Министерство общего и профессиональнго образования российской федерации
РГРТА
Кафедра РТУ
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
«Проектированиеавтомобильного передатчика»
Выполнил студент группы 816
Шлома Н. В.
Проверила
Прибылова Н. М.
Рязань, 2001
Содержание
1. Выписка из ГОСТа
2. Введение
3. Составление и расчет структурнойсхемы передатчика
4. Генератор с внешним возбуждением
4.1Энергетический расчет ГВВ
4.2 Расчет колебательной системы
4.3 Расчет вспомогательных элементов
5. Расчёт кварцевого автогенератора
6. Расчет общих характеристик передатчика
Заключение
Список использованной литературы
1.Выписка из ГОСТа
Основные требования и исходныеданные приведены в ГОСТе 12252-86. При проектировании передатчика использованы следующиеданные:
q Максимальная девиациячастоты: 1500 КГц, 300 КГц, 60 КГц при модулирующей частоте соответственно 5КГц, 10 КГц, 20 КГц.
q Передатчик нагружаетсякабелем с волновым сопротивлением 50, 75 Ом (расчет проводился на кабель 75 Ом).
q Используется фазоваямодуляция.
q Уровень побочногоизлучения -70 дБ.
q Звуковые частоты:300 – 3400 Гц.
2.Введение
В данной работе необходимоспроектировать и рассчитать автомобильный передатчик, работающий на частоте 108МГц и имеющий выходную мощность 37 Вт.
Радиопередающееустройство – это источник радиочастотных колебаний в системах радиосвязи,телевидения, радиолокации и др. Назначение передатчика – сформироватьрадиосигнал в соответствии с требованиями, установленными при разработке системы, и подвести его к антенне или к линии связи.
Радиосигналом называютколебание радиочастоты, один или несколько параметров которого изменяются(модулируются) в соответствии с передаваемым сообщением (информацией). Врадиосвязи используется частотная модуляция.
Основное требование крадиосигналу, связанное с выбором способа модуляции сигнала, — получениезаданной точности воспроизведения закона модуляции на приемной стороне канала связи.
Классифицируем разрабатываемыйпередатчик:
q По назначению: длярадиосвязи.
q По мощности: малоймощности (3…100 Вт).
q По видумодуляции: с частотной модуляцией.
3.Составление и расчет структурной схемы передатчика
Радиопередатчик любогоназначения обеспечивает:
qГенерированиевысокочастотных колебаний с заданной частотой и стабильностью частоты.
qУсиление высокочастотныхколебаний до требуемого уровня мощности.
qУправление однимили несколькими параметрами высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемогосигнала.
Требования, предъявляемыек передатчику, можно обеспечить при разных вариантах построения его схемы. Непроводя полного электрического расчёта, можно, пользуясь оценочными сведениямии формулами, сопоставить структурные схемы этих вариантов и выбрать лучший изних.
В подавляющем большинствеслучаев к передатчикам предъявляется требование высокой стабильности частоты.Как правило, это требование выполняется за счёт использования кварцевойстабилизации. Так как транзисторный автогенератор, стабилизированный по частотекварцевым резонатором, имеет очень небольшую мощность, современные передатчикистроятся по структурной многокаскадной схеме.
Для определения числаусилительных каскадов необходимо рассчитать колебательную мощность, отдаваемуюАЭ выходного усилителя в максимальном режиме. Выбрав способ формированиязаданного вида модуляции; определив принцип построения выходного каскада и типприменяемых в нём транзисторов; выяснив, что передатчик должен бытьмногокаскадным; решили вопрос о возможности применения типового возбудителя инеобходимости разработки автогенератора: определили число умножения частоты. Наосновании этих данных есть возможность составить функциональную схему иопределить общее число усилителей и других каскадов, типы транзисторов в них,необходимые питающие напряжения. Расчёт эскизного варианта структурной схемыпроводится без детального расчёта режима каждого каскада на основе справочныхданных о транзисторах. Эти данные позволяют подобрать несколько типовтранзисторов, мощности и рабочие частоты, которые близки к требуемым длярассматриваемого каскада.
