Министерство РФ по связи иинформатизации
УрТИСИ СибГУТИ
(уральский филиал)
Курсоваяработа
«Расчетэлементов и узлов аппаратуры связи»
Выполнил: Плишкин М.Ю
Группа МЕ-72
Проверил: Зраенко С.М.
г.Екатеринбург
2010г
Оглавление
1. Введение
2. Техническое заданиена устройство
3. Расчетавтогенератора
4. Расчет спектрасигнала на выходе нелинейного преобразователя
5. Расчет развязывающего устройства
6. Расчет электрических фильтров
7. Расчет выходного усилителя
8. Заключение
9. Литература
1. Введение
Цель работы: в процессе данной работы необходимоспроектировать широко распространенное в аппаратуре связи устройство,вырабатывающее так называемую «сетку частот», то есть несколькогармонических колебаний. Подобное устройство содержит автогенератор,вырабатывающий исходное (задающее) колебание; нелинейный преобразователь,искажающий форму сигнала; набор активных фильтров, выделяющих требуемыегармоники, и масштабирующие усилители предназначенные для согласования входныхи выходных сопротивлений устройств, а так же для поддержания необходимогоуровня формируемого сигнала. В качестве задающего автогенератора в работеиспользуются схемы на биполярных транзисторах с пассивной лестничной RC-цепью обратной связи. При расчетеавтогенератора необходимо рассчитать: значения всех элементов схемы, амплитудустационарного колебания на выходе генератора.
Нелинейныйпреобразователь строится на основе биполярных, полевых транзисторов илиполупроводниковых диодах. Анализ схемы нелинейного преобразователя включает всебя аппроксимацию ВАХ нелинейного элемента и расчет спектрального состававыходного тока и напряжения.
В качестве активныхфильтров используются активные полосовые RC-фильтры на основе операционных усилителях с полиномиальнойаппроксимацией частотной характеристики полиномами Чебышева. Развязывающие(усилительные) устройства представляют собой масштабирующие усилители на интегральныхмикросхемах.
2. Техническое задание наустройство
Технические требования кустройству.Заданные параметры Обозначения Требования к автогенератору 1. Тип автогенератора Схема 1 2. Тип транзистора КТ301 3. Частота генерации
fГ=3*10^5 Гц 4. Напряжение питания
Uпит авт=18 В 5. Сопротивление коллекторной цепи
Rк=3 кОм Требования к нелинейному элементу 1. Тип нелинейного преобразователя Схема 3 2. Тип нелинейного элемента 2Д104А 3. Напряжение смещения
U0=-3 В 4. Напряжение питания
Uпит=-0.5 В 5. Напряжение на входе
Um= 1.3 В Требования к электрическим фильтрам 1. Напряжение питания
Uпит Ф=10 В 2. Набор выделяемых частот 1 гармоника 3. Выходное напряжение
Um вых=8 В 4. Ослабление полезных гармоник (неравномерность ослабления в полосе пропускания) ΔА=0,5 дБ 5. Степень подавления мешающих гармоник (ослабления в полосе пропускания)
Аmin=36 дБ Требования к развязывающим и усилительным устройствам 1. Напряжение питания
Uпит ус=10 В
3. Расчетавтогенератора
РассчитаемRC-автогенератор на биполярных транзисторах 2Т658А, схема 1.
Частота генерации fГ=20кГц
Напряжение питания Uпитавт=30 В
Сопротивление нагрузки вколлекторной цепи Rк=1,5 кОм
/>
Схема 1В стационарном режимеработы автогенератора на частоте генерации /> должнывыполняться условия баланса амплитуд и баланса фаз:/>
где /> - модули передаточныхфункций />;
/> - аргументы этих передаточныхфункций.
Для данной схемы
/>
Отсюда видно, что />, следовательно, длявыполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы цепь обратной связи вносиласдвиг фаз, равный />.Получаем выражение длячастоты генерации
/>
и коэффициент передачицепи обратной связи на частоте генерации
/>
Входное сопротивление Rнсоставного транзистора
/>
где /> - коэффициент усилениятранзистора по току (для VT1);
/> - входное сопротивление транзистораVT2Для определения /> нужно выбрать рабочуюточку транзистора.
Для этого вначале строимпроходную характеристику транзистора Iк=F(Uбэ)зависимость действующего значения тока в выходной цепи от входного напряжения Uбэ.
