Аннотация
В курсовой работе рассматриваются вопросыпроектирования связного передатчика с ОБП, перестраиваемого в диапазоне частот45… 50 МГц. Приведены схемная реализация узлов передатчика и расчетпринципиальных схем некоторых из них.
Введение
В проекте рассматривается расчет связногорадиопередатчика с однополосной модуляцией (ОБП). Такой вид модуляции являетсяразновидностью амплитудной модуляции. Известно, что двухполосная АМ обладаетвысоким удельным расходом мощности, поскольку основная мощность сигналасосредоточена на несущей частоте и лишь малая ее часть – в боковых лепестках,так же сигнал АМ занимает широкую полосу спектра (DfAM= 2·fB, где fB– верхняя частота модулирующего процесса).Энергетически более выгодна балансная модуляция (БМ), представляющая собой АМ сподавлением несущей.
При БМ на передачу сообщения затрачивается всямощность передатчика, что и обуславливает ее высокую энергетическую эффективность.
Более экономичной по занимаемой полосе частот являетсяоднополосная модуляция, ширина спектра ОБП DfОБП= fB, что в два раза меньше полосы сигналовАМ и БМ, при сохранении высокой энергетической эффективности. Данный видмодуляции можно трактовать как перенос спектра сообщения из области низкихчастот в область высоких частот.
Недостаток ОБП сигнала заключается в том, что дляточного восстановления сообщения на приемной стороне необходимо формированиеопорного колебания, частота и фаза которого должны точно совпадать с частотой иначальной фазой несущей. Однако при ОБП несущая в спектре сигнала отсутствует,что приводит к искажениям сообщения при его восстановлении. При передачеречевых сообщений допустима некоторая расстройка по частоте (до десятков герц)между опорным колебанием и несущей без снижения существующего качества принятогоречевого сигнала. Это позволяет формировать опорные автономным генератором и непередавать сигнал несущей.
В силу перечисленных выше причин ОБП широкоприменяется в системах передачи речевых сигналов, а вопросы, связанные спроектированием и применением радиопередатчиков с однополосной модуляциейвесьма актуальны.
Кроме того, представляют самостоятельный интересметоды формирования сигнала ОБП и схемные решения, их реализующие.
1 Расчетнаячасть
1.1 Расчетструктурной схемы
По проектному заданию требовалось рассчитать связнойоднополосный передатчик со следующими параметрами:
1. Диапазон рабочих частот 45-50 МГц
2. Мощность 2.5Вт
3. Сопротивление фидера 50Ом
4. Подавление внеполосных излучений 40дБ
5. Питание от аккумуляторов 12 В
6. Относительная нестабильность частоты
Началом проектирования служит составление структурнойсхемы передатчика, согласно которой, потом рассчитываются отдельные каскадыпередатчика. За основу была взята стандартная структура передатчика, аколичество и назначение отдельных каскадов выбиралось согласно требованиямтехнического задания, следующим образом:
Требуемая нестабильность частоты при кварцевой стабилизации,необходимо построить кольцо ФАПЧ, с включенным в него для стабилизации частотыкварцевым генератором.
Тип сигнала передатчика – однополосный, поэтомутребуется включать в схему балансный модулятор. При фазокомпенсационном методеформирования ОБП сигнал с микрофона и сигнал с генератора опорной частотыподаются на два входа БМ, на один вход напрямую, а на второй вход черезфазовращатель. В результате на выходе сигнал НБП приходит в противофазе ивзаимокомпенсируется, и остается только удвоенный сигнал ВБП. Поэтому при фазокомпенсационномметоде достаточно использовать один балансный модулятор. При фильтровом методесигнал НБП отфильтровывается, а получить фильтр, который позволял бы на частотепередатчика отфильтровать полосу частот, равную ширине речевого спектра, невозможно,поэтому требуется формирование ПЧ. Промежуточные частоты и параметры фильтровна выходе БМ подбираются таким образом, что бы комбинационные частоты и высшиегармоники не попали в диапазон рабочих частот передатчика. Для того, что бывыполнить все указанные требования, при проектировании передатчика с фильтровымметодом формирования ОБП, потребуется три балансных модулятора. Проектируемыйпередатчик должен иметь перестройку в диапазоне частот, поэтомуфазокомпенсационный метод не подходит, т.к. очень сложно реализоватьфазовращатели, работающие в диапазоне частот. Вследствие вышеизложенных причин нужно использовать фильтровой метод, азначит, схема будет содержать три балансных модулятора с фильтрами на их выходах.На вход каждого балансного модулятора подавать сигнал несущей промежуточнойчастоты, а значит, требуется проектирование двух генераторов постоянной частоты(на вход третьего БМ подается сигнал со стабилизированного генератора управляемого напряжением).
