![]() |
РУБРИКИ |
Однополосный радиопередатчик |
РЕКОМЕНДУЕМ |
|
Однополосный радиопередатчикОднополосный радиопередатчикМинистерство общего и профессионального образования Российской Федерации УГТУ - УПИ им. С.М. Кирова Кафедра радиопередающих устройств Пояснительная записка к курсовому проекту Проектирование однополосного связного передатчика Студент: Бурнев Б.В. Группа: Р-478 Преподаватель: Булатов Л.И. Екатеринбург, 2000 Анотация В курсовой работе рассматриваются вопросы проектирования связного
передатчика с ОБП, перестраиваемого в диапазоне частот 45 .... 50 МГц. Содержание
3. Расчетная часть. 3.2 Расчет оконечного каскада.................................................................10
..................................................................13
3.5.1 Расчет работы транзистора...........................................................20 3.5.2 Расчет элементов колебательного контура. ................................21 3.6 Формирование однополосного сигнала. 4. Импульсный источник питания................................................................27 5. Расчет токов в ветвях и напряжений на узлах ОК и 1. Условные обозначения БМ – балансный модулятор; ОК – оконечный каскад; ПФ – полосовой фильтр; ФНЧ – фильтр нижних частот; ГУН – генератор управляемый напряжением; ПГ – перестраиваемый генератор; ПЧ – промежуточная частота; УПЧ – усилитель промежуточной частоты; УНЧ – усилитель низкой частоты; Г – генератор; ДПКД – делитель, с переменным коэффициентом деления; ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты; УЭ – управляющий элемент; КГ – кварцевый генератор; АМ – амплитудная модуляция; БТ - биполярный транзистор; ОЭ – общий эмиттер; ОБ – общая база; КР – кварцевый резонатор. В проекте рассматривается расчет связного радиопередатчика с однополосной модуляцией (ОБП). Такой вид модуляции является разновидностью амплитудной модуляции. Известно, что двухполосная АМ обладает высоким удельным расходом мощности, поскольку основная мощность сигнала сосредоточена на несущей частоте и лишь малая ее часть - в боковых лепестках, так же сигнал АМ занимает широкую полосу спектра ((fAM = 2(fB, где fB – верхняя частота модулирующего процесса). Энергетически более выодна балансная модуляция (БМ), представляющая собой АМ с подавлением несущей. При БМ на передачу сообщения затрачивается вся мощность передатчика, что и обуславливает ее высокую энергетическую эффективность. Более экономичной по занимаемой полосе частот является однополосная
модуляция, ширина спектра ОБП (fОБП = fB, что в два раза меньшеполосы
сигналов АМ и БМ, при сохранении высокой энергетической эффективности. Недостаток ОБП сигнала заключается в том, что для точного восстановления сообщения на приемной стороне необходимо формирование опорного колебания, частота и фаза которого должны точно совпадать с частотой и начальной фазой несущей. Однако, при ОБП несущая в спектре сигнала отсутствует, что приводит к искажениям сообщения при его восстановлении. При передаче речевых сообщений допустима некоторая расстройка по частоте (до десятков герц) между опорным колебанием и нсущей [8] без снижения существующего качества принятого речевого сигнала. Это позволяет формировать опорные автономным генератором и не передавать сигнал несущей. В силу перечисленных выше причин ОБП широко применяется в системах передачи речевых сигналов, а вопросы связанные с проектированием и применением радиопередатчиков с однополосной модуляцией весьма актуальны. Кроме того, представляют самостоятельный интерес методы формирования
сигнала ОБП и схемные решения, их реализующие. 3.1 Расчет структурной схемы. По проектному заданию требовалось расчитать связной однополосный
