Курсовая работа: Связной передатчик с частотной модуляцией

Министерство образования Российской Федерации

Уральский Государственный Технический Университет

Оценка работы

Пояснительная записка к курсовому проекту

«Связной передатчик с частотной модуляцией»

Подпись

Дата

Ф.И.О.

Преподаватель

Булатов Л.И.

Студент

Екатеринбург

Содержание

Введение

1. Выбор структурной схемы передатчика

2. Расчет оконечного каскада

2.1. Выбор активного элемента

2.2. Расчет коллекторной цепи

2.3. Расчет входной цепи

2.4. Расчет цепи согласования

2.5. Расчет фильтра нижних частот

2.6. Схема питания и расчет блокировочных элементов

2.7. Схема оконечного каскада

3. Расчет конструктивных параметров и выбор стандартных элементов

3.1. Расчет конструктивных параметров индуктивности ФНЧ L7

3.2. Расчет конструктивных параметров индуктивности цепи согласования Lсогл

3.3. Выбор дросселя Lбл

3.4. Выбор стандартных емкостей и резисторов

4. Компоновка элементов на плате

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В данном курсовом проекте рассчитывается оконечный каскад связного передатчика с частотной модуляцией.

Передатчики с частотной модуляцией в наше получили широкое распространение. Это связано с тем, что с помощью такой модуляции можно качественно, с малыми искажениями передавать не только речь человека, но и музыкальные записи со стереозвучанием. Так большинство радиостанций работающих в диапазоне УКВ используют частотную модуляцию. Также частотная модуляция используется при передаче звукового сопровождения телевещания, радиорелейной связи прямой видимости, космической связи. Большинство систем передачи цифровой информации также используют этот вид модуляции.

Недостатком использования частотной модуляции является то, что сигнал имеет более широкий спектр, чем сигнал с амплитудной или однополосной модуляцией.

1. Выбор структурной схемы передатчика

Частотная модуляция может быть получена прямым способом, когда модулирующее напряжение подается непосредственно на управитель частоты, или косвенным, когда частотная модуляция получается через фазовую. Достоинство прямого способа - возможность получения глубокой и достаточно линейной частотной модуляции (ЧМ), недостаток - трудность обеспечения стабильности средней частоты колебания с ЧМ. Достоинство косвенного способа - высокая стабильность средней частоты, недостатки - неглубокая модуляция, трудность передачи низких модулирующих частот.

Заданный передатчик должен иметь девиацию частоты 6 кГц, минимальная частота информационного сигнала 20 Гц (передатчик связной), следовательно при использовании косвенного метода получения частотной модуляции необходимо обеспечить индекс фазовой модуляции , поэтому для получения заданной девиации частоты нужно использовать прямой метод получения модуляции.

Структурная схема передатчика с использованием прямого метода ЧМ

Такая структурная схема подходит для передатчиков работающих на одной заданной частоте. Т.к. заданный передатчик является диапазонным, то необходимо для его возбуждения использовать синтезатор сетки дискретных частот. При этом представляется возможным получить нестабильность средней частоты в пределах заданной (10^-5 ). Колебания обычного автогенератора сравниваются по частоте с эталонным и с помощью системы автоподстройки фиксируется частота.

Структурная схема передатчика с синтезатором частоты

ДПКД – делитель частоты с переменным коэффициентом деления.

ФД – фазовый детектор

ГУН –генератор управляемый напряжением

ЦС – цепь согласования

В данной схеме управление частотой осуществляется при помощи двух варикапов, на один из которых подается модулирующее напряжение, а на другой управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты. Использование двух варикапов объясняется тем, что изменение частоты от модулирующего напряжение мало по сравнению с диапазоном перестройки частоты управляющим сигналом ФАПЧ.

2. Расчет оконечного каскада

Для обеспечения приемлемого значения коэффициента полезного действия нужно использовать режим с отсечкой коллекторного тока. Для обеспечения оптимального соотношения КПД и коэффициента усиления по мощности выберем угол отсечки 90° (класс В). Наилучшим режимом по напряженности является граничный режим.

2.1. Выбор активного элемента

Так как заданный передатчик должен выдавать в нагрузку сравнительно небольшую мощность и его рабочий диапазон частот составляет 160-170 МГц, то целесообразно в качестве активного элемента оконечной ступени, выбрать биполярный транзистор.

Выбор транзистора для оконечной ступени заключается в поиске прибора, удовлетворяющего требованиям по рабочей частоте, выходной мощности, и кроме того имеющего параметры, обеспечивающие наилучший коэффициент полезного действия.

