Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

в настоящее время радиопередающие устройства используются очень широко. Это могут быть - радиовещательные передатчики, радиостанции, также они используются абсолютно во всех видах беспроводной связи, таких как пейджинговая, сотовая, транкинговая, спутниковая. Передатчики могут использоваться и не для связи, в радиолокации. Для управления различными устройствами на расстоянии - космическими станциями, беспилотными летательными аппаратами, управляемыми и самонаводящимися ракетами, охранной сигнализацией автомобилей и др.

Поэтому нужно уделять особое внимание проектированию радиопередающих устройств, работающих с различными видами модуляции, различными диапазонами, выходными мощностями и другими параметрами.

Также в связи с насыщенностью эфира особое внимание в последнее время уделяют электромагнитной совместимости, т.е. уровню внеполосных излучений и стабильности частоты генератора.

Техническое задание на проектирование радиопередающего устройства

1. Технические требования

2.1 Тип модуляции: частотная манипуляция

2.2 Выходная мощность: Pср=60 Вт

2.3 Разнос частот сигнала модуляции: 2·Дf=5 кГц

2.4 Скорость манипуляции: Fм=20 кГц

2.5 Диапазон рабочих частот: fн= 25 МГц fв=30 МГц

2.6 Параметры нагрузки: Ra=60 Ом Ca= 60 пФ

2.7 Степень подавления внеполосных излучений: В=60 дБ

2.8 Допустимая относительная нестабильность: умакс=10-7

2. Конструктивные требования

1.1. Диапазон рабочих температур -10 - 400С

1.2. Относительная влажность до 95%

1.3. Габариты не более

1.4. Масса не более кг.

Описание структурной схемы

Рис. 1. Структурная схема РПУ.

Проектирование любого устройства начинается с составления структурной схемы. Структурных схем частотной манипуляции много, выберем простую для реализации схему состоящую из синтезатора частот, модулятора, усилителя мощности и двух фильтров.

В синтезаторе частот формируются частоты, необходимые для дальнейшей работы устройства. Поднесущие частоты нужны для переноса сформированного в модуляторе сигнала в область рабочих частот нашего устройства. Для обеспечения высокой стабильности частоты используется кварцевый генератор.

В модуляторе в соответствии с заданной кодовой последовательностью формируется частотно-манипулированный сигнал со средней частотой равной fм. Частоты f1, f2 и Fм необходимые для работы манипулятора, формируются высокостабильной частоты кварцевого генератора путём вычитания, деления и умножения.

В системе происходит вычитание поднесущих частот из fм , что переносит сигнал в область рабочих частот устройства.

При вычитании сигналов появляется множество комбинационных составляющих в спектре сигнала. Для избавления от них после смесителя ставим полосовой фильтр настроенный на fм.

Для усиления полученного сигнала по мощности до величины заданной в задании, после фильтра ставыим усилитель мощности, выполненный на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ. БТ выбран из соображений получения более высокого КПД.

Для оптимальной передачи мощности от усилителя в антенну необходимо их согласовать. Для этого между усилителем и антенной ставим двойной П - образный фильтр, обеспечивающий заданное подавление внеполосных излучений и настроечную цепь.

Исходя из требований технического задания (ТЗ), для обеспечения заданного вида модуляции, структурную схему проектируемого РПУ можно составить из следующих блоков (рис. 1):

Возбудителем (В) является устройство, в котором формируются гармонические сигналы с заданными частотами и требуемым видом модуляции, подлежащие дальнейшему усилению. Основными компонентами возбудителя являются: опорный генератор, синтезатор частот, модулятор, преобразователь частоты.

Опорный кварцевый генератор (ОКГ) представляет собой автогенератор (АГ) с кварцевой стабилизацией частоты, малой мощности. АГ выполняется на биполярном транзисторе, подключенным в схему с общим эмиттером. Большая крутизна проходной характеристики такого транзистора, позволяет уменьшать его связь с колебательным контуром, а значит, и увеличивать стабильность частоты. На частотах меньше 20 МГц АГ выполняется на биполярном кремниевом маломощном транзисторе, включенным с общим эмиттером по схеме Клаппа.

