Расчет элементов и узлов аппаратуры связи

Министерство  РФ по связи и информатизации

УрТИСИ СибГУТИ  
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа 

"Расчет  элементов и узлов  аппаратуры связи".

  Вариант №78 
 
 
 
 
 
 
 

                        Выполнил:

                        Группа:

                        Проверил:   
                   
                   

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

г. Екатеринбург 2011 г.

Оглавление 

  1. Введение          стр. 3
  2. Техническое задание на устройство      стр. 4
  3. Расчет автогенератора        стр. 5
  4. Расчет спектра сигнала на выходе нелинейного преобразователя  стр. 10

5 Расчет развязывающего устройства      стр. 10

6     Расчет  электрических фильтров       стр. 13

7     Расчет  выходного усилителя       стр. 18

8     Общая  принципиальная схема       стр. 19

9    Спецификация         стр. 20

10    Заключение                    стр. 22

11    Литература            стр. 23 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Техническое задание на устройство.

        Технические требования к устройству. 

    Заданные  параметры Обозначения
    Требования  к автогенератору
    1. Тип автогенератора
    		 Схема 1
    1. Тип транзистора
    		 КТ301, КТ301В, КТ301Д
    1. Частота генерации
    		 fГ=30  кГц
    1. Напряжение питания
    		 Uпит авт=18  В
    1. Сопротивление коллекторной цепи
    		 Rк=3 кОм
    Требования  к нелинейному  элементу
    1. Тип нелинейного преобразователя
    		 Схема 3
    1. Тип нелинейного элемента
    		 Д2В
    1. Напряжение питания
    		 -
    1. Напряжение смещения
    		 U0=0 В
    1. Напряжение на входе
    		 Um=1 В

      Требования  к электрическим  фильтрам

    1. Тип операционного усилителя
    		  
    1. Напряжение  питания
    		 Uпит Ф=10  В
    1. Номер гармоники, выделяемой полосовым фильтром
    		3
    1. Выходное напряжение
    		 Um вых=4 В
    1. Ослабление полезных гармоник (неравномерность ослабления в полосе пропускания)
    		 ΔА=0.5  дБ
    1. Степень подавления мешающих гармоник (ослабления в полосе пропускания)
    		 Аmin=36  дБ

 

Расчет автогенератора.

   Рассчитаем RC-автогенератор на биполярных транзисторах КТ301, КТ301В, КТ301Д схема 1.

Частота генерации  fГ=30  кГц

Напряжение питания  Uпит авт=18 В

Сопротивление нагрузки в коллекторной цепи Rк=3 кОм

Рисунок №

   В стационарном режиме работы автогенератора на частоте  генерации  должны выполняться условия баланса амплитуд и баланса фаз:

где - модули передаточных функций ;

    - аргументы этих передаточных  функций.

Для данной схемы 

Отсюда видно, что  , следовательно, для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы цепь обратной связи вносила сдвиг фаз, равный .

Получаем выражение  для частоты генерации

и коэффициент  передачи цепи обратной связи на частоте  генерации 

 

   Входное сопротивление Rн составного транзистора

где - коэффициент усиления транзистора по току (для VT1);

    - входное сопротивление транзистора  VT2

   Для определения  нужно выбрать рабочую точку транзистора.

   Для этого  вначале строим проходную характеристику транзистора Iк=F(Uбэ) зависимость действующего значения тока в выходной цепи от входного напряжения Uбэ.  
Исходными данными  для построения проходной характеристики являются:

           – входная характеристика транзистора  Iб=F(Uбэ) (Рис. 1)

           – выходная характеристика транзистора  Iк=F(Uкэ) (Рис. 2)

   На  семействе выходных характеристик  транзистора 2Т658А,2Т658И (Рис. 1) проводим нагрузочную прямую через точки с координатами (0, Uпит )и (Uпит / Rк, 0) – (0,18) и (6;0)

   По  точкам пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками строим промежуточную характеристику Iк=F(Iб) (рис 3)

   

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис 1 

 

                                                                               

                                                                                    

                                                                                                                           0,125

 

                               0,1 

                              0,075 

                                         

                              0,05 

                                                                                      

                                0,025 
 
 
 
 
 
 
 

      Рис 2. 
 