В нашем случае оконечный каскад передатчика должен обеспечить выходную мощность, с учетом КПД цепи согласования,

Вт

следовательно, из числа наиболее распространенных, подходящими по рабочей частоте и мощности являются следующие транзисторы: 2Т920Б, 2Т922А, 2Т904А, 2Т907А, 2Т934Б, 2Т909А.

Наилучшим вариантом является транзистор 2Т920Б.

Параметры выбранного транзистора:

2.2. Расчет коллекторной цепи

следовательно, коэффициенты разложения косинусоидального импульса равны:

Требуемая колебательная мощность P₁ =3.75 Вт

Напряжение питания E_к =12 В

Исходя из выше приведенных данных, проведем расчет коллекторной цепи.

Амплитуда напряжения на коллекторе:

U_к = ξ_ГР E_к

U_к =0.882×12=10.6 В

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

=0.7 А

Постоянная составляющая коллекторного тока:

=0.45 А

Максимальная величина коллекторного тока:

=1.42 А

<=2 А,

Мощность, потребляемая от источника питания:

P₀ =E_к I_к0 =12×0.45=5.4 Вт

Коэффициент полезного действия

=0.7

Мощность, рассеиваемая на коллекторе

Р_к =Р₀ -Р₁ =5.4-3.75=1.7 Вт

Сопротивление коллекторной нагрузки

15 Ом

2.3. Расчет входной цепи

Для устранения перекосов импульсов коллекторного тока между коллектором и эмиттером ставится сопротивление R_доп

=101.7 Ом

Между базой и коллектором включается R_ос

=606.3 Ом

Коэффициент уменьшения коэффициента усиления по току:

,

c==1.5

Амплитуда тока базы:

=0.52 А

Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе:

=4.68 В

U_{бэ макс} > U_{бэ доп} =4 В, необходимо уменьшить сопротивление R_доп .

Возьмем R_доп =80 Ом, тогда U_бэмакс =3.53 В.

Постоянная составляющая базового тока:

=11 мА

Постоянная составляющая эмиттерного тока:

I_э0 =I_ко +I_бо =0.45+0.011=0.46 А

Напряжение смещения на эмиттерном переходе

0.28 В,

Эквивалентная схема входного сопротивления транзистора:

3.4 нГн

С_ка =0.5С_к

=3.36 Ом,

65 Ом,

=0.14 нФ,

Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления:

4.04 Ом

-3 Ом

Входная мощность

=0.54 Вт

Коэффициент усиления по мощности

=7

2.4. Расчет цепи согласования

При расчете коллекторной цепи оконечного каскада получили сопротивление коллекторной нагрузки R_к =15 Ом. К такому сопротивлению необходимо трансформировать сопротивление фидера R_ф =50 Ом, который является нагрузкой разрабатываемого оконечного каскада.

Так как коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот передатчика K_f ==1.06<1.1, в качестве цепи согласования можно использовать простые Г, П, Т-образные четырехполюсники.

Выберем в качестве цепи согласования Г-образный четырехполюсник, т.к. он содержит минимальное количество элементов.

Произведем расчет Г-образной согласующей цепи с помощью программы RFSim99 и проанализируем ее в PSpice.

АЧХ цепи согласования

На второй гармонике нижней частоты рабочего диапазона (2×f_н =2×160=320 МГц) данная Г-образная цепь обеспечивает затухание 5 дБ, что не соответствует заданию, следовательно, необходимо после цепи согласования поставить фильтр нижних частот, обеспечивающий подавление гармоники хотя бы на 35 дБ.

2.5. Расчет фильтра нижних частот

Расчет фильтра нижних частот также проведем в программе RFSim99 и проанализируем его амплитудно-частотную характеристику с помощью программы PSpice.

Наибольшую крутизну АЧХ в полосе подавления при одном и том же порядке имеет фильтр Чебышева (по сравнению с фильтром Баттерворта), поэтому выбор остановим именно на нем.

В результате расчета получили, что необходимое затухание на частоте

320 МГц обеспечивает фильтр Чебышева седьмого порядка.

Из АЧХ полученной в PSpice видно, что фильтр обеспечивает затухание -56 дБ на частоте 320 МГц, что более чем удовлетворяет заданию.

Параллельно конденсаторам C₁ , C₂ , C₃ нужно поставить подстроечные конденсаторы.

2.6. Схема питания и расчет блокировочных элементов

Выберем параллельную схему питания

Блокировочные элементы рассчитываются исходя из следующих соотношений:

Емкость C_р – разделительная емкость. Ставится для предотвращения короткого замыкания источника питания через элементы цепи согласования.

