Курсовая работа: Радиопередатчик с частотной модуляцией
Название: Радиопередатчик с частотной модуляцией Раздел: Рефераты по коммуникации и связи Тип: курсовая работа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1. Постановка задачи (задание) 2. Введение 3. Выбор и обоснование структурной схемы 4. Расчет выходного усилителя мощности 4.1 Выбор транзистора 4.2 Расчет электронного режима транзистора 4.2.1 Коллекторная цепь 4.2.2 Базовая цепь 4.3 Расчет элементов схемы усилителя и согласующих цепей 4.3.1 Расчет цепей питания 4.3.2 Расчет входной согласующей цепи 4.3.3 Расчет выходной согласующей цепи 5. Расчет кварцевого автогенератора 5.1 Выбор кварцевого резонатора и транзистора 5.2 Расчет параметров колебательной системы АГ 5.3 Расчет параметров режима работы транзистора 5.4 Расчет параметров элементов цепи питания и смещения 5.5 Расчет варикапа 5.6 Расчет элементов цепи генератора 6. Расчет умножителя частоты 6.1 Выбор типа транзистора и расчет его режима работы 6.2 Расчет элементов схемы 7. Уточнение структурной схемы 8. Схема электрическая принципиальнаярадиопередатчика 9. Описание конструкции 9.1 Описание корпуса 9.2 Уточнение используемых радиодеталей 9.3 Габаритные размеры радиодеталей и радиокомпонентов 9.4 Расчет катушки индуктивности 1. Постановка задачи (задание) радиопередатчик модуляция генератор резонатор Радиопередатчик с ЧМ 1. Назначение устройства: связной. 2. Мощность: Рвых=1,3 Вт 3. Диапазон волн (частот): fвых=310 МГц 4. Характеристики сигналов, подлежащих передаче: частотная модуляция 5. Место установки: носимый 6. Дополнительная нестабильность частоты 7. Сопротивление нагрузки: 50 Ом 8. Питание батарейное. 2. Введение Разрабатываемый передатчик (носимый) будет использоваться для связи между группами людей. Например, между поисковыми отрядами и координационным центром, так и между отрядами, для уточнения действий, получения заданий, сообщения об окружающей обстановке. Поэтому передатчик должен обладать следующими качествами: быть достаточно простым и надежным в использовании, иметь достаточно низкие массогабаритные характеристики, иметь продолжительный ресурс работы и возможность замены элементов питания. Исходя из условий эксплуатации (вне помещений) передатчик должен быть защищен от воздействий окружающей среды и устойчив к перепадам температур. 3. Выбор и обоснование структурной схемы Исходя из требований к передатчику, выбираем наиболее простую и экономичную в реализации схему: один генератор, умножительные и усилительные каскады. Частотную модуляцию будем осуществлять простым в реализации прямым методом, когда изменение частоты производится в задающем генераторе. Т.к. заданы высокие требования к допустимой нестабильности частоты , в качестве задающего генератора будем использовать автогенератор с кварцевым резонатором, в котором кварц работает на основной гармонике. Поэтому для получения на выходе заданной частоты fвых =305 МГц будем использовать каскады умножения частоты. Использование транзисторных умножителей частоты позволяет, как повысить частоту (и девиацию частоты) в "n" раз, так и увеличить мощность входного сигнала, но с ростом коэффициента умножения частоты "n" падает выходная мощность и КПД, поэтому возьмем два каскада умножения частоты на 2 и на 3. Таким образом, кварцевый резонатор будет работать на частоте основной гармоники МГц. Т.к. оконечный каскад- усилитель мощности (УМ) потребляет больше всего энергии, то будем его проектировать с высоким КПД. Для возбуждения оконечного каскада и получения требуемой мощности применим цепочку каскадов УМ. В передатчике используется батарейное питание, поэтому нужно стремиться получить высокие значения КПД каскадов. Расчет начнем с оконечного каскада УМ. Примем КПД согласующих цепей ηСЦ =0.8, тогда мощность на выходе каскада , задаем его коэффициент усилением по мощности KP =9, тогда мощность возбуждения на входе должна быть . Задаем мощность на выходе кварцевого генератора: . Далее зададим усиление по мощности каждого из каскадов на основе инженерного опыта. С учетом согласующих цепей получаем следующие значения: 1. Оконечный каскад УМ KP =7.5, . 