Устройства генерирования и формирования сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

КАФЕДРА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Курсовая работа

«Устройства генерирования и формирования сигналов»

Студент г

Кулешов С.Р.

Тула 2022



Аннотация

Данная курсовая работа посвящена проектированию радиопередающих устройств различных типов и назначения. Она включает в себя комплекс вопросов схемотехнического, расчетного и конструктивного характера.

Главной задачей курсовой работы является выбор наиболее эффективных с технико-экономической точки зрения путей реализации технических условий на проектируемое устройство.

В данной работе представлен конкретный вариант задания, который содержит основные требования к разрабатываемому устройству. Эти требования содержат указания о назначении и условиях эксплуатации проектируемого устройства формирования радиосигналов, его мощности, диапазоне рабочих частот, видах модуляции.

В аналитическом направлении данной курсовой работы необходимо произвести патентный поиск, разработать структурную схему радиопередатчика, выбрать схемы его конкретных блоков.

После выполнения всех необходимых пунктов курсовой работы объем пояснительной записки составляет 20 страниц. В ней содержится 8 изображении.



Задание на курсовую работу

Разработать радиопередающее устройство, соответствующее заданным исходным данным.

Исходные данные:

· Назначение РПУ: радиовещательный.

· Вид модуляции: частотная.

· Мощность в режиме несущей: 2,5 кВт.

· Диапазон рабочих частот: 65,0...74,8 МГц.

· Сопротивление нагрузки: симметричная (300 Ом).

· Диапазон модулирующих частот: 60...15000 Гц.

· Входное напряжение НЧ сигнала: 1В на R_н=600 Ом.

· Индекс модуляции: 5

· Условия эксплуатации: УХЛ 4.



Введение

Принцип радиосвязи заключается в том, что на передающей стороне (в радиопередатчике) формируется высокочастотный сигнал определённой частоты - несущий сигнал. На него накладывается информационный сигнал, который нужно передать (звук, изображение и т. д.) - происходит модуляция несущей частоты информационным сигналом. Модулированный сигнал излучается передающей антенной в пространство, в виде радиоволн.

На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в приёмной антенне, откуда он поступает в радиоприёмник. Здесь система фильтров выделяет из множества наведённых в антенне токов от разных радиопередатчиков и от других источников радиоволн сигнал с определённой несущей частотой, а детектор восстанавливает из него модулирующий информационный полезный сигнал. Получаемый сигнал может немного отличаться от передаваемого радиопередатчиком, вследствие влияния помех.



1. Основная часть

1.1 Анализ технического задания

Реализация подобного рода устройств всегда сопряжена с трудностями. Таковыми являются, как условия эксплуатации (характеристики среды, климатические условия), так и экономические факторы.

Передатчик частотно-модулированных сигналов похож на АМ-передатчик, за исключением блока модуляции. Частотная модуляция осуществляется генератором радиочастоты, частота которого изменяется в соответствии с уровнем модулирующего сигнала звуковой частоты, поступающего от усилителя звуковой частоты.

В качестве генератора полезного сигнала целесообразно использовать автогенератор. Он обеспечивает автономность работы РПДУ. Однако его мощность мала. Поэтому генерируемый им сигнал необходимо будет усиливать.

Так как передача сигнала осуществляется в свободном пространстве, необходимо обеспечить стабильность передачи сигнала, несмотря на все помехи среды. Для этого рационально передавать модулированное колебание. Для этого в устройстве потребуется смешение двух сигналов: НЧ (от автогенератора) и ВЧ (от гетеродина). Это обеспечит большую стабильность передачи и устойчивость сигнала к помехам.

1.2 Патентно-информационный поиск

В данном разделе курсовой работы рассматриваются возможные способы реализации заданного устройства, а также проводится их сравнительный анализ.

Практически все схемы передатчиков частотно-модулированных сигналов можно представить по следующей упрощенной структурной схеме (рис. 1):

Рис. 1. Простейшая схема передатчика.

