Каналообразующие устройства железнодорожной автоматики, телемеханики и связи

 

РОССИЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ  ПУТЕЙ  СООБЩЕНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1, 2

 

 

По  дисциплине:

"Каналообразующие устройства железнодорожной

автоматики, телемеханики и связи"

 

 

 

 

                        

                               

 

                      Рецензент:     

                   Завьялов А.М.

 

 

 

 

                                                                                                    

  

 

    

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

Задача №1

1. Объяснить принцип работы усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и назначение всех элементов принципиальной схемы (рис. 1).
2. Рассчитать усилитель промежуточной частоты с фильтром сосредоточенной избирательности (ФСИ).

Решение:

1. Усилитель промежуточной частоты усиливает сигналы, поступающие от преобразователя частоты до уровня, необходимого для нормальной работы демодулятора (детектора). Частотой настройки УПЧ считают среднюю частоту полосы пропускания.

Сигнал с частотой 465 кГц поступает на базу транзистора Т₁ через разделительный конденсатор С₁. С коллектора Т₁ усиленный сигнал подается на контур L₂C₃, настроенный на f₀=465 кГц и далее через конденсатор С₁ на контура L₁C₂ и L₂C₄, которые являются полосовым фильтром. Далее сигнал через разделительную емкость С₈ подается на базу транзистора Т₂. С коллектора Т₂ усиленный сигнал подается непосредственно на выход УПЧ.

Рассмотрим назначение элементов  усилителя промежуточной частоты, представленного на рис. 1. Это УПЧ, имеющий в своем составе два усилительных каскада на Т₁ и Т₂ и четырехзвенный фильтр сосредоточенной избирательности ФСИ, имеющий в своем составе индуктивности L₁, L₂ и емкости С₁, С₂, С₃, С₄.

Транзистор Т₁ обеспечивает согласование УПЧ с предыдущем каскадом приемника и усиливает приходящий сигнал до определенного уровня, компенсирующего (сигнала) затухания сигнала в ФСИ.

Резисторы R₂, R₃ задают рабочую точку Т₁ или смещения.

Резистор R₁ и конденсатор С₅ обеспечивают эмиттерную термостабилизацию рабочей точки Т₁ с помощью отрицательной обратной связи по току.

Транзистор Т₂ обеспечивает необходимое усиление сигнала, ослабленного ФСИ до уровня требующегося для работы детектора.

Резисторы R₅, R₆ определяют рабочую точку Т₂, а R₄ и конденсатор С₉ служат для термостабилизации.

Контур L₂, C₃ обеспечивает согласование ФСИ с каскадом на транзисторе Т₁, а контур L₂, C₄ – c каскадом на транзисторе Т₂.

Внутренние звенья контура  L₁, C₂ предназначены для увеличения селективности фильтра сосредоточенной избирательности ФСИ до заданного значения избирательности.

Конденсаторы С₁ – конденсаторы связи.

 

Рассчитаем усилитель промежуточной  частоты УПЧ с ФСИ согласно задания.

 

 

 

2. Исходные данные:

 

Частота настройки  f₀=465 кГц

Полоса пропускания  П=14 кГц

Избирательность по соседнему каналу при  дБ; кГц

Собственное затухание контуров ФСИ  d_k=0,0045

Характеристическое сопротивление  фильтра  кОм

1) Проверим целесообразность применение  ФСИ по формуле:    (1)

Следовательно, применение ФСИ целесообразно.

 

2) Выбираем транзистор типа ГТ310Д  и по соответствующим графикам  определяем его параметры при I_k=3мА и V_ka= -5B,а затем по формулам рассчитываем низкочастотные значения этих параметров: мСм; мСм; мСм; С₁₁=116 пФ; С₂₂=15 пФ.

 

3) Вычислим вспомогательные величины:

 

    Обобщенное затухание  ФСИ:

                (2)

    

   Относительная расстройка по соседнему каналу:

                (3)

   

По графику, приведенному в методических указаниях на рис.2 (а) определяем затухание, создаваемое одним звеном ФСИ.

    дБ

Определяем требуемое число  звеньев по формуле:

                (4)

   

 

Следовательно, требуется 6 звеньев.

