Передатчик с частотной модуляцией

 

Омский государственный технический  университет

Кафедра "Конструирование и производство радиоаппаратуры"

 

 

 

 

 

 

 

 РАЗРАБОТКА ПЕРЕДАТЧИКА С  ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

 

Пояснительная записка  к курсовому  проекту 

по курсу "Основы схемотехники"

 

 

 

                             Руководитель   проекта

 

                           ___________А. А.Бачмага 

                                                   25.05.12 г.

        Автор проекта

      студент группы  РО-319                                                                                                                                                            _________ С. В. Васильев

                                                  25.05.12 г.

 

 

 

 

 

 

 

2012 
АННОТАЦИЯ

Данный курсовой проект состоит  из 42 страницы. Содержит 4 раздела и 1 подраздел. В работе присутствует 12 иллюстраций, 2 формулы, 4 приложения, 9 источников информации.

Моделирование графиков работы устройства проводилось в программе  Micro-Сap 9.

 

ABSTRACT

This course project consists of 42 pages. Contains 4 of Section 1 and subsection. In this paper we present 12 illustrations, 2 formulas, 4 applications, 9 sources of information.

Simulation graphics of the device was carried out in the program Micro-Сap 9.

 

Омский государственный технический  университет

Кафедра "Конструирование и производство радиоаппаратуры"

 

ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование по дисциплине

“Основы схемотехники”

 

Студент гр. РО-319 Васильев Станислав Васильевич

Тема проекта: “Передатчик с частотной модуляцией”

Срок сдачи законченного проекта    _____________   

Исходные данные к проекту (см. приложение к заданию)

 

Содержание расчетно-пояснительной  записки  (перечень  подлежащих разработке вопросов):

Введение

1  Аналитический обзор

2  Разработка структурной схемы и принцип работы

3  Расчет передатчика

4. Моделирование

 

Перечень графического материала  с указанием обязательных листов (3 A4):

1) схема электрическая принципиальная  задающего автогенератора

2) функциональная схема

3) перечень элементов

 

Основная рекомендуемая литература:

1. Мальцев С. В.  Радиопередающие устройства: Учебно–методическое пособие для студентов специальности «Радиотехника» - Новополоцк, 2007
2. Лаповок Я. С. Я строю КВ радиостанцию. – 2-е изд., прераб. И доп. – М.: Патриот, 1992.
3. Шахгильдян В.В. и др., Радиопередающие устройства: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, - 1996.

 

Дата выдачи задания "____"_____________________ 

Зав. кафедрой              ________________________________     

Руководитель ст. преподаватель__________________ А.А. Бачмага

Задание принято к исполнению "____"_____________ 

Подпись студента  ___________________

 

Приложение к заданию

 

Исходные данные к проекту

“ЧМ-передатчик”.

 

1 Цель и назначение разработки

Разработка ЧМ-передатчика

 

2 Технические требования

2.1 Параметры устройства

2.1.1 Выходная мощность, Вт     25

2.1.2 Коэффициент гармоник, %     5

2.1.3 Полоса модулирующего сигнала, кГц   0,3…3,4

 

3 Дополнительные требования

3.1 Разработку электрической принципиальной схемы автогенератора на биполярном транзисторе произвести в Micro-cap 9.

 

 

Задание принято к исполнению   “ ___ ” _______________2012г.

Руководитель работы ___________________________ А.А. Бачмага

Студент  гр. РО-319 __________________________  С.В. Васильев

 