На данном рисунке показана блок-схема супергетеродинного ЧМ-приемника. Первый его каскад представляет собой резонансный усилитель радиочастоты, заменяющий блок настройки в АМ-приемнике. Этот каскад необходим в ЧМ-приемнике для обеспечения достаточного усиления несущей УКВ-диапазона. Гетеродин со смесителем (каскады 2 и 3) преобразуют выбранную частоту несущей к промежуточной частоте 10,7 МГц. Далее следуют усилители ПЧ. ЧМ-детектор или декодер (часто детектор отношений) преобразует изменения частоты в исходный сигнал звуковой частоты. Далее этот сигнал подается в низкочастотный блок, состоящий из усилителя напряжения и усилителя мощности звуковой частоты, и затем в нагрузку (громкоговоритель).

Во многих случаях из-за атмосферных помех уровень принимаемой несущей изменяется, что приводит к изменениям выходного сигнала приемника. Этот эффект можно существенно ослабить как в AM-, так и в ЧМ-приемниках, используя автоматическую регулировку усиления (АРУ).



Рис. 2. Блок-схема супергетеродинного ЧМ-приёмника.

АРУ осуществляется с помощью цепи обратной связи по постоянному току, как показано на рис. 3. Постоянная составляющая с выхода детектора подается обратно на вход первого УПЧ. Напряжение обратной связи управляет величиной коэффициента усиления этого УПЧ, уменьшая коэффициент усиления при увеличении амплитуды принимаемой несущей и увеличивая его при уменьшении этой амплитуды.

Рис.3. Автоматическая регулировка усиления (АРУ).

1.3 Обоснование технического решения

За счет невысокой мощности в режиме, несущей в данном устройстве имеется возможность использования минимального количества каскадов. Это повысит компактность РПДУ.

В качестве автогенератора целесообразно выбирать генератор с высокой частотой генерации. Это нужно для того, чтобы не использовать большого количества умножителей частоты, а вследствие этого, и усилителей.

В качестве генератора информационного сигнала можно использовать генератор пилообразных импульсов.

В качестве умножителей частоты рациональнее всего использовать схемы на микросхемах. Они гораздо проще схемотехнически, компактнее, а также имеют достаточно большой коэффициент умножения частоты. В некоторых случаях его даже возможно подстраивать за счет номиналов некоторых элементов в схеме. Это очень удобно и практично, особенно в случае с данным РПДУ.

Усилительные каскады можно собирать на СВЧ-транзисторах. Так как необходимое общее усиление по мощности в данной схеме не столь высокое (около 80), то их использование вполне оправданно.

Так как в схеме умножителя частоты регулируется емкость конденсатора, которая отвечает за выходную частоту блока, то ФМ-модулятор в данной схеме не нужен. Сигналы можно перемножить простым соединением блоком.

1.4 Разработка структурной схемы устройства

Структурная схема для разрабатываемого в курсовой работе РПДУ будет выглядеть как схема классического передатчика. Она изображена на рисунке (рис. 4):



Рис. 4: Структурная схема разрабатываемого РПДУ.

После прохождения сигналом процесса перемножения, для усиления по мощности он поступает на усилитель. Там он усиливается до нужной величины мощности и поступает на выход схемы, которым является антенна.

1.5 Разработка электрической принципиальной схемы устройства

Разработку электрической принципиальной схемы устройства рационально будет производить отдельными блоками структурной схемы, а потом произвести их объединение. Сначала необходимо произвести разработку генераторов схемы.

Разработка автогенератора.

Рис. 5. Схема LC-автогенератора



Автогенератор необходим, чтобы генерировать высокочастотное колебание, частота которого умножается в блоке умножителя частоты и перемножается с сигналом с другого входа. На другой его вход поступает информационный сигнал.

Схема автогенератора изображена на рисунке 5, рабочая частота автогенератора 9,2 мГц. В качестве активного элемента в схеме автогенератора будет применен биполярный транзистор КТ 340Б, т.к. он обеспечивает требуемую выходную мощность и может работать на рассчитываемой частоте.

Параметры транзистора:

Q = 100;

f_Т = 800 МГц;

С_К = 3.7 пФ;

ф_К = 0,04 нс;

I_{К МАХ} = 50 мА;

Р_{К ДОП} = 150 мВт;

U_{КЭ ДОП} = 20 В.

Проверим, можно ли пренебречь инерционностью этого транзистора в данных условиях. Для этого необходимо выполнение условия:

Задаём постоянную составляющую коллекторного тока I_К0, напряжение между коллектором и эмиттером U_КЭ и напряжение на эмиттере U_Э исходя из рекомендаций, в которых

Берем I_К = 50 мA, U_КЭ = 20 B и U_Б = 2 B.