 

 

 

 

4) Рассчитаем коэффициент трансформации  m₁ и m₂ входного и выходного звена ФСИ исходя из условия согласование с транзисторами Т₁ и Т₂ по формулам:

              (5)

                (6)

    Получаем:

   

   

 

5) Определим по графику на  рис.2 (б) методических указаний коэффициент передачи напряжения ФСИ К_ф для n=6, К_ф=0,22

 

6) Рассчитаем резонансный коэффициент  усиления каскада с ФСИ по  формуле:

               (7)

   

7) Рассчитаем элементы контуров, образующих звенья ФСИ:

а) емкость конденсаторов связи:

                 (8)

    пФ

б) емкость контуров промежуточных  звеньев:

               (9)

    пФ

в) емкость контура входного звена  ФСИ:

              (10)

    пФ

г) емкость контура выходного  звена ФСИ:

              (11)

    пФ

д) индуктивность контуров промежуточных звеньев:

               (12)

    мкГн

 

е) индуктивность контуров крайних  звеньев:

                (13)

    мкГн

 

Ответ:

1. d_к=0,0106>0,0045   - применение ФСИ целесообразно;
2. транзистор ГТ310Д

I_k=3мА; U_ka=-5 В; g₁₁=1,4мСм; g₂₂=0,085мСм; С₁₁=116 пФ; С₂₂=15 пФ; |Y₂₁|=84мСм

 дБ

n=6

4. m₁=0,715; m₂=0,176
5. К_ф=0,22
6. К₀₁=53,6
7. С₁=14,89 пФ; С₂=959,3 пФ; С₃=471,9 пФ; С₄=476,1 пФ; L₁=118,5 мкГн; L₂=237 мкГн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача №2

1. Объяснить принцип работы детектора и назначение всех элементов принципиальной схемы (рис. 2).
2. Рассчитать транзисторный детектор для приема амплитудно-модулированных сигналов, выполненный по схеме, изображенной на рис. 2.

 

 

Решение:

1. Принцип работы схемы:

Входной сигнал с УПЧ через контура  связи L₁, C₁ и L₂, C подается на базу транзистора Т₁, каждый работает в режиме отсечки. На выходе Т₁ формируется импульсное напряжение с огибающей НЧ сигнала. Пульсация сглаживается цепью R_н, С_н и через разделительную ёмкость С₃ НЧ сигнал поступает на базу транзистора Т₂, который является входным каскадом УНЧ.

Назначение элементов:

Контур L₁, L₂ служит для согласования детектора с предыдущим каскадом. Коэффициент включения базы транзистора в контур выбирают 0,2-0,5.

Резисторы R₁, R₂ обеспечивают рабочую точку (смещение) транзистора Т₁. Транзистор Т₁ выполняет роль детектора.

На резисторе R_н выделяется продетектированный сигнал и постоянное напряжение для работы АРУ.

Цепочка АРУ состоит  из R₄, R₃, C₂. Напряжение управления АРУ подается в предшествующие каскады УНЧ или УПЧ.

Конденсатор С_н служит для фильтрации ВЧ составляющих и предотвращающих самовозбуждение каскада.

Конденсатор С₃ – разделительный. Транзистор Т₂ – усилитель низкой частоты. Резисторы R₅, R₆ – задают рабочую точку Т₂.

 

 

2. Исходные данные:

Промежуточная частота приемника  f₀=465 кГц

Максимальный коэффициент глубины  модуляции m=0,8

Детектор подключен ко входу  УНЧ транзистора с параметрами:

R₁₁=1 кОм

С₁₁=40  пФ

Входное сопротивление транзистора  детектора на f₀ :

r₁₁=800 Ом

Входная ёмкость

С₁₁=40 пФ

Низшая частота модуляции  F_н=70 Гц

Высшая частота модуляции  F_в=3,0кГц

Допустимые частоты искажения на высших и низших частотах М_в=М_н=2,7

Амплитуда напряжения, подводимого  к детектору U_мд=0,11 В

 

1. Выбираем транзистор ГТ-308А с параметрами:

Граничная частота f_s>2f₀;

|Y₂₁|=80 мСм

I_ko=5 мкА

Vкэ=-5 В

На частоте f₀ имеем С₁₁=40 пФ

 

2) Сопротивление нагрузки детектора:

R_н=(5÷10) ×R₁₁           (1)

R_н=5×1000=5 кОм

 

3) Крутизна характеристики  детектора:

            (2)

где |Y₂₁|₀ - модуль крутизны характеристики транзистора на промежуточной частоте.

