформаційного сигналу.

Розрізняють аналогову, цифрову та імпульсну модуляцію.

1. Аналогова модуляція: амплітудна модуляція, кутова модуляція, сигнально-кодова модуляція, сигма-дельта модуляція.

2. Цифрова модуляція (маніпуляція): амплітудна маніпуляція, фазова маніпуляція, частотна маніпуляція, квадратурна амплітудна маніпуляція тощо.

3. Імпульсна модуляція: широтно-імпульсна модуляція (ШІМ), імпульсно-кодова модуляція (ІКМ), частотно-імпульсна модуляція (ЧІМ), фазово-імпульсна модуляція (ФІМ).

Розрізняють амплітудну модуляцію, при якій в залежності від миттєвої величини інформаційного сигналу змінюється амплітуда вихідного сигналу, і частотну модуляцію, при якій частота вихідного сигналу дещо змінюється в порівнянні з частотою сигналу-носія, пропорційно миттєвій величині інформаційного сигналу.

Прилад, який використовується для модуляції називається модулятором. Для зворотного отримання низькочастотного сигналу використовують демодулятор. Пристрій, який одночасно виконує обидві операції, називається модемом (модулятор-демодулятор).

 

Рис.1. Схема передавача з АПЧ.

Перевагою такої схеми є простота забезпечення необхідної девіації частоти, а недолік її полягає в складності схеми стабілізації частоти і обмеженнях в забезпеченні високої стабільності частоти.

Окрім систем АПЧ в радіопередавачах з прямим методом ЧМ застосовується інтерполяційний метод стабілізації частоти коливань. У цій схемі модуляція здійснюється прямим методом у частотно-модульованому генераторі (ЧМГ) на частоті , яка відрізняється від робочої частоти передавача .Частотно-модульовані коливання з частотою fчмг змішуються з коливаннями кварцового генератора в ЗМ1, смуговим фільтром виділяється коливання проміжної частоти , відносна нестабільність частоти яких визначається згідно з наступним виразом:

де - відносна нестабільність частоти кварцового і частотно-модульованого генераторів.

- значення частот кварцового і частотно-модульованого генераторів.

Рис.2. Схема передавача з ЧМ.

Якщо вибрати співвідношення частот за умовою , то можна на порядок зменшити відносну нестабільність проміжної частоти і таким чином досягти відносної нестабільності робочої частоти передавача .

Оскільки значення частот вибираються з умови підвищення стабільності проміжної частоти, то для отримання необхідного номіналу робочої частоти застосовуються помножувачі частоти або подвійне перетворення частоти, як це показано в схемі на рис.2.

На практиці робоча частота частотно-модульованого генератора вибирається в межах , а робоча частота кварцового генератора вибирається максимально можливою .

Недоліки такої схеми полягають в складності фільтрації інтерполяційних складових, оскільки значення частот є близькими.

Перед розрахунком і складанням схеми таким шляхом визначають коефіцієнт помноження N виходячи з того, що проміжна частота знаходиться в межах . Тому за заданою робочою частотою вибирається таке значення N, щоб виконувалась умова . Після цього уточняють значення частот .

Вибір типів активних елементів і характеристик функціональних вузлів проводиться аналогічно як для передавачів з амплітудною модуляцією з врахуванням того, що амплітуда високочастотних коливань є незмінною.

При розрахунках коефіцієнт передачі за потужністю перетворювача частоти (змішувача) можна прийняти рівним 0,3.

Широко на практиці використовуються схеми, в яких частотна модуляція здійснюється в кварцовому автогенераторі. В цьому випадку забезпечується висока стабільність частоти, але при малій девіації частоти. Установлено [15], що в КАГ перестроювання частоти може бути реалізоване в межах відносно робочої частоти . Для досягнення необхідного значення девіації частоти на виході передавача необхідно використовувати помноження частоти (а тим самим і девіації частоти) в необхідне число разів. Тому, враховуючи можливості перестроювання КАГ, коефіцієнт помноження девіації визначається згідно з виразом

де - девіація частоти на виході передавача,

- девіація частоти КАГ.

