Размещено на http://allbest.ru

Курсовой проект

Устройства генерирования и формирования сигналов

Введение

Целью данного курсового проекта является проектирование ЧМ-передатчика низовой радиосвязи. Такие передатчики входят в состав подвижных и стационарных радиостанций, используемых наземными службами различных ведомств и отраслей экономики страны: министерствами связи, лесной промышленности и сельского хозяйства, службами геологоразведки, охраны общественного порядка и пожарной охраны, железнодорожного и автомобильного транспорта, металлургических комбинатов, угольных и рудных разрезов.

В большинстве случаев за каждой низовой радиостанцией на длительное время закрепляется одна рабочая частота.

Станциями низовой радиосвязи обычно пользуются работники различных профессий, не имеющие специальной радиотехнической подготовки, причем без отрыва от выполнения своих основных обязанностей.

Все перечисленные особенности радиостанций низовой радиосвязи накладывают определенные ограничения и должны обязательно учитываться при проектировании передатчика низовой связи.

1. Техническое задание

Частота колебаний, МГц250

Выходная мощность, Вт2

Вид модуляции ЧМ

Сопротивление нагрузки, Ом75

Напряжение питания, В12

Характер работы мобильный

Дополнительные требования тональный вызов абонента

2. Анализ технического задания

Исходя из требований, изложенных во введении, необходимо построить надежный, портативный, мобильный и несложный в эксплуатации ЧМ-передатчик.

Исходя из технического задания, данный передатчик будет устанавливаться в носимые радиостанции и питаться химическими источниками тока.

С учетом всех этих требований, выбираем согласно [1]:

Рабочая частота250 МГц;

Максимальная девиация частоты5 кГц;

Полоса передаваемых частот300...3400 Гц;

Допустимые нелинейные искажения10%.

В связи с тем, что проектируемый передатчик должен иметь небольшие габариты и малый ток потребления, выбираем в качестве активных элементов транзисторы. Они обладают следующими преимуществами:

- устойчивость к механическим воздействиям;

- мгновенная готовность к работе;

- низкое питающее напряжение;

- широкодиапазонность.

3. Выбор структурной схемы передатчика

3.1 Общие соображения по выбору структурной схемы

В передатчиках угловая модуляция может быть получена прямым способом, когда модулируется непосредственно частота автогенератора, или косвенным способом, когда в промежуточном каскаде производится фазовая модуляция. Достоинство прямого способа - возможность получения глубокой и достаточно линейной частотной модуляции, недостаток - трудность обеспечения стабильности средней частоты колебаний с ЧМ. Достоинства косвенного способа - высокая стабильность средней частоты, недостатки - неглубокая модуляция, трудность передачи низких модулирующих частот. На практике применяют оба способа, поэтому при проектировании следует выбрать один из них, обеспечивающий требования, предъявляемые к передатчику.

Возможность получения глубокой и линейной ЧМ делает прямой способ предпочтительным в радиовещательных и связных магистральных передатчиков. При этом требуемая стабилизация средней частоты колебаний может быть обеспечена за счет использования кварцевой стабилизации.

Но так как транзисторный автогенератор, стабилизированный по частоте кварцевым резонатором имеет небольшую мощность, современные передатчики строятся по многокаскадной схеме.

Передатчики большинства отечественных низовых УКВ станций имеют структурную схему, приведенную на рис.1.

Рис.1 Структурная схема УКВ ЧМ передатчика

Модулирующее напряжение звуковой частоты от микрофона М через усилитель звуковой частоты (УЗЧ) и каскады обработки поступают на частотный модулятор (ЧМ). На него также поступает напряжение радиочастоты f_рч =125 МГц от генератора Г. Для уменьшения паразитной амплитудной модуляции следующий каскад строится как усилитель-ограничитель (УО). Затем, для углубления угловой модуляции производится умножение частоты на 2 в умножителе. Последующие каскады - усилитель мощности (УМ) и выходной фильтр (ВКС), настроенный на рабочую частоту 250 МГц. Усилители, ограничители, умножители строятся как резонансные каскады для подавления нерабочих составляющих спектра. Полоса пропускания фильтрующих систем определяется полосой рабочей частоты станции.