 мА/В

4) Эквивалентное сопротивление  нагрузки детектора:

R_н~=(R_н×R₁₁)/(R_н+R₁₁)           (3)

R_н~=(5000×1000)/( 5000+1000)=833 Ом

 

5) Коэффициент передачи  детектора:

K_д=S_д×R_н~             (4)

K_д=25,5×10^-3×833=21,2

 

6) Ёмкость в цепи коллектора  из условия допустимых частотных искажений на высшей частоте модуляции:

           (5)

 мкФ

 

7) Ёмкость разделительного конденсатора  из условия обеспечения заданных  частотных искажений на низшей частоте модуляции:

           (6)

 мкФ

 

8) Постоянная составляющая тока  базы:

           (7)

 

9) Ток делителя R₁ и R₂:

I_д=(50÷100) ×I_б            (8)

I_д=50×5×10^-6=250 мкА

 

10) Определим сопротивление резисторов  делителя R₁, R₂ при V_бэ=0,25 В

              (9)

 кОм

 кОм       (10)

 

11) Ёмкость шунтирующего конденсатора:

             (11)

 мкФ

 

12) Входное сопротивление и входная ёмкость детектора:

R_вхд=(5÷10) ×r₁₁            (12)

C_вхд=С₁₁/(5÷10)            (13)

R_вхд=5×800=4 кОм

 пФ

13)Амплитуда напряжения на входе  УНЧ:

U_{вхд УНЧ}=U_мд×K_д×m           (14)

U_{вхд УНЧ}=0,11×21,2×0,8=1,87 В

 

Ответ:

1. Транзистор ГТ-308А;
2. R_н=5 кОм
3. S_д=25,5 мА/В
4. R_н=833 Ом
5. K_д=21,2
6. C_н=0,159 мкФ
7. С₃=0,151 мкФ
8. I_б I_ko=5×10^-6 A
9. I_б=250  мкА
10. R₂=1 Ом

R₁=19 кОм

11. С₁=11,3 мкФ
12. R_вхд=4 кОм

С_вхд=8 пФ

13. U_{вхд УНЧ}=1,87 В

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2

Задача №1

3. Рассчитать автогенератор рис.1

Рис. 1 Принципиальная схема автогенератора

 с автотрансформаторной связью

 

Исходные данные:

Параметры нагрузки

Напряжение источника питания  ;

Частота генерации  ;

Высшая частота модуляции  ;

Амплитуда напряжения генерируемых колебаний  ;

 

Решение:

1. Выбрали угол отсечки тока  коллектора  и коэффициенты разложения и .

 

2. Зададимся КПД контура 

 

3. Рассчитаем мощность генератора

 

4.Руководствуясь рекомендациями  и справочными данными,

 выбираем транзистор ГТ-308А  с параметрами:

-крутизна линии критического  режима  ;

-напряжение отсечки коллекторного  тока ;

-напряжение .

 

5. Рассчитаем:

 

Коэффициент использования напряжения питания коллектора

 

 

Амплитуду напряжения на нагрузке в  коллекторной цепи

 

.

Амплитуду первой гармоники тока коллектора

 

.

Модуль эквивалентного сопротивления  нагрузки

 

.

Амплитуду импульсного тока коллектора

 

.

Постоянную составляющую тока коллектора

 

.

Мощность, потребляемую от источника  питания

 

мВт

Мощность, расходуемую на коллекторе транзистора

 

,

где - активная составляющая мощности генерируемых колебаний:

значения  и найдём по графику рис. 6 методического пособия «31/5/2»

, 

отсюда 

,

Вт,

мВт

 

Угол отсечки тока эмиттера

.

