Глава 3. Проектирование устройств формирования сигналов.

 

Функциональная схема.

Проектирование устройства формирования сигналов сводится к определению составляющих его автономных блоков и узлов, необходимых для формирования выходного сигнала.

Функциональная схема является наиболее общей моделью разрабатываемого устройства и определяет последовательность и направление функциональных преобразований при формировании выходного сигнала. Разработка функциональной схемы начинается с анализа требований к временным, спектральным и эксплуатационным характеристикам выходного сигнала и устройства его формирования, к которым относятся, как указано на рис. 1.1: выходная мощность P _вых, рабочая частота f ₀ или диапазон частот Δ f ₀, вид модуляции М, коэффициент подавления неосновного излучения L, допустимый уровень частотного шума N _чш, напряжение источника питания E ₀, а также допустимые габариты и масса, наличие и вид устройств управления, индикации, сигнализации и т.п.

Анализ проводится на основании требований технического задания на проектирование и ознакомления с принципами действия и функциональными схемами РЭС заданного назначения, приведенными в главе 2 и специальной литературе [9÷25].

На основании установленных требований определяется алгоритм процесса формирования выходного сигнала, как показано в 1.2 на примере РПУ (1.5) и выделяются его отдельные этапы и соответствующие этим этапам элементы функциональной схемы устройства, которые соответствии с содержанием выполняемого преобразования называются и обозначаются (усилители, умножители частоты, смесители, шифраторы и т.д.).

Основными элементами функциональной схемы РПУ, как показано в 1.3, являются возбудитель и устройство формирования информационного сигнала – УФС. Проектирование функциональной схемы РПУ начинается с возбудителя [1, 2]. Возбудитель осуществляет генерацию гармонического колебания несущей частоты f ₀ и модуляцию этого колебания по закону передаваемого сообщения U _М (t), [1, 2].

Прежде всего, осуществляется выбор метода синтеза колебаний несущей частоты [1]. При высоких требованиях к «чистоте» спектра (спектральным характеристикам) выходного сигнала более предпочтительным оказывается метод косвенного некогерентного синтеза (КНС), при невысоких требованиях – метод прямого когерентного синтеза (ПКС). Уровень требований к спектральным характеристикам сигнала излучения определяется общефедеральным ГОСТ и рекомендациями международного консультационного комитета по радиоэлектронике (МККР) [26, 27]. Для РПУ специального назначения, не рассматриваемых в этих документах, эти требования определяются в каждом конкретном случае на основании аналитических выражений, связывающих эти параметры с «системными» параметрами РЭС. Поскольку такие выражения приводятся лишь в труднодоступной специальной литературе, в большинстве случаев можно воспользоваться данными таблицы 3-1, составленной на основании обобщения экспериментальных и расчетных параметров действующих отечественных и зарубежных образцов РПУ различного назначения или представленных на рис. 3.1.

 

Таблица 3-1.

Требования к спектральным характеристикам излучения передатчиков малой мощности P ≤ 100 Вт
Назначение передатчика	Требования к параметрам
	δf	L, дБ	N чш, дБ/Гц (F, кГц)
Доплеровские миниРЛС (измерители скорости, устройства автотормоза, причаливания, взрыватели и т.п.)	10^-3 ÷ 10^-4	–
Радиорелейные линии – РРЛ: – с ИМ и временным разделением каналов – с ЧМ и частотным разделением каналов	(1÷3)·10^-3 (1÷5)·10^-5	-33^*) ÷ -66 -66	min
Многоканальные радиолинии различных РЭС (телеметрических, управления и т.п.) – с ЧМ и временным разделением каналов – с ЧМ и частотным разделением каналов	3·(10^-3÷10^-4) 10^-5 ÷ 10^-6	-33^*) ÷ -66 -66	min

Примечание: Прочерк в графе одного из параметров означает отсутствие регламентации данного параметра; данные для L приведены для РДП, работающих в диапазоне частот (0,47–10,5) ГГц, знаком отмечены данные для РПД, работающих в диапазоне частот f ₀ ≤ 30 МГц [9]; символ «min» означает минимально возможный уровень шума.

 

Обобщенная функциональная схема возбудителя ПКС показана на рис. 3.2.Здесь формирование колебаний несущей частоты осуществляется путем серии линейных преобразований когерентных гармонических колебаний с частотами, кратными частоте высокостабильного опорного генератора f _ОГ, таким образом, что частота выходного колебания f ₀ определяется соотношением [1]:

                                                      3.1

где   m_i, n_i – целые числа коэффициенты деления и умножения соответственно.

Рис. 3.1. Зависимость нестабильности частоты РЭС от несущей частоты.

Рис. 3.2. Обобщенная функциональная схема возбудителя прямого когерентного синтеза.

Пример функциональной схемы возбудителя ПКС, работающего в диапазоне частот (30-40) МГц на десять фиксированных частот показан на в [1]  на рис. 2.1.

В простейшем случае при невысоких требованиях к стабильности частоты схемы возбудителя ПКС может быть реализована на одном или двух функциональных элементах. При М=1 возбудитель может быть выполнен на одном элементе – опорном генераторе, который называется в этом случае задающим генератором – ЗГ. При M > 1 возбудитель состоит из двух элементов: опорного генератора (ОГ) и умножителя частоты (УЧ) при целом М, или опорного генератора и смесителя (См) при любом значении М, как показано на рис. 3.3 а, б соответственно. Смеситель осуществляет сдвиг частоты опорного генератора .

 

Рис. 3.3. Упрощенные функциональные схемы возбудителя ПКС,

а) – с умножителем частоты, б) – со смесителем.

 

При больших значениях М>>1 и отсутствии соответствующей элементной базы умножитель и смеситель могут быть реализованы в виде последовательной цепочки умножителей и смесителей малой кратности, как показано в [1] на рис. 2.22, 2.36.

Функциональная схема возбудителя косвенного когерентного синтеза показана на рис.3.4. Здесь формирование колебаний несущей частоты осуществляется путем синхронизации колебаний перестраиваемого автогенератора (ГУН) колебаниями высокостабильного опорного генератора

Рис. 3.4. Функциональная схема возбудителя косвенного когерентного синтеза.

 

(ОГ) при помощи системы фазовой автоподстройки частоты на фазовом детекторе (ФД). Выходное напряжение ФД (U_у) после фильтрации в ФНЧ подается на ГУН, изменяя его частоту до тех пор, пока разность частот на входах ФД не станет равной нулю [1]:

,

где n, m – коэффициенты деления делителей опорной и несущей частоты ДОЧ и ДНЧ соответственно.

При этом выходное напряжение фазового детектора U _у =0, и в автогенераторе устанавливается стационарный режим автоколебаний с частотой [1]:

.

Стабильность частоты и уровень шума выходных колебаний в этой схеме определяются соответствующими параметрами опорного генератора. Заметим, что в схеме возбудителя ПКС на том же опорном генераторе нестабильность частоты и уровень шума увеличиваются в М раз.

Частотная модуляция несущих колебаний в возбудителе осуществляется согласно известным традиционным методам [2]. Прямая частотная модуляция осуществляется путем подачи модулирующего напряжения U_M на опорный генератор или управляемый напряжением модулируемый генератор (МГ), как показано пунктиром на рис. 3.1, 3.2, 3.4 и на рис. 2.13, 2.14, 2.15, 2.8, 2.9, 2.11.

Косвенная частотная модуляция осуществляется на основе управляемых делителей частоты с переменным коэффициентом деления (УДПКД) [1], как показано на рис. 3.5, или специальных схем модуляторов на ПЛИС, модемов, микроконтроллеров и т.п. [1].

 

Рис. 3.5 Косвенная частотная модуляция в возбудителе.

 

Наиболее широкое практическое применение находят простейшие возбудители ПКС с прямой частотной модуляцией, как показано в главе 2.

Амплитудная модуляция осуществляется вне возбудителя – в усилителе мощности [2].

Устройство формирования сигнала (УФС) осуществляет преобразование первичного информационного сигнала от датчика информации к заданному виду низкочастотного информационного сигнала:  (1.5). В зависимости от вида сигнала  [1] его формирование осуществляется либо усилителем низкой частоты (УНЧ) в случае аналогового сигнала, либо аналого-цифровым преобразователем, кодером, ПЗУ, шифратором в случае дискретного импульсного сигнала, как показано на функциональных схемах в главе 2.

 

Структурная схема.

Структурная схема (СС) определяет покаскадное строение элементов функциональной схемы, указывая типы активных приборов и функции отдельных каскадов, а также последовательность их соединения и параметры входных и выходных сигналов. Практически разработка структурной схемы сводится к выбору активного прибора для каждого элемента функциональной схемы на основе анализа элементарной базы современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем – ИМС, представленной в справочниках [30-38] и таблицах приложений П5-П19. Наиболее перспективной является элементная база ИМС. При проектировании желательно избегать применения программируемых логических интегральных схем ПЛИС (контроллеров, ПЗУ и т.п.), отдавая предпочтение микросхемам «жесткой» логики одной серии или фирмы, т.к. они согласованы по уровням питающих, входных и выходных напряжений и сопротивлений и, кроме того, внедрение в эксплуатацию ПЛИС требует высокой квалификации и трудоемкости разработчиков и потому затруднительно.

Разработка структурной схемы начинается с выбора типа опорного или задающего генератора (ОГ, ЗГ). Основанием для выбора являются требования к нестабильности частоты δf и уровню частотного шума N _чш выходного сигнала, таблицы 3.1 и [1, 3, 4, 5,9]. При этом необходимо помнить, что для возбудителей ПКС с умножителем частоты нестабильность частоты и уровень шума повышаются в  раз относительно выходного сигнала ОГ. Для возбудителей КНС и ПКС со смесителем нестабильность частоты и уровень шума выходного сигнала определяются, как было указано параметрами ОГ. В связи с тем, что справочные данные на эти параметры генераторов часто отсутствуют, при выборе типа ЗГ ориентировочно (произвольно) задаются частотой и мощностью ЗГ – f _ЗГ, Р_ЗГ по данным таблицы в приложении П5-П6 и [30-38], учитывая, что для высокостабильных генераторов:

и нестабильность частоты, и уровень шума увеличиваются с ростом частоты и мощности ЗГ (δ f ↑ → f _ЗГ ↑, Р_ЗГ ↑). Для типового генератора в диапазоне (1–10) МГц δ f ≥5·10^-4 N _чш > -125 дБ/Гц, для уникального кварцевого генератора δ f ≥5·10^-6 N _чш > -165 дБ/Гц [2].

После выбора типа ЗГ определяют полный коэффициент умножения умножителя частоты  и число составляющих его каскадов N умножителей меньшей кратности , где ,  – частота выходного и входного сигнала i-того каскада умножения таким образом, чтобы . Типы умножительных каскадов и их парциальные коэффициенты умножения n_i определяются по справочным данным: приложения П10 и [30‑38].

При этом необходимо учитывать, что рабочая частота умножительных каскадов увеличивается с ростом номера каскада i (начиная с первого, i =1, ближайшего к ЗГ): ; ; .

Заметим, что при M >>1 умножитель частоты может быть реализован при N =1 однокаскадным, в виде гибридной интегральной схемы (ГИС) на диоде с накоплением заряда (ДНЗ) на частотах f ≤ 10 ГГц, однако в этом случае необходима высокая мощность входного сигнала Р_{вх i} ≈ 1 Вт и сложный полосовой фильтр на выходе [48].

После выбора микросхем умножительных каскадов определяют выходную мощность последнего из них Р_вых ^N и необходимый коэффициент усиления выходного усилителя мощности (ВУМ):

Основные функции ВУМ сводятся к обеспечению заданной выходной мощности в заданном диапазоне частот и коэффициента подавления неосновного излучения. Проектирование усилителя начинается с выбора типа активного прибора (АП) и выходного фильтра, схемы усилителя и оценки необходимого числа каскадов.

Выбор типа АП (микросхемы или транзистора) осуществляется по заданной рабочей частоте f ₀ и мощности Р_вых на основании справочных данных [30-38] или приведенных в таблицах П7, П17, П18 приложения. При этом необходимо помнить, что для любых типов АП уровень выходной мощности может быть увеличен в несколько раз за счет использования устройств сложения мощности на общей нагрузке – сумматоров [2]. Примеры построения структурных схем усилителей со сложением мощности на общей нагрузке приведены в [3, 4, 5]. Наиболее часто ВУМ выполняются по двухтактной или балансной схеме [2, 4.3] с использованием сумматоров, частотно-избирательных фильтров, вентилей и других пассивных СВЧ устройств.

После выбора типа АП определяют его коэффициент усиления К_р по таблице приложения П7 или данным [30-38]. Для транзисторов возможен теоретический расчет К_р, как указано в [2, 7]. Затем определяют необходимую мощность возбуждения ВУМ . Если , то используются дополнительные каскады предварительного усиления, входная мощность которых определяется аналогично выходному каскаду:

где i – номер каскада предварительного усиления, отсчитываемый от УЧ.

Число каскадов определяется максимальным значением i_max, для которого .

Выбор типа выходного фильтра осуществляется по данным таблицы приложения П8 на основании заданных параметров его частотной характеристики: рабочая частота f ₀, затухание L, полоса пропускания по уровню 3 дБ.

Затухание фильтра определяется требованиями по уровню подавления неосновного излучения (внеполосного и побочного), которые устанавливаются согласно условиям электромагнитной совместимости таким образом, чтобы средняя мощность неосновного излучения любого вида Р_ни не превышала определенного уровня.

Р_НИ≤ 5∙10^-2Вт для f ₀ ≤ 30 МГц,

Р_НИ≤ 25∙10^-6Вт для 0.4≤ f ₀ ≤ 30 МГц.

При этом требуемый уровень подавления неосновного излучения составляет дБ.

Полоса пропускания П определяется шириной спектра выходного сигнала, которую можно принимать [1]:

 для аналогового сигнала,

для дискретного импульсного сигнала,

где F_max – максимальная частота спектра входного сигнала – передаваемого сообщения,

 – тактовая НЧ информационного сигнала U_F, τ – длительность импульса, N – разрядность кода,

 – частота дискретизации [1].

Значения F_max для РЭС различного назначения приведены в [2, стр. 28].

Необходимо отметить, что на данном этапе проектирования часто вырисовывается несколько возможных вариантов реализации структурной схемы, и однозначный выбор наиболее приемлемого из них может быть сделан путем детального изучения и сравнения параметров применяемых микросхем на этапе технического проектирования.

Проектирование НЧ устройств формирования сигналов аналого-цифровых преобразователей АЦП, шифраторов, кодеров осуществляется на основании приведенных в литературе данных о схемах и характеристиках действующих образцов – прототипов данного классификационного типа [1, 2]. Выбор микросхем производится по справочным данным на основании заданных параметров НЧ информационного сигнала U_F: частота дискретизации , тактовая частота , где N – разрядность кода, длительность импульса .

Примеры структурных схем различных устройств, функциональные схемы которых рассмотрены в главе 2 и [1, 2] приведены далее на рисунках 3.6-3.8.