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 6

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ  ОБЗОР 8

1.1 Классификация радиопередатчиков. Обзор аналогов 8

1.2 Основные параметры радиопередатчиков 11

2 РАЗРАБОТКА  СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ 14

2.1 Состав  схемы 14

2.2 Принцип  работы 16

3 РАСЧЕТ СХЕМЫ  ЧМ-ПЕРЕДАТЧИКА 17

3.1 Расчет  усилителя мощности 17

3.2 Расчет  умножителя частоты (УЧ₂) 21

3.3 Расчет  умножителя частоты (УЧ1) 24

3.4 Расчет  частотного модулятора 26

3.4.1 Расчет  задающего автогенератора 27

3.5 Расчет цепи питания схемы 30

3.6 Расчет  фильтра нижних частот 31

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ 33

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 35

Список литературы 36

Приложение  А 37

Приложение  Б 39

Приложение  В 41

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Радиопередатчик, устройство, служащее для получения модулированных электрических колебаний в диапазоне  радиочастот с целью их последующего излучения в виде электромагнитных волн. Радиопередатчик — важнейшая  составная часть систем и устройств  передачи информации посредством радиоволн: систем и устройств, применяемых  в радиосвязи, телевидении, радиовещания, радионавигации, и других отраслях техники, а также используемых в научных экспериментах. Радиопередатчики различают по диапазону рабочих волн, мощности колебаний, подводимых к антенне, роду работы, способу модуляции (с амплитудной, частотной, фазовой или др. модуляцией), типу генераторных электронных приборов, назначению, мобильности. [2]

Простейший (однокаскадный) радиопередатчик содержит генератор  с самовозбуждением, преобразующий  энергию постоянного тока в энергию  радиочастотных колебаний, и модулятор, а также источник электропитания. Однако передатчики, работающие в диапазонах дециметровых и более длинных  волн, обычно состоят из нескольких каскадов, выполняющих различные  функции. Многокаскадность радиопередающего устройства вызвано главным образом требованием получения достаточно мощных колебаний с высокой стабильностью несущей частоты. Применение различных методов стабилизации частоты обычно позволяет получать достаточно стабильные колебания лишь в маломощном генераторе с самовозбуждением, работающим на частоте, как правило, более низкой, чем рабочая частота радиопередатчика, тогда в последующих каскадах радиопередатчика производится ее умножение. При особо высоких требованиях к стабильности частоты сразу после задающего генератора ставят буферный каскад, защищающий задающий генератор от обратного воздействия последующих, более мощных каскадов передатчика Для увеличения мощности колебаний применяют каскад или каскады предварительного усиления напряжения и мощности колебаний, который возбуждает выходной мощный каскад передающего устройства, называемый генератором с независимым возбуждением. Изменением того или иного параметра передатчика осуществляют модуляцию колебаний радиочастоты. Модулированные колебания через цепи связи передаются в антенну, кабельную или проводную линии связи.

Передатчики разделяются  на группу схем по модуляции: передатчик с частотной модуляцией, с фазовой  модуляцией и амплитудной модуляцией.

Большинство передатчиков делают с частотной модуляцией, так как  по закону передаваемого сигнала  изменяется частота. При сравнении  с амплитудной модуляцией, средний  коэффициент АМ модуляции не превышает 30%, и мощность боковых частот, несущих  полезную информацию, не превышает 10%, а при ЧМ соотношение выгоднее и улучшается с увеличением индекса  модуляции. Фазовая модуляция сходна с частотной и потому рассматриваться не будет. [1]

Рис.1 – Схема работы радиопередатчика

 

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1. Классификация радиопередатчиков. Обзор аналогов

 

По области применения (по назначению):

-        связи;

-        радиовещательные;

-        телевизионные;

-        радиолокационные;

-        радионавигационные;

-        устройства помех;

По диапазону частот:

-        КВ;

-        УКВ;

По мощности:

-        малой мощности (Р_вых ≤ 100 Вт):

-        И группа (Р_вых ≤ 1 Вт);

-        ІІ группа (1 Вт < Р_вых ≤ 10 Вт);

-        ІІІ группа (10 Вт < Р_вых ≤ 100 Вт).

-        средней мощности (100 Вт < Р_вых ≤ 1000 Вт);

-        большой мощности (Р_вых > 1000 Вт).

По режиму работы:

-        симплексные ( передача и прием – на одной частоте поочередно);

-        дуплексные ( передача и прием – на разных частотах независимо).