2. Буферный усилитель мощности, для усиления мощности после кварцевого генератора: KP =5, 3. Умножитель частоты на 2, , KP =5, 4. Умножитель частоты на 2, , KP =5, 5. Умножитель частоты на 3 KP =3, Получаем, что промежуточный усилитель должен обеспечить . Тогда мощность на входе оконечного каскада . Структурную схему передатчика: , Проведем расчет трех каскадов: выходной усилитель мощности, кварцевый генератор и умножителя частоты на 2. 4. Расчет выходного усилителя мощности Расчет начинаем с выходного усилительного каскада, т.к. он обеспечивает необходимую выходную мощность передатчика: Рвых=1.3 Вт. Исходные данные берем из предварительного расчета структурной схемы: - выходная мощность каскада Рвых1=1.625 Вт, - частота f=310 МГЦ, - сопротивление нагрузки 50 Ом, также выбираем транзистор 2Т925А. Его параметры приведены в таблицах:
Для получения высокого электронного КПД выберем угол отсечки коллекторного тока θ=90о , тогда коэффициенты разложения для косинусоидального импульса: Эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером: 4.2 Расчет электронного режима транзистора Рвых1=1.625 Вт на рабочей частоте f=310 МГЦ для граничного режима работы. 4.2.1 Коллекторная цепь 1. Напряженность граничного режима: 2. Амплитуда коллекторного напряжения и тока первой гармоники: 3. Постоянные составляющие коллекторного, базового и эмиттерного токов: 4. Максимальная величина коллекторного тока: , т.е. меньше максимально допустимой величины. 5. Мощности, потребляемые от источника коллекторного питания и рассеиваемая на коллекторе транзистора: Рассеиваемая мощность меньше допустимой, транзистор выбран правильно: 6. Электронный КПД коллекторной цепи: или 7. Эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки току первой гармоники: 8. Максимальная температура коллекторного перехода (радиатор отсутствует): 4.2.2 Базовая цепь 1. Дополнительной сопротивление в базовой цепи: Так как , то в реальной схеме можно не ставить сопротивление , но оно остается в расчетных формулах. 2. Амплитуда базового тока составит: , где 3. Максимальное обратное напряжение на эмиттером переходе: Условие выполняется и Rд не надо уменьшить. 4. Напряжение смещения на эмиттером переходе: 5. Активная и реактивная составляющая входного сопротивления транзистора . Для этого рассчитаем элементы в эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора: rвх , Rвх , Lвх , Cвх . , тогда 6. Мощность возбуждения и коэффициент усиления по мощности: 4.3 Расчет элементов схемы усилителя и согласующих цепей 4.3.1 Расчет цепей питания 1. Блокировочная индуктивность во входной цепи автосмещения: 2. Блокировочная индуктивность, развязывающая цепь источника питания по высокой частоте: 3. Для исключения прохождения постоянной составляющей тока в нагрузку: 4. Для исключения прохождения постоянной составляющей тока в источник питания (примем RИП =10 Ом ): 4.3.2 Расчет входной согласующей цепи Требуется согласовать выходное сопротивление транзистора УМ по первой гармонике Rн1 = 50(Ом) и входное сопротивление транзистора оконечного каскада . Т.к. согласовываем каскад мощного усилителя (возбуждение током) с малым входным сопротивлением и , то можно использовать простую входную ВЧ цепь, представляющую ячейку ФНЧ Г- образного реактивного четырехполюсника, его эквивалентная схема представлена на рисунке: Обозначим: R1 =R`н1 =50 (Ом), R2 = rвх1 , X2 = xвх1 . Рассчитываем необходимую величину добротности Г-звена -достаточно мала, следовательно, цепь не превратится в колебательный контур и ее можно использовать для согласования. Рассчитаем цепь с емкостью в параллельной ветви, т.к. она имеет лучшие фильтрующие свойства в отношении высших гармоник, чем цепь с параллельной индуктивностью: Определяем реактивные сопротивления Ом; Ом. Вычисляем величины индуктивности и емкости с учетом реактивностей выходного сопротивления транзистора УМ и входного сопротивления транзистора рассчитываемого каскада 4.3.3 Расчет выходной согласующей цепи 1. Находим действующее сопротивление: , проверяем выполнение условия иначе, согласование было бы невозможным. 