3.2 Расчет структурной схемы передатчика

Так как в структурной схеме используется умножитель частоты на 2, то частота колебаний автогенератора определится как

МГц.

Все каскады передатчика будем строить, используя в качестве активных элементов биполярные транзисторы, так как рабочая частота сравнительно невелика.

Детальный расчет транзисторных каскадов приведен ниже, это длительная и трудоемкая работа, поэтому эскизный расчет структурной схемы будем проводить без детального расчета режима каждого каскада, на основе справочных и экспериментальных данных.

Экспериментальные данные содержат сведения о полученных на частоте f определенной мощности Р₁ при КПД коллекторной цепи ?, коэффициенте усиления по мощности К_р и питающего напряжения Е_к. В передатчиках мощные транзисторы используются почти на пределе их возможностей по частоте, то есть в области “высших” частот

,

поэтому их коэффициент усиления по мощности К_р мал и зависит от частоты следующим образом:

К_Р>К_Р(f /f)²(Е_К/Е_К)(Р₁/Р₁)(1)

где f, К_Р, Р₁, Е_К - условия работы транзистора в рассматриваемом каскаде. Найдя таким образом коэффициент усиления транзистора по мощности, можно использовать для определения мощности предшествующего каскада следующую формулу:

Р_пред=Р₁/К_Р(2)

Основные данные для расчета структурной схемы:

fр=250 МГц; Р1=0,5 Вт; ?f=5 кГц.

При проектировании усилителя мощности следует учесть потери в выходной колебательной системе, взяв примерные значения из [2]: с_(ВКС)=0.8. Таким образом, усилитель мощности должен обеспечивать мощность в нагрузке:

Р_1УМ=Р₁/с_(ВКС)=0,5/0,8=0,63 Вт.

В качестве активного элемента для УМ выбираем транзистор 2N2222A со следующими параметрами:

f =300 МГц; Р_Н=2 Вт; К_Р=7...40; а_Т=50...60; Е_П=12 В; в=90.

Используя формулы (1), (2) найдем Р_УЧ:

Р_УЧ=0,8/22,7=35 мВт

В умножителе частоты будем использовать транзистор типа КТ340B со следующими параметрами:

f =300 МГц; Р_Н=100 мВт; К_Р=5...7; Е_П=12.0 В; d=90.

Используя формулы (1), (2) найдем Р_УЧ:

Следовательно, Р_УО=Р_УЧ/К_УЧ=35/11,6=3 мВт.

Зададимся выходной мощностью задающего автогенератора. Пусть Р_1ЗГ=0.6 мВт. Тогда усилитель-ограничитель должен обеспечить усиление по мощности К_РУО:

К_РУО=Р_УО/Р_1ЗГ=3/0.6=5

Используя полученные выше данные можно составить структурную схему проектируемого передатчика, которая приведена в приложении.

4. Расчет принципиальных электрических схем отдельных каскадов передатчика

4.1 Расчет усилителя мощности

В качестве усилителя мощности будем использовать однотактный генератор, работающий с отсечкой тока, выходная цепь связи которого будет обеспечивать фильтрацию высших гармоник. Электрическая принципиальная схема такого однотактного генератора вместе с фильтрующей цепочкой П-типа приведена на рис.2.

Рис.2 Схема электрическая принципиальная однотактного УМ

Фильтрующая П-цепочка (L₁,C₁, C₂) позволяет либо повышать, либо понижать нагрузочное сопротивление R_Н.

Электрический расчет режима работы транзистора состоит из двух этапов - расчет коллекторной цепи и расчет входной цепи. При этом входная цепь транзистора строится таким образом, чтобы импульсы коллекторного тока были близки к отрезкам симметричной косинусоиды с углом отсечки б=90, либо близким к нему.