Исходными данными дляпостроения проходной характеристики являются:
– входная характеристикатранзистора Iб=F(Uбэ) (Рис. 1)
– выходная характеристикатранзистора Iк=F(Uкэ) (Рис. 2)
На семействе выходныххарактеристик транзистора Кт301 (Рис. 1) проводим нагрузочную прямую черезточки с координатами (0, Uпит )и (Uпит / Rк, 0)
По точкампересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками строимпромежуточную характеристику Iк=F(Iб) (рис 3)
/>
Рис 1
/>
Рис 2
∆Iб = 25 мкА
Iб. mА 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125
Iк.mА 0,1 1,1 2,05 3 3,9 4,2
/>
Рис 3
Используя полученнуюзависимость (Рис. 3) и входную характеристику Iб=F(Uбэ)(Рис. 1), определяем требуемую зависимость Iк=F(Uбэ) (Рис.4)
Uбэ, В 0.3 0.4 0.5 0.55 0.61 0,63
Iб. mА 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125
Iк. mА 0,1 1,1 2,05 3 3,9 4,2
/>Рис 4По проходнойхарактеристике определяют положение рабочей точки. Зададимся значением Uбэ0 = 0,5В — это середина линейногоучастка проходной ВАХ
Тогда по входной ВАХтранзистора определяют в рабочей точке
/>=/>
Коэффициент усилениятранзистора по току
/>/>
Зная />, можно рассчитатьсопротивление /> составноготранзистора:
/>
Из ряда номинальныхзначений резистор />
Из условия /> выберем значение />.
Определимамплитуду стационарного колебания на выходе генератора. Для этого построимколебательную характеристику />.
Значениесредней крутизны для разных значений Uбэ определим по методу 3-хординат по формуле:
/>
U1(бэ). В 0,05 0,1 0,15 0,2
Iк мАx. мА 3 3,8 4,2 4,2
Iк мин. мА 1,5 1,1 0,6
Sср. мА/В 15 13,5 12 10,5
По этой таблице построимколебательную характеристику Рис. 5.
Для определения поколебательной характеристике стационарного действующего значения Uбэнеобходимо рассчитать значение средней крутизны в стационарном режиме />. Известно, что />.
Но из баланса амплитуд
/>.
/>
Рис 5
Тогда
/>
Определим значение /> для рассчитанных значенийRн и R
/>
Для этого значения /> средняя стационарнаякрутизна /> располагается нижеколебательной характеристики, и поэтому в схеме будет происходить генерацияколебаний.
Используем колебательнуюхарактеристику и ее значение средней крутизны в стационарном режиме, найдемдействующее значение напряжения />. Оноравно />. Тогда напряжение навыходе генератора в стационарном режиме найдем из соотношения:
/>
Определим значениеемкости в цепи обратной связи. Из выражения для частоты /> найдем
/>
Емкость CРразделительного конденсатора выберем из условия />.Возьмем СР=0,1 нФ
Определим значениесопротивления Rб, задающего рабочую точку Uбэ0, Iбэ0.Рассчитаем по формуле :
/>
Выберем резистор сноминалом Rб=5,6 кОм.
R
кОм
Rк кОм
Rб
кОм
C
пФ
C р
нФ 30 1,5 5,6 47 0,1
4. Расчет спектра сигналавыходе нелинейного преобразователяТребуется рассчитатьспектр тока и напряжения на выходе нелинейного преобразователяСхема нелинейногопреобразователя (схема 2)
Тип нелинейного элемента КП303Е
Напряжение на входе Um=3В
Напряжение смещения U0=-3В
Схема 2 />
5. Расчет развязывающего устройства
Амплитуда напряжения на выходе автогенератора больше амплитудынапряжения, которое следует подать на вход нелинейного преобразователя,следовательно, его необходимо ослабить. Для этого используем схему 3, которуюподключим между генератором и нелинейным преобразователем.
/>
Схема 3
Передаточная функция этойсхемы :
/>
Так как
Um вх=3 В, а Umвых ген=2,32 В,
тогда
/>
Зададим R1=30 кОм,получим />R1 R2 30 кОм 39 кОм
Продолжим расчетнелинейного преобразователя.