2. Определим реактивные сопротивления: 3. Рассчитываем необходимую величину добротности второго Г-звена: 4. Определяем реактивное сопротивление: 5. Находим последовательное реактивное сопротивление П-цепи: . 6. Вычислим величину индуктивностей и емкостей: С учетом емкости СК , стоящей параллельно С1 пересчитаем: С1 '=C1 -CК =5.17пФ-4.5пФ=0.67пФ. . Основные параметры каскада: Напряжения питанияUКо =12.6 В Выходная мощность(до согласующей цепи)РВЫХ = 1.625 Вт Рабочая частотаf = 310 МГц Коэффициент усиления по мощностиKp = 9.229 КПДη = 73% Мощность, потребляемая от источникаР0 = 3 Вт Мощность, рассеиваемая на коллектореРК = 1.39 Вт 5. Расчет кварцевого автогенератора 5.1 Выбор кварцевого резонатора и транзистора Исходными данными для расчета: рабочая частота f=51.333 МГц, мощность в нагрузке РН =0.4 мВт. Приняв частоту fкв =f, выбираем КР желательно с меньшим значением rкв *Со и выписываем его справочные параметры:
Колебательная мощность генератора с КР невелика, поэтому АГ будем выполнять на маломощном транзисторе КТ306Б, с граничной частотой . Его параметрами:
Для расчета выбираем схему частотно модулируемого автогенератора с кварцем, включенным в контур: Схема с КР в контуре удобна тем, что возбуждение может происходить как на основной частоте, так и на механических гармониках. Так же схема позволяет включить в колебательный контур варикап, для осуществления прямой частотной модуляции. 1. Вычислим нормированную статическую емкость КР: 2. Коэффициенты разложения косинусоидального импульса при угле отсечки θ=60 градусов: , ,,, 3. Режим автогенератора выбираем недонапряженным для уменьшения тока во входной цепи: , возьмем 4. Сопротивление резистора R и коэффициент m: 5. Определим мощности, рассеиваемые на кварце и отдаваемая транзистором: возьмем 6. Параметр удовлетворяет рекомендованному значению а ≤ 0.25. 7. Максимальное значение импульсного коллекторного тока: где Условие выполняется. 8. Рассчитаем аппроксимированные параметры транзистора: - крутизна по переходу, - сопротивление рекомбинации, - крутизна, - граничная частота по крутизне, - нормированная частота по , - модуль крутизны на частоте ,а 5.2 Расчет параметров колебательной системы АГ Рассчитываем параметры колебательной системы АГ (при условии самофазирования): 1) Сопротивление ветвей контура: 2) Ёмкости контура: 3) Эквивалентное реактивное сопротивление КР с учетом резистора R: Тогда сопротивление плеча контура между коллектором и базой: 4) Оценим индуктивность: для этого возьмем характеристическое сопротивление Из условия найдем : 5.3 Расчет параметров режима работы транзистора Параметры режима работы транзистора: 1) Постоянная составляющая и первая гармоника коллекторного тока: 2) Постоянная составляющая тока базы: 3) Амплитуда напряжения возбуждения: Модуль коэффициента обратной связи: 4) Амплитуда коллекторного напряжения: 5) Напряжение смещения на базе: 6) Мощности, потребляемая в цепи коллектора, колебательная и рассеиваемая транзистором: 5.4 Расчет параметров элементов цепи питания и смещения Параметры цепи элементов питания и смещения: 1) Выбираем значения сопротивлений Rэ и Rб из соотношений: и 2) Напряжение источников коллекторного питания: 3) Начальное напряжение смещения: 4) Сопротивление делителя в цепи питания базы: Ток делителя выбирается из соотношения 5) Мощность источника питания: КПД цепи коллектора: КПД АГ: 5.5 Расчет варикапа Для осуществления частотной модуляции в АГ будем использовать варикап КВ109В с параметрами:
Так как он обладает высокой добротностью на рабочей частоте. Возьмем показатель , зависящий от технологии изготовления варикапа. Для максимального изменения емкости варикапа величину целесообразно принимать из соотношения : В режиме запертого p-n перехода емкость варикапа СВ зависит от напряжения модулирующего сигнала. Средняя емкость варикапа, соответствующая равна , тогда: при U0 =12,5 В. Обозначим емкость . Так как < то из схемы исключается и Рассчитаем амплитуды высокочастотного и модулирующего напряжений на варикапе, для этого вычислим коэффициент включения варикапа в контур: , где Амплитуда модулирующего напряжения, подаваемого на варикап: Так как условие: выполняется, то продолжаем расчет. Рассчитаем значения и : Частота девиации будет определяться формулой: Так как требования к величине коэффициента нелинейных искажений не предъявляются, то оставляем его в пределах рассчитанного значения. Данный варикап обеспечивает заданную величину девиации частоты. Основные параметры автогенератора: Pвых = 0,4 мВт 5.6 Расчет элементов цепи генератора Расчет блокировочных элементов: Выбор , включенной параллельно сопротивлению Rэ. Блокировочные функции этой емкости осуществляются при условии . Но при большой может возникнуть прерывистоая автогенерация. Условием ее отсутствия будет , где Q – добротность колебательной системы АГ (примем Q=100). , , отсюда , примем . Полагая, что внутреннее сопротивление источника питания мало(10 Ом): Блокировочная индуктивность предотвращает заземление транзистора по высокой частоте: Блокировочные индуктивности развязывающие по частоте и частоту модуляции : и Примем , тогда: Блокировочная емкость выбирается из соотношения: Рассчитаем резистивный делитель в цепи смещения варикап: -напряжение источника питания варикапа. максимальная частота в спектре модулирующего сигнала. Зададимся R4=500 Ом, тогда найдем значение R3 из соотношения : Откуда 6. Расчет умножителя частоты Генераторные каскады малой мощности РПУ могут выполнять функции умножителей частоты, в основе которых лежит принцип выделения гармоники нужной частоты из импульсов коллекторного тока. Выходная мощность умножителя ограничена несколькими факторами. К ним относятся предельно допустимые значения обратного напряжения на эмиттерном переходе и мощности рассеяния , а также критический коллекторный ток . При выборе угла отсечки надо учитывать следующее. Пиковое обратное напряжение увеличивается при уменьшении угла отсечки , что может ограничить мощность, отдаваемую умножителем частоты. При больших углах отсечки уменьшается КПД и растет мощность РК , что может привести к нереализуемости режима транзистора. Если при оптимизации мощности УЧ опираться только на ограничения по коллекторному току, считая , то оптимальный угол отсечки равен . При n=2 - , а при n=3 - . При этих углах отсечки КПД будет достаточно высоким, но надо не допустить превышение . Поэтому часто угол отсечки и для n=2, и для n=3 выбирают равным . Расчет режима транзистора ведут на заданную мощность транзистора на рабочей частоте n*f, определенную по выходной мощности умножителя , , ,. 6.1 Выбор типа транзистора и расчет его режима работы Исходя из заданных и n*f, по справочнику выбирается транзистор с учетом выполнений и . Вследствие больших потерь в материале коллектора на верхних частотах транзистора целесообразно выбирать транзистор с запасом по выходной мощности примерно в 2..2.5 раза. Выберем транзистор 1Т330А, со следующими параметрами и характеристиками:
Расчет транзистора будем вести по безынерционной методике , т.к. граничная частота значительно выше заданной частоты. Режим транзистора полагаем граничным. Возьмем Uк0 =5 В, SГР =0.05, тогда: - напряженность граничного режима работы транзистора. - амплитуда второй гармоники коллекторного напряжения - амплитуда второй гармоники коллекторного тока - постоянная составляющая коллекторного тока - мощность, подводимая к транзистору от источника питания в коллекторной цепи - мощность, рассеиваемая коллектором транзистора - эквивалентное сопротивление коллекторной цепи для второй гармоники коллекторного тока - электронный КПД - амплитуда первой гармоники напряжения на базе - напряжение смещения на базе Постоянная составляющая тока базы: Параметры цепей элементов питания и смещения: Сопротивление делителя в цепи питания базы: Ток делителя выбирается из соотношения - мощность возбуждения Тогда коэффициент усиления по мощности составит: 6.2 Расчет элементов схемы Расчет элементов контура: Зададимся характеристическим сопротивлением контура: Найдем добротность ненагруженного контура: Добротность нагруженного составит: Тогда сопротивление потерь составит: Сопротивление связи: Емкость связи: Индуктивность контура: Общая емкость контура: Делитель емкости Расчет блокировочных элементов: Блокировочные емкости выбираются из принципа: и Сопротивления источников питания полагаем равным 10 Ом. Основные параметры умножителя: Pвых = 10 мВт Kp =5 7. Уточнение структурной схемы В результате проектирования отдельных каскадов, были рассчитаны выходные мощности, КПД, согласующие цепи, коэффициенты передачи по мощности, используемые активные приборы (транзисторы), а также необходимые напряжения питания для отдельных каскадов. Используя полученные данные, приведем уточненную структурную схему передатчика: 8. Схема электрическая принципиальная радиопередатчика 9. Описание конструкции Передатчик выполнен в виде отдельных каскадов, расположенных на разных платах: плата задающего генератора, плата модулятора, плата маломощного усилителя (буферный каскад) и первого умножителя частоты, плата второго умножителя частоты, усилителя мощности и выходного каскада . Поэтому для соединения отдельных составных частей в единое целое, а также подключение источника питания ко всем каскадам, необходимо использование проводов. Все каскады питаются от аккумулятора 14(В), напряжение к ним подается через низкоомные маломощные резисторы - R8, R11 и R12. Питание автогенератора поступает от аккумулятора через делитель напряжения и стабилизируется стабилитроном КС133А с параллельно включенным конденсатором, шунтирующим его по переменному току. Толщина проводов будет зависеть от протекающих по ним токов. Питание цепей передатчика обеспечим с помощью аккумулятора на 14(В). Напряжение на отдельные каскады будет подавать непосредственно с аккумулятора, а для задающего генератора – через делитель напряжения, для обеспечения 5-и вольтового напряжения. Будем использовать аккумулятор HanderHA-14-6 14(В), 1.2(Ач) с габаритными размерами (70ммХ50ммХ25мм), передатчик может непрерывно работать без подзарядки в течение примерно 2 часов. 9.1 Описание корпуса Корпус передатчика выполним из алюминиевого сплава для наилучшего отвода тепла от нагревающихся элементов. Он состоит из двух отсеков, в первом располагается плата передатчика, во втором – источник питания (аккумулятор). Плата расположена горизонтально, закреплены на стойках винтами 2 (мм). У корпуса имеется крышка с резиновой прокладкой, обеспечивающая пыле- и влагонепроницаемость. Крышка крепится с помощью винтов диаметром 4(мм). Размеры корпуса 266(мм)Х132(мм)Х50(мм), толщина стенок 1(мм). На корпусе размещаются кнопка включения/выключения передатчика и два разъема, для подключения микрофона и антенны. 9.2 Уточнение используемых радиодеталей Уточнение используемых радиодеталей для топологического чертежа платы автогенератора.
9.3 Габаритные размеры радиодеталей и радиокомпонентов 1. Конденсаторы: 1.1КМ-5Б L=4.5 мм B=6.5 мм А=2.5 мм d=0.5 мм 1.2.К10-50Б 1.3.К50-6 h=6 мм D=4 мм A=2 мм 2. Резисторы Р1-71-0.125 l=3.5 мм d=2 мм H=31 мм D=0.5 мм 3. Транзистор КТ306Б 4. КварцРВ-59 5. Варикап КВ109В 6. Разъем для антенны: GB-116(BNC-7017): 7. Кнопка включения/выключения: SR-06NR: 8. Аккумулятор: HanderHA-14-6: 9. Стабилитрон 1N4733A, Uстаб=5,1 +- 5% (В) 10. Транзистор 2Т925А Для микрофона выберем аудио разьем: AUB 11/2 9.4 Расчет катушки индуктивности Если катушка бескаркасная, то диаметр провода в должен быть не мене 0.4-0.5(мм), для обеспечения необходимой жесткости при диаметре катушки в не более 1(см) и числе витков N не более 5-10. Рассчитаем индуктивность L2=0.6 мкГн. Для намотки будем использовать провод ПЭВ1, толщина которого d=0.5 мм (в изоляции 0.55 мм). Выберем длину намотки l=0.6 см, диаметр намотки D=0.7 см, исходя из оптимального отношения . Коэффициент Тогда число витков: Шаг намотки: , т.е. намотка осуществима. |