 
 
 

Iб. mА 0,025 0,05 0,075 0,1 0,125
Iк.мА 1,11 2,13 3,16 4,11 5

 

Рис. 3

   Используя полученную зависимость (Рис. 3) и входную  характеристику Iб=F(Uбэ) (Рис. 1), определяем требуемую зависимость Iк=F(Uбэ) (Рис. 4)

Uбэ, В 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Iб. mА 0,021 0,050 0,086 0,170 0,300 0,500
Iк. мА 0,91 2,1 3,56 5 5 5
 

    

                                      Рис 4
По проходной  характеристике определяют положение  рабочей точки. Зададимся значением  Uбэ0 = 0,6 В -  это середина линейного участка проходной ВАХ
Тогда по входной ВАХ транзистора определяют в рабочей точке

=

   Коэффициент усиления транзистора по току

       

 

   Зная  , можно рассчитать сопротивление составного транзистора:

           Из условия  выберем значение .

   Определим амплитуду стационарного колебания  на выходе генератора. Для этого  построим колебательную характеристику .

   Значение  средней крутизны для разных значений Uбэ определим по методу 3-х ординат по формуле:

   

 

U1(бэ). В 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Iк max. мА 3,56 4,3 5 5 5
Iк min. мА 2,10 1,40 0,91 0,75 0,60
Sср. мА/В 14,6 14,5 13,63 10,62 8,8
 

   По  этой таблице построим колебательную  характеристику Рис. 5.

     

Рис 5

 
        

Для определения  по колебательной характеристике стационарного  действующего значения Uбэ необходимо рассчитать значение средней крутизны в стационарном режиме . Известно, что .

Но из баланса амплитуд

. Тогда

   

   Определим значение для рассчитанных значений Rн и R

   

   Для этого  значения средняя стационарная крутизна .

   Используем  колебательную характеристику и  ее значение средней крутизны в стационарном режиме, найдем действующее значение напряжения . Оно равно . Тогда напряжение на выходе генератора в стационарном режиме найдем из соотношения:

   

   Определим значение емкости в цепи обратной связи. Из выражения для частоты  найдем

   

   Посчитаем емкость CР разделительного конденсатора при условии .

   

   Определим значение сопротивления Rб, задающего рабочую точку Uбэ0, Iбэ0. Рассчитаем по формуле :

   

4

   Выберем резистор с номиналом Rб=8100к Ом. 

 

Расчет  спектра сигнала на выходе нелинейного преобразователя.

   Требуется рассчитать спектр тока и напряжения на выходе нелинейного преобразователя 

Схема нелинейного  преобразователя  (схема 3)

                       Тип нелинейного  элемента Д2В

                       Напряжение на входе  Um=1  В

                       Напряжение смещения U0=0 В

                       Сопротивление стока  Rн=50 Ом 

                         
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

        Рисунок № 

        Расчет  развязывающего устройства. 

   Амплитуда напряжения на выходе автогенератора больше амплитуды напряжения, которое  следует подать на вход нелинейного  преобразователя, следовательно, его  необходимо ослабить. Для этого используем схему 3, которую подключим между  генератором и нелинейным преобразователем.  

    

  Рисунок № 

   

   Для расчета  тока и напряжения на выходе нелинейного  преобразователя необходимо сделать  аппроксимацию ВАХ. Амплитуда выходного  сигнала достаточно велика, поэтому  выберем кусочно-линейную аппроксимацию. 
 
 
 

Передаточная  функция этой схемы:

Так как Um вх=1 В, а Um вых ген=6,36  В, тогда 

 

Зададим R1=1000  Ом, получим  
 

        Продолжим расчет нелинейного преобразователя. 

Используя проходную  ВАХ транзистора, графически определим  вид тока на выходе нелинейного преобразователя  (Рис.6)  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Рис 6 Его дам на миллиметровке 
 

   По  ВАХ определяем Uотс=0,55  В

   Для расчета  крутизны S выбираем любую точку на прямой, аппроксимирующей ВАХ, ; ,тогда:

   Рассчитаем  угол отсечки

 

   Вычислим  функции Берга 

;

;

;

   Постоянные  составляющие и амплитуды гармоник спектра тока IВЫХ рассчитаем по формуле , где к=0,1,2,3, …

   Ограничимся третьей гармоникой

;

;

 

;

   Напряжение  на выходе нелинейного преобразователя  считаем по формуле 

   

;

   Амплитуды гармоник выходного напряжения

  Um1=0,025 В;  Um2=0,024В  ;Um3=0,021 В

   Спектры амплитуд тока и напряжения на (Рис 7) (Рис 8) 

 

Рис 7        Рис 8 

Расчёт  полосового фильтра 

    Рассчитать  полосовой фильтр для выделения  3 гармоники при частоте генерируемых колебаний fГ=30  кГц. Неравномерность ослабления в ПЭН: , минимально допустимое ослабление в ПЕН:Аmin=36  дБ.