В данном курсовом проекте применяется синтезатор частот с кольцом цифровой фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), преимуществами которой является низкий уровень побочных спектральных составляющих и реализация основных узлов на цифровых микросхемах.

Синтезатор частот (СЧ) - устройство для формирования когерентных колебаний, с требуемой точностью и стабильностью частоты, из опорного сигнала, вырабатываемого кварцевым генератором. Причем один из вырабатываемых сигналов дискретно перестраивается по частоте (с требуемыми шагом и скоростью).

Модулятор (М) предназначен для формирования сигнала частотной манипуляции. Информация, которую необходимо передать, представлена в двоичном коде (0 или 1), подается на вход «Код» модулятора. При этом уровень логической единицы соответствует сигналу с одной частотой, а уровень логического ноля - с другой. На второй вход поступает сигнал с частотой манипуляции Fм. Сигналы с частотами f1 и f2 формируют диапазон полезного сигнала в низкочастотной области. Далее этот диапазон частот переноситься на среднюю частоту fм. Таким образом, комбинация этих сигналов позволяет получить на выходе модулятора сигнал с частотой fм, из которой в тракте преобразования частоты будет сформирована диапазон частот полезного сигнала.

Тракт преобразования частоты (ПЧ), позволяет перенести модулированное колебание в диапазон рабочих частот возбудителя. В простейшем случае ПЧ состоит из смесителя и полосового фильтра.

Смеситель - устройство для сложения, вычитания частот, поданных на его входы. В ПЧ он обеспечивает сдвиг (преобразование) полезного сигнала из области частот модулятора в область частот, в которой необходимо передавать сообщение, на постоянное значение без изменения спектрального состава этого колебания.

Полосовой фильтр (ПФ) обладает полосой пропускания, которая совпадает с полосой пропускания полезного сигнала. Фильтр служит для выделения гармонических составляющих полезного сигнала в заданной области частот и для подавления всех побочных сигналов.

Усилитель мощности (УМ) служит для усиления колебаний, которые формируются на выходе ПЧ, так как амплитуда их мала и ее недостаточно для передачи полезного сообщения.

Цепь согласования (ЦС) на выходе передатчика предназначена для согласования генератора с нагрузкой (антенной), то есть для трансформации эквивалентного сопротивления нагрузки усилителя (генератора) в сопротивление антенны (оконечный каскад усилителя имеет сопротивление отличное от сопротивления антенны); а также служит для обеспечения заданных частотных характеристик усилителя (см. ПФ в ПЧ).

Расчет выходного усилительного каскада передатчика

УМ строим по схеме с ОЭ на биполярном транзисторе, т.к. БТ позволяет получить более высоки КПД чем полевой.

Расчет коллекторной цепи транзистора

Выбираем транзистор исходя из того что УМ должен выдать Pmax в нагрузку.

Выбираем рекомендуемое значение КПД цепи согласования из таблицы приложения 4 (стр.37 [1]) в соответствии с заданными параметрами: .

Мощность, которую отдает транзистор равна

Ориентировочное количество каскадов усилителя находят по формуле

- примерный коэффициент усиления по мощности одного каскада для транзисторов в области не очень высоких частот.

- мощность сигнала на выходе возбудителя

Получаем , найденное значение округляем до целого, то есть до . Таким образом, усилитель состоит из 4-х каскадов (рис. 3).

Рассчитываем рассеиваемую мощность и выбираем по ней транзистор:

Выбираем транзистор КТ927А, имеющий параметры:

Для кремниевых транзисторов Uотс=0,6

При усилении модулированных колебаний необходимо обеспечить угол отсечки = 900.

