Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа по теме

Радиопередающие устройства

Автор работы: С. Лукаш

Проверил: В. Щербань

Рига 2019

Оглавление

• 1. Техническое задание
• 2. Синтезатор сетки частот
• 2.1 Структурная схема
• 2.2 Условие синхронизма
• 2.3 Описание работы и расчет синтезатора сетки частот с фазовой автоподстройкой частоты
• 3. Опорный кварцевый генератор
• 3.1 Принципиальная схема ОКГ
• 3.2 Расчет параметров и режима работы кварцевого генератора
• 3.2.1 Выбор транзистора
• 3.2.2 Расчёт параметров транзистора
• 3.2.3 Расчет паров колебательной системы и цепи обратной связи
• 3.2.4 Расчет энергетических параметров автогенератора
• 3.2.5 Расчет цепи питания транзистора
• 3.2.6 Расчет делителя
• 4. Оконечный каскад
• 4.1 Принципиальная схема ОК
• 4.2 Расчет выходной цепи
• 4.3 Расчет входной цепи
• 4.4 Расчет элементов цепи питания
• 5. Блок выходных фильтров
• 6. Синтезатор частоты диапазона 144 МГц
• Заключение
• Список использованной литературы
• 1. Техническое задание

синтезатор фазовый цепь генератор

Задачей настоящей курсовой работы является показать принцип работы передающего устройства на современной элементной базе полупроводниковых приборов, обеспечивающего формирование радиосигналов в заданном рабочем диапазоне частот и заданную мощность, выделяемую на нагрузке.

Рис. 1 Структурная схема радиопередающего устройства

Устройство включает в себя следующие составляющие:

-- Возбудитель - в его состав входят три блока: ОКГ, ССЧ, УВИС. Он предназначен для формирования гармонических колебаний с постоянными параметрами:

- ОКГ - опорный кварцевый генератор, являющийся источником высокостабильных колебаний;

- ССЧ - синтезатор сетки частот, формирующие из опорной частоты необходимые рабочие частоты;

- УВИС - устройство ввода информационного сигнала (модулятор);

-- ТУМ - тракт усиления мощности - позволяет усилить мощность промодулированного радиочастотного сигнала до мощности, требуемой на выходе устройства..

-- БВФ - блок выходных фильтров - связывает оконечный каскад с излучающей антенной (производит согласование выходного сопротивления оконечного каскада с входным сопротивлением антенны) и осуществляет фильтрацию паразитных гармоник, присутствующих на выходе оконечного каскада.

Параметры проектируемого устройства генерирования

Диапазон рабочих частот	144 МГц
Мощность в нагрузке Pн	80 Вт
Тип транзистора	Полевой
Тип ССЧ	Синтезатор с ФАПЧ
Тип ОКГ	АГ с кварцевым резонатором в цепи ОС
Частота ОКГ fокг	6 МГц
Шаг сетки частот fш	2,5 кГц
Вид модуляции	ЧМ
№ фильтра	2
Подавление, дБ	27

2. Синтезатор сетки частот

ССЧ по техническому заданию будет строиться по схеме системы косвенного синтеза на основе фазовой автоматической подстройки частоты (Phase-Locked Loop, PLL).

2.1 Структурная схема

Синтезаторы частоты на основе фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) получили большое распространение в разных отраслях современной радиотехники. Такие синтезаторы позволяют получить синусоидальный сигнал с частотой в гигагерцы и дискретностью менее ста герц, синхронный опорной частоте и фазовой стабильностью не хуже, чем у опорного генератора. Кроме того, синтезаторы на основе ФАПЧ обеспечивают высокую спектральную чистоту сигнала, необходимую для радиолокационной аппаратуры высокого разрешения.

Рис. 2 Структурная схема синтезатора частот

2.2 Условие синхронизма

В данном случае используется принцип сравнения частоты и фазы выходного сигнала, формируемого генератором, который управляется напряжением, (ГУН) с сигналом опорного генератора (ОГ). Выходная частота делителя , называемая частотой сравнения, подается на один из входов устройства сравнения. В качестве устройства сравнения используется, как правило, фазовый детектор (ФД) или частотный детектор (ЧД). На другой вход устройства сравнения подается сигнал ОГ с частотой, поделенный с помощью соответствующего делителя на K. Узлы, в которых происходит преобразование выходной частоты синтезатора в частоту сравнения, образуют тракт приведения частоты. Устройство сравнения вырабатывает управляющий сигнал, величина которого пропорциональна разности частот и .