По местоположению:

-        стационарные;

-        подвижные:

-        носимые;

-        бортовые (автомобильные, корабельные и т.д.).

 

По виду сообщений, которые  передаются:

-        телефонные;

-        телеграфные;

-        передача данных.

По типу активных электронных  приборов в исходных каскадах усилителя:

-        ламповые;

-        полупроводниковые;

-        комбинированные; [1]

 

• ЧМ-передатчик малой мощности

Рис.2 - Схема ЧМ-передатчика малой мощности

В основе схемы радиочастотный генератор, работающий на частоте порядка 100 МГц. Звуковой сигнал, принятый и  усиленный электретным микрофоном, поступает на усилитель низкой частоты, выполненный на первом транзисторе. С коллектора этого транзистора  на базу второго подается сигнал, модулирующий резонансную частоту параллельного  колебательного контура генератора (катушка из 5 витков и подстроечный конденсатор) за счет изменения емкости p-n перехода транзистора. Емкость перехода зависит от разности потенциалов, приложенных к базе транзистора.[9]

 

 

 

 

• УКВ ЧМ-передатчик

Рис.3 - Схема УКВ ЧМ-передатчика

Передатчик предназначен для работы в любительском диапазоне 144 МГц, однако может быть легко перестроен на любую частоту диапазона 80...150 МГц. Выходная мощность передатчика составляет всего несколько милливатт, которых вполне достаточно для исследования принципов радиосвязи на УКВ. [9]

 

• Телефонный ЧМ-передатчик

Рис.4 - Схема ЧМ-передатчика для телефонной линии

Устройство является пассивным — в нём отсутствует элемент питания. Антенна не требуется: устройство передаёт радиосигнал обратно на линию, откуда уже осуществляется передача в эфир в УКВ диапазоне. Частота вещания может быть настроена с помощью подстроечного конденсатора. 

Схема представляет собой  генератор радиочастоты, работающий на частоте примерно 93 МГц. Питание схемы осуществляется от телефонной линии через двухполупериодный диодный мост. Элементы C1, C8, L3 и T1 образуют генератор с модуляцией частоты. [9]

 

1.2 Основные параметры радиопередатчиков

Рабочая частота (частотный диапазон).

Если передатчик или приемник жестко настроены на определенную частоту – то можно говорить об одной рабочей частоте. Если в процессе работы, возможно, перестраивать рабочую частоту, то необходимо назвать диапазон рабочих частот, в пределах которого может осуществляться регулировка.

Раньше для определения  частотного диапазона чаще использовали не частоту, а длину волны. Отсюда пошли названия диапазонов ДВ (длинные волны), СВ (средние волны) КВ (короткие волны), УКВ (ультракороткие волны).

Чтобы пересчитать длину  волны в частоту, нужно поделить на нее скорость света (300 000 000 м/с). То есть,

(1) 

Следует отметить, что существует два УКВ диапазона: УКВ-1 - то что в народе так и называют УКВ, и УКВ-2 - то, что принято называть FM. Название FM (от английского frequency modulation - частотная модуляция). Но называть частотный диапазон по виду модуляции - технически безграмотно. Однако, в мире это название прочно укоренилось и стало нарицательным.

Тип модуляции.

 

Широко используется два  типа модуляции: амплитудная (АМ) и частотная (ЧМ). Собственно, диапазон FM получил название именно благодаря частотной модуляции, с которой работают все радиостанции данного диапазона.

ЧМ, в отличие от АМ, более  защищена от импульсных помех. Говоря, о частотах, на которых расположены радиостанции УКВ-диапазона, применение ЧМ более удобно, чем АМ. Хотя, телевизионный сигнал все равно передается с амплитудной модуляцией, независимо от частоты.

 Частотная модуляция бывает узкополосная и широкополосная. В вещательных радиостанциях используется широкополосная ЧМ – ее девиация составляет 75 кГц.

