ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Автоколебательная система и автогенератор
Вариантырешения поставленной задачи
Вариант№1.
Вариант№2
Вариант№3
Выбор иобоснование варианта
Составлениепринципиальной схемы
Расчетэлектрической схемы
Расчет автогенератора
Расчет эмитерного повторителя
Заключение
Списокиспользованной литиратуры
ВВЕДЕНИЕ
Электрификация железнодорожноготранспорта, рост скоростей движения поездов и наметившееся увеличениегрузопотока (особенно за последний 1999 год) приводит к более интенсивному применениюсредств связи на железнодорожном транспорте. Решение вопроса ускорения оборотавагонов на крупных железнодорожных станциях вызывает необходимость массовогоиспользования станционной радиосвязи, применения носимых радиостанций иорганизации новых видов связи. Расширение областей применения и продолжающеесяразвитие радиотехники привело к необходимости подготовки качественных специалистовв этой области. Эту задачу помогает решить дисциплина “Каналообразующиеустройства автоматики телемеханики и связи”. Главной задачей этой курсовойработы является овладение навыками проектирования каналообразующих устройств, атакже повышение уровня подготовки расчетов электронных и электротехническихсхем. В нашем конкретном случае необходимо разработать автогенераторгармонических колебаний поэтому необходимо рассмотреть следующие теоретическиевопросы.
Заданиена проектирование: Разработать автогенератор с буферным каскадом,перестраиваемый в пределах 1 – 1,5 МГц. Назначение – гетеродин врадиоприемнике.
АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНАЯСИСТЕМА И АВТОГЕНЕРАТОР
Автогенератор – этоисточник электромагнитных колебаний, колебания в котором возбуждаютсясамопроизвольно, без внешнего воздействия.
Любой автогенераторпредставляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию питания вэнергию колебаний. Независимо от схемы и назначения автогенератор должен иметьисточник питания, усилитель и цепь обратной связи, причём обратная связь должнабыть положительной.
В качестве усилительныхэлементов в настоящее время в автогенераторах используются транзисторы илидругие аналогичные приборы, а в качестве цепей нагрузки – колебательные цепи ссосредоточенными или распределенными параметрами.
Автогенератор,находящийся в стационарном режиме, представляет собой обычный нелинейныйусилитель, для возбуждения которого используются колебания, вырабатываемые всамом генераторе; колебания с выхода подаются на его вход по цепи обратнойсвязи. Если амплитуда и фаза возбуждения отвечают определенным условиям, то вэнергетическом отношении автогенератор ведёт себя так же, как и генератор свнешнем возбуждением. Однако генератор с самовозбуждением имеет существенныеособенности. Частота и амплитуда автоколебания в стационарном режимеопределяются только параметрами самого генератора, между тем, как в генераторес внешним возбуждением частота и амплитуда колебаний навязываются возбудителем.Кроме того, в случае самовозбуждения большое значение имеет механизмвозникновения колебаний при запуске автогенератора.
Все эти особенности можновыявить, рассматривая поведение автогенератора в процессе нарастания колебанийот момента запуска до полного установления стационарного состояния. Можнонаметить следующую картину. В момент запуска колебательной цепи автогенераторавозникают свободные колебания, обусловленные включением источников питания,замыканием цепей, электрическими флуктуациями и т.д. Благодаря положительнойобратной связи эти первоначальные колебания усиливаются, причем на первомэтапе, пока амплитуда мала усиление практически линейно и цепь можнорассматривать как линейную. Энергетически процесс нарастания колебанийобъясняется тем, что за один период колебания усилитель предает в нагрузкуэнергию, большую той, которая расходуется в ней за это время. С ростом амплитудначинает проявляется нелинейность устройства (кривизна вольтампернойхарактеристики усиленного элемента) и усиление уменьшается. Нарастание амплитудпрекращается, когда усиление уменьшается до уровня, при котором толькокомпенсируется затухание колебаний в нагрузке. При этом, энергия отдаваемаяусилителем за один период, оказывается равной энергии, расходуемой за это времяв нагрузке.
Таким образом, напоследнем этапе установления колебаний основную роль играет нелинейность цепи,без учета которой нельзя определить параметры стационарного режима автогенератора.Любой автогенератор высокочастотных колебаний можно представить в виде схемыпредставленной на рис.1. На этой схеме автогенератор представлен в видесочетания трёх четырехполюсников: одного нелинейного, безынерционного, и двухлинейных. Нелинейный четырехполюсник соответствует усилительному элементу(транзистор, туннельный диод и т.д.), первый из линейных четырехполюсников –колебательной цепи автогенератора, а второй – цепи обратной связи.