Тогда коэффициенты разложения синусоидального импульса равны

Еп выберем из условия: Еп?Uкэ доп /2 = 70/2=35.

Возьмем стандартное значение Еп=24 В.

Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе.

Максимальное напряжение на коллекторе не должно превышать допустимого

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

Максимальный коллекторный ток



Постоянная составляющая коллекторного тока

Максимальная мощность, потребляемая от источника коллекторного питания

Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора

Коэффициент полезного действия коллекторной цепи при номинальной нагрузке

Номинальное сопротивление коллекторной нагрузки

Расчет входной цепи

При расчете входной цепи транзистора с ОЭ предполагается, что между базовым и эмиттерным выводами транзистора по ВЧ включен резистор с сопротивлением равным

Амплитуда тока базы

Для определения тока необходимо рассчитать величину



Напряжение смещения на эмиттерном переходе

Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов

Расчет элементов эквивалентной схемы

Резистивная и реактивная составляющая входного сопротивления транзистора Zвх=rвх+jXвх



Zвх=2.131+j·0.112

Мощность возбуждения

Коэффициент усиления транзистора по мощности

Расчет элементов схемы УМ

Расчет двойного П - образного фильтра

Коэффициент подавления ВКС:

КБВ = 0,5 , а n=2 - гармоника которую нужно подавить.

Добротность системы определяем из условия

принимаем Q=3.

Rвх=Rэн=2.927 R'н = 3…6 кОм

Примем R'н=5 кОм

Реактивные составляющие сопротивлений элементов системы:

Значения элементов находим для ?ср.



Так как нагрузка реактивная, то фильтр нагружаем на настроечную цепь.

Расчет настроечной цепи

Rанч=Rа=60 (Ом) Cа=60 (пФ)

Находим Ссв для fн и fв.

Найдем реактивное сопротивление Са для fн и fв .

Реактивное сопротивление L3.

Проверяем следующие условия:

Расчет синтезатора частот.

Выбираем fог=10 МГц.

Определяем шаг сетки частот

Определяем среднюю частоту модулированного сигнала и поднесущие частоты:

Задаемся , тогда частота модулированного колебания равна

передатчик транзистор сопротивление мощность

Ординатам и на номограмме соответствуют абсциссы и , по которым определяем

Нижнюю поднесущую частоту:

Верхнюю поднесущую частоту:

Число фиксированных частот в сетке частот



Коэффициент деления ДФКД

Коэффициенты деления ДПКД

Определим полосы захвата и удержания СЧ

Полоса захвата должна быть больше начальной расстройки ГУНа.

Принимаем (Гц)

Полоса удержания системы ФАПЧ должна быть больше

Полоса удержания системы ФАПЧ должна быть больше полосы захвата в 0.1...0.8, поэтому

При прохождении по кольцу ФАПЧ Дfу Дfз уменьшаются в n2-n1 раз, поэтому определим полосы Дf'з Дf'у для ИФД

Расчет ФНЧ

В качестве ФНЧ возьмём пропорционально интегрирующий фильтр.

- нормированный коэффициент

Проводим прямую через требуемое значение параллельно оси абсцисс и определяем следующие значения:

T=(R1+R2)·C m=R2/(R1+R2) отсюда находим



Время перехода синтезатора с пропорционально-интегрирующим ФНЧ с одной частоты на другую.

Задаемся значениями относительной нестабильности частоты ОКГ: и относительной точностью установки частоты:

Для определения времени перехода на один шаг и весь диапазон необходимо определить выбег частоты при перестройке на один шаг и весь диапазон:

Таким образом, время перехода на один шаг получилось равным

на весь диапазон

Расчет автогенератора

В данном пункте производится предварительный рассчет автогенератора для дальнейшего рассчета на его основе ГУНа, поэтому расчет производим для f=fг

Выбираем по этой частоте транзистор по условиям

Граничная частота транзистора: , (Гц)

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора: мВт

Выбираем транзистр КТ3120А, имеющий параметры:

Угол отсечки выбирается из условия Пр где Пр=2..3 - параметр регенерации при котором обеспечивается жесткий режим работы генератора.