передатчик со следующими параметрами: Началом проектирования служит составление структурной схемы передатчика, согласно которой, потом рассчитываются отдельные каскады передатчика. За основу была взята стандартная структура передатчика, а количество и назначение отдельных каскадов выбиралось согласно требованиям технического задания, следующим образом: Требуемая нестабильность частоты [pic], учитывая, что такую стабилизацию частоты можно получить только при кварцевой стабилизации, необходимо построить кольцо ФАПЧ, с включенным в него для стабилизации частоты кварцевым генератором. Тип сигнала передатчика - однополосный, поэтому требуется включать в
схему балансный модулятор. При фазокомпенсационном методе формирования ОБП
сигнал с микрофона и сигнал с генератора опорной частоты подаются на два
входа БМ, на один вход напрямую, а на второй вход через фазовращатель. В
результате на выходе сигнал НБП приходит в противофазе и
взаимокомпенсируется, и остается только удвоенный сигнал ВБП. Поэтому при
фазокомпенсационном методе достаточно использовать один балансный
модулятор. При фильтровом методе сигнал НБП отфильтровывается, а получить
фильтр, который позволял бы на частоте передатчика отфильтровать полосу
частот, равную ширине речевого спектра, невозможно, поэтому требуется
формирование ПЧ. Промежуточные частоты и параметры фильтров на выходе БМ
подбираются таким образом, что бы комбинационные частоты и высшие гармоники
не попали в диапазон рабочих частот передатчика. Для того, что бы выполнить
все указанные требования, при проектировании передатчика с фильтровым
методом формирования ОБП, потребуется три балансных модулятора. Выходная мощность передатчика Р=2,5 Вт, а максимальная мощность, на которую может работать микросхема на которой собран БМ – 30(35 мВт, а значит требуется усиление на два порядка. Такой коэффициент усиления невозможно получить только в оконечном каскаде, а значит требуется еще два или три усилительных каскада. Оконечный каскад обязательно требуется согласовать с фидером антенны, для этого ставится согласующая цепь. Для того, чтобы не допустить попадание гармоник сигнала в антенну необходимо перед антенной установить фильтр нижних частот. Структурная схема, построенная по результатам всех изложенных умозаключений показана в приложении. Сигнал с выхода микрофона попадает на БМ1, на второй вход которого подается сигнал с кварцевого генератора с частотой 500 кГц, на выходе БМ1 полосовым электромеханическим фильтром отфильтровывается сигнал верхней боковой полосы, далее вторым БМ сигнал ОБП переносится за пределы диапазона перестройки передатчика, на частоту 85,5 МГц, полученный сигнал на БМ3 с помощью ГУНа переносится в заданный диапазон частот. Далее от сигнала отфильтровываются сигналы гармоник фильтром нижних частот, полученный сигнал усиливается в оконечном каскаде и, через цепь согласования попадает в антенну. Для стабилизации частоты перестраиваемый генератор стабилизируется через кольцо ФАПЧ от кварцевого генератора. Установкой коэффициента деления ДПКД, установленного на выходе ПГ, задается частота колебаний ПГ, и, соответственно частота сигнала передатчика. 3.2 Расчет оконечного каскада. Для получения заданной мощности на выходе, расчет начинают с ОК. Для
реализации схемы выбран ВЧ транзистор средней мощности 2Т921А, параметры
представлены в Таблице 1. Электрический расчет режима работы транзистора состоит из двух этапов – расчет коллекторной цепи и расчет входной цепи. Расчет проводился по методике, изложенной в [6] 3.2.1 Расчет коллекторной цепи Расчет коллекторной цепи ведется при заданной мощности Р1 + 10% (на