Используя проходную ВАХтранзистора, графически определим вид тока на выходе нелинейногопреобразователя
Для расчета тока инапряжения на выходе нелинейного преобразователя необходимо сделатьаппроксимацию ВАХ. Амплитуда выходного сигнала достаточно велика, поэтомувыберем кусочно-линейную аппроксимацию
/>
По ВАХ определяем Uотс=-2,7В
Для расчета крутизны Sвыбираем любую точку на прямой, аппроксимирующей ВАХ, />;/> , тогда:
/>
Рассчитаем угол отсечки
/>
Вычислим функции Берга
/>; />;/> ;/>
Постоянные составляющие иамплитуды гармоник спектра тока IВЫХ рассчитаем по формуле
/>, где к=0,1,2,3, …Ограничимся третьейгармоникой
/>; />;/>; />
Напряжение на выходенелинейного преобразователя считаем по формуле
/>; />
Амплитуды гармониквыходного напряжения
Um0=0,806В; Um1=1,531 В; Um2=0,736;В Um3=0,907 В
Спектры амплитуд тока и напряжения на (Рис 6) (Рис 7)
/>
Рис 6
/>
Рис 7
6. Расчет полосовогофильтра
Рассчитать полосовойфильтр для выделения первой гармоники при частоте генерируемых колебаний fГ=50кГц. Неравномерность ослабления в ПЭН:/>,минимально допустимое ослабление в ПЕН: Аmin=40 дБ.
Частота первой гармоникиравна 50 кГц, тогда, f0=50 кГц.
Характеристика ослабленияфильтра должна обладать геометрической симметрией относительно выделяемойгармоники (Рис 8)
/>
Рис 8
По заданным даннымΔА и Аminопределим вспомогательную функцию D (Рис 9)
/>
Рис 9
Затем, задавшисьприемлемым значением порядка фильтра-прототипа n=3, для полученного значения D=50(рис.13) определим нормированнуючастоту, соответствующую границе ПЭН НЧ-прототипа: Ω3=4,5
Находим граничные частотыПЭП и ПЭН.
/>
Так как />, то задавшись f3=55 кГц, т.е.
/>
Найдем
/>.
Учитывая соотношение />, определим
/>
Решим совместно систему
/>
Получаем:
/>
Отсюда получаем граничныечастоты:
/>
Полюса передаточнойфункции НЧ-прототипа:
S1=-494171/>
Для отыскания полюсовпередаточной функции ПФ, используем соотношение:
/>
где />; />.
Номер
полюса Полюса Н(р) полосового фильтра
/>
/>
1,2
3,4
5.6
0.4851
0.3184
0.3615
13,7575
11,8987
13,1648
Запишем передаточнуюфункцию ПФ в виде произведения трех сомножителей второго порядка
/>
где />
Коэффициенты при р взнаменателях сомножителей />, асвободные члены
/>.
Номер
Сомножителя Значения коэффициентов
/>
/>
/>
1
2
3
0,7645
0,7645
0,7645
0.9702
0,6368
0,7230
1,895
1,4168
1,7341
Тогда передаточнаяфункция искомого ПФ запишется:
/>
Дляреализации полученной передаточной функции выберем тип звеньев, для чеговначале найдем добротности полюсов соответствующих сомножителей, пользуясьсоотношением
/>
В результате получим:
Q1=7,5, Q2=6,2,Q3=7,2.
Выберем для обоих звеньевсхему 4. Для поиска элементов звена, соответствующего первому сомножителю H(p), составим систему уравнений:
/>
Зададимся С1=4нФ, С2=5 нФ,
Решая системуотносительно элементов R1, R2, R3, получаем:
R1=10,92 кОм, R2=56 Ом, R3=46,4 кОм
/>
Схема 4Элементы 1-го звена R1 кОм R2 Ом R3 кОм
C1 нФ
C2 нФ 11 56 47 3,9 5,1
Поступая аналогичным образом находим элементы второго звена.Элементы 2-го звена R1 кОм R2 Ом R3 кОм
C1 нФ
C2 нФ 11 51 68 3,9 5,1
Поступая аналогичным образом находим элементы третьего звена.Элементы 3-го звена R1 кОм R2 Ом R3 кОм
C1 нФ
C2 нФ 11 47 62 3,9 5,1
Для расчета АЧХ иослабления фильтра в выражении H(p) сделаем замену p=jω тогда |H(jω)| запишется:
/>
Ослабление фильтрасвязано с АЧХ выражением
/>
Найдем частоты ПЭП, прикоторых А и АЧХпринимают максимальные и минимальные значения.
Ω1 min= 0, Ω1 мАx=0,5, Ω2 мАx=1, Ω2 min=0,866
Для нахождениясоответствующих частот ПФ используем соотношение
/>
/>