Для реализации указанныхтехнических данных передатчик можно построить по схеме с кварцевымавтогенератором и умножителями частоты.
Кварцевый автогенераторявляется составной частью возбудителей, синтезаторов частот радиопередающих ирадиоприёмных устройств, а также аппаратуры для частотных и временныхизмерений. Существует большое количество схем АГ, стабилизированных кварцевымрезонатором. Их классифицируют на однокаскадные и многокаскадные. ОднокаскадныеАГ чаще всего строят по трехточечным схемам. Основное применение нашла схемаёмкостной трёхточки как наиболее надёжная и стабильная. Многокаскадные АГсодержат два или более активных элементов, а КР обычно включают в цепь обратнойсвязи, что позволяет реализовать режим с малыми значениями мощности Ркв идолговременной нестабильности частоты. В осцилляторных схемах КР являетсяэлементом контура КАГ и играет в нём роль индуктивности. В таких схемах КРработает на частотах выше частоты последовательного резонанса, где его эквивалентнаяиндуктивность достигает больших значений. Основным достоинством таких схемявляются простота схемной реализации и малые значения относительнойнестабильности частоты колебаний. Частоту задающего генератора с цельюобеспечения её высокой стабильности выбираем порядка (1 — 10)МГц. Восцилляторных схемах контур КАГ выполняется с таким расчётом, чтобы при выходеиз строя КР нарушалось условие самовозбуждения трёхточечной схемыавтогенератора. Схема АГ:
/>
Для уменьшения дестабилизирующего влияния непостояннойнагрузки АГ надо связывать с последующей схемой – умножителем частоты черезбуферный каскад – эмиттерный повторитель. Эмиттерным повторителем являетсякаскад с ОК. У такого каскада высокое входное и малое выходное сопротивления. Всилу того, что напряжение на выходе каскада с ОК, ” снимаемое с эмиттера”,по значению и полярности близко к действующему на входе и как бы повторяет его,поэтому такой какскад называют эмиттерный повторитель. Коэффициент передачитакого каскада близок к единице.
/>
Для передатчика допустимоиспользовать только стандартные напряжения при питании его от электросети черезвыпрямители, а также типовые гальванические батареи и аккумуляторы в зависимостиот условий эксплуатации. Особенно важно подобрать напряжение питания длявыходного каскада, определяющего КПД всего передатчика. Если Ек выбрать равнымнаибольшему предельно допустимому для данного типа транзистора, то следуетожидать существенного снижения его надёжности из – за опасности пробоя. Если жезначительно недоиспользовать транзистор по Ек, то снизится КПД коллекторнойцепи, потребуется более интенсивное охлаждение. Промежуточные каскады проектируютсялибо с расчётом на такое же напряжения питания, как и в выходном каскаде, либона меньшее, которое придётся получать от другого источника.
Автогенераторы и ихбуферные каскады нуждаются в стабилизированном напряжении питания. Посколькумощность этих каскадов мала, то могут быть использованы стабилизаторы вмикросхемном исполнении.
Цепи питания передатчикаупрощаются, при использовании транзисторов одного типа проводимости.
Процесс управленияколебаниями называется модуляцией. Основные виды модуляции: амплитудная,частотная и фазовая. Место модуляции в радиопередатчике определяется взависимости от вида модуляции. Амплитудная модуляция осуществляется в выходномили в одном из промежуточных усилителей передатчика. Модуляция в выходномусилителе требует большей мощности модулятора, но обеспечивает меньшиеискажения передаваемого сообщения. Частотная модуляция (прямой метод)осуществляется в задающем генераторе, что ухудшает стабильность частотыколебаний. Поэтому в структурную схему передатчика необходимо вводить системуавтоподстройки частоты. Фазовая модуляция осуществляется в одном изпромежуточных каскадов передатчика, позволяет обеспечить высокую стабильностьчастоты, но из – за малого значения девиации фазы требует применения большогочисла умножителей частоты. Фазовая модуляция может использоваться не только дляполучения ФМ – колебаний, но и для получения ЧМ – колебаний (косвенный метод)путём преобразования ФМ в ЧМ.