Выходнаямощность передатчика Р=2,5 Вт, а максимальная мощность, на которую может работать микросхема на которойсобран БМ – 30¸35 мВт, азначит требуется усиление на два порядка. Такой коэффициент усиления невозможнополучить только в оконечном каскаде, азначит, требуется еще два или три усилительных каскада. Оконечный каскадобязательно требуется согласовать с фидером антенны, для этого ставится согласующаяцепь. Для того чтобы не допустить попадание гармоник сигнала в антенну необходимо перед антенной установить фильтр нижнихчастот. Структурная схема, построенная по результатам всех изложенных умозаключений, показана в приложении А.
Сигнал свыхода микрофона попадает на БМ1, на второй вход которого подается сигнал скварцевого генератора с частотой 500 кГц, на выходе БМ1 полосовым электромеханическимфильтром отфильтровывается сигнал верхней боковой полосы, далее вторым БМсигнал ОБП переносится за пределы диапазона перестройки передатчика, на частоту85,5 МГц, полученный сигнал на БМ3 с помощью ГУНа переносится в заданный диапазон частот.Далее от сигнала отфильтровываютсясигналы гармоник фильтром нижних частот, полученный сигнал усиливается воконечном каскаде и, через цепь согласования попадает в антенну.
Для стабилизации частоты перестраиваемый генераторстабилизируется через кольцо ФАПЧ от кварцевого генератора. Установкойкоэффициента деления ДПКД, установленного на выходе ПГ, задается частотаколебаний ПГ, и, соответственно частота сигнала передатчика.
1.2 Расчетоконечного каскада
Для получения заданной мощности на выходе, расчетначинают с ОК. Для реализации схемы выбран ВЧ транзистор средней мощности 2Т921А, параметры представлены в Таблице 1. Таблица 1
Параметры статических идеализированных характеристик Высокочастотные параметры
rн, Ом
rб, Ом
rэ, Ом
Rу.э , Ом
b0
ft , МГц
Ск, пФ
Сэ, пФ
tк, пс
LЭ, нГн
Lб, нГн
LК, нГн
3,4
2
0,6
>200
10...80
90...300
40...50
300...450
3
3,5
3,5
Допустимые параметры
Тепловые
Энергетические
Uкб.доп, В
Uкэ.доп, В
Uбэ.доп, В
Iк0.доп, А
Iб0.доп, А
Диапазон рабочих частот
tп.доп
°C
Rпк,
°C/Вт
Рн,
Вт
Ек,
В
Схема включения
-
65
4
3,5
1
КВ… УКВ
150
6
>12,5
28
ОЭ
Электрический расчет режима работы транзистора состоитиз двух этапов – расчет коллекторной цепи и расчет входной цепи.
1.2.1Расчет коллекторной цепи
Расчет коллекторной цепи ведется при заданной мощностиР1 + 10% (на потери в цепи согласования и фильтре) и заданном напряжениипитания 12В.
1. Амплитуда первой гармоники напряжения Uk1на коллекторе.
;
2. Максимальное напряжение на коллекторе.
;
3. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока.
4. Постоянная составляющая коллекторного тока
5. Максимальный коллекторный ток.