Принимаем Пр=2,5 , тогда =800

Находим коэффициенты разложения:

Рассчитываем составляющие коллекторного тока

Находим крутизну

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

Эквивалентное сопротивление нагрузки

Коэффициент обратной связи

Сравниваем полученный коэффициент с коэффициентами обратной связи по току, напряжению и мощности. Значения функций определяем по графику.

Находим min{Ki, Ku,Kp}=Ki Koc<Ki

Найдём Pк рас, она должна быть < Рк доп

Рассчитываем элементы схемы автогенератора

Для улучшения стабильности частоты целесообразно выбрать контур с высокой добротностью (Qнен - добротность ненагруженного контура ) и большим характеристическим сопротивлением. На частотах не превышающих 200 МГц возможно сконструировать контур с Qнен= 100…150 и = 300…500 Ом.

Реактивное сопротивление емкости в пределах 2...10 Ом:

Номиналы емкостей

Номиналы элементов, которые будут стоять в схеме

Отсюда находим



Рассчитываем проводимость нагрузки

Проводимость эквивалентной нагрузки:

Ненагруженную проводимость:

Коэффициент включения:

В результате

Напряжение смещения

Найдем сопротивления , и

Определим постоянную составляющую базового тока:

Задаем ток делителя в пределах 4...5 от тока базы:

Начальное смещение:



Выберем эмиттерное сопротивление из диапазона 300...500 Ом:

Рассчитываем емкость в эмиттере транзистора из условия

Определяем сопротивления и номиналы разделительных и блокировачных элементов из условий

Расчет ГУНа

ГУН рассчитываем на основе уже рассчитанного автогенератора дополнительно подключив к нему варикап.

Выбираем варикап с учетом его максимальной частоты и добротности. Определяем среднюю емкость при

Задаемся начальным напряжением смещения:

Находим соответствующую ему емкость:



Зная добротность варикапа, рассчитаем сопротивление потерь по формуле:

Коэффициент нелинейных искажений для ГУНов:

Допустимое максимальное управляющее напряжение:

Изменение емкости варикапа:

Коэффициент включения варикапа в цепь смещения

Находим емкость на средней частоте:

Расчет операционного усилителя

Операционный усилитель выбираем из условия

Находим микросхему КР1408УД1:

Напряжение питания для ИФД принимаем равным

Находим отношения

При этом

Расчет автогенератора с кварцевой стабилизацией частот

В данном устройстве используем схему с АГ с КР построенным на основе ёмкостной трёхточечной схемы с КР между коллектором и базой, т.к. она обеспечивает набольшую стабильность частоты.

В данной схеме используют тот же транзистор что и в автогенераторе.

Выбираем транзистр КТ3120А, имеющий параметры:

Выбираем частоту кварцевого резонатора:

Находим параметры кварцевого резонатора (КР):

Задаем параметр генерации, при котором обеспечивается жесткий режим работы генератора:

Находим угол , при котором получается возбуждение

определяем значение (град)

Находим коэффициенты разложения:

Рассчитываем составляющие коллекторного тока

Находим крутизну



Амплитуда первой гармоники коллекторного тока

Эквивалентное сопротивление нагрузки

Коэффициент обратной связи:

Сравниваем полученный коэффициент с коэффициентами обратной связи по току, напряжению и мощности.