Подобное представлениесправедливо для автогенераторов с внешней обратной связью. Усилительный элементсовместно с избирательным четырехполюсником, обеспечивающим фильтрацию(подавление) высших гармоник, представляет собой обычный нелинейный усилитель,развивающий на выходе гармоничкское напряжение. В общем случае напряжениезависит как от частоты, так и от амплитуды (из-за нелинейности усилительногоэлемента). Коэффициент усиления этого устройства – Kу(iwг,U1).
/>
/>
Рис. 1
Очевидно, что
Kу(iwг,U1)=U2/U1 (*)
При фиксированной частотеwг Ky является функцией только амплитуды U1.
Коэффициент передачилинейного четырехполюсника обратной связи, который в дальнейшем будем называтьпросто коэффициентом обратной связи, можно выразить через амплитуды U3 и U2:
Koc(iw)= U3/ U2,
Но напряжение U3, снимаемое с выхода четырехполюсника обратной связи,есть одновременно напряжение U1, действующее на входе усилителя.Следовательно,
Koc(iw)= U1/ U2
Сравниваяэто выражение с выражением (*), приходим к выводу, что в стационарном режимеавтогенератора (когда только и можно пользоваться методом комплексных амплитуд)коэффициенты Kу(iwг,U1) и Koc(iw) являются заимно обратными величинами:
Kу(iwг,U1)Koc(iwг)=1.
Представим комплексныефункции Kу(iwг,U1) и Koc(iwг) в форме
Kу(iwг,U1)=Ку(wг,U1)еiy(wг), Koc(iwг)= Koc(wг)еiy(wг).
Тогда последнее равенствораспадается на два условия:
Kу(iwг,U1)Koc(iwг)=1(**)
/> (***)
Условие (**) называют условиембаланса амплитуд: из него следует, что в стационарном режиме полное усиление нагенерируемой частоте при обходе кольца обратной связи равно единице.
Условие (***) называютусловием баланса фаз. Из чего следует, что в стационарном режиме автоколебанийполный фазовый сдвиг при обходе кольца ОС равен (или кратен) 2pi. Условие баланса фаз позволяетопределить частоту генерируемых колебаний wг.
Существуют мягкий ижёсткий режимы возбуждения колебаний. Режим, когда колебания возникаютсамопроизвольно, называется мягким. В АГ с мягким возбуждением состояние покоя(состояние с нулевой амплитудой) неустойчиво. Жёстким называется режим, прикотором генерация возникает только при наличии внешнего воздействия, создающегоколебания с амплитудой, большей некоторого порогового значения.
Отметим одно важноетребование, предъявляемое к автогенератору, предназначенному для устройствсвязи: вырабатываемое им колебание должно быть строго монохроматическим. Любоенарушение монохроматичности, проявляющееся в паразитном изменении амплитуды,частоты или фазы колебания, может служить причиной возникновения помех в каналерадиосвязи. Требование монохроматичности включает в себя также и требованиестабильности частоты автоколебания.
ВАРИАНТЫРЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ
Для решенияпоставленной задачи прежде всего необходимо выдвинуть ряд требований кпроектируемому устройству. Так как проектируемый автогенератор относится кклассу гетеродинов, то он должен обладать относительно стабильной частотойгенерации. Но, нередко за стабильность приходится “доплачивать”. На основе этихкритериев я постараюсь предложить различные альтернативные принципиальные схемыавтогенераторов.
Вариант1
Данный вариантобладает высокой стабильностью частоты т.к. он основан на кварцевойстабилизации. Кварцевая стабилизация является наиболее эффективным способомповышения частоты генераторов. Она основана на применении в схемах кварцевыхпластинок с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Если к пластинекварца приложить переменное напряжение, то она испытывает периодическиемеханические деформации, т.е. сжимается и разжимается, что в свою очередьприводит к появлению электрических зарядов на её гранях. В результате в цепи(между входными зажимами) течёт переменный ток. Этот ток имеет две составляющиеIcи Iкв. Реактивный ток Ic протекает через ёмкость.Образованную металлическими пластинами кварцедержателя. Ток кварца Iкв обусловлен наличием пьезоэффекта.