В связных радиостанциях  и прочей не вещательной радиотехнике чаще применяют узкополосную ЧМ, с девиацией порядка 3 кГц. Она более защищена от помех, поскольку допускает более острую настройку приемника на несущую.

Мощность выходного сигнала.

 

Чем мощнее передатчик –  тем дальше он может передать сигнал, тем легче этот сигнал будет принять. Но следует обратить внимание на чувствительность прибора. Если в описании прибора указан радиус действия 3 километра, то этот параметр указывается без учета различных помеховых сред. Поэтому мощность передатчиков чаще завышена.

Мощность выходного НЧ-сигнала  приемника.

 

Мощность сигнала, которую  отдает на выход приемник. Ее необходимо знать, чтобы правильно подобрать  усилитель мощности для дальнейшего усиления. [3]

 

2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

2.1 Состав схемы

1) Усилитель мощности

Рис.5 – Схема усилителя мощности

2) Умножитель частоты

Рис.6 – Схема умножителя частоты

 

 

 

3) Частотный модулятор

Рис.7 – Схема частотного модулятора

4) Автогенератор на биполярном  транзисторе

Рис.8 – Схема автогенератора на биполярном транзисторе

 

 

 

5) Фильтр низких частот

Рис.9 – Схема фильтра  низких частот

2.2 Принцип работы

Низкочастотный информационный сигнал поступает от источника сигнала (И) на частотный модулятор (ЧМ), к  которому также подводится высокочастотное  напряжение от автогенератора (АГ). Схемотехнически, модулятор и АГ реализуются в  одном каскаде. Далее, ЧМ-сигнал проходит через СЦ1, выполняющую роль фильтра и трансформатора сопротивления следующего каскада в оптимальное, и поступает на вход первого умножителя частоты (УЧ1). Затем, снова через ЦС (ЦС2) - на вход второго УЧ (УЧ2). После этого сигнал проходит через ЦС3 — цепь связи с усилителем мощности (УМ). В диапазоне высоких частот обычно используют транзисторный усилитель мощности по схеме с общим эмиттером, т.к. это обеспечивает наилучшую устойчивость работы. В УМ колебание усиливается и через ЦС4 подается на ФНЧ. Главная задача фильтра нижних частот (ФНЧ) – ослабление излучения высших гармоник до допустимого уровня и согласование с антенной, при этом фильтр должен обеспечивать минимальный уровень искажений в полосе пропускания (в рабочем диапазоне частот передатчика). С ФНЧ сигнал поступает в антенну (А), через которую излучается в пространство.

 

3 РАСЧЕТ СХЕМЫ ЧМ-ПЕРЕДАТЧИКА

3.1 Расчет усилителя мощности

КПД цепи связи УМ с антенной приблизительно равен  . Тогда, для развития мощности в антенне , на выходе усилителя должно развиваться:

Допустимая мощность, рассеиваемая коллектором транзистора для  этого каскада, должна быть (с учетом, что КПД каскада  )

Граничная частота транзистора

, где 

В качестве активного элемента в усилителе мощности будет использоваться биполярный транзистор КТ962В, предназначенный  для применения в усилителях мощности, умножителях частоты и автогенераторах  на частотах 400...1000 МГц, т.к. он обеспечивает требуемую выходную мощность и может  работать на требуемой частоте. Параметры  транзистора: f_гр =1000 МГц, С_э =110 пФ, С_к =50 пФ, максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер – 50 В, максимальная рассеиваемая мощность коллектора – 66 Вт, диапазон рабочих температур -60…+100 ˚С.

Расчет режима работы и  энергетический расчет

1. Выбираем амплитуду  импульсов коллекторного тока  i_{k max} из условия: i_{k max} ≤ (0.8 … 0.9) ∙ i_{k доп}, где i_{k доп} – допустимая амплитуда импульсов коллекторного тока (справ.); i_{k max} = 0.8 ∙ 4 = 3,2 А.