Видно, что рассчитанный коэффициент обратной связи имеет минимальное значение, то есть=min{, , }, поэтому изменений и не требуется.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе

Примем поправку к частоте колебаний ??5

Активное сопротивление КР



Реактивное сопротивление емкости :

Реактивное сопротивление емкости :

Коэффициент включения:

Номиналы емкостей:

Определяем номиналы элементов, которые будут стоять в схеме:

Емкость монтажа составляет

Отсюда находим

Затухание определяем по формуле

Полная емкость контура:

Рассчитываем проводимость нагрузки, для этого находим:

Проводимость эквивалентной нагрузки:

Постоянное сопротивление кварца:

Ненагруженную проводимость:



В результате

Эмиттерное сопротивление рассчитываем по формуле:

Напряжение смещения

Амплитуда напряжения возбуждения:

Напряжение источника коллекторного питания:

Рассеиваемая мощность на КР (должна быть не больше 2 мВт):

Находим нагруженную добротность:

Найдем сопротивления , и следующим образом:

Определим постоянную составляющую базового тока:

Задаем ток делителя в пределах 4...5 от тока базы:

С другой стороны ток делителя равен

Тогда суммарное сопротивление равно

Начальное смещение:

Рассчитываем емкость в эмиттере транзистора из условия

Определяем сопротивления и номиналы разделительных и блокировочных элементов из условий

Рассчитаем блокировочную индуктивность схемы



Обозначение	Наименование	Кол-во	Примечание
	Резисторы
R1	МЛТ 22 кОм 5%	1
R2,R11	МЛТ 7 кОм 5%	2
R3	МЛТ 3,5 кОм 5%	1
R4	МЛТ 490 Ом 5%	1
R5	МЛТ 2 кОм 5%	1
R6	МЛТ 22кОм 5%	1
R7	МЛТ 62 кОм 5%	1
R8	МЛТ 60 кОм 5%	1
R9	МЛТ 77 кОм 5%	1
R10	МЛТ 72 кОм 5%	1
R12	МЛТ 13 кОм 5%	1
R13	МЛТ 77 кОм 5%	1
R14	МЛТ 500 Ом 5%	1
	Конденсаторы
C1	КМ-4 1 нФ 10%	1
C2	КМ-6А 6 нФ 10%	1
C3	КМ-4 280 пФ 2%	1
C4	КМ-4 680 пФ 10%	1
C5	КМ-3 10 мкФ 2%	1
C6,C13	КМ-5 250 нФ 2%	2
C7	КМ-3 4,7 пФ 1%	1
C8,С17	КМ-3 23 пФ 1%	2
C9	КМ-3 1,3 нФ 0,1%	1
C10	КМ-3 30 пФ 10%	1
C11	КМ-4 1350 пФ 1%	1
C14	КМ-5 180 нФ 10%	1
C15	КМ-4 2 нФ 10%	1
C16	КМ-4 360 пФ 20%	1
C18	КМ-3 3 пФ 2%	1
	Катушки индуктивности
L1	4 мкГн 10%
L2	1,8 мкГн 10%	1
L3	1 мГн 10%	1
L4	3 мкГн 10%	1
L5,L6	1,5 мкГн 10%	2
L7	125 мГн 10%	1
	Диоды
VD1	КВ106A	1
	Транзисторы
VT1,VT2	КТ3120А	2
VT3	КТ927А	1
	Операционный усилитель
DA	КР1408УД1	1
	Кварц
ZQ1	10 МГц	1

Заключение

Главной задачей данного курсового проекта было спроектировать РПУ, которое позволяет передавать цифровую информацию (код) с помощью частотной манипуляции. Основными преимуществами таких передатчиков являются высокие помехозащищенность и надежность. Главным недостатком этого вида модуляции является необходимость иметь специальный приемник.

При подробном анализе ТЗ были рассмотрены различные варианты его реализации, произведено их сравнение и выбран оптимальный вариант. Существенным отличием этого пути решения поставленной задачи является простота исполнения, минимальное количество блоков и наименьшая стоимость проектируемого устройства. Это демонстрируют схемы, приведенные на рис. 1 и 2. Структурная схема показывает минимальный состав передатчика, а функциональная схема - взаимодействие блоков между собой, то есть работу устройства в целом.