Управляющий сигнал через фильтр нижних частот (ФНЧ), необходимый для фильтрации этого сигнала и обеспечения устойчивости работы синтезатора, подается на вход ГУН и производит подстройку частоты. В работающем синтезаторе обычно устанавливается режим, при котором, тогда номинал выходной частоты: . Другими словами,

PLL-синтезатор умножает опорную частоту в N/K раз.

2.3 Описание работы и расчёт синтезатора сетки частот с фазовой автоподстройкой частоты

В нашем случае требуется обеспечить диапазон перекрытия с шагом 2,5 кГц:

- при передаче 144500...146000 кГц;

- при приеме - на 10700 кГц ниже частоты сигнала при передаче, т. е. 133800...135300 кГц.

Выбираем частоту кварцевого резонатора равной 6 МГц.

Отсюда М=6000/2,5=2400

Для работы на передачу для нижней частоты диапазона 144500 кГц следует установить:

=144500/2,5=57800

Для верхней границы диапазона146000 кГц:

=146000/2,5=58400

Для работы на приём для нижней частоты диапазона 144500 кГц следует установить:

=133800/2,5=54300

Для верхней границы диапазона146000 кГц:

=135300/2,5=541200

С помощью ДПКД следует обеспечить изменение коэффициента деления N через 1 в пределах 57800…54400 на передачу и 54300…54120 на приём.

3. Опорный кварцевый генератор

Автогенератор -- это прибор, преобразующий энергию источников питания в энергию высокочастотных колебаний без внешнего возбуждения.

Автогенераторы являются первичными источниками колебаний, амплитуда и частота которых определяются только собственными параметрами схемы и должны в очень малой степени зависеть от внешних условий.

В составе автогенератора обязательно должны быть генераторный прибор и колебательная система. Генераторный прибор управляет подачей порций энергии источников питания в колебательную систему для поддержания в ней колебаний постоянной амплитуды. Колебательная же система используется для задания частоты колебаний, обычно близкой к одной из ее собственных частот.

В многокаскадных передатчиках основные требования предъявляются к стабильности частоты автогенератора, мощность же и КПД автогенератора не являются критичными параметрами.

Обеспечить основное требование -- высокую стабильность частоты, автогенератор может лишь в случае, если его колебательная система будет обладать высокой эталонностью и добротностью.

Опорный кварцевый генератор в работе представляет собой автогенератор с кварцевым резонатором, включенным в цепи обратной связи.

В такой схеме принципиально возможно возбуждение колебаний нестабилизированных кварцевым резонатором за счет шунтирующего действия емкости кварцедержателя C₀. Для подавления таких колебаний резонатор шунтируется индуктивностью L₀.

Учитывая, что максимальная стабильность частоты автогенератора может быть получена только в том случае, когда частота генерации совпадает с частотой последовательного резонанса КвР, выберем кварцевый резонатор с частотой f_кв=f_г=f_ОКГ=6 МГц.

3.1 Принципиальная схема ОКГ

Рис. 3 Принципиальная схема кварцевого генератора.

3.2 Расчет параметров и режима работы кварцевого генератора

3.2.1 Выбор транзистора

Для схемы выберем транзистор ГТ 316:

f_т = 800 МГц - предельная частота усиления по току в схеме с ОЭ;

S_гр = 0,03А/В - крутизна линии граничного режима транзистора;

в₀ = 40 - коэффициент передачи по току;

Е_бо = 0,6В - напряжение запирания;

С_к = 4,5пФ - емкость база-коллектор;

r_б = 100 Ом- сопротивление материала базы

Выбор кварцевого резонатора осуществляется исходя из f_кв.

Параметры кварцевого резонатора:

f_кв = 6МГц,

R_кв = 24,5Ом,

Q_кв = 59000,

C₀ = 6,3пФ,

P_кв = 0.2 мВт.

Для обеспечения высокой стабильности амплитуды колебаний угол отсечки коллекторного тока в стационарном режиме выбирается из условия 80⁰??120⁰

Зададимся углом отсечки =80⁰. Коэффициенты Берга при таком угле осечки равны: ₀ = 0,286; ₁ = 0,473

3.2.2 Расчёт параметров транзистора

Максимально возможная амплитуда импульса коллекторного тока транзистора: А; пусть i_km = 5мА.

Определяем крутизну транзистора:

,

Средняя крутизна по первой гармонике:

Первая гармоника коллекторного тока мА.

В

3.2.3 Расчет пар-ров колебательной системы и цепи обратной связи

Сопротивление резистора в эмиттерной цепи

Ом.

Резистивное сопротивление, результирующее параллельного соединения входного сопротивления транзистора и резистора R₄

Ом.