    Частота 3  гармоники равна, тогда, f0= fГ *n=90  кГц Характеристика ослабления фильтра должна обладать геометрической симметрией относительно выделяемой гармоники (рис. 9)

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рис 9 

    По  заданным данным ΔА и Аmin определим вспомогательную функцию D (рис. 10)

      
 
 
 

      
 
 
 
 
 

Рис. 10 

    При значении порядка фильтра-прототипа n=3, для полученного значения D=46 (рис.11) определим нормированную частоту, соответствующую границе ПЭН НЧ-прототипа: Ω3= 4,1 
 

      
 
 
 

      
 
 
 
 

    Рис.11 

    Находим граничные частоты ПЭП и ПЭН.

    

    

112,5  кГц,

    

,

    Так как  , то найдем .  
       Учитывая соотношение: , определим

    

    Решим совместно систему:

    

    Получаем:

    

    Отсюда  получаем граничные частоты:

    

 

Полюса передаточной функции НЧ-прототипа: S1=-0,626457;  

    Для отыскания полюсов передаточной функции ПФ, используем соотношение:

    

    где ;   .

    

    

 

    
        Номер

        полюса

    		     Полюса  Н(р) полосового фильтра
             
        1,2

        3,4

        5,6

    		     1,9441

        1,0265

        0,9176

    		     56,5152

        59,8005

        53,4579

 

    Запишем передаточную функцию ПФ в виде произведения трех сомножителей второго порядка

    

    где

    Коэффициенты  при р в знаменателях сомножителей

    

    

    

,

      а свободные члены 

.

    
        Номер

        Сомножителя

    		     Значения  коэффициентов
                  
        1

        2

        3

    		     5.5517

        5.5517

        5.5517

    		     3,8882

        2,0530

        1,8352

    		     31.9775

        35.7715

        28.5859

 

    Тогда передаточная функция искомого ПФ запишется:

    

    Для реализации полученной передаточной функции  выберем тип звеньев, для чего вначале найдем добротности полюсов  соответствующих сомножителей, пользуясь  соотношением

    

    

    

    Так как Q>10 то для поиска элементов первого звена, соответствующего первому сомножителю H(p), выберем схему 3 и составим систему уравнений:

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Рисунок № 
 

    

 
 
 

      Зададимся  С6 =С7 = С = 5 · 10-9 Ф.

      Кроме того, выберем 

      R1 =R2 = 1/wпС.

      Здесь wп - частота полюса, определяемая для данного сомножителя, как

      

 рад/с.

      Итак,

      

 Ом.

      Решая систему относительно элементов  R5, R3, R4 получим 

    

    

     С С помощью таблицы полиномов выберем: 

    
    Элементы 1-го звена
R1 Ом R2 Ом R3  Ом R4  Ом R5  Ом С6 нФ С7  нФ  
    353,7     353,7 826,7 151,3 5143,8     5     5      
 

 Поступая  аналогичным образом, найдем элементы  второго и третьего звена фильтра. 

    Элементы 2-го звена
R6  Ом R7  Ом R8  Ом R9  Ом R10 Ом C11,нФ C12,нФ
334,4 334,4 196,2 569,9 9741,8     5     5
     
 
 
 
 
    
    Элементы 3-го звена
R13  Ом R14  Ом R15  Ом R16  Ом R17 Ом C18,нФ C19,нФ
374,1 374,1 184,7 757,6 10898,0     5     5
     
 
 
 

    Для расчета АЧХ и ослабления фильтра  в выражении H(p) сделаем замену p=jω тогда |H(jω)| запишется:

    

    Ослабление  фильтра связано с АЧХ выражением:

    

    Найдем  частоты ПЭП, при которых А и АЧХ принимают максимальные и минимальные значения. Ω1 min=  0,  Ω1 мАx=0,5 ,   Ω2 мАx=1,   Ω2 min=0,866

    Для нахождения соответствующих частот ПФ используем соотношение

    

    

    Посчитаем максимумы и минимумы

    

    

    

    

    Рассчитаем  АЧХ и ослабления фильтра

    

Расчет элементов и узлов аппаратуры связи