Определим напряжение смещения на базе транзистора

Е_Б = Е_Э +0,7 = 2 + 0,7 = 2,7 В.

Рассчитываем сопротивление автосмещения в эмиттерной цепи

Выбираем стандартное значение сопротивления R₁ = 430 Ом.

Рассчитываем напряжение источника питания

E_K = U_КЭ + U_Э = 7,5 + 2 = 9,5 B.

Определяем ток базы

где в₀ = 100 - коэффициент передачи тока транзистора.

1) Расчёт по переменному току.

Определяем крутизну транзистора:

,

где - высокочастотное сопротивление базы, - сопротивление эмиттерного перехода.

,

где ф_К - постоянная времени цепи обратной связи, С_К - ёмкость коллекторного перехода



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

Зададим коэффициент обратной связи автогенератора К'_ОС = С₃ / С₂ = 1 и вычислим реактивное сопротивление емкости С₃

,

где r_кв - сопротивление кварцевого резонатора, которое находится по формуле

C_k - емкость кварцевого резонатора, Q_k = 30 - добротность кварцевого резонатора.

Найдем емкость конденсаторов С₂ и С₃

Стандартное значение: С₂ = С₃ = 706 нФ.

Вычислим ёмкость блокировочного конденсатора

,

стандартное значение С_бл = 66,5 нФ.

Рассчитаем индуктивность блокировочного дросселя

стандартное значение L_бл = 246 мкГн.

Мощность рассеиваемая на транзистора на уровне 30-60 мВт.

Разработка элементов колебательного контура

Элементы колебательного контура автогенератора рассчитываются так, чтобы обеспечить найденные ранее сопротивление нагрузки автогенератора R_K и коэффициент обратной связи К.

Нагруженная добротность колебательного контура автогенератора определяется выражением:

Тогда коэффициент включения колебательного контура в коллекторную цепь равен:

Рассчитаем значения реактивных сопротивлений элементов колебательного контура, включённых между коллектором и эмиттером, между базой и эмиттером и соответствующих этим сопротивлениям ёмкостей:

Из номинального ряда выберем С₁ = 270 пФ, С₂ = 3,83 пФ.

Найдём значение индуктивности колебательного контура:

Коэффициент включения нагрузки в контур автогенератора определяется формулой:

Подставляя числовые значения величин, получаем значение р_Н = 0,049.

Расчёт цепи согласования

Сложность схемотехнических решений оконечных каскадов в связи с многообразием противоречивых требований требует тщательной проработки систем связи ОК с нагрузкой. В идеальных ЦС, содержащих только реактивные элементы, потери энергии отсутствуют. В реальных ЦС всегда есть потери энергии, которые необходимо учитывать при расчете фактически необходимой мощности в нагрузке и при расчете теплового режима ЦС. Согласовать внутреннее сопротивление ОК с нагрузкой наиболее просто применением многоконтурных систем, согласованных друг с другом по входу и по выходу. При этом потери энергии в элементах трансформирующей цепи должны быть незначительными. В оконечном каскаде для улучшения энергетических показателей каскада стремятся получить КПД близкий к 1. В промежуточных каскадах величина КПД выбирается, как правило, из соображений устойчивости и бывает сравнительно невелика _т (0,1... 0,3). Схемотехника согласующих цепей во многом определяется полосой рабочих частот РПДУ. В этой работе мы выбираем П-образную цепь, которая введена ниже.

Рис. 6 П-образная цепь согласования

По семейству характеристик лампы на рис. 5, можно почитать выходное сопротивление триода:

R_вх = R_ак = 415 Ом

;

;

в частном случае ;

Видно, что , соответственно свойству П-цепочки связи.

Отсюда

Из ряда нормированных величин, выбираем

Выбор источника питания

Источником первичного питания является промышленная сеть напряжением 220В, частотой 50Гц. Источник вторичного электропитания должен обеспечивать постоянные выходные напряжения величиной 6В (для питания микросхем) и 17В (для питания транзисторных каскадов).

Схема вторичного источника должна содержать следующие элементы:

· понижающий трансформатор;

· диодный мост с фильтром;

· стабилизатор.

Ниже приведена схема источника питания.

Рис.7. Источник вторичного питания

Далее будет рассмотрен блок умножителя частоты. Его схема приведена на рисунке (рис. 8):

Рис. 8. Умножитель частоты.