Зададим эквивалентное сопротивление контура в точках подключения кварцевого резонатора

Ом.

Вспомогательный параметр

Отношение ёмкостей

Эквивалентное сопротивление контура

Ом.

Параметры колебательной системы:

Ом; нФ; мкГн; нГн;

C₁ = KC₂ = 0,071•19,3•10^-9=1,4нФ

Индуктивность, нейтрализующая ёмкость кварцедержателя:

3.2.4 Расчет энергетических параметров автогенератора

Вспомогательный параметр

Сопротивление коллекторной нагрузки транзистора:

Ом.

Амплитуда напряжения на коллекторе: В.

Из условия получения недонапряженного режима работы E_к < (0,3…0,6)U_к.доп. выберем:

E_к = 0,4U_к.доп. = 4В

Проверка режима работы транзистора:

В.

Tак как U_к< U_кгр, то действительно генераторный прибор работает в недонапряженном режиме.

Расчет мощности, потребляемой от источника коллекторного напряжения:

мВт.

Мощность, отдаваемая транзистором

Р_- = 0.5U_кi_km1=

Расчет мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора: мВт.

Расчет КПД коллекторной цепи:

3.2.5 Расчет цепи питания транзистора

Расчет постоянной составляющей тока базы:

мкА.

Напряжение смещения на базе:

В.

Выбор значения сопротивления в эмиттерной цепи:

Ом

Ток базового делителя:мкА

Напряжение источника коллекторного питания

3.2.6 Расчет делителя

Расчет делителя базируется на выполнении двух условий:

- должно быть исключено шунтирование колебательной системы АГ делителем;

- напряжение смещения между базой и эмиттером должно соответствовать расчетному значению

Расчет R₁: кОм

Расчет R₂: кОм

Найдем значение сопротивления делителя:

Ом.

3.2.6.4 Емкость конденсатора C_э должна быть достаточно велика для обеспечения фильтрации переменной составляющей (R_эC_э>1/?_г), но, с другой стороны, должна обеспечивать стационарный режим колебаний АГ, то есть отсутствие режима прерывистой генерации и самомодуляции. Емкость C_э может быть определена при известных R_э, Q_к и _г из неравенства:

Выберем стандартное значение емкости C_э=1,6 нФ

Выбор С_бл2:

4. Оконечный каскад

Оконечный каскад необходим для создания необходимой мощности на выходе, так как возбудитель для обеспечения высокой стабильности колебаний работает на малых мощностях. Как покажет дальнейший расчет, в данной работе для обеспечения необходимой мощности в оконечном каскаде используется две двухтактных схемы. Основным фактором, влияющим на расчет режима работы транзисторов, будет расчет на заданное значение мощности Р₁ - мощности первой гармоники, отдаваемой в нагрузку одним транзистором. Расчет ведется при угле отсечки 90 градусов. При описании входной цепи необходимо также рассчитать номиналы элементов, составляющие корректирующе-согласующие цепи для формирования чисто резистивного сопротивления, которые представляют собой параллельный контур, являющийся дополняющей цепью для последовательного контура, который явно появляется при отображении эквивалентной схемы транзистора.

4.1 Принципиальная схема ОК

Рис. 4 Принципиальная схема оконечного каскада

В качестве транзистора для оконечного каскада был выбран транзистор 2П913А со следующими параметрами:

Таблица 2

Ес-и/Ез-и/Ез-с	Vс-и/Vз-и/Vз-с	Ico	Е0	S	Sгр	Lи/Lз/Lс	Сз-и/Сз-с/Сс-и	Rт	Tп доп
50/20/60	65/20/75	19,0	7.0	1.5	1,4	0.2/2.5/2.5	360/25/275	1.5	150??

4.2 Расчет выходной цепи

По заданию мощность в нагрузке Рн=80Вт

Допустимое значение мощности на коллекторе

Рк.доп =Вт

Е_к =27В<=

Импульс коллекторного тока:

i_km=

Мощность одного транзистора (отдаваемая в нагрузку):

Вт

Мощность в оконечном каскаде: P_ок =

Количество двухтактных схем: n=1

Мощность, которую должен отдавать один транзистор: Вт

Получаем новое выражении для ikm:

Сопротивление нагрузки по первой гармонике:

R_к = Ом.

Приведём к стандартному значению волнового сопротивления кабеля: R_к = 4,7Ом.