6. Максимальная мощность, потребляемая от источникапитания
7. КПДколлекторной цепи.
8. Номинальное сопротивлениеколлекторной нагрузки
Из результатов расчета видно, что транзисторнедоиспользуется по мощности, у схемы низкий КПД и выходное сопротивление нижежелаемого (равного входному сопротивлению фидера антенны) в 5 раз. Увеличениемнапряжения питания можно добиться увеличения использования транзистора помощности и, как следствие, увеличится КПД цепи, а так же можно добиться, что бывыходное сопротивление ОК совпало с входным сопротивлением фидера антенны,тогда можно исключить из состава передатчика цепь согласования ОК с нагрузкой.Перерасчет по заданному выходному сопротивлению RЭК= 50 Ом приведенниже:
1.
Амплитудапервой гармоники напряжения Uk1на коллекторе.
2. Максимальное напряжение на коллекторе.
Uk.max = 40.5 B;
3.
Амплитудапервой гармоники коллекторного тока
4. Постоянная составляющая коллекторного тока имаксимальный коллекторные ток.
Ik0 = 0.22 A; Ik.max = 0.69 A;
5.
Требуемоенапряжение питания.
Ек = 20 В.
В результате перерасчета транзистора исчезланеобходимость в цепи согласования (выходное сопротивление передатчика сталоравно входному сопротивлению фидера антенны), также увеличилось использованиетранзистора по мощности и увеличился КПДколлекторной цепи:
P0max= 4.35 Вт; P0ном = 4.35 Вт; h= 0.68;
1.2.2Расчет входной цепи
1.
Амплитудатока базы
2.
3.
;
4.
5.
Напряжение смещения на эмиттерном переходе
6.
7.
Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления транзистора ZВХ= rВХ + jXВХ
тогда
ZВХ = 8.92 – j0.559 Ом |ZВХ| = 8.36 Ом
8.
9.
Вовходной цепи так же рассчитывается делитель напряжения, который долженобеспечивать напряжение смещения на базе. Для стабильности напряжения смещенияток, протекающий через делитель должен быть не менее 10·Iб0. Воспользовавшись результатамипредыдущего расчета можно найти номиналы сопротивлений делителя.
RД= 50 Ом.; RД= R18.
Если на сопротивлении Rднапряжение равно напряжению смещения на базе, то остальноенапряжение от источника должно падать на сопротивлении R17.
Остальные элементы схемы (конденсатор С28 и катушкаиндуктивности L12)являются блокировочными, исходя из этого их номиналы выбираются следующимобразом:
XС_бл®0 Þ
Значениеблокировочной емкости Cблравноединицы мкФ ÞCбл= С28 = 1мкФ.
Сопротивлениеблокировочной катушки индуктивности ВЧ составляющей напряжения должно бытьмаксимально большим ÞLбл = L12 = 2 мГн.
1.3 Расчетфильтра нижних частот
Дляподавления высших гармоник усиленного сигнала требуется, между ОК и антеннойпоставить фильтр нижних частот. Фильтр должен удовлетворять следующим параметрам:
Максимальноезатухания в полосе пропускания αD = 0.0436 дБ;
Затухание вполосе удержания αS = 40 дБ;
Коэффициентотражения ρ = 10% Þα(ρ) = 20 дБ;
Граничнаячастота полосы пропускания fD = 50 МГц;
Граничнаячастота полосы задержания fS = 90 МГц.
1. Введем нормированную частоту границы полосы задержания
Задавшись максимальным затуханием в полосе пропускания и затуханием в полосеудержания по графикам в справочнике, определим порядок фильтра, такие параметрыобеспечивает фильтр Чебышева 7-го порядка. Значения нормированных элементовфильтра следующие:
с2 = 1.436820
l1 = 1.009729
с4 = 1.621592
l3 = 1.941414
с6 = 1.436820
l5 = 1.941414
l7 = 1.009729
Значения нормировочных коэффициентов
4. Определение номиналов элементов схемы фильтра.