Данный блок умножает частоту входного сигнала. Коэффициент умножения зависит от номинала подстроечного конденсатора. В диапазоне его изменения от 24 до 30 пФ на выходе можно получить колебание с частотой в диапазоне от 65 до 80 МГц. Это выходное колебание является несущим для выходного сигнала, обеспечивая стабильность передачи сигнала в свободном пространстве.

Рис. 9. Усилитель сигнала.

Данный блок необходим для усиления выходного сигнала до необходимой рассчитанной выходной мощности. Он представляет собой каскад на СВЧ-транзисторе с общим стоком. В силу использования сигнала с частотой СВЧ-диапазона в схеме применяются микрополосковые линии, которые обеспечивают согласование. Также следует отметить, что присутствуют входная и выходная цепи, представляющие собой RC-контур. Они также применяются для согласования цепи с предыдущими каскадами.

Выводы на основе произведенных расчетов

В данной курсовой работе были рассчитаны элементы радиопередатчика. В анализе технического задания были показаны основные блоки этого устройства.

После этого был выполнен предварительный расчет устройства, который показал, какую выходную мощность необходимо получить в последнем каскаде, чтобы обеспечить требуемую мощность на выходе устройства. Также этот расчет помог решить, какой коэффициент усиления должен иметь усилительный тракт радиопередающего устройства, а также какой транзистор необходимо использовать в схеме усилителя.

Далее был выполнен выбор схем для блоков устройства с подходящими под расчет параметрами.

Умножитель частоты был представлен компактной схемой на микросхеме, состоящей из трех инверторов, и СВЧ-транзисторе. Также к этому блоку было применено схемотехническое решение о постановке подстроечного конденсатора параллельно микросхеме, который напрямую изменял выходную частоту данного каскада. Это позволило избежать использование схемы ФМ-модулятора в данном устройстве и дало возможность напрямую перемножать выходные сигналы с умножителя и генератора информационного сигнала.

Усилитель был собран на базе импортного аналога отечественного СВЧ-транзистора ЗП321 (2SC5945). Он обеспечивает усиление по мощности для входного примерно в 100 раз. Так как выходная мощность автогенератора составляет порядка 10 мВт, то такого каскада вполне достаточно, чтобы усилить сигнал до необходимой на выходе устройства величины.

Рабочая температура используемых компонентов располагается в диапазоне от -40 до +60 градусов. Такой диапазон температур вполне достаточен, чтобы обеспечить функционирование данного передатчика в средней полосе и южных широтах планеты. Этот факт делает разработанное РПДУ универсальным.

Размеры устройства пострадали из-за использования двух источников питания. Однако, схемотехническое решение о перемножении сигнала и получении модулированного колебания на выходе устройства без использования блока ФМ-модулятора в данном РПДУ позволило несколько скорректировать его размеры.



Заключение

Данная курсовая работа посвящена проектированию радиопередающих устройств различных типов и назначения. Она включала в себя комплекс вопросов схемотехнического, расчетного и конструктивного характера.

Главной задачей курсовой работы был выбор наиболее эффективных с технико-экономической точки зрения путей реализации технических условий на проектируемое устройство.

В данной работе был представлен конкретный вариант задания, который содержал основные требования к разрабатываемому устройству. Эти требования указывали назначение и условия эксплуатации проектируемого устройства формирования радиосигналов, его мощность, диапазон рабочих частот и вид модуляции.

В результате был получен РПДУ в соответствии с техническими требованиями, заданными в варианте данной работы.

радиопередающий колебательный цепь электрический



Список литературы

1. Радиопередающие устройства: П./ ред. О.А. Челнокова. - М.: Радио и связь, 1982.

2. Проектирование радиопередающих устройств / Под. ред. А. П. Сиверса. - М.: 1989.

3. Проектирование радиопередающих устройств / Под ред. В.В. Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 1993.

4. Радиопередающие устройства. Учеб. для ВУЗов / Под ред. М. В. Благовещенского, Г. М. Уткина. - М.: Радио и связь, 1989.

5. Хурхулу Ю.С. - Конспект лекций по дисциплине Устройства генерирования и формирования сигналов, 2012.

6. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справ. / Под ред. А. В. Голомеева. - М.: Радио и связь, 1989.

Размещено на Allbest.ru

...