4.1.1 Расчет коллекторной цепи

Исходные данные для расчета.

Одним из важнейших параметров при расчете коллекторной цепи является номинальная мощность Р_1НОМ при работе транзистора в критическом режиме Р_1НОМ = 0.7 Вт.

Как уже отмечалось выше, в усилителе мощности будем использовать биполярный транзистор 2N2222A, обладающий следующими параметрами:

r_нас=2...4 Ом; U_кдоп=36 В; I_к0доп=1 А; I_кдоп=1 А.

Согласно техническому заданию, напряжение питания выберем Е_к=12 В, а угол отсечки ?.

1. Амплитуда первой гармоники напряжения U_К1 на коллекторе.

,

где Я)=0.5 (согласно коэффициентам Берга).

В.

2. Максимальное напряжение на коллекторе.

U_КMAX=E_K+(1.2...1.3)U_K1КР.

U_KMAX=12+1.210=24 В.

Проверим условие U_KMAX<U_KДОП: 24<36 В, следовательно напряжение питания и тип транзистора выбраны правильно.

3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока.

А.

4. Постоянная составляющая коллекторного тока

.

.

5. Максимальный коллекторный ток

I_KMAX=I_K0/ш₀(б<I_KДОП.

I_KMAX=0.09/0.318=0.28 A< 1 A.

6. Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного питания.

P_0MAX=P_0НОМ=E_KI_K0=120.09=1.08 Вт.

7. КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке.

с=P_1НОМ/Р_0НОМ=0.7/1.08=65 %.

8. Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе транзистора.

Р_КMAX=Р_0НОМ - Р₁К_БВХ,

где К_БВХ=0.71. Следовательно

Р_КMAX=1.08-0.70.71=0.58 Вт.

9. Номинальное сопротивление коллекторной нагрузки.

R_ЭКНОМ=U_К1КР² / (2Р_1НОМ) = (7.5)²/(20.7) = 40.2 Ом.

4.1.2 Расчет входной цепи

В расчете предполагается, что между базовым и эмиттерным выводами по радиочастоте включен резистор Rд, сопротивление которого определяется из условия

Rд=?f_TC_Э,

а между коллекторным и базовым выводами - резистор с сопротивлением, определяемым соотношением

R_БК=бf_TC_К.

Для биполярного транзистора 2N2222A эти параметры имеют следующие значения

f_T=300 МГц; в₀=20; C_K=15 пФ; C_Э=50 пФ.

Тогда

R_Д = 20/(2?Ом.

R_БК = 20/(2шОм.

На частотах f>3f_T/б_? в реальной схеме генератора можно не ставить Rд и R_БК, однако в последующих расчетных формулах их необходимо учитывать.

1. Амплитуда тока базы.

,

где ?f_TC_KR_ЭК.

В нашем случае

б0.5; R_ЭК = 6.7 Ом, тогда

Я=1+ 0.523.1430010⁶1510^-126.7=1,1

Следовательно

А.

2. Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе.

.

В нашем случае Е_отс=0,7 В; U_БЭдоп=4 В, тогда имеем

.

3. Постоянные составляющие базовых и эмиттерных токов.

I_Б0=I_K0/с_?=0.09/20=4,5 мА.

I_Э0=I_K0+I_Б0=0.09+0.0045=94,5 мА.

4. Напряжение смещения на эмиттерном переходе.

.

В нашем случае, r_Б=0; r_Э=0 для транзистора 2N2222A, следовательно получаем

.

5. Значения L_ВХОЭ, r_ВХОЭ, R_ВХОЭ, C_ВХОЭ в эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора.

Исходные данные для расчета:

L_Б=2.9 нГн;

L_Э=1.7 нГн;

С_КА=(0.2...0.3)СК=3 пФ.

L_ВХОЭ=L_Б + L_Э/в= 2.9 + 1.7/1.1 = 4.2 нГн.

r_ВХОЭ = [1+0.52а30010⁶1.710^-9]/1.29 = 4.5 Ом.