Значения элементов определяем по формулам
С2 = 91.47 пФ
L1 = 160.7 нГн
С4 = 103.23 пФ
L3 = 308.99 нГн
С6 = 91.47 пФ
L5 = 308.99 нГн
L7 = 160.7 нГн
Полученнаясхема фильтра нижних частот седьмого порядка показана на рис.3.
Дляпроверки выполнения требований к параметрам фильтра была построена АЧХ фильтрапри помощи программы Pspiseприведеннаяна рис.4.
Каквидно из построенной АЧХ все требования к частотным и энергетическим параметрамфильтра выполняются, затухание в полосе удержания значительно ниже требуемых –40 дБ.
1.4 Предварительный усилительмощности
Для обеспечения заданной мощности на выходепередатчика нужно подать на вход ОК мощность 1,07 Вт, для этого на выходетретьего балансного модулятора поставить два усилителя мощности. Схемапредставляет собой широкодиапазонный УПЧ.
Подобныесхемы с общей базой (или общим эмиттером) и гальванически заземленным(соединенным с корпусом) коллектором весьма типичны для техники транзисторныхГВВ. Несмотря на посредственно соединенный с корпусом коллектор, данный каскадсохраняет все особенности, характерные для схемы с ОБ. Здесь возникает необходимость в соединении скорпусом плюсовой клеммы источника коллекторного питания ЕВ и подачеотрицательного потенциала ЕВ через заградительный дроссель L10. ЦепочкаС24, R12 является развязывающим фильтром в схеме питаниянескольких каскадов от общего выпрямителя. Возбуждение поступает через входнойтрансформатор Т1. Конденсатор С22 – блокировочный. С последующим каскадомданный промежуточный усилитель мощности также связан через трансформаторнуюцепь связи Т2. Конденсатор С32 предотвращает шунтирование по постоянному токупромежутка “коллектор – эмиттер” БТ малым омическим сопротивлением первичнойобмотки Т2. Апериодический характер НС в сочетании с несимметричным построениемкаскада требует работы транзистора в классе А (Q= 180). Открывающеесмещение обеспечивается за счет падения напряжения на резисторе R10 вследствиепрохождения через него постоянной составляющей тока базы. Включение БТ по схемес ОУЭ и применение на входе корректирующей цепочки R9, C23позволяет получить довольно равномерную АЧХ во всем диапазоне частот.
1.5 Расчетперестраиваемого генератора
Перестройка диапазона передатчика реализована спомощью перестраиваемого генератора стабилизированного с помощью кольца ФАПЧ.Схема перестраиваемый генератора представляет собой стандартную емкостнуютрехточку с включенным в контур варикапом. Поэтому расчет проводился попринципу расчета автогенератора.
1.5.1Расчет работы транзистора
Генератор должен перестраиваться от 105.5 до 110.5МГц. По параметрам (рассчитанной частоте fS) был выбран транзистор СВЧ транзистор средней мощностиКТ602Г со следующими параметрами:
Мощностьрассеиваемая на коллекторе P1= 0.85 Вт.
Постояннаявремени обратной связи tК= 300 пС.
Емкостьколлектора не более СК = 4 пФ.
Статическийкоэффициент усиления тока базы b0= 20-80.
Напряжениеколлектор эмиттер UКЭ_ДОП= 70 В
Для облегчения задачи проектирования, для питанияколлекторной цепи зададимся уже существующим напряжением питания 20 В.
1.Для расчета зададимся фактором регенерации
G= 5.1;
2.Находим коэффициент разложения косинусоидального импульса g1(q) и по таблицам определяем a1, ao, Cosq.
g1= 1 / G= 0,196;
3.Напряжение на коллекторной нагрузке автогенератора:
UK=EK·x= 8,7;
4.Зная напряжение питания, найдем первую гармонику коллекторного тока ik1:
IK1=a1/aoIK0 = 0,2;
5.Зная величину первой гармоники, найдем постоянную.