Пересчитаем с новым значением сопротивления нагрузки:

Мощность первой гармоники, отдаваемая в нагрузку одним транзистором Р1 = =45,6Вт

Тогда Р_ок =Вт

Проверим соблюдение эксплуатационных ограничений

А) Uкm не должно превышать Ес-и:

Uкm=Ек+ Uк=В

Условие выполнено.

Б) Icо не должно превышать допустимое значение:

I_со =

Условие выполнено.

Мощность, потребляемая транзистором от источника питания:

P₀ = Вт.

Коэффициент полезного действия по коллекторной цепи:

?= <=>60,3%

Ток первой гармоники коллекторного тока: i_k1 =

4.3 Расчет входной цепи

Определим граничную частоту транзистора по крутизне:

Верхняя частота рабочего диапазона: рад/с

щs>щв, следовательно входное сопротивление транзистора можно считать емкостным.

Нагрузочный коэффициент, учитывающий снижение усиления за счет действия обратной связи через проходную емкость транзистора:

Амплитуда напряжения на входе фазового контура, равного напряжению между затвором и истоком транзистора:

Коэффициент усиления каскада по напряжению:

Входная емкость транзистора:

пФ.

Рассчитаем входную согласующую цепь:

д=0,25 дБ; b1=0,548; b2=0,844

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мощность, необходимая для возбуждения каскада:

Коэффициент усиления каскада по мощности:

4.4 Расчет элементов цепи питания

RС_бл <<R_бал> С_бл = 61пФ.

Выбираем на 2 порядка больше с ближайшим номиналом С_бл= 61*100=6100?6800пф

RС_р1<<R_бал> С_р1 = 82пФ

Выбираем на 2 порядка больше с ближайшим номиналом С_р1 = 82*100=8200?10000пф

R_k< L_p > L_p =

5. Блок выходных фильтров

Отличие реальных характеристик транзисторов от кусочно-линейных и асимметричность плеч двухтактных схем приводит к тому, что в выходном сигнале каждой из базовых двухтактных схем, а значит, и на выходе передатчика появляются высшие гармоники, уровень которых может превысить допустимые значения. Поэтому в широкополосных передатчиках, каскады которых не содержат резонансные фильтрующие цепи, между выходом устройства двухтактных схем и входом антенно-фидерного устройства включается блок фильтров вида П-фильтра.

5.1 Принципиальная схема БВФ

Рис. 5 Принципиальная схема блока коммутируемых фильтров

6. Синтезатор частоты диапазона 144 МГц

Все дальше в прошлое уходят задающие генераторы и гетеродины "плавного диапазона", плавно "ползущие" по частоте при изменениях температуры и резко "прыгающие" при скачках напряжения питания. Попытки стабилизировать частоту кварцевым резонатором приводили к невозможности ее перестройки. И лишь с появлением простых и дешевых синтезаторов частоты стало возможным иметь сигнал с "кварцевой" стабильностью практически не любой желаемой частоте. Правда, перестройка частоты получается теперь не плавной, а скачкообразной, что в некоторых случаях (например, при работе на УКВ с ЧМ) даже полезно. Описание несложного синтезатора частот диапазона 2 метра мы и предлагаем читателю.

Данный синтезатор частоты предназначен для применения в составе УКВ радиостанций с ЧМ, работающих в диапазоне 144 МГц и имеющих приемник с промежуточной частотой 10,7 МГц.

Синтезатор имеет четыре функциональных режима работы:

· "Channel". В этом режиме полоса частот выходного сигнала синтезатора при передаче составляет 144500...146000 кГц, а при приеме - на 10700 кГц ниже частоты сигнала при передаче, т. е. 133800...135300 кГц. Режим предназначен для симплексной связи в одном канале, когда оба корреспондента работают на одной и той же частоте.

· "Step". Он предназначен для выбора и установки шага перестройки частоты: 2,5, 12,5,25 кГц.

· "Repeater". Здесь полоса частот выходного сигнала синтезатора при передаче составляет 145000... 145200 кГц, а при приеме - на 10700 - 600 кГц ниже частоты сигнала при передаче, т. е. 134900... 135100 кГц. Этот режим позволяет принимать сигналы репитеров, отвечающих на частоте, сдвинутой на 600 кГц вверх, т. е. в полосе частот 145600... 145800 кГц.

· "Scan". В этом режиме производится поиск станций, работающих в полосе частот 144500 МГц... 146000 кГц, с шагом, выбранным в режиме "Step".

Минимальное число кнопок управления синтезатором частоты обеспечивают быстрый доступ ко всем функциональным режимам работы. К недостаткам устройства можно отнести только относительно большое время установки частоты, в пределах одной секунды.