.

R_ВХОЭ=[-4.5 + 2120.5] / 1.1 = 23.9 Ом.

С_ВХОЭ = бf_TR_ВХОЭ) = 20/(23.1430010623.9) = 0.148 пФ.

6. Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора

Z_ВХ = r_ВХ + jХ_ВХ.

Ом.

7. Расчет входной мощности.

P_ВХ = 0.5I_Б²r_ВХ = 0.50.26²6.6 = 0,22 Вт.

8. Коэффициент усиления транзистора по мощности.

К_Р = Р₁/Р_ВХ = 0.7/0.022 = 3,1.

4.1.3 Расчет цепей питания

В мощных оконечных каскадах, где транзисторы обычно работают с отсечкой тока, на эмиттерный переход подают запирающее смещение, которое обычно обеспечивается на сопротивлении автосмещения в цепи базы транзистора (рис. 3).

Автосмещение в цепи базы транзистора

Рис.3 Автосмещение в цепи базы транзистора

При это обеспечивается равенство:

Е_Б = R₂I_БО.

Обычно дроссель L_БЛ исключают, допуская некоторое шунтирование транзистора по входу сопротивлением автосмещения. В этом случае сопротивление R₂ по радиочастоте может выполнять роль добавочного R_Д.

Однако, выше уже отмечалось, что на частотах f > 3f_T/?, то есть f = 3300/20 = 45 МГц <250 МГц, в реальной схеме генератора R_Д можно не ставить.

Транзисторы диапазона СВЧ обычно работают с нулевым смещением на эмиттерном переходе, поскольку введение отпирающего смещения вызывает опасность самовозбуждения, а запирающего - снижает усиление транзистора. Роль блокировочных дросселей выполняют индуктивности выводов транзистора, индуктивность которых составляет 20...30 нГн.

Блокировочные емкости С_БЛ в цепях питания транзистора следует выбирать из условия

.

Исходя из этого выбираем С_БЛ равными 0.1 мкФ.

4.1.4 Расчет трансформирующей цепи

Узкодиапазонные трансформирующие цепи с коэффициентом перекрытия по частоте K_f<1.1...1.2, в том числе и K_f= 1 выполняют на основе согласующих цепочек.

Исходные данные для расчета ФНЧ - трансформатора:

рабочая частота - 250 МГц;

- R_ВХНОМ = R_ЭК = 40 Ом;

- R_H = 75 Ом;

- К_БФ=0.71.

1. Определяем параметр r

r = R_Н / R_ВХНОМ = 75/40 = 1,87.

2. Коэффициент перекрытия по частоте K_f = 1.

3. Определяем параметр б = (1-K_БФ)² / (1+К_БФ)².

а = (1-0.71)² / (1+0.71)² = 0.029.

4. Число реактивных элементов при максимально гладкой АЧХ:



Принимаем K_f = 1.1, тогда имеем

Округляя полученное значение, получаем m=2.

5. В соответствии с полученным после округления m=2 уточняем ?.

Исходя из этого, получаем

?a = 10lg (1/(1-б))=0.005 дБ.

6. Коэффициенты а₁ и а₂ при m=2 принимают следующие значения

;

а₂ = rа₁.

а1 - 1 / K_f ² = 0.174;01+ 1 / K_f ² = 1.83.

а₂ = 0.561.87 = 0,93.

7. Определим LC - элементы при R_ВХНОМ<R_Н

L₁= а₁R_ННОМ/2аf_B = 0.5675 / 23,1425010⁶ = 0.02 мкГн.

С₁= а₂ /2аf_BR_ННОМ = 0,93/ 23,1425010⁶75 = 7,9 пФ.

С учетом полученных сведений построим электрическую принципиальную схему трансформирующего ФНЧ (Рис. 4).

Рис. 4 Электрическая принципиальная схема трансформирующего ФНЧ

4.2 Расчет автогенератора

4.2.1 Выбор и расчет параметров схемы

Для проектируемого передатчика выбираем схему гармоникового АГ с кварцевой стабилизацией частоты и резонатором между коллектором и базой (рис. 5).