2. Выбираем напряжение  источника питания из условия:

Е_к ≤ U_{к доп} /2,

где U_{к доп} – допустимая амплитуда напряжения на коллекторе (справ.);

Е_к ≤ 50 / 2 = 25,           выбираем   Е_к = 20 В.

3. Найдем амплитуду импульсов  первой гармоники коллекторного  напряжения

4. Максимальное значение  коллекторного напряжения:

(условие выполняется),

где α₁(θ)=0,52 – коэффициент Берга, θ = 100˚.

5. Амплитуда первой гармоники  тока:

6. Рассчитаем постоянный  ток, потребляемый коллекторной  цепью транзистора:

где α₀(θ)=0,35 – коэффициент Берга, θ = 100˚.

7. Найдем мощность первой  гармоники:

P_k1 = I_k1 ∙ U_k1 / 2 = 3,22 ∙ 19,38 / 2 = 31,2 Вт.

8. Определим мощность, потребляемую  от источника питания:

P_k0 = I_k0 ∙ E_к = 2,17 ∙ 20 = 43,4 Вт.

9. Рассчитаем мощность, рассеиваемую  на активном элементе:

P_рас = P_k0 – P_k1 = 43,4 – 31,2 = 12,2 Вт.

10. Найдем к.п.д. усилителя:

η = P_k1 / P_k0 = 31,2 / 43,4 = 0.72,  т.е 72%.

11. Рассчитаем выходное  сопротивление транзистора:

R_k = U_k1 / I_k1 = 19,38 / 3,22= 6 Ом.

12. Постоянная составляющая  базового тока:

13. Определим безразмерные  коэффициенты:

14. Амплитуда тока базы:

15. Рассчитаем сопротивление  коррекции в цепи базы:

16. Максимальное значение  напряжения база-эмиттер:

(выполняется)

17. Напряжение смещения  база-эмиттер:

18. Делитель напряжения, задающий  смещение базы на резисторах R1, R2 рассчитывается из соотношения:

Обычно сопротивление  автосмещения задают намного больше, чем входное сопротивление транзистора. Пусть R_асм=200Ом, тогда R₁=716Ом, а R₂=277Ом

19. Найдем входное сопротивление  транзистора:

где L_э=1,43нГн– индуктивность эмиттерного вывода транзистора (справ.).

20. Рассчитаем входную  мощность, требуемую для обеспечения  заданной выходной мощности:

21. Найдем коэффициент  передачи по мощности усилителя:

K_p = P_К1/ P_вх = 31,25 / 2,23 = 14

22. Рассчитаем 

3.2 Расчет умножителя частоты (УЧ₂)

Второй умножитель частоты (УЧ₂) проектируется на коэффициенте умножения равный двум. Следовательно, оптимальный угол отсечки коллекторного тока равен:

Исходя из этого коэффициенты Берга равны:

Мощность второй гармоники  тока на выходе с учетом КПД цепи согласования равна:

Метод расчета умножителя частоты совпадает с методом  расчета усилителя мощности, который  приведен выше.

Транзистор для данного  умножителя частоты выберем –  КТ919Б, который предназначен для  применения в усилителях мощности, умножителях частоты и автогенераторах. Его основные параметры приведены в табл. 1.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1. Параметры транзистора КТ919Б.

Расчет режима работы и  энергетический расчет

1. i_{k max} = 0.8 ∙ 0,7 = 0,56 А.

2. Е_к ≤ 45 / 2 = 22,5,           выбираем   Е_к = 20 В.

3.

4. (условие выполняется),

5.

6.

7. P_k0 = I_k0 ∙ E_к = 0,21 ∙ 20 = 4,2 Вт.

9. P_рас = P_k0 – P_k2 = 4,2 – 2,48 = 1,72 Вт.

10. η = P_k2 / P_k0 = 2,48 / 4,2 = 0.59,  т.е 59%.

11. R_k = U_k2 / I_k2 = 18,9 / 0,26= 72,7 Ом.

12.

13.

14.

15.

16. (выполняется)

17.

18.

19.             20.

