Расчёт режима автогенератора

УДК  621.396.1

РЕФЕРАТ

Расчетно-пояснительная записка содержит 29 страниц печатного текста, 12 иллюстраций, 4 использованных источника.

Радиосвязь, канал связи, модуляция, передатчик, приемник, автогенератор, синтезатор частоты, усилитель мощности, буферный усилитель.

  В расчетно-пояснительной записке производится выбор функциональных схем