На основе составленных структурной и функциональных схем был произведен расчет блоков, из которых можно сконструировать передатчик с заданными параметрами.

Антенна, которая является для передатчика нагрузкой, должна излучать в пространство с определенной мощностью для нормальной передачи полезного сигнала. Поэтому, чтобы обеспечить максимальную мощность, которая передается через ЦС в нагрузку (антенну), необходимо собрать усилитель из 4 каскадов, при этом один каскад имеет определенный коэффициент усиления по мощности (см. расчет). Выбор транзистора (усилительного элемента) осуществлялся по заданной мощности и при расчете учитывалась мощность, которая рассеивается на нем. В дальнейших расчетах этот параметр также проверяется, так как необходимо выдержать нужный температурный режим и обеспечить минимальные потери мощности на этих элементах.

Также в расчете было найдено номинальное сопротивление коллекторной нагрузки (10), которое необходимо трансформировать в сопротивление антенны (активная и реактивная составляющие). Так как передатчик работает в диапазоне частот, то эти составляющие не остаются постоянными. Поэтому в схему ЦС были введены настроечная индуктивность и емкость связи (двойной П-образный фильтр, рис. 5), сопротивления которых зависят от частоты (36-42). Расчеты показывают, что изменения индуктивности и емкости этих элементов при изменении частоты превышают 5%, поэтому их необходимо делать перестраиваемыми. Если бы изменения были не больше 5%, тогда элементы были бы постоянными. Настройка цепи происходит с помощью УУ (в цепь антенны установлен прибор для индикации настройки цепи).

При расчете СЧ были найдены частоты модулированного колебания и поднесущие таким образом, чтобы при смешивании этих частот можно было отфильтровать мешающие гармоники от полезного сигнала. Для наилучшего подавления (составляет примерно 72 дБ) был выбран участок прямой на номограмме, приведенной в [2] на стр. 290, которую пересекают комбинационные прямые выше 7 порядка. Далее по этим частотам были найдены коэффициенты деления ДФКД и ДПКД.

При расчете кроме основных элементов были определены все разделительные, блокировочные и другие элементы, которые обеспечивают необходимые режимы работы транзисторов, операционного усилителя, варикапов (температурный режим, исключение прохождение постоянных и переменных составляющих в соответствующие цепи) и устройства в целом.

Все полученные параметры разрабатываемого РПУ удовлетворяют требованиям ТЗ.

Литература

Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Методические указания к выполнению курсового проектирования для студентов специальности 200700 - «Радиотехника» / Н. Н. Лисовская, С. И. Щитников; КГТУ. - Красноярск, 1995. - 38 с.

Шахгильдян В. В. и др. Проектирование радиопередающих устройств: Учебное пособие. - изд. 3. - М.: Радио и связь, 1993. - 512 с.

Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учебное пособие для вузов / Г. М. Уткин, М. В. Благовещенский, В. П. Жуховицкая и др. Под ред. Г. М. Уткина. - М.: Советское радио, 1979. - 320 с.

Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / Л. А. Белов, М. В. Благовещенский, В. М. Богачев и др. Под ред. М. В. Благовещенского, Г. М. Уткина. - М.: Радио и связь, 1982. - 408 с.

Окунь Е. Л. Радиопередающие устройства. Учебник для техникумов, изд. 4-е, доп. И перераб. - М.: Советское радио, 1973. - 400 с.

Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К. М. Брежнева, Е. И. Гантман, Т. И. Давадова и др. Под ред. Б. Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 656 с.

Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник / В. А. Аронов, А. В. Баюков, А. А. Зайцев и др. Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. - М.: Энергоиздат, 1982. - 904 с.

СТП КрПИ 3.1-92. Общие требования к оформлению текстовых и графических студенческих работ. Текстовые материалы и иллюстрации. - Красноярск: изд-во КрПИ, 1992. - 41 с.

Размещено на Allbest.ru