потери в цепи согласования и фильтре) и заданном напряжении питания 12В. [pic][pic]; [pic][pic]; 3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока. [pic][pic]; [pic][pic]; [pic]; [pic]; [pic]; [pic]. Из результатов расчета видно, что транзистор недоиспользуется по
мощности, у схемы низкий КПД и выходное сопротивление ниже желаемого 1. Амплитуда первой гармоники напряжения Uk1 на коллекторе. 2. Максимальное напряжение на коллекторе. Uk.max = 40.5 B; 3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока 4. Постоянная составляющая коллекторного тока и максимальный коллекторные ток. Ik0 = 0.22 A; Ik.max = 0.69 A; Ек = 20 В. В результате перерасчета транзистора исчезла необходимость в цепи согласования (выходное сопротивление передатчика стало равно входному сопротивлению фидера антенны), также увеличилось использование транзистора по мощности и увеличился КПД коллекторной цепи: P0max = 4.35 Вт; P0ном = 4.35 Вт; ( = 0.68; 3.2.2 Расчет входной цепи. 1. Амплитуда тока базы 2. Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе
[pic]; [pic]; 6. Значения в эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора. [pic] [pic] 7. Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора ZВХ = rВХ + jXВХ тогда ZВХ = 8.92 – j0.559 Ом |ZВХ| = 8.36 Ом 8. Входная мощность [pic]; [pic]. Во входной цепи так же рассчитывается делитель напряжения, который
должен обеспечивать напряжение смещения на базе. Для стабильности
напряжения смещения ток протекающий через делитель должен быть не менее RД = 50 Ом.; RД = R18. Если на сопротивлении Rд напряжение равно напряжению смещения на базе, то остальное напряжение от источника должно падать на сопротивлении R17. [pic] Остальные элементы схемы (конденсатор С28 и катушка индуктивности L12) являются блокировочными, исходя из этого их номиналы выбираются следующим образом: XС_бл ( 0 ( Значение блокировочной емкости Cбл равно единицы мкФ Сопротивление блокировочной катушки индуктивности ВЧ составляющей
напряжения должно быть максимально большим ( Для подавления высших гармоник усиленного сигнала требуется, между ОК и антенной поставить фильтр нижних частот. Для расчета воспользуемся методикой изложенной в [2]. Фильтр должен удовлетворять следующим параметрам: Максимальное затухания в полосе пропускания ?D = 0.0436 дБ; Затухание в полосе удержания ?S = 40 дБ; Коэффициент отражения ? = 10% ( ?(?) = 20 дБ; Граничная частота полосы пропускания fD = 50 МГц; Граничная частота полосы задержания fS = 90 МГц. 1. Введем нормированную частоту границы полосы задержания Задавшись максимальным затуханием в полосе пропускания и затуханием в полосе удержания по графикам в справочнике определим порядок фильтра, такие параметры обеспечивает фильтр Чебышева 7-го порядка. Значения нормированных элементов фильтра следующие: |с2 = 1.436820 |l1 = 1.009729 | Значения нормировочных коэффициентов 4. Определение номиналов элементов схемы фильтра. Значения элементов определяем по формулам Индуктивности: Емкости: |С2 = 91.47 пФ |L1 = 160.7 нГн | Полученная схема фильтра нижних частот седьмого порядка показана на рис.3. Для проверки выполнения требований к параметрам фильтра была построена [pic]Как видно из построенной АЧХ все требования к частотным и энергетическим параметрам фильтра выполняются, затухание в полосе удержания значительно ниже требуемых –40 дБ. 3.4 Предварительный усилитель мощности. Для обеспечения заданной мощности на выходе передатчика нужно подать на вход ОК мощнлсть 1,07 Вт, для этого на выходе третьего балансного модулятора поставить два усилителя мощности. Схема представляет собой широкодиапазонный УПЧ. Подобные схемы с общей базой (или общим эмиттером) и гальванически
заземленным (соединенным с корпусом) коллектором весьма типичны для техники
транзисторных ГВВ. Несмотря на посредственно содиненный с корпусом
коллектор, данный каскад сохраняет все особенности, характерные для схемы с
Перестройка диапазона передатчика реализована с помощью перестраиваемого генератора стабилизированного с помощью кольца ФАПЧ. Схема перестраиваемый генератора представляет собой стандартную емкостную трехточку с включенным в контур варикапом. Поэтому расчет проводился по принципу расчета автогенератора, с использованием указаний по расчету из [1]. 3.5.1 Расчет работы транзистора Генератор должен перестраиваться от 105.5 до 110.5 МГц. По параметрам Мощность рассеиваемая на коллекторе P1 = 0.85 Вт. Постоянная времени обратной связи (К = 300 пС. Емкость коллектора не более СК = 4 пФ. Статический коэффициент усиления тока базы (0 = 20-80. Напряжение коллектор эмиттер UКЭ_ДОП = 70 В Для облегчения задачи проектирования, для питания коллекторной цепи зададимся уже существующим напряжением питания 20 В. 1. Для расчета зададимся фактором регенерации G = 5.1; 2. Находим коэффициент разложения косинусоидального импульса (1 (() и по таблицам определяем (1, (o, Cos (. (1 = 1 / G = 0,196; 3. Напряжение на коллекторной нагрузке автогенератора: UK=EK(( = 8,7; 3. Зная напряжение питания найдем первую гармонику коллекторного тока ik1 : IK1=(1/(oIK0 = 0,2; 5. Зная величину первой гармоники найдем постоянную 5. Сопротивление коллекторной нагрузки: rk= uk/ik1 = 44,6; 6. Задаемся величиной ( так, чтобы обеспечить недонапряженный режим генератора. (= 0,44. 7. Мощность, подводимая к генератору: Ро= Ек Iко =2,18 Вт; 8. Рассеиваемая на коллекторе мощность: Рк= Ро – P1 = 1,32 Bт; 9. По известной величине фактора регенерации рассчитывается коэффициент обратной связи: K=G/SoRK =[pic]; 10. Напряжение обратной связи : Uб = uk К = [pic]В; 11. Входное сопротивление автогенератора : rbx= uб/iб1 = (оUБ/IK1 = 2.6 Ом; где (о - статический коэффициент усиления тока базы. 12. Постоянная составляющая тока базы : Iб0 = Iко / (о = [pic]А; 13. Смещение на базе : еб= е'б- UБCos( = 0,54 В; 3.5.2 Расчет элементов колебательного контура. Элементы колебательного контура автогенератора рассчитываются так, чтобы обеспечить найденные ранее сопротивление нагрузки автогенератора rk и коэффициент обратной связи К. 1 .Определяется коэффициент включения контура в коллекторную цепь: [pic]; 2. Реактивное сопротивление элемента колебательного контура между коллектором и эмиттером – X1: X1= рк ( =11,34 Ом; 3. Реактивное сопротивление контура между базой и эмиттером: Х2= К X1 = 6,49 Ом; 4. Коэффициент включения нагрузки в контур автогенератора: [pic] Ом; 5. Оставшиеся элементы контура определяются так: ХL = ( = 300 Ом ; Хсз = ( - X2- Х3 = 282 Ом; Схема автосмещения нужна затем, чтобы резисторы R1 и R2 при отсутствии колебаний удерживали транзистор в открытом состоянии. После самовозбуждения генератора за счет тока базы смещение автоматически должно измениться так, чтобы установился режим с определенным ранее углом отсечки. Напряжение смещения в установившемся режиме определяется соотношением: еб= EKR2/(R1+R2)-IБОR1R2(R1+R2). (1) Задаемся величиной енач = Е R2 / (R1 +R2), (2) где Е - напряжение источника питания автогенератора, енач> е'б ; енач =(0,9 - 1,0) В. После подстановки (2) в (1) получим: R1=Ек(1-ЕБ/ЕНАЧ)/IБО = 3,24 кОм; Далее из (2) находится R2 = 1,7 кОм; На принципиальной схеме R1 = R7 ; Расчет элементов схемы. Расчет схемы элементов произведем на нижней частоте ПГ fН = 105,5 МГц. Значения емкостей и индуктивности находятся из значений реактивных сопротивлений: [pic] [pic] C21В.н = 132,9 пФ*; L9 = 452,6 нГн; C20 = 2321,2 пФ; C19 = 5,34 пФ; Расчет величины изменения емкости варикапа выполняется из того условия,
что контур будет настроен на резонанс и на верхней частоте равной 110,5 [pic]**; Величина изменения емкости варикапа равна СВ = C1В.в - C1В.н = 95 пФ. Формирование ОБП производится фильтровым методом, для формирования сигнала на ПЧ используются три балансных модулятора. Балансные модуляторы реализованы на интегральной микросхеме К174ПС. Микросхема представляет собой двойной балансный смесительдля частот до 200 МГц и предназначена для преобразования частот УКВ – диапазона в радиоприемной и связной аппаратуре. [pic] Микросхема имеет следующие параметры: Для всех трех БМ используется одинаковое типовое включение микросхемы, отличаются только параметры элементов. Для обеспечения заданной нестабильности частоты опорное напряжение на
входы балансных модуляторов подается от кварцевых генераторов. На вход
первого БМ1 опорное напряжение с КГ собранного на биполярном транзисторе по
схеме трехточки (рис.7а) с частотой резонанса КР 500 кГц. На вход
второго БМ2 подается опрное напряжение от КГ с частотой генерации 60 МГц Из-за ослабления полезного сигнала при прохождении фильтров и балансных модуляторов, возникает необходимость в усилении сигнала промежуточной частоты. Для этой цели на входе третьего балансного модулятора включен УПЧ, т.к. усиливаемый сигнал имеет очень малую ширину спектра, равную спектру модулирующего колебания (3,3 кГц на частоте 60 МГц), то УПЧ собран по простой схеме на БТ с ОЭ (рис .8) Модулирующий сигнал поступает на один из входов первого БМ с микрофона. В связной аппаратуре основные требования предъявляются к следующим
параметрам УНЧ: 4. Импульсный источник питания При расчете оконечного каскада и перестраиваемого генератора возникла
необходимость в питающем напряжении 20 В. Так же для реализации балансного
модулятора потребуется микросхема с напряжением питания 9 В. Для получения
требуемых напряжений Наиболее подходящий способ для получения требуемых
напряжений – проектировка импульсного источника питания. Генератор
импульсов и схема ключей будут собраны на логических инверторах, всего
используется шесть инверторов, для реализации выбрана цифровая микросхема Для импульсного источника питания рассчитывается генератор импульсов R1 = R2; C1 = C2; R3 = R4; Причем R3 >> R1. Период симметричного меандра, при напряжении питания инверторов 12 В, равен T = 2,2(R1(C1. Для построения импульсного источника питания зададимся частотой f = Если выбрать R1 = R2 = 300 кОм , тогда величина емкостей равна C1 =
6. 5. Расчет токов в ветвях и напряжений на узлах ОК и ФНЧ
7. Диаметр провода катушки выбирается исходя из соображений ее допустимого нагрева где d - диаметр провода; IL - радиочастотный ток; f - частота тока; ?Т - разность температур провода и окружающей среда (?Т = 40...50 К). [pic][pic] ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполнение курсовой работы был спроектирован однополосный связной радиопередатчик с параметрами, удовлетворяющими требованиям технического задания. В ходе работы мной были приобретены умения по проектировке генераторов, усилителей мощности. Получены навыки в проектировании радиопередающих устройств.
1. Радиопередающие устройства: Метод. указания по курсовому проектированию / Л.И. Булатов; Б.В. Гусев; Ф.В. Харитонов. Екатеринбург: УПИ, 1992, 28с. Пер. Снем. – М.: Мир, 1982. – 512 с., ил. В.А. Борисов, В.В. Калмыков, Я.М. Коальчук и др.; под ред. В.В. Калмыкова. – М.: РиС, 1990. – 304с. Справочник. Т.1 - М.: КУбК-а, 1997. - 688с., ил.
----------------------- [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic]
[pic] [pic] [pic]
[pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] [pic]
|
|
© 2010 |
|