X_Ср << R_К X_Ср = R_К /(50-100)

Дроссель L_бл позволяет подать на транзистор напряжение питания и при этом не влияет на прохождение I_к1 , представляя собой разрыв для ВЧ.

X_{L бл} >>Rк X_{L бл} =(50-100)Rк

Емкость C_бл ставится для избежания взаимного влияния каскадов передатчика через напряжение питания.

X_{C бл} <<X_{L бл} X_{C бл} = X_{L бл} /(100-200),

3.1 нФ

0.7 мкГн

=0.13 нФ

2.7. Схема оконечного каскада

3. Расчет конструктивных параметров и выбор стандартных элементов

3.1. Расчет конструктивных параметров индуктивности ФНЧ L7

Ток, протекающий через индуктивность:

А

Зададимся отношением , тогда

D= 4 мм l= 2.8 мм

Диаметр провода:

мм

ΔT для катушек ГВВ принимается 45 К

стандартное значение d = 0.57 мм

Шаг намотки:

g= 1.4×0.56 = 0.8 мм

Индуктивность с учетом экранирования:

L_расч = 1.1×L7 = 1.1×55.3×10^-9 = 60 нГн

Число витков:

F – коэффициент формы катушки

Возьмем N = 4

Скорректированное значение шага намотки:

мм

3.2. Расчет конструктивных параметров индуктивности цепи согласования L_согл

Ток, протекающий через индуктивность:

А

Зададимся отношением , тогда

D= 6 мм l= 4.2 мм

Диаметр провода:

мм

ΔT для катушек ГВВ принимается 45 К

стандартное значение d = 1.74 мм

Шаг намотки:

g= 1.4×1.74 = 2.4 мм

Индуктивность с учетом экранирования:

L_расч = 1.1×L_согл = 1.1×22×10^-9 = 24 нГн

Число витков:

Возьмем N = 2

Скорректированное значение шага намотки:

мм

3.3. Выбор дросселя L_бл

Ток, протекающий через индуктивность:

А

L_бл =0.7 мкГн

Выберем подходящий дроссель из таблицы [4]

Подходит ДМ – 0,6 – 10:

L = 10 мкГн

d=0.6 мм

l=11 мм

D=3.3 мм

3.4. Выбор стандартных емкостей и резисторов

Выбор резисторов:

R_доп =101.7 Ом

Стандартное значение 100 Ом

R_ос =606.3 Ом

Стандартное значение 620 Ом

Выбор конденсаторов

Возьмем конденсаторы типа К10 – керамические на напряжение ниже 1.6 кВ

С_бл =0.13 нФ К10 130 пФ

C_р =3.1 нФ К10 3 нФ

С_согл =29.47 пф К10 30 пФ

С₁ =26.64 пФ К10 27 пФ

С₃ =29.46 пФ К10 30 пФ

С₅ =26.64 пФ К10 27 пФ

В фильтре параллельно конденсаторам C₁ , C₂ , C₃ ставятся подстроечные.

4. Компоновка элементов на плате

Для избежания самовозбуждения оконечного каскада передатчика необходимо вход и выход каскада разнести на плате как можно дальше друг от друга. Для избежания появления межкорпусных емкостей, корпуса элементов нельзя ставить слишком близко друг к другу и к каким либо металлическим частям корпуса передатчика.

Соединительные провода необходимо делать как можно более короткими для уменьшения паразитных индуктивностей.

Компоновка элементов (Масштаб 2:1)

Заключение

В курсовом проекте был рассчитан оконечный каскад связного передатчика с частотной модуляцией. Были рассчитаны коллекторная цепь, входная цепь, блокировочные элементы цепи питания, цепь согласования и фильтр нижних частот, обеспечивающий подавление внеполосных излучений на 40 дБ. Также была выбрана структурная схема передатчика.

Список использованной литературы

1. В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Луховкин

Под редакцией В.В. Шахгильдяна Радиопередающие устройства. Учебник для высших учебных заведений. – М.: Радио и связь, 1990.

2. М.С. Шумилин; В.Б. Козырев; В.А. Власов Проектирование транзисторных каскадов передатчиков. Учебное пособие для техникумов. - М.: Радио и связь, 1987.

3. Справочник. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Под редакцией Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981.

4. Л.И. Булатов, Б.В. Гусев, Ф.В. Харитонов Радиопередающие устройства. Методические указания по курсовому проектированию. Екатеринбург: УПИ, 1992.