21. K_p = P_К2/ P_вх = 2,48 / 0,07=35

22.     

3.3 Расчет умножителя частоты  (УЧ1)

Первый умножитель частоты (УЧ₁) проектируется на коэффициенте умножения равный трем. Следовательно, оптимальный угол отсечки коллекторного тока равен:

Исходя из этого коэффициенты Берга равны:

Мощность третей гармоники  тока на выходе с учетом КПД цепи согласования равна:

Причем рабочая частота  первого умножителя будет определяться:

Метод расчета умножителя частоты совпадает с методом  расчета усилителя мощности и  умножителя частоты (УЧ₂), который приведены выше.

Транзистор для данного  умножителя частоты выберем –  КТ399А, который предназначен для  работы во входных и последующих  каскадах усилителей высокой и сверхвысокой частоты. Его основные параметры  приведены в табл. 3.

 

 

Таблица 3. Параметры транзистора  КТ399.

Расчет режима работы и  энергетический расчет

1. i_{k max} = 0.8 ∙ 0,040 = 0,032 А.

2. Е_к ≤ 15 / 2 = 7,5,           выбираем   Е_к = 7 В.

3.

4. (условие выполняется),

5.

6.

7. P_k0 = I_k0 ∙ E_к = 0,017 ∙ 7 = 0,119 Вт.

8. P_рас = P_k0 – P_k2 = 0,119 – 0,074 = 0,45 Вт.

9. η = P_k2 / P_k0 = 0,074 / 0,119 = 0.62,  т.е 62%.

10. R_k = U_k3 / I_k3 = 6,9 / 0,021= 329 Ом.

11.

12.

13.

 14.

15.

 16.

 17. 

18.

19.

20. K_p = P_К3/ P_вх = 0,074/ 0,0043=17,2

21.     

3.4 Расчет частотного модулятора

Схема частотного модулятор включает в себя автогенератор, который выполнен на биполярном транзисторе по схеме Клаппа. Варикап связан а автогенератором с помощью емкости Ссв. Постоянное смещение на варикап поступает от источника питания Епит через делитель R1R2, модулирующее напряжение – через разделительную емкость Ср1.

Расчет схемы частотного модулятора целесообразно проводить  в такой последовательности. Прежде всего нужно рассчитать схему автогенератора, далее выбрать варикап и рассчитать его режим. На заключительном этапе оценивается емкость связи варикапа с резонатором и рассчитывается делитель напряжения R1R2.

3.4.1 Расчет  задающего автогенератора

Мощность автогенератора с учетом КПД цепи согласования равна:

Причем рабочая частота  автогенератора будет определяться:

Выбираем транзистор малой  мощности КТ324 с граничной частотой  f_t = 800 МГц. Его паспортные данные: С_К = 2,5 пФ; С_Э = 2.5 пФ; τ_ос = 180 пс; u_oтс =0,8 В; u_{к доп} = 10 В; i_{к доп} = 20 мА; u_{б доп} = 4 В; Р_доп= 15 мВт; S_гр = 10 мА/В. Активная часть коллекторной емкости С_ка = С_к/2 = 1.25 пФ   и сопротивление потерь в базе   r_б = τ_OС/С_ка = 156 Ом.

Расчет электрического режима.

Выбираем i_{к max} = 0,8·i_{k доп} = 16 мА; U_K0 = 0,4·u_{к доп} = 4,5 В; К_ос = 1; Θ = 60°, тогда α₀ = 0,218; α₁ = 0,391; γ₀ = 0,109;   cosΘ = 0,5.

Рассчитаем основные параметры  генератора:

2. мА;
3. мА;
4. B;
5. B;
6. Ом;
7. мВт;
8. мВт;
9. ;
10. ;
11. В;
12. B;
13. ;
14. ;
15. .

Расчет  резонатора

На частоте 210 МГц оптимальным  значением индуктивности контура  L=2.5 нГн с добротностью Q_L=125. Вычисляем параметры элементов резонаторы: