Расчет радиопередатчика с ЧМ модуляцией (KUR_RPY)

Посмотреть архив целиком

31


Министерство общего и профессионального образования РФ


СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ


Фак. Инженерно - физический


Каф. Радиоэлектроники


Группа 242








ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА




Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине Радиопередающие устройства











Руководитель проекта


доцент

Демко А. И.




Исполнитель


студент

Гейжа С. В.







1998 г.


Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации


СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ



Кафедра радиоэлектроники


Задание по курсовому проектированию

Радиопередающие устройства”




Студенту Гейже С. В.


Группа 242 Инженерно – физического факультета


  1. Тема проекта: Передатчик с ЧМ


  1. Срок сдачи студентом законченного проекта 20 мая


  1. Исходные данные к проекту:

    1. Мощность передатчика Pвых= 25 Вт

    2. Рабочая волна передатчика = 12 м

    3. Вид передачи ЧМ

    4. Система модуляции косвенная

    5. Полоса частот модуляции fmin = 100 Гц fmax = 10 кГц

    6. Система стабилизации частоты f/f = 710-6

    7. Способ связи с антенной определить, Rн = 75 Ом


  1. Содержание пояснительной записки:

    1. Выбор и обоснование структурной схемы передатчика

    2. Построение и расчет схем ступеней высокой частоты задающий генератор и выходной каскад

    3. Составление спецификации к схеме рассчитанных блоков


  1. Перечень графического материала

    1. Структурная схема передатчика

    2. Принципиальная схема рассчитанных блоков


  1. Дата выдачи задания 25 февраля 1998 г.


РУКОВОДИТЕЛЬ _____________________

Подпись



Задание принял к исполнению (дата)__________________________



_______________________________________

(подпись студента)


АННОТАЦИЯ


В данном курсовом проекте производится проектирование и расчет некоторых основных каскадов радиопередающего устройства коротковолнового диапазона с частотной модуляцией, а также предъявляются требования к не рассчитанным каскадам.


Цель данной работы – спроектировать радиопередающее устройство с характеристиками заданными в техническом задании, произвести электрический расчет указанных в техническом задании каскадов радиопередатчика.


Результатом проекта является структурная схема передатчика, блоки которой в соответствии с ТЗ либо построены в виде принципиальной электрической схемы содержащей номинальные значения всех элементов, либо описаны основные их параметры которые обеспечивают правильную работу схемы в целом.










































СОДЕРЖАНИЕ


Техническое задание 2

Аннотация 3

Содержание 4

Введение 5


  1. Эскизный расчет 6


    1. Выбор и обоснование структурной схемы 6

    2. Задающий кварцевый генератор 6

    3. Модулирующий каскад 6

    4. Умножитель частоты 8

    5. Усилитель мощности 8

    6. Усилители и согласующие цепи 9

    7. Связь с антенной 9


  1. Расчет кварцевого автогенератора 10


    1. Схема автогенератора 10

    2. Расчет по постоянному току 10

    3. Расчет по переменному току 11

    4. Энергетический расчет автогенератора 12


  1. Расчет усилителя мощности 14


    1. Схема усилителя мощности 14

    2. Расчет режима работы и энергетический расчет 14

    3. Расчет цепи питания усилителя мощности 17

    4. Расчет цепи смещения усилителя мощности 18


  1. Расчет выходной нагрузочной системы усилителя мощности 19


    1. Электрический расчет нагрузочной системы 19

    2. Конструктивный расчет элементов нагрузочной системы 21


Заключение 23

Список литературы 24


ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Параметры транзистора КТ315Б 25

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Параметры транзистора КТ927Б 26

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Схема электрическая принципиальная задающего генератора 27

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Схема электрическая принципиальная усилителя мощности 28

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Спецификация к принципиальной схеме задающего генератора 29

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Спецификация к принципиальной схеме усилителя мощности 30









ВВЕДЕНИЕ


Радиопередающим называется устройство, предназначенное для выполнения двух основных функций – генерации электромагнитных колебаний и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Радиопередающие устройства находят широкое применение в различных областях, телевидение, все виды радиосвязи, радиовещание, телеметрии.

Проектируемый передатчик может быть использован в радиовещательном диапазоне, персональной связи.























































1. ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ПЕРЕДАТЧИКА


    1. Выбор и обоснование структурной схемы передатчика.



Исходя из технического задания, в котором необходимо спроектировать передатчик с косвенным методом частотной модуляции, с относительной нестабильностью частоты 10-7 и полосой модулирующего сигнала то 100 Гц до 10 кГц, структурная схема будет выглядеть следующим образом (рис.1).


φ

1 2 3 f nf 5 6

КГ 4 УМ

U 7
Модулирующий каскад
Рис.1 Структурная схема передатчика

Обозначение блоков на структурной схеме:


1 – задающий кварцевый генератор;

2, 5 – усилитель;

3 – фазовый модулятор;

4 – умножитель частоты;

6 – усилитель мощности;

7 – интегрирующая цепь.


    1. Задающий кварцевый генератор


В качестве задающего кварцевого генератора будет использоваться кварцевый генератор, построенный по схеме емкостной трёхточки. Кварцевый резонатор включен между коллектором и базой транзистора.

Такая схема генератора имеет ряд преимуществ:


  1. обеспечивается высокая стабильность частоты;

  2. генератор имеет меньшую склонность к паразитной генерации на частотах выше рабочей;

  3. схема генератора может быть построена без катушек индуктивности;

  4. частоту генератора можно менять в достаточно широком диапазоне путем смены только кварцевого резонатора.


    1. Модулирующий каскад


Так как необходимо построить передатчик с косвенным методом частотной модуляции, то модулирующий каскад будет состоять из: фазового модулятора, умножителя частоты, интегрирующей цепочки.


Частотная модуляция обеспечивает постоянство девиации частоты ∆ωд в полосе модулируемых частот, при этом индекс частотной модуляции М = ∆ωд / Ω.


При фазовая модуляция обеспечивается постоянный индекс фазовой модуляции Ф (максимальное отклонение фазы от немодулированного значения) в полосе модулирующих частот, при этом девиация частоты изменяется следующим образом ∆ωд = Ω ∙ Ф. (1)


Так как девиация частоты на выходе фазового модулятора прямо пропорциональна модулирующей частоте Ω, а при частотной модуляции необходимо постоянства девиации частоты. Следовательно, необходимо включить в схему устройство отклик, которого был бы обратно пропорционален частоте. Таким устройством может быть интегрирующая цепочка.


Так как девиация фазы на выходе фазового модулятора очень мала, то для обеспечения требуемой девиации частоты необходим умножитель частоты.


Рассчитаем необходимый индекс фазовой модуляции исходя из технического задания, в котором полоса передаваемых частот от 100 Гц до 10 кГц и девиация частоты ∆fд 50 кГц.


Из формулы (1) следует Ф = ∆ωд / = fд / Fн = 50000 / 100 = 500 рад.


Реальные фазовые модуляторы имеют индекс фазовой модуляции 20 … 60˚.


Рассчитаем девиацию частоты реального фазового модулятора с индексом фазовой модуляции Ф = 45˚ = 0.785 рад.


fд р =Fн ∙ Ф = 100 ∙ 0.785 = 78.5 Гц .


Исходя, из этого рассчитаем необходимый коэффициент умножения частоты, чтобы обеспечить требуемую девиацию частоты


N = fд / fд р = 50000 / 78.5 = 637.


Реализовать умножитель частоты с коэффициентом умножения N = 637, возможно, но он будет вносить сильные искажения. Следовательно, необходим какой-то способ уменьшить коэффициент умножения.


Рассмотрим модуляционную характеристику фазового модулятора.



φ




UΩ

UΩ 2π




Рис.2 Модуляционная характеристика ФМ


Предположим что максимальное изменение фазы ∆φmax = ему соответствует какая-то амплитуда модулирующего сигнала UΩ2π.Если необходимо изменение фазы больше 2π и известно, что этой фазе соответствует напряжение амплитуда сигнала большая UΩ2π, то можно применить следующий способ модуляции.

Будем рассматривать модулирующую функцию как периодическую с периодом2π, тогда чтобы получить изменение фазы не более 2π на вход фазового модулятора необходимо подавать сигнал вида Uвх фм = UΩ - UΩ2π ∙ [Uвх фм /UΩ2π]. Получить сигнал вида Uвх фм можно по следующей схеме (рис.3).


φ

КГ

АЦП ==> ЦАП ВУ
U


Рис.3.Функциональная схема ФМ


Так как реально используются фазовые модулятора с индексом фазовой модуляции 45˚, то чтобы воспользоваться предложенным методом необходимо, чтобы изменение фазы было 2π. Это можно сделать, поставив умножитель частоты на выходе фазового модулятора с коэффициентом умножения равным восьми.


Таким образом, в модулирующем каскаде будут применены: фазовый модулятор с индексом фазовой модуляции 45˚, умножитель частоты на 8, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь, ВУ – вычитающее устройство, выполненное на операционном усилителе.


    1. Умножитель частоты


Умножители частоты в передатчиках используются для повышения частоты колебаний в целое число раз, а также и для увеличения индекса модуляции при частотной или фазовой модуляции. Транзисторные умножители частоты строятся по схемам генераторов с внешним возбуждением, но выходной контур настроен на n – гармонику частоты возбуждения, а режим работы активного элемента выбирают таким образом, чтобы получить максимальные полезную мощность и к.п.д. Рекомендуется выбирать кратность умножения n = 2,3, т.к. при более высокой кратности резко снижается полезная мощность и к.п.д. Колебательные контуры должны иметь как можно более высокую рабочею добротность, чтобы снизить в выходном колебании напряжения с частотой возбуждения и других гармоник.


В проектируемом передатчике необходимо будет использовать умножитель частоты с кратностью умножения n = 8. Исходя из выше упомянутых рекомендаций умножитель частоты необходимо реализовать, как три последовательно включенных умножителя частоты при кратность умножения каждого из них n = 2.


    1. Усилитель мощности


Выходную мощность радиопередатчика формирует каскад усилителя мощности. В диапазоне высоких частот обычно используют транзисторный усилитель мощности по схеме с общим эмиттером, т.к. это обеспечивает наилучшую устойчивость работы. В состав усилителя мощности входят активный элемент, согласующие цепи, цепи питания и смещения. Чтобы обеспечить максимальный к.п.д и максимальную мощность необходима произвести расчет усилитель мощности в оптимальном режиме. Для реализации такого режима необходимо правильно спроектировать внешние цепи усилителя – питания, смещения и согласования.


    1. Усилители и согласующие цепи


Усилители необходимы, чтобы обеспечить требуемую мощность возбуждения каскадов, следующих за ними. Их необходимость определяется схемами реализации всех каскадов.

Согласующие цепи делятся на входные, выходные и межкаскадные.

Входная согласующая цепь преобразует входное сопротивление активного элемента в сопротивление возбуждения (сопротивление необходимое для нормальной работы возбудителя) при этом от возбудителя передается максимальная мощность. Так же входная согласующая цепь играет роль фильтра, обеспечивающего гармоническую форму напряжения или тока на входе активного элемента.

Выходная согласующая цепь преобразует сопротивление нагрузки усилителя в критическое сопротивление на выходных электродах активного элемента, которое требуется для получения оптимального режима работы усилителя. Также выходная цепь применяется для фильтрации выходного напряжения активного элемента от высших гармонических составляющих.

Межкаскадные согласующие цепи применяются в многокаскадных радиопередатчиках для преобразования входного сопротивления АЭ последующего каскада в оптимальное сопротивление на выходных электродах АЭ предыдущего каскада.


    1. Связь с антенной


В диапазоне коротких волн используется очень большое количество разнообразных антенн направленных и ненаправленных. Для обеспечения работы антенны в диапазоне частот необходимо использоваться антенно – согласующее устройство связь с которым осуществляется фидером. Фидер предназначен для передачи высокочастотной энергии от источника к нагрузке. Исходя из технического задания в качестве фидера может использоваться коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, например РК-75.
























2. РАСЧЕТ КВАРЦЕВОГО АВТОГЕНЕРАТОРА


    1. Схема автогенератора


Схема автогенератора изображена на рисунке 4, рабочая частота автогенератора 3125 кГц. В качестве активного элемента в схеме автогенератора будет применен биполярный транзистор КТ 315Б, т.к. он обеспечивает требуемую выходную мощность и может работать на рассчитываемой частоте. Параметры транзистора приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 1.



Рис. 4.


Автогенератор представляет собой емкостную трёхточку, которая образована транзистором VT1, кварцевым резонатором ZQ1, выполняющим роль индуктивности, и конденсаторами С2 и С3. Резисторы R1, R2, R3 обеспечивают внешнее и автоматическое смещение для транзистора. Конденсатор С1 служит для блокировки резистора R3 на рабочей частоте, что исключает отрицательную обратную связь. Дроссель L к включен для того, чтобы не зашунтировать трёхточку через источник питания Eк.


    1. Расчёт по постоянному току.


Задаём постоянную составляющую коллекторного тока IК0,напряжение между коллектором и эмиттером ЕКЭ и напряжение на эмиттере ЕЭ исходя из рекомендаций, в которых IК0 = (3 …10) mA, ЕКЭ = (3…10) B и ЕЭ = (2…3) B.


IК0 = 5 mA, ЕКЭ = 7 B и ЕЭ = 2 B.


Рассчитываем сопротивление автосмещения в эмиттерной цепи


R3 =ЕЭ / IК0 = 2/ 5 ∙ 10-3 = 400 Ом


Выбираем стандартное значение сопротивления R3 = 430 Ом.


Рассчитываем напряжение источника питания


EK = ЕКЭ + ЕЭ = 7 + 2 = 9 B.


Определяем ток базы


IБ0 = IК0 0 =5 ∙ 10–3 / 100 = 50 мкА,


где β0 – коэффициент передачи тока транзистора.


Задаём ток делителя напряжения цепи фиксированного смещения


IДЕЛ = (10…20) ∙ IБ0 = 10 ∙ 50 ∙10-6 = 500 мА.


Определяем сопротивление делителя напряжения


RДЕЛ = R1 + R2 =EK / IДЕЛ = 9 / 500 ∙ 10-6 = 18 кОм.


Определим напряжение смещения на базе транзистора


ЕБ = ЕЭ +0.7 = 2 + 0.7 = 2.7 В.


Найдем значения сопротивлений R1 и R2


R1 = ЕБ / IДЕЛ = 2.7 / 500 ∙ 10-6 = 5.4 кОм,

R2 = RДЕЛ – R2 = 18 – 5.4 = 12.6 кОм.


Выбираем стандартные значения сопротивлений R1 и R2:


R1 = 5.6 кОм, R2= 12 кОм.


    1. Расчёт по переменному току.


Определяем крутизну транзистора:

S = ,


где - высокочастотное сопротивление базы, - сопротивление эмиттерного перехода.


= τК / СК = 500 ∙ 10-12 / 7 ∙ 10-12 = 71.43 Ом,


где τК – постоянная времени цепи обратной связи, СК – ёмкость коллекторного перехода


= 26 / IК0 = 26 / 5 = 5.2 Ом.


S = 100 / ( 71.43 + 100 ∙ 5.2) = 169 мА/В.


Зададим коэффициент регенерации GP = (3…7) = 5 и определим управляющее сопротивление


RУ = GP / S = 5 / 169 ∙ 10-3 = 29.6 Ом.


Зададим коэффициент обратной связи автогенератора КОС = С3 / С2 = 1 и вычислим реактивное сопротивление емкости С3


X3 = == 27.5 Ом,



где rкв - сопротивление кварцевого резонатора, которое находится по формуле


rкв = 1 / ω ∙ Ck ∙ Qk = 1 / 2 ∙ π ∙ 3.125 ∙ 106 ∙ 1 ∙ 10-15 ∙ 2 ∙ 106 = 25.5 Ом.


Ck - емкость кварцевого резонатора, Qk – додротность кварцевого резонатора.


Найдем емкость конденсаторов С2 и С3


С2 = С3 = 1 / ωквX3 = 1 / 2 ∙ π ∙ 3.125 ∙ 106 ∙ 27.5 = 1.85 нФ.


Стандартное значение: С2 = С3 = 2 нФ.


Вычислим ёмкость блокировочного конденсатора


С1 = (10…20) = 20 / 2 ∙ π ∙ 3.125 ∙ 106 ∙ 5.2 = 196 нФ,


стандартное значение С1 = 220 нФ.


Рассчитаем индуктивность блокировочного дросселя


Lk = (20…30) = 20 ∙ 27.5 / 2 ∙ π ∙ 3.125 ∙ 106 = 28 мкГн.


Определим необходимость дросселя LБ из условия


R1 ∙ R2 / (R1 + R2 ) ≥ (20…30) ∙ X2,


если оно не выполняется, то дроссель необходим.


Проверка

5.6 ∙ 103 ∙ 12 ∙ 103 ≥ 25 ∙ 27.5

67200 ≥ 687.5


Условие выполняется, следовательно, дроссель не нужен.


    1. Энергетический расчёт автогенератора.


Определим коэффициент Берга γ1 = 1 / Gp и через него коэффициенты α0 и α1.


γ1 = 1 / Gp = 1 / 5 = 0.2; θ = 60˚;

γ0 = 0.11; α0 = 0.21; α1= 0.4.


Вычисляем амплитуду импульса коллекторного тока


Imk = Ik0 / α0(θ) = 5 ∙ 10-3 / 0.21 = 23.8 mA.


Проверяем условие Imk < Imk доп, 23.8 mA < 100 mA.


Определяем амплитуду первой гармоники коллекторного тока


Ik1 =α1(θ) ∙ Imk = 0.4 ∙ 23.8 ∙ 10-3 = 9.5 mA.


Рассчитываем амплитуду напряжения на базе транзистора


UmБ = Ik1 ∙ Ry = 9.5 ∙ 10-3 ∙ 29.6 = 0.282 B.


Вычисляем модуль коэффициента обратной связи


= = 0.73.


Находим амплитуду напряжения на коллекторе


Umk = = 0.282 / 0.73 = 0.386 B.


Определяем мощность, потребляемую от источника коллекторной цепью


P0 = Ik0 ∙ EКЭ = 5 ∙ 10-3 ∙ 7 = 35 мВт;


мощность, рассеиваемая кварцевым резонатором


Pкв = 0.5 ∙ ( UmБ / X2 ) 2 ∙ rкв = 0.5 ∙ ( 0.282 / 27.5 ) 2 ∙ 25.5 = 1.34 мВт;


Случайные файлы

Файл
156115.doc
32069.rtf
46495.rtf
94443.rtf
6320.rtf