З іншого боку, для забезпечення необхідного значення робочої частоти загальний коефіцієнт помноження N дорівнює і він повинен бути рівним . Тому необхідно вибрати таке значення частоти , щоб коефіцієнт N був рівним цілому числу. У випадку використання транзисторних помножувачів частоти коефіцієнт помноження N буде представлятись добутком чисел 2 і 3, які відповідають коефіцієнтам помноження транзисторних помножувачів частоти коливань.

 

Рис.3. Схема передавача з прямим методом ЧМ в кварцовому генераторі.

У цьому випадку значення частоти кварцового генератора fКГ вибирають в межах МГц, і необхідно старатись, щоб N було як можливо невеликим, а величину девіації можна зменшувати від максимально можливого значення .

Після визначення і N за приведеною вище методикою розраховують і складають структурну схему. Приклад структурної схеми такого передавача подано на рис.3.

Передавачі, виконані за такою схемою, характеризуються багатокаскадністю і спотвореннями сигналу модуляції за рахунок інерційності КАГ.

Зменшити багатокаскадність можна за рахунок застосування підсилювачів з високим коефіцієнтом підсилення і транзисторних помножувачів НВЧ, в яких використовується параметрична ємність переходу , з коефіцієнтом передачі за потужністю .

Згідно з технічним завданням нам потрібно спроектувати зв'язковий передавач з частотною модуляцією. Частотна модуляція повинна бути отримана прямим способом (коли модулюється безпосередньо частота автогенератора передавача). Передавач повинен відповідати перерахованим вище вимогам і володіти параметрами зазначеними в технічному завданні.

Обрана узагальнена структурна схема передавача з прямим способом отримання ЧС наведена на рис.1:

Рис.4 Узагальнена структурна схема передавача з прямим способом отримання ЧМ

В якості збудника діапазонного передавача з ЧМ використовується синтезатор сітки дискретних частот (нестабільність частоти порядку 10-6... 10-7), ведений генератор якого керується двома варікапами (рис.1).

На варікап VD1 подається модулююча напруга, на варикап VD2 - керуючу напругу системи фазового автопідстроювання частоти. Поділ функцій управління пояснюється тим, що девіація частоти під впливом модулюючого сигналу відносно невелика (зазвичай 3 - 5 кГц) в порівнянні з діапазоном перебудови веденого генератора керуючим сигналом з виходу системи ФАПЧ. З цієї причини варикап VD1 пов'язаний з коливальним контуром веденого автогенератора значно слабкіше, ніж VD2. Використання ФАПЧ в передавачі, побудованому за подібною схемою, також дозволяє лінеаризовати статичну модуляційну характеристику і отримати стабільну середню частоту генератора.

Для підвищення стійкості в структуру передавача включають помножувачі частоти, але при цьому крок сітки синтезатора зменшується в «n» раз, де n - коефіцієнт множення частоти. При множенні несучої частоти в «n» раз, абсолютна девіація частоти також множиться в «n» раз, що призводить до отримання більш глибокої модуляції.

Подільники із змінним коефіцієнтом ділення призначені для того, щоб на ФД надходила однакова частота від КАГ і від ГКН.

 

2. ЕСКІЗНИЙ ВИД РОЗРАХУНКУ
(СТРУКТУРНА СХЕМА З ДІАГРАМОЮ РІВНІВ ПОТУЖНОСТІ НА ВИХОДІ КОЖНОГО СТРУКТУРНОГО ЕЛЕМЕНТУ)

Складання блок- схеми передавача починається з вихідного каскаду починається з вихідного каскаду. Дані, що визначають його потужність, містяться в завданні. Також задається коливальна потужність в антені в режимі несучої частоти. У даному передавачі необхідно застосувати помножувач частоти, в якості якого може працювати передвихідним або додатковий попередній каскад, включається між збудником і передвихідним каскадом. Вид блок- схеми передавача з частотною модуляцією представлений на малюнку:

Рис.5 Блок-схема передавача.