Величина тока кварцазависит от частоты приложенного напряжения. Когда частота подведенногонапряжения совпадает с собственной частотой механических колебаний кварца,наступает резонанс, при котором амплитуда колебаний будет максимальной.Пьезоэлектрический ток будет максимальным, а его фаза совпадет с фазойприложенного напряжения. Поэтому вблизи резонансных частот кварцевую пластинуможно представить в виде последовательного контура с сосредоточенными постояннымиLk Ck rk и параллельно подключенной к немуемкости кварцедержателя С0. Практически статическая ёмкостькварцедержателя С0 в сотни раз больше эквивалентной ёмкости кварца Ck, поэтому собственная частотакварца как последовательного контура близка к собственной частотеэквивалентного параллельного контура.
/>/>
Поскольку Ск отличается от частотыпоследовательного резонанса /> незначительно. Относительныйразброс частот составляет
/>
Добротностькварцевого резонатора достигает больших значений (порядка 105).
/>
/>
Рис. 2
/>
Рис. 3
Электрическиепараметры кварцевого резонатора определяются геометрическими размерами, типомсреза пластин и видом колебаний. Для различных типов среза значение собственнойчастоты кварца колеблется в пределах f0=1,6/d – 3,6/dМГц, где d – толщина среза пластины (в мм).
Вариант2
Данный генераторявляется LC-автогенератором, которыйобладает достаточно стабильной частотой генерации. Представленный автогенераторявляется аввтогенератором с мягким возбуждением колебаний, т.е. для его работыдостаточно лишь включить источник питания.
Под действием различныхдестабилизирующих факторов частота колебаний с течением времени изменяетсясложным образом. Относительная стабильность данного АГ частоты Dw/w0которого 10-2…10-3.
Энергия колебанийпередаётся из выходной цепи транзистора в колебательную систему при условии,что управляющее током коллектора колебательное напряжение uБЭ (t) имеет определённый фазовый сдвиг относительно напряжения uкэ(t) между коллектором и эмиттером. Передача напряжения с выходана вход обеспечивается цепью обратной связи. Чаще всего применяют схему сёмкостной обратной связью.
В базовую или эмиттернуюцепь транзистора включается корректирующая цепочка для устранения фазовогосдвига между iк(t) и uу(t).Для реализации поставленной задачи будем использовать транзисторныйавтогенератор с ёмкостной обратной связью и дополнительной ёмкостью в индуктивнойветви (С3), которая необходима для развязки по постоянному току цепей питания исмещения.
Колебательная системаобразована в схеме элементами L, С1, С2, С3.Цепочка Rкор’Скор’ — корректирующая, R см — сопротивление автосмещения, Сбл1и Сбл2 — блокировочные ёмкости, Rбл — блокировочное сопротивление. Ссвобеспечивает оптимальное сопротивление нагрузки на выходных электродахтранзистора и препятствует прохождению в нагрузку постоянного тока источникапитания. Фиксированное смещение осуществляется путём подачи на базу транзисторачасти напряжения Епит через резисторный делитель R1 и R2.
/>
Рис. 4
Вариант3
Особенностью этоговарианта является использование туннельного диода. Как видно на схемеотсутствует ёмкость контура, т.к. в качестве неё используется собственнаяёмкость диода. Сопротивление rk – собственные активные потериконтура. Данный автогенератор является АГ с внутренней обратной связью. Этосвязанно с особенностью вольтамперной характеристикой туннельного диода. Условиесамовозбуждения этого генератора выполняется в весьма широком частотномдиапозоне.
/>
Рис. 5
ВЫБОРИ ОБОСНОВАНИЕ ВАРИАНТА
Из предложенных вариантовя считаю что наиболее рациональым будет использование варианта№2. Хоть LC-генератор и не обладает такойвысокой стабильностью как кварцевый он обладает достаточно низкой стоимостью,что тоже является немаловажным фактором, особенно при массовом монтаже.
Составлениепринципиальной схемы
В соответствии с заданиемпроектируемый автогенератор должен иметь буферный каскад. Буферные каскадыиспользуются для согласования параметров различных функциональных блоков вготовом устройстве. В качестве такого каскада я считаю целесообразнымиспользовать эмитерный повторитель в силу его основных достоинств, а именно:высокое входное и низкое выходное сопротивление, повторение фазы входногосигнала на выходе, простота составления электрической схемы и её расчёта.Буферный каскад включается непосредственно после АГ и обеспечивает емупостоянную во времени нагрузку, Одновременно ослабляя влияние его на работупоследующих каскадов.
/>
Рис. 6
По заданию намнеобходимо получить регулировку частоты автогенератора в заданных пределах.Этого можно добиться использованием специальных регулируемых конденсатров С1,С3 а также индуктивности L.
РАСЧЕТЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Расчетавтогенератора
Обычно расчётавтогенератора происходит в три стадии. Первая стадия заключается в расчетережима работы транзистора, т.е. его выборе и проверке стабильности его работына заданной частоте. Вторая стадия заключается в электрическом расчете схемы.Третья стадия – энергетический расчёт, т.е. определение мощности генерируемыхколебаний и мощностей в цепях генератора, а также определение КПД. Методикиприведенных расчетов взяты из литературы [2,5,6].
Таким образом намнеобходимо найти Rк, Есм, Р1 и КПД. Выберем транзистор, определимпараметры корректирующей цепи и рассчитаем режим работы транзистора.
Для увеличениястабильности частоты в задающем АГ выбирают транзисторы малой мощности. Чтобыфазовый сдвиг между колебаниями ik(t),uб(t) можно было устранить с помощьюкорректирующей цепочки, следует выбирать транзистор, граничная частота которогобольше, чем заданная частота колебаний fнес = 1,5 МГц. Выбираем транзистор малой мощности КТ 331Г-1 сграничной частотой fт = 400 МГц, со следующими паспортнымиданными:
· барьерные ёмкости коллекторного иэмиттерного переходов Ск = 5 пФ, Сэ = 8 пФ
· постоянная времени цепи внутреннейобратной связи tос=120 пс
· допустимые напряжения и токи Uотс = 0.6 В, Uкбдоп = 15 В, iк доп = 0,02 А, Uбдоп= 3 В
· допустимая мощность Рдоп =15мВт
· крутизна линии граничных режимов навыходных статических ВАХ транзистора Sгр = 20 мА/В
· коэффициент усиления тока В = 40.
fb= ft/В = 10 МГц; fa= ft+fb= 11,5 МГц. Активная частьколлекторной ёмкости Ска=2 пФ и сопротивление потерь в базе rб = tос/Ска= 60 Ом.
/>
/>
/>
/>
Rкор, Rз — сопротивления, корректирующие частотные свойстватранзистора в открытом и закрытом состояниях. Rкор должно быть меньше Rз, от этогозависит эффективность применения корректирующих цепей, иначе следует выбратьдругой транзистор.
Крутизна переходнойхарактеристики транзистора с коррекцией Sк = 1/R/кор = 1/10 = 0,1 А/В. Чтобы мгновенные значениянапряжения и тока коллектора не превышали допустимых значений uК ДОПи iКДОП, выбираем ikmax= 0,8ikдоп= 0,8×20 = 16 мА; ikmax- максимальное значение импульсаколлекторного тока;
/>
Величина kос=Uкбэ/Uк1 отражает относительное шунтирующее влияние на резонаторвходной и выходной проводимостей транзистора. Наибольшая стабильность частоты втранзисторном АГ получается при kос=1…3. Примем kос=1.
При выборе угла отсечки следуетучесть необходимый запас по самовозбуждению Skос=(3…5)GК, а также условие баланса активныхмощностей СК(w) =-GА(UА1); êGА ê= êG0 êg1(q) — изэтих трёх условий следует, что в стационарном режиме колебаний g1(q) »0.2…0.3. выбираем/>q = 600.
Тогда a0=0,218, a1=0,391, g0=0,109, Cos q = 0,5.
Рассчитаем основныепараметры генератора:
Ik1 = a1ikmax= 0,391×16 = 6,3 мА; Ik0 = a0ikmax= 0,218×16 = 3,5мА, IК1,IК0 — амплитуда первой гармоники и постоянная составляющаяколлекторного тока.
/>
/>
Uкб1,Uк1 — амплитуды первой гармоники напряжения на базе и коллекторетранзистора с коррекцией.
/>
Rк — сопротивление нагрузки транзистора.
P1 = 0.5IK1UK1= 0,5 × 6,3 мА × 0,32 В = 1,01 мВт ;
Po = IK0UK0=3,5 мА × 4,5 В=15,75 мВт
Ppac= Po-P1= 15,75 — 1,01 = 14,74 мВт
Р1, Р0, Ррас — колебательная, потребляемая ирассеиваемая в транзисторе мощности.
h = P1/Po = 0,064 = 6,4%- электронный КПД;
Есм = Uост — Ukб1cos q = 0,6 — 0,32×0,5 = 0,44 В,
где Uотс — напряжение отсечки на переходной ВАХтранзистора.