Рис.5 Гармониковый автогенератор с резонатором между коллектором и базой

Автогенератор должен обеспечить мощность в нагрузке Р_Н=0.6 мВт на рабочей частоте f_р=125 МГц.

- R₁ = 50 Ом;

- C₀ = 5 пФ;

- Q_КР = а_?L₁/R₁ = 10⁵.

Допустимая мощность рассеяния на кварцевом резонаторе:

Р_КР.ДОП = 2 мВт.

Выбираем а=Р_Н/Р_КР=0.6, где Р_КР - мощность рассеиваемая на кварцевом резонаторе.

б₀=Я_оC₀R₁=212510⁶510^-1250=0.18.

Определим мощность рассеиваемую на резонаторе

Р_КР=Р_Н / а=0.6 / 0.6=1 мВт.

Видим что Р_КР<Р_{КР ДОП}.

Выбираем транзистор типа ГТ311Е со следующими параметрами:

f_ГР = 150 МГц;

I_КMAX =50 мА;

Р_КMAX = 150 мВт;

Е_КЭMAX = 12 B;

E_ОТС = 0.3 В.

Выбираем Е_КЭ<(0.4...0.5)Е_КЭMAX = 5 В и амплитуду импульсов тока коллектора i_КМ<0.5I_КMAX = 10 мА.

Определяем St = S₁(а, где S - локальная крутизна статистической характеристики транзистора при i_K=0.5i_KM.

Получим S=0.127 А/В.

Выберем а, то есть а. Следовательно S₁ = 0.0254 A/B.

Нормированная по f_S частота колебаний

а_S=125/150=0.8.

Определим сопротивления Х₁ и Х₂ по формулам

Индуктивность L₂ и емкость С₃ определяем из условия

1+в₁²L₂C₃<n²(n-2)², где n и (n-2) - номера выбранной для возбуждения и ближайшей низшей нечетной гармоники.

Принимая в_?^?L₂C₃=2, из выражения



находим

При известном С₃ определяем значение L₂

Относительная разница между частотами f и f₁

Для более точной настройки КГ необходимо одну из емкостей (С₂ или С₃) выполнить полупеременной (30%).

4.2.2 Расчет режима работы транзистора

1. I_K0=а_?вi_KM=0.2181010^-3=2.2 мА.

2. I_K1=а_?вi_KM=0.3911010^-3=3.9 мА.

3. Амплитуда напряжения на базе определяется как

4. Амплитуда напряжения на коллекторе

где

5. Мощность, подведенная к коллекторной цепи

Р₀=I_K0E_КЭ=2.1810^-35=11 мВт.

6. Мощность, рассеиваемая на коллекторе

Р_К=Р₀-Р₁=1110^-3-1.110^-3=9.9 мВт.

7. Постоянная составляющая тока базы

I_Б0=I_K0/?_о=2.210^-3/0.05 = 44 мА.

8. Напряжение смещения на базе



9. Принимаем R_Э=[100...500]Ом, R_Э=300 Ом.

10. Сопротивление R4 определим из соотношения

R₄=(10...20)Х₂ = (367...734) Ом.

R₄=500 Ом.

11. Напряжение источника питания

Е_П=Е_КЭ+(I_КО+I_БО)R_Э

Е_П = 5+(2.210^-3+0.04410^-3 )300 = 5.7 В.

12. Напряжение в точке соединения R2, R3, R4

Е_Д=Е_Б0+(I_K0+I_Б0)R_Э=0.91 В.

13. Принимая ток через делитель равным 5I_Б0, получаем

I_Д=0.22 мА.

14. Находим значения сопротивлений резисторов

R₃=(Е_К-Е_Д)/I_Д=21.8 кОм=22 кОм.

R₂=Е_Д/(I_Д-I_Б0)=5.08 кОм=5.1 кОм.