Синтезатор частоты выполнен на микросхеме фирмы Motorola МС145170-2 [1]. "Сервис" осуществлен на микроконтроллере фирмы Atmel AT90S8515 [2]. В качестве интерфейса пользователя служат кнопки SB1 - SB3 и девятиразрядный се ми сегментный индикатор HG1.

Схема синтезатора приведена на Рис. 6. Сигнал с выхода генератора, управляемого напряжением (ГУН), поступает через "Вход Fгун" на вывод 4 микросхемы DD1. Здесь он сравнивается с эталонной частотой, получаемой от встроенного генератора на кварцевом резонаторе ZQ1. Сигналы ошибки с фазовых детекторов микросхемы подаются на фильтр нижних частот (ФНЧ), собранный на элементах R1-R6, С1, С4, С11, и далее через "Выход Uynp" - на элементы управления частотой ГУН. Таким образом, замыкается петля фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ).

Рис. 6 Принципиальная схема синтезатора частоты на микросхемах

Микросхема DD1 управляется микроконтроллером DD2 по трем проводам с выходов РВ4, РВ5 и РВ7. С выхода РВ7 (вывод 8) поступает сигнал синхронизации "sck", с выхода РВ5 {вывод 6) - сигнал данных "data", с выхода РВ4 (вывод 5) - сигнал разрешения замены старых данных на вновь поступившие "enbl".

Сигналы с выходов портов А и С микроконтроллера дешифрируются микросхемами DD3, DD4 и отображаются на буквенно-цифровом дисплее HG1. Исполнение команд подтверждают звуковые сигналы, воспроизводимые пьезоэлектрическим излучателем звука BF1.

В авторском варианте устройства использован ГУН от выпускаемой промышленностью радиостанции "Эстакада", его схема представлена на рис. 2. С выхода ГУН для смесителя приемника должен сниматься сигнал с частотой на 10,7 или на 11,3 МГц (в зависимости от режима) ниже, чем для передатчика. Поэтому необходимо обеспечить диапазон перестройки ГУН 133800... 135300 кГц для приемника и 144500... 146000 кГц для передатчика. При таком большом разносе частот передачи и приема оказалось целесообразно использовать два отдельных генератора, собранных на транзисторах VT1 VT3. В зависимости от режима работы радиостанции ключевые каскады на транзисторах VT2 и VT4 подают питание на один или другой генератор.

Рис. 7 Принципиальная схема ГУНов

Выходные сигналы генераторов поступают на два буферных каскада, собранных на транзисторах VT5 и VT6. Они включены постоянно и, кроме развязки генераторов от остальных каскадов радиостанции, обеспечивают подачу на базы генераторных транзисторов напряжения смещения. Оно снимается с делителя R13R14 и через транзистор VT5, являющийся для напряжения смещения эмиттерным повторителем, поступает на базы генераторных транзисторов.

Схема соединения ГУН с синтезатором, включая цепи питания, показана на рис. 3. Поскольку требуемые напряжения питания для синтезатора и ГУН разные, 5 и 8 В соответственно, использованы два отдельных стабилизатора напряжения: первый микросхемный DA1 типа 78L05, и второй, собранный на дискретных элементах VT1,VD1, R1 иС1.

Рис. 8 Принципиальная схема питания 12 В синтезатора частоты

Заключение

В данной работе приведена схема реального синтезатора частоты для формирования сигналов генератора передатчика и гетеродина приёмника, были описаны и рассчитаны принципиальные схемы некоторых ключевых элементов устройства формирования радиосигналов: усилителя мощности оконечного каскада и кварцевого автогенератора. Кроме того, на структурном уровне был сформирован синтезатор сетки частот в требуемом рабочем диапазоне. Также рассчитаны номиналы элементов принципиальных схем и приведены к стандартному ряду.

Список использованной литературы

А. В. Митрофанов, В. В. Полевой, А. А. Соловьев. Устройства генерирования и формирования радиосигналов. Учебное пособие. Санкт-Петербург, 1999, ЛЭТИ.

А. А. Соловьев. Автогенераторы гармонических колебаний и синтезаторы частоты. Учебное пособие. Санкт-Петербург, 2000, ЛЭТИ.

Курс лекций «Устройства генерирования и формирования радиосигналов». 2006 г.

4. МС145170: PLL Frequency Sintesizer with Serial Interface - htm://e-motorola.com/files/rf if/doc/data sheet/MC145170-2.pdf.

5. AT90S8515: 8-bit RISC microcontroller - atmel.com/dyn/resources/prod_documents/DOC0841.pdf.

Размещено на Allbest.ru

...