7. Сопротивление коллекторной нагрузки:
rk= uk/ik1= 44,6;
8. Задаемся величиной x так, чтобы обеспечить недонапряженный режим генератора.x=0,44.
9.Мощность, подводимая к генератору:
Ро= Ек Iко =2,18 Вт;
10.Рассеиваемая на коллекторе мощность:
Рк= Ро – P1= 1,32 Bт;
11. По известной величине фактора регенерациирассчитывается коэффициент обратной связи:
K=G/SoRK=;
12.Напряжение обратной связи:
Uб= ukК = В;
13.Входное сопротивление автогенератора:
rbx= uб/iб1 = bоUБ/IK1 = 2.6 Ом;
гдеbо –статический коэффициент усиления тока базы.
14.Постоянная составляющая тока базы:
Iб0= Iко / bо =
15.Смещение на базе:
еб= е'б — UБCosq= 0,54 В;
1.5.2 Расчет элементовколебательного контура
Элементы колебательного контура автогенераторарассчитываются так, чтобы обеспечить найденные ранее сопротивление нагрузкиавтогенератора rkи коэффициент обратной связи К.
1.Определяется коэффициент включения контура в коллекторную цепь:
2.Реактивное сопротивление элемента колебательного контура между коллектором иэмиттером – X1:
X1= рк r=11,34 Ом;
3.Реактивное сопротивление контура между базой и эмиттером:
Х2= К X1 = 6,49 Ом;
4.Коэффициент включения нагрузки в контур автогенератора:
Ом;
5.Оставшиеся элементы контура определяются так:
ХL= r= 300 Ом ; Хсз = r — X2 — Х3 = 282 Ом;
Схема автосмещения нужна затем, чтобы резисторы R1 и R2 при отсутствии колебаний удерживали транзисторв открытом состоянии. После самовозбуждения генератора за счет тока базысмещение автоматически должно измениться так, чтобы установился режим сопределенным ранее углом отсечки. Напряжение смещения в установившемся режимеопределяется соотношением:
еб= EKR2/(R1+R2)-IБОR1R2(R1+R2) (1)
Задаемсявеличиной енач = Е R2/ (R1+R2), (2)
гдеЕ — напряжение источника питания автогенератора,
енач> е'б ; енач =(0,9 — 1,0) В.
Послеподстановки (2) в (1) получим:
R1=Ек(1-ЕБ/ЕНАЧ)/IБО= 3,24 кОм;
Далее из(2) находится R2= 1,7 кОм;На принципиальной схеме R1= R7; R2= R8.
1.6 Расчетэлементов схемы
Расчет схемы элементов произведем на нижней частоте ПГfН= 105,5МГц.
Значения емкостей и индуктивности находятся из значений реактивных сопротивлений:
C21В.н = 132,9 пФ*; L9= 452,6 нГн;
C20 = 2321,2 пФ;
C19 = 5,34 пФ;
Расчет величины изменения емкости варикапа выполняется изтого условия, что контур будет настроен на резонанс и на верхней частоте равной110,5 МГц.
**;
Величина изменения емкости варикапа равна СВ= C1В.в — C1В.н= 95 пФ.
2 Формированиеоднополосного сигнала
Формирование ОБП производится фильтровым методом, дляформирования сигнала на ПЧ используются три балансных модулятора. Балансныемодуляторы реализованы на интегральной микросхеме К174ПС. Микросхема представляет собой двойной балансный смесительдля частот до 200 МГц и предназначена для преобразования частот УКВ – диапазонав радиоприемной и связной аппаратуре.
Микросхемаимеет следующие параметры:
Ток потребления Iпот, мА не более
2,5
Крутизна преобразования S, мА/В, не менее
4,5
Коэффициент шума, дБ, не более
8
Верхняя граничная частота входного и опорного напряжения fгр, МГц
200
Напряжение питания Uп, В
4 – 15
Входное и опорное напряжение, не более, В
1
Для всех трех БМ используется одинаковое типовое включениемикросхемы, отличаются только параметры элементов.