4.3 Расчет частотного модулятора

Выбираем ЧМ-модулятор, модуляция в котором осуществляется с помощью варикапа (рис. 6).



Рис. 6 Частотный модулятор на варикапе

Согласно ТЗ, рабочая частота f_РАБ=125 МГц , девиация частоты ?f=5 кГц , выходная амплитуда напряжения ВЧ-колебаний на контуре U_??5.5 B. Емкость контура автогенератора С=39 пФ, добротность контура Q=180.

Глубина допустимой паразитной АМ меньше 1%, коэффициент нелинейных искажений меньше 10%.

Напряжение источника питания 12 В.

1. Выбираем варикап КВ102 со следующими параметрами:

С_Н=22...32 пФ; n=1/2; C_MAX/C_МПН=3; а_K=0.8 B; добротность Q_B>200, допустимое напряжение смещения Е_СМAX=45 B.

Относительная девиация частоты аf/f₀ = 5/125=0,04.

2. Необходимое изменение емкости контура для получения заданной девиации частоты

аC=2аfC/f₀=2510³3910^-12/12510⁶=0,31 пФ.

Выбираем напряжение смещения на варикапе Е_СМ=6В, при этом емкость варикапа С₀=25 пФ.

Сопротивление делителя напряжения при токе делителя

I_ДЕЛ=(100...1000)I_ОБР=1 мА.

R₁+R₂=E/I_ДЕЛ=12/110^-3=12 кОм.

Выбираем R₁=R₂=6 кОм.

5. Для ослабления факторов, дестабилизирующих частоту генерации, выбираем наименьший коэффициент включения варикапа в контур:

р²С₀/C=10^-2, отсюда р=0.124.

6. Постоянная составляющая емкости, вносимой варикапом

С=рС₀=0.12425 пФ=3.1 пФ.

7. Необходимое изменение емкости варикапа в процессе модуляции

вC=вC/p²=0.01/(0.124)²=0.65 пФ.

8. Емкость конденсатора связи

С_св=С₀р/(1-p)=3.54 пФ.

9. Амплитуда модулирующего напряжения на варикапе при крутизне характеристики варикапа в выбранном режиме

S=аC/аU=при Е_СМ=6В=6 пФ/B.

U_?B=вC/S=0.65/6=0.108 B.

10. Амплитуда напряжения высокой частоты на варикапе

Uо_B=p²U_о=0.124²5.5=8.4 мВ.

11. Проверка режима работы варикапа

U_оB+U_оB=(0.0084+0.108)<6 B.

12. Коэффициент паразитной амплитудной модуляции m_AM

13. Нормированная амплитуда модулирующего сигнала

14. Коэффициент нелинейных искажений

где

М₂=5.5910^-3;

М₃=3.5310^-5;

М₄=9.4110^-7;

k_?=5.5910^-3=0.6%<<10%.

Заключение

передатчик электрический схема

В результате проделанной работы был спроектирован УКВ-ЧМ передатчик низовой радиосвязи. Все требования технического задания обеспечены. Структурная и электрическая принципиальная схемы представлены в приложении.

Схемное решение передатчика может быть усовершенствована путем замены функциональных узлов микросхемами и внедрением новых высокочастотных транзисторов с большими К_Р и КПД.

Список литературы

Скупой В.Ф. “Методические указания к курсовому проекту по радиопередающим устройствам. Часть 1. Выбор, обоснование и расчет структурных схем РПУ”. - Таганрог: ТРТИ 1985. - 19 с.

Скупой В.Ф. “Методические указания к курсовому проекту по радиопередающим устройствам. Часть 2. Проектирование принципиальных схем передатчиков с частотной модуляцией”. - Таганрог: ТРТИ 1986. - 12 с.

Скупой В.Ф. “Методические указания к курсовому проекту по радиопередающим устройствам. Расчет кварцевых ЧМ - автогенераторов”. - Таганрог: ТРТИ 1989. - 18 с.

Размещено на Allbest.ru

...