÷Есм — Uкб1÷
e = Uk1/Uk0 » 0,07; eгр=1- [ikmax/(SгрUk0)] = 0,82,
где e — напряжённость режима, eгр — напряжённость граничного режима
e
На частоте 1,5 МГцоптимальным значением индуктивности контура будет L=10 мкГн с добротностью 125. Считаем, что Q0 » QL, так как потери в индуктивностинамного больше потерь в ёмкости. Вычислим параметры элементов резонатора.
r =wрL = 6,28 ×1,5×10 = 94,2 (Ом)
Сå=1/w2рL=1/(4×1,52×108)=1,11 (нФ);
Rр= rQ0= 94,2 ×125=11775 (Ом);
/>= 0,0042462
СI2=Cå/р=1,11 Ф/0.0042462 = 26 нФ;
С1 = СI2 / kос =25 нФ;
С3 = (1/Сå-1/С1-1/СI2)-1=(1/1,11- 1/25 — 1/25)-1= 1,21 пФ;
Где Сå-суммарная ёмкость контура; р — коэффициент включения контура ввыходную цепь транзистора; Rр- резонансное сопротивление контура при его полномвключении; r — характеристическое сопротивление.
Чтобы сопротивлениенагрузки RIН, пересчитанное к выходным электродам транзистора, неснижало заметно добротности контура, примем RIН » 3Rk» 150 Ом. Добротность последовательнойцепочки СсвRн
/>
Отсюда ёмкость связи Ссв=1/wRНQ = 20,7 пФ
СIСВ = ССВ/(1+1/Q2) = 20,7 пФ/(1+1/0,8464) = 45,15 пФ;
C2=CI2-CIСВ = 1300 пФ – 45,15 пФ = 1254,85 пФ
/>/>
/>
Проверка:
/> —
условие должновыполняться для исключения шунтирования сопротивлениями R1,R2 колебательный контур.
Rсм =3Rист/В= 125 Ом
R1 = RистЕПИТ /Uб = 1668×9 /1.027=15 кОм
R2 = R1Uб/(ЕП -Uб) = 15 кОм ×1.027 /(9- 1.027 )=1.93 кОм
СБЛ 2 = 10 /wрRСМ=1350пФ
RБЛ = 5RК = 250Ом.
Выбираем 1/wрСБЛ 1 = 1 Ом, тогда СБЛ 1 = 20 нФ
СБЛ,RБЛ — блокировочные элементы.Сопротивление ёмкости СБЛ на wрдолжно быть по возможности малым, много меньше внутреннего сопротивленияисточника питания.
Расчетэмитерного повторителя
В схеме используетсятранзистор ГТ308А, параметры которого следующие:
предельная частота fT= 120МГц
коэффициент усиления потоку b0=40, db=0.4,
сопротивление базы rб=50 Ом,
СЭ=22 пФ,
мощность рассеяния РКД= 0.1 Вт (при Т = 70о),
напряжение uКБ = 28 В,
напряжение uЭБ = 3 В,
iКД= 120 мА,
Uбэ0 = 0,45 В.
Iэ0 = 5×10-4 А,
Iб = 10-3 А.
По второму законуКирхгофа: E = Riб0 + Rн+ Uбэ0. Uбэ0 = 0,45 В. Iэ0 = 10-4 А. При нагрузке Rн = 1кОм последними двумясоставляющими в уравнении можно пренебречь. Тогда R = E/Iб0 = 9/(120×10-6) = 75кОм.Разделительная ёмкость на входе ЭП рассчитывается исходя из того, что на самойнизкой частоте сопротивление 1/(wCp) должно быть меньше входного сопротивления RВХ. Практически достаточно такогоусловия: 1/(wCp) £ 0,1 RВХ.
/>
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе выполнениябыли освоены основные этапы проектирования каналообразующих устройств всистемах автоматики телемеханики и связи на железнодорожном транспорте. Такжебыли повышены навыки по схемотехническому расчету и электронным устройствам.
СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петров Б.Е., Романюк В.А.Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах.- М.: Высш. школа, 1989.
2. Устройства генерирования иформирования радиосигналов: Учебник для ВУЗов /под ред. Уткина.- М.: Радио и связь, 1994.
3. Радиосвязь на железнодорожномтранспорте: Учебник для ВУЗов/под ред. П.Н. Рамлау М.: Транспорт, 1983.
4. Гоноровский И.С. Радиотехническиецепи и сигналы: Учебник для ВУЗов, М.: Радио и связь, 1986.
5. Бодиловский В.Г. Полупроводниковыеприборы в устройствах автоматики телемеханики и связи, М:. Транспорт, 1985.
6. Грановская Р.А. Расчет каскадоврадиопередающих устройств, М.: Издательство МАИ, 1993
7. Справочник по полупроводниковымтранзисторам, М.: Связь, 1981.