Амплитуду напряжения возбуждения  на базе транзистора

 

,

где - модуль крутизны характеристики транзистора при токе и частоте

 

Напряжение смещения, обеспечивающее угол отсечки тока эмиттера

 

Коэффициент обратной связи

 

 

РАСЧЕТ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ  СИСТЕМЫ 

АВТОГЕНЕРАТОРА

 

1. Эквивалентная проводимость контура между точками коллектор-эмиттер

 

 

2. Коэффициент включения контура в цепи коллектора

 при , пФ

 

 

 

,

где - входная проводимость транзистора генератора;

        пФ - эквивалентная ёмкость контура ;

         - собственное затухание нагруженного контура;

         - коэффициент передачи напряжения во внешнюю нагрузку;

 

Тогда коэффициенты включения контура  соответственно в цепи базы,

 Коллектора и нагрузки :

    ;

  .

3. Собственная емкость контура

,

где пФ пФ пФ пФ

пФ.

 

4. Полная индуктивность контура

 

  .

 

 

 

РАСЧЁТ ПИТАНИЯ

 

 

1. Сопротивление в цепи эмиттера

 

 

 

2. Сопротивление резисторов делителя базового смещения:

 

Примем 

 

3. Ёмкость конденсаторов  :

 

    ,

 

пФ

 

,

где - выходное сопротивление транзистора,

взятого из графика на рис.7 методического пособия «31/5/2», ,

то есть .

 

 

 

Задача №2

3. Рассчитать параметры дробного детектора (рис. 2) для приема частотно-модулированных сигналов радиостанции ЖРУ

 

Рис. 2 Принципиальная схема дробного

 детектора ЧМ-колебаний

 

Исходные данные :

-промежуточная частота f_ПР = 1,596 МГц;

-максимальная девиация Δf_{Д max} = 5 кГц;

-верхняя частота модулирующего  напряжения F_B = 4 кГц ;

-индуктивность контура L₁ = L₂ = 10 мкГн;

-параметры диода: S_Д = 5 мА/В; С_Д = 0,8 пФ;

-параметры УЗЧ: R_ВХ = 800 Ом ; С_ВХ = 30 пФ,

а также: Q_К = 150 ; Q_Э = 50 ; R₁ = R₂ = R_ПТ = 6,2 кОм; R₅ = 10кОм;

               R₃ =  R₄ = 10кОм; U₁ =200мВ; С_М = 5 пФ;

               τ_П = 75 мкс (постоянная времени передачи к УЗЧ);

-выходная ёмкость полевого транзистора  С₂₂ = 10 пФ;

-выходное сопротивление транзистора  R_ВЫХ = 12 кОм׀ ;

    |Y₂₁| = 25 мСм.      

Решение:

 

1. Зная индуктивность L₁ = L₂ , определим индуктивность L₃ = 0,4L₁ :

2. Рассчитаем коэффициенты связи между контурами L₁ , L₂  и L₁ , L₃ :

3. Найдём собственное резонансное сопротивление первичного контура:

4. Найдём  коэффициент первичного контура:

Целесообразно принять 

.

5. Вычислим ёмкости конденсаторов схемы дробного детектора:

 

6. Определим напряжение на диодах при отсутствии ЧМ (индекс = 0):

7. Угол отсечки токов диодов при отсутствии ЧМ:

 

8. Рассчитаем напряжение на конденсаторе С₅ :

9. Для определения максимального напряжения на диоде VD1 рассчитаем параметр A:

Тогда максимальное напряжение на диоде  Д₁:

 

10. Определим минимальный угол отсечки, соответствующий U_Д1max:

Значению сопротивления нагрузки диода постоянному току

соответствуют

.

11. Найдем выходное напряжение при максимальном отклонении f от f_ПР:

 

12. Вычислим напряжение на входе транзистора УЗЧ:

13. Коэффициент передачи устройства от входа транзистора до входа УЗЧ:

 

Перечень используемой литературы:

 

 

1. Задание на контрольную работу №2 с методическими указаниями для студентов V курса специальности “Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте – (АТС).- М: РГОТУПС, 2003г.

 

 

2. Горелов Г.В., Волков А.А, Шелухин В.И. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи.- М.: Транспорт, 1994г

 

 

3. Перещук Р. М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя – Киев: 1988г.2. Справочник радиолюбителя – конструктора. – М.: Радио и связь, 1984г.