Радіопередавачі систем зв’язку, радіомовлення, телебачення та інших радіотехнічних систем складаються з ряду функціональних вузлів та систем. До них відноситься високочастотний вузол, вузол керування параметрами високочастотних коливань (модулятор), системи стабілізації частоти, електроживлення, охолодження, блокування та аварійної сигналізації.

В курсовому проекті рекомендується розробляти перші три системи, а до інших достатньо скласти основні технічні вимоги. Надійність радіозв’язку залежить від рівня вихідної потужності радіопередавача і стабільності частоти коливань. В багато каскадних передавачах забезпечення необхідного рівня вихідної потужності і стабільності частоти коливань розподілені між різними каскадами.

Стабільність частоти забезпечується КАГ, рівень вихідної потужності якого знаходиться в межах 1...5мВт, рівень потужності вихідного сигналу забезпечується вихідним трактом підсилення, а потрібне значення частоти вихідного сигналу одержують за допомогою проміжного підсилювально-помножувального тракту.

В транзисторних радіопередавачах широко використовується колекторна, а в лампових -анодна і сіткова амплітудна модуляція.

Для складання структурної схеми спочатку визначається частота кварцового автогенератора , число каскадів помноження частоти коливань і загальний коефіцієнт помноження - N, виходячи із значення вихідної робочої частоти та практичних можливостей реалізації високочастотних КАГ.

 

РОЗРАХУНОК ЗБУДЖУВАЧА

У генераторі необхідно розвинути потужність, що вимагається для порушення наступного каскаду з урахуванням втрат у узгоджувальній ланці:

Вибираємо транзистор КТ312А.

РОЗРАХУНОК МОДУЛЯТОРА

У модуляторі необхідно розвинути потужність, що вимагається для порушення наступного каскаду з урахуванням втрат у узгоджувальній ланці:

Виберемо транзистор КТ312А

Діаграма 1

Діаграма 2

 

Структурна схема передавача з ЧМ

Технічні характеристики

Пробивна напруга стік-витік

Струм витоку стік-витік

Струм витоку затвор-витік

Крутизна лінії граничного режиму 4,5 – 6,2 См

Напруга відсічення по перехідній характеристиці транзистора

Крутизна передавальної характеристики

Коефіцієнти Берга, що відповідають обраному куті відсічення, ,

Розрахункові дані

Струм стоку

(дана величина рекомендована для УКХ-діапазону)

1. Коефіцієнт використання стокового напруги

2. Амплітуда стокової напруги::

3. Амплітуда першої гармоніки стокового струму:

4. Амплітуда імпульсів стокового струму:

5. Постійна складова стокового струму:

6. Еквівалентний опір навантаження:

7. Напруга збудження:

Напруга зсуву для кута відсічки дорівнює напрузі відсічення за паспортом транзистора, тобто 3 В, тоді амплітуда напруги на затворі буде дорівнює 5,85 В.

8. Порахуємо вихідну потужність ГВВ

9. Коефіцієнт посилення по потужності:

10. Таким чином, схема генератора із зовнішнім збудженням буде виглядати так:

Рис.6. Схема генератора із зовнішнім збудженням

11. Вихідний опір транзистора:

Для узгодження з 50-омним навантаженням потрібна схема з неповним включенням індуктивності, при цьому, ємність конденсатора в коливальному контурі рекомендується брати , а індуктивність котушки

РОЗРАХУНОК МОДУЛЯТОРА

У проектованому передавачі частотна модуляція буде отримана з фазовим методом розстроєння коливального контуру:

Схема модулятора виглядає наступним чином:

Рис.7. Схема модулятора

1. Виберемо діод Д902. При напрузі зсуву 5В, його характеристика має досить велику крутизну і лінійність. За графіком для Д902 визначаємо

2. Амплітуда збудження звукової частоти 1 В, значить максимальна зміна ємності складе 2 пФ. Початкова ємність при відсутності сигналу ЗЧ складе 8 пФ.

У результаті підбору параметрів отримані наступні величини:

1. Частота збудження: , тобто

2. Коефіцієнт помноження

3. Індуктивність:

4. Максимальне відхилення частоти від :

5. Задамо добротністю коливального контуру, дорівнює 20.

6. Величина фазової модуляції:

7. Девіація частоти при частоті модулюючого сигналу 15 кГц:

Індекс модуляції, одержуваний у фазовому модуляторі: M = 0,701. При множенні частоти в 10 разів, індекс модуляції вийде рівним 7,01.

Виберемо транзистор КТ312А. Він володіє наступними параметрами:

РОЗРАХУНОК БАЗОВОЇ ЛАНКИ

1. Знаходимо граничну частоту транзистора, при якій коефіцієнт передачі по струму в схемі з спільним емітером дорівнює 1:

2. Розраховуємо час дрейфу транзистора:

3. Визначимо кут дрейфу на високій частоті:

Оскільки кут дрейфу менше , то вважаємо, що і .

4. Амплітуда змінної напруги на переході емітер-база:

5. Модуль коефіцієнта передачі напруги з входу на перехід емітер-база:

6. Амплітуда напруги збудження, необхідна від джерела порушення:

7. Вхідний опір:

8. Потужність збудження:

9. Перша гармоніка струму бази:

10. Реальна величина струму бази:

11. Напруга зсуву, що забезпечує заданий кут відсічення базового струму:

12. Максимальне значення позитивного імпульсу струму бази:

13. Постійна складова позитивних імпульсів струму бази:

14. Потужність розсіювання в ланцюзі бази:

Розрахуємо опору дільника напруги ЛАНКИ зміщення и . Значення індуктивностей (крім коливального контуру) повинні бути такими, щоб не надавати значного опору постійному струму, в той же час, блокуючи змінну складову на частоті 10 МГц:

5. РОЗРАХУНОК ЗБУДЖУВАЧА

Рис.8.Схема збуджувача

Вибираємо транзистор КТ312А.

Наведемо параметри, застосовувані при розрахунку:

Визначимо коефіцієнт зворотного зв'язку: ( – Динамічний опір кварцу, – коефіцієнт регенерації, – нормований керуючий опір)

, де – фаза крутизни ,

– Узагальнене розстроєння –

– Загасання кварцу.

1. Для заданої частоти – 10,1 МГц – =10 пФ, = 80 Ом

2. Розрахуємо ємність , включену між базою і емітером:

3. Тоді, ємність , включена між емітером і колектором, буде дорівнює:

4. Обчислюємо функцію кута відсічення:

– Характеристичний опір кварцу ( =0,025 Гн)

– Добротність кварцу

За таблицями значень Берга, це значення відповідає .

 

РОЗРАХУНОК БАЗОВОЇ ЛАНКИ

1. Знаходимо граничну частоту транзистора, при якій коефіцієнт передачі по струму в схемі з загальним емітером дорівнює 1:

2. Розраховуємо час дрейфу транзистора:

3. Визначимо кут дрейфу на вищій частоті:

Оскільки. кут дрейфу менше , то вважаємо, що і .

4. Амплітуда змінної напруги на переході емітер -база:

5. Модуль коефіцієнта передачі напруги з входу на перехід емітер -база:

за графіком визначаємо .

6. Амплітуда напруги збудження, необхідна від джерела порушення:

7. Вхідний опір:

8. Потужність збудження:

9. Перша гармоніка струму бази:

10. Реальна величина струму бази:

11. Напруга зсуву, що забезпечує заданий кут відсічення базового струму:

12. Коливальний контур, на який навантажений транзистор, повинен при частоті 100 МГц мати еквівалентний опір 1650 Ом:

13. Розрахуємо ємність і індуктивність:

14. Індуктивність на вході:

7. РОЗРАХУНОК ПЕРЕДВИХІДНОГО КАСКАДУ

Рис. 10. Схема передвихідного каскаду

У першій частині розрахунку потужність збудження вихідного каскаду вийшла рівною 2,11 Вт З урахуванням втрат в узгоджувальній ланці. Задаємо потужність передвихідного каскаду: .

Виходячи з вимог по потужності і частоті, виберемо транзистор КТ903А. Кут відсічення приймемо рівним .

 

РОЗРАХУНОК БАЗОВОЇ ЛАНКИ

1. Знаходимо граничну частоту транзистора, при якій коефіцієнт передачі по струму в схемі з загальним емітером дорівнює 1:

2. Розраховуємо час дрейфу транзистора:

3. Визначимо кут дрейфу на найвищій частоті:

4. Нижній кут відсічення позитивних імпульсів емітерного струму:

Коефіцієнти і , відповідні кутку відсічення : і .

5. Модуль коефіцієнта передачі по струму на робочій частоті:

де

6. Амплітуда першої гармоніки струму емітера:

7. Амплітуда позитивного імпульсу емітерного струму:

8. Постійна складова струму емітера:

9. Амплітуда змінної напруги на переході емітер -база:

10. Модуль коефіцієнта передачі напруги з входу на перехід емітер -база:

за графіком визначаємо .

11. Амплітуда сигналу збудження, необхідна від попереднього каскаду

12. Вхідний опір:

13. Потужність, необхідна від попереднього каскаду:

14. Перша гармоніка струму бази:

15. Напруга зсуву:

 

16. Індуктивність на вході:

17. Ємність і індуктивність на виході коливального контуру:

і

ОПИС КОНСТРУКЦІЇ

Передавач виконаний у вигляді окремих каскадів, розташованих на різних платах: плата задає генератора, плата модулятора, плата малопотужного підсилювача (буферний каскад) і перший помножувач частоти, плата другого помножувача частоти, підсилювача потужності і вихідного каскаду. Тому для з'єднання окремих складових частин в єдине ціле, а також підключення джерела живлення до всіх каскадам, необхідне використання проводів. Всі каскади харчуються від акумулятора 14 (В), напруга до них подається через низькоомні малопотужні резистори. Харчування автогенератора надходить від акумулятора через дільник напруги і стабілізується стабілітроном з паралельно включеним конденсатором, шунтувальним його по змінному струму. Товщина проводів залежатиме від струмів які протікають по них.

Харчування ланцюгів передавача забезпечимо за допомогою акумулятора на 14 (В). Напруга на окремі каскади подаватиме безпосередньо з акумулятора, а для генератора, що задає - через дільник напруги, для забезпечення 5 - й вольта напруги.

Будемо використовувати акумулятор Hander HA - 14 -6 14 (В), 1,2 (Аг) з габаритними розмірами (), передавач може безперервно працювати без підзарядки протягом приблизно 2 годин.

 

ОПИС КОРПУСУ

Корпус передавача виконаємо з алюмінієвого сплаву для найкращого відводу тепла від елементів, які нагріваються. Він складається з двох відсіків, в першу розташовується плата передавача, у другому - джерело живлення (акумулятор). Плата розташована горизонтально, закріплені на стійках гвинтами 2 (мм). У корпусу є кришка з гумовою прокладкою, що забезпечує пило-та вологозахищеність. Кришка кріпиться за допомогою гвинтів діаметром 4 (мм). Розміри корпусу 266 (мм) х132 (мм) Х50 (мм), товщина стінок 1 (мм). На корпусі розміщуються кнопка включення / виключення передавача.