При проектированиипередатчиков с ФМ необходимо, прежде всего, решить вопрос о месте модулятора вструктурной схеме передатчика. Известны четыре наиболее распространённыеструктурные схемы передатчиков:
q c ФМ на выходе передатчика;
q c ФМ в предоконечных каскадах споследующим усилением мощности сигнала ФМК;
q с ФМ в начальныхкаскадах с последующим умножением частоты и усилением мощности сигнала ФМК;
q с ФМ наподнесущей частоте с последующим транспонированием и усилением ФМ сигнала.
Достоинство первой схемы– отсутствие линейных и нелинейных искажений в тракте за модулятором. Однакомощность на выходе модулятора равна мощности передатчика, так чтопроектирование мощных полупроводниковых фазовых модуляторов затруднено и невсегда выполнимо. Кроме того потери в модуляторе существенно влияют на КПДпередатчика. Указанные недостатки первой схемы устранены во второй. Достоинствотретьей схемы состоит в том, что в фазовом модуляторе требуется в N раз меньший индекс модуляции; N коэффициент умножения частоты втракте за модулятором. Однако при заданной относительной нестабильности индексамодуляции на выходе передатчика требования к его абсолютной стабильностиоказываются более жёсткими (в Nраз); для стабилизации параметров фазового модулятора приходится развязыватьего от смежных узлов с помощью резистивных аттенюаторов или ферритовых вентилей.Четвёртый вариант схемы передатчика с ФМ используют в диапазонных передатчикахили в передатчиках промежуточных радиорелейных станций. Общий недостатокпоследних трёх схем – увеличение линейных и нелинейных искажений в тракте замодулятором, обусловленное ограниченной полосой пропускания и нелинейностью ФЧХкаскадов усиления, преобразования или умножения частоты. Прохождение ФМ сигналачерез эти каскады сопровождается его искажением, в частности амплитудно-фазовойконверсией.
Наиболее широко применяютдва способа получения ФМ. Один из них состоит в расстройке контураусилительного каскада и примечателен своей универсальностью: в модулятореодновременно с ФМ происходит усиление мощности. Второй способ – использованиефазовращающих цепей.
Следующим каскадом внашем передатчике является фазовый модулятор, в котором ФМ осуществляется вконтурах усилительного каскада путём управления его расстройкой с помощьюмодулирующего сигнала. В качестве управляемого реактивного элемента здесьиспользуется варикап. Для увеличения индекса модуляции варикапы подключены ковсем контурам усилителя. Изменение резонансной частоты контура усилителяизменяет фазу высокочастотных колебаний в контуре в соответствии с его фазовойхарактеристикой. Схема имеет вид:
/>
После фазового модулятора ставим умножители частоты. В основеработы маломощных транзисторных умножителей частоты обычно лежит принципвыделения гармоники нужной частоты из импульсов коллекторного тока. На высокихчастотах на режим и параметры влияет реакция нагрузки, и её необходимоучитывать.
При достаточно высокойдобротности контуров умножителя его входное и выходное напряжения имеет форму,близкую к гармонической. Но в общем случае ток и напряжение на входетранзистора в режиме с отсечкой имеют негармоническую форму, и это усложняетрасчёт.
Трудность созданиярезонансных умножителей частоты заключается в низких значениях коэффициентовБерга при большой кратности умножения. Поэтому следует выбирать углы отсечкимаксимизирующие соответствующие коэффициенты Берга. Также известно, чтокоэффициент усиления уменьшается при увеличении кратности умножения. Схемыумножителей бывают с параллельным питанием или с последовательным. Схемаумножителя:
/>
Мы взяли схему споследовательным питанием. Для уменьшения влияния нагрузки на параметры контураи согласования контура с VT мынагрузку подключаем частично. Можно добавить фильтр ” пробка” в коллекторнуюцепь, для уменьшения влияния первой гармоники на параметры контура. Послеумножителя ставим выходной каскад – ГВВ с резонансной схемой согласования вколлекторной цепи. Генератор с внешним возбуждением относится к классуусилителей высокой частоты. В отличие от малосигнальных усилителей ВЧ ГВВ имеетдело с большими уровнями сигналов, действующими на его входе и выходе, иработает как в линейном, так нелинейном режимах. В этой связи ГВВ принято характеризоватьрядом энергетических показателей. К ним относятся выходная колебательнаямощность, мощность, потребляемая от источника питания, мощность рассеяния повыходному электроду, коэффициент полезного действия по выходному электроду,коэффициент усиления по мощности и ряд других. Качество генератора во многомзависит от уровня достигнутого КПД и Кр при заданном уровне выходной мощности.Поэтому ГВВ можно рассматривать как устройство, осуществляющее преобразованиеэнергии источника питания в ВЧ энергию с достаточно высоким КПД и управляемоевнешним ВЧ сигналом. В ГВВ с избирательными цепями согласования можнореализовать три возможных режима работы: недонапряжённый, критический,перенапряжённый. Если напряжение источников питания, смещения и амплитудывозбуждения неизменно, то требуемый режим работы ГВВ достигается подборомнагрузки, по выходному электроду. При энергетическом расчёте ГВВ в критическомрежиме на заданную мощность одним из параметров, которым приходится задаваться,является угол отсечки. Его значение можно выбирать из интервала от 0 до 180 градусов.Однако при разных значениях углов отсечки получаются различными такие важныехарактеристики ГВВ как электронный КПД, Кр, насыщенность выходного тока высшимигармониками и ряд других. Известно, что усилительные свойства АЭ наиболеевысоки в классе А. При выборе угла отсечки из интервала 120 – 180 усилительныесвойства АЭ уменьшаются, но незначительно. Однако электронный КПД ГВВполучается при этом невысоким и лишь немного превышает 50%. При выборе углаотсечки
/>
Приходится искатькомпромиссное решение, при котором можно получить приемлемые усилительныесвойства АЭ и достаточно высокий КПД. Это компромиссное решение получается привыборе угла отсечки в окрестности 90 градусов. При этом электронный КПДстановится близким к максимальному, Кр уменьшается всего лишь в два раза всравнении с максимально возможным. Кроме того, минимизируется третья гармоникатока выходного электрода. Мы использовали ГВВ с включением транзистора по схемес общим эмиттером.
Вычислим колебательную мощность выходного каскада, для этогозададим значения следующих величин:
hпк – КПД промежуточного контура (0.7– 0.9) – берём равным 0.8;
hак – КПД антенного контура (0.8 –0.95) – берём равным 0.9;
hм – КПД моста сложения мощности (0.8– 0.95) – берём равным 0.9;
hпз – коэффициент производственногозапаса (1.1 – 1.3) – берём равным 1.1;
P~ = 37 Вт — выходная мощность. f = 108 МГц — рабочая частота.
Определим колебательную мощностьвыходного каскада:
/>
Выходной каскад передатчика будем выполнять по однокаскаднойсхеме усилителя мощности с общим эмиттером. Однокаскадная схема применяется из-запростоты исполнения, а также исходя из достаточно низкой величины выходноймощности.
Определяем необходимое значениеобщего коэффициента умножения, который будет обеспечен несколькимиумножителями: Nобщ = 32
Для получения такого коэффициентаумножения будем использовать пять удвоителей частоты, так как это позволит намполучить заданную мощность в нагрузке без использования очень мощныхтранзисторов и дополнительных каскадов усиления.
/>
/>
Рабочая частота автогенератора:
fАГ = /> =3,375 МГц.
В качестве активныхэлементов во всех каскадах используются транзисторы.
/>
Параметрытранзисторов :
КТ802: fт = 20 МГц; Ркмах = 30 Вт.
КТ922 Б: fт = 175 МГц; Р~ = 20 Вт;Кр = 10
КТ930 Д: fт = 450 МГц; Р~ = 75 Вт;Кр = 2.5
4. Генератор с внешним возбуждением
передатчик генератор кварцевый колебательный энергетический
Генератор с внешним возбуждением(ГВВ) относится к классу усилителей высокой частоты(ВЧ). В отличие от малосигнальных усилителей ВЧ ГВВ имеет дело с большими уровнямисигналов, действующими на его входе, и работает как в линейном, так и нелинейномрежимах. ГВВ можно рассматривать как устройство, осуществляющее преобразованиеэнергии источника питания в ВЧ энергию с достаточно высоким КПД и управляемое внешнимвысокочастотным сигналом.
В диапазонах ДВ, СВ, КВ, УКВ, СВЧ широкое применение при созданииГВВ находят различные типы транзисторов и ламп. Верхняя частотная граница ихприменения достигает 50 ГГц ( и выше ) и имеет тенденцию к росту. ГВВ,выполненные на лампах и транзисторах, имеют много общих признаков, т.к. решаютзадачу получения требуемой мощности ВЧ колебаний в нагрузке.
Вместес тем ламповые и транзисторные ГВВ обладают рядом существенных отличий. Причинаэтого кроется в различии физических процессов протекающих в указанных типах активныхэлементов (АЭ).
ТакойАЭ, как лампа ( триод, тетрод, пентод ), имеет высокий уровень анодногопитания, относительно малую величину крутизны проходных характеристик,большие уровни внутреннего и входного сопротивлений. Для получения от лампы еёноминальной мощности требуется высокоомная анодная нагрузка. Проходныехарактеристики у ламп левые. Возбуждение лампового ГВВ проще реализовать отисточника напряжения.
Транзисторыв отличие от ламп являются токовыми приборами. Они имеют большую величину крутизнывходной и проходной характеристик, низковольтное напряжение источника коллекторногопитания и требуют низкоомную коллекторную нагрузку для отбора номинальной мощности.Проходная характеристика биполярных транзисторов правая. Принимая во внимание,что в области средних и высоких частот коэффициент усиления по току транзисторасущественно ниже, чем в области низких частот, и базовый ток сравним повеличине с коллекторным током, входное сопротивление транзистора в схеме собщим эмиттером получается низкоомным и его возбуждение удобнее реализовать от источникатока.
В ГВВс избирательными цепями согласования можно реализовать три возможных режимаработы:
1. Недонапряженный (НН ).
2. Критический.
3. Перенапряженный (НП ).
В областинедонапряженного режима активный элемент (АЭ) ГВВ ведет себя как источник тока, а в области перенапряженного режима — как источник напряжения.
Наиболееоптимальным является критический режим работы ГВВ. В этом режиме АЭГВВ отдаёт максимальную мощность, имея малую мощность рассеяния на выходном электроде и достаточно высокие ho и Кр. В области ННР увеличивается Ррасс и падает ho в области ПНР при сохранении высокого ho уменьшаются Р’ и Кр.
В связис указанными недостатками недонапряженный и перенапряженный режимы менее предпочтительныв сравнении с критическим .
Приэнергетическом расчете ГВВ в критическом режиме на заданную мощность одним изпараметров, которым приходится задаваться, является угол отсечки Θ. Егозначение можно выбирать из интервала от 0 до π. Однако при разныхзначениях Θ получаются различными такие важные характеристики ГВВ какэлектронный КПД, коэффициент усиления по мощности, насыщенность выходного токавысшими гармониками и ряд других.
Усилительныесвойства АЭ наиболее высоки в классе «А». При выборе Θ изинтервала 120 – 1800усилительные свойства АЭ уменьшаются, нонезначительно. Однако электронный КПД ГВВ при этом получается невысоким и лишьнемного превышает 50 %. При выборе Θ
Следовательноискать компромисное решение, при котором при котором можно получить приемлемыеусилительные свойства АЭ и достаточно высокий КПД. Это компромисное решениеполучается при выборе Θ в окрестности 900.4.1Энергетический расчет ГВВ
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>4.2 Расчет колебательнойсистемы
/>
/>
/>
/>
/>4.3 Расчетвспомогательных элементов
/>
/>
5.Расчёт кварцевого автогенератора
Кварц – это минерал,имеющий кристаллическую структуру и являющийся разновидностью кремнезема SiO2.В природе он встречается в виде двух модификаций,различающихся своими свойствами (α и β — кварцы).
Основным элементомкварцевого резонатора является пластина, вырезанная из кристалла кварца вопределенной ориентации к его осям X, Y, Z. По виду этой ориентации различают типы срезов кварцевойпластины. Пластины, вырезанные перпендикулярно X или Yназывают простыми срезами. Чаще используют «косые» срезы, так как уних температурный коэффициент влияния значительно ниже.
Для подведения ккварцевой пластине переменного напряжения её противоположные стороны покрывают серебром.В результате образуется конденсатор с ёмкостью Со и кварцевым диэлектрическимзаполнением, обладающим пьезоэффектом. Пластину, закрепляют в кварцедержателе,помещают в баллон с выводами. При подведении к кварцевой пластине переменноенапряжение с частотой f, вней возникают различные механические колебания.
Кварцевый автогенераторявляется составной частью возбудителей, синтезаторов частот, радиопередающих ирадиоприемных устройств, а также аппаратуры для частотных и временныхизмерений.
Попринципу использования кварцевого резонатора (КР) схемы КАГ можноклассифицировать по трем основным группам:
q Осцилляторные
q Фильтровые
q Схемы с затягиванием частоты.
В осцилляторных схемахкварцевый резонатор является элементом контура КАГ и играет в нем рольиндуктивности. В таких схемах КР работает на частотах выше частотыпоследовательного резонанса, где его индуктивность достигает больших значений (до единиц генри ). Основным достоинством таких схем являются простота схемнойреализации и малые значения относительной нестабильности частоты колебаний. Ноуровень колебательной мощности, который они могут генерировать при сохранениипараметров КР, невелик и составляет единицы и десятки милливатт.
Восцилляторных схемах контур КАГ выполняется с таким расчетом, чтобы при выходеиз строя кварцевого резонатора нарушалось условие самовозбуждения трехточечной схемыавтогенератора.
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
6.Расчет общих характеристик передатчика
/>
Заключение
Врезультате проделанной работы разработан автомобильный передатчик. Он состоитиз кварцевого автогенератора, выполненного по схеме ёмкостной трёхточки (этасхема обладает более высокой стабильностью), буферного каскада для согласованиявыходного сопротивления автогенератора со входным сопротивлением следующегокаскада (эмиттерный повторитель), пяти удвоителей частоты и выходного каскада,предназначенного для усиления сигнала передаваемого к антенне. Расчет проведенисходя из строгих технических данных и основных требований по ГОСТу 12252-86.Характеристики сконструированного передатчика удовлетворяют техническому заданию.
Списокиспользованной литературы
1. Радиопередающиеустройства / под редакцией М.В. Благовещенского, Г.М. Уткина. – Москва: Радиои связь 1982г.
2. Войшвилло Г.В.Усилительные устройства. – Москва: Радио и связь 1983г.
3. Проектированиерадиопередающих устройств СВЧ / под редакцией Г.М. Уткина. – Москва: Советскоерадио 1979г.
4. Шумилин М.С.,Козырев В.Б., Власов В.А. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков.– Москва: Радио и связь 1987г.
5. Методические указания№545 к упражнениям по дисциплине «Радиопередающие устройства» / подредакцией Ю.Л. Мишина. – Рязань: РРТИ 1980г.
6. Методическиеуказания № 1520 «Разработка и расчет колебательной системы диапазонноговыходного усилителя мощности» / под редакцией Ю.И. Судакова. – Рязань:РРТИ, 1988г.
7. Методические указания№ 1777 «Расчет генератора с внешним возбуждением» / Сост. П.А.Крестов, Н.М. Прибылова. Рязань: РРТИ, 1990г.
8. Методическиеуказания № 2744 «Расчет кварцевого автогенератора» / Сост. Н.М.Прибылова, В.Н. Сухоруков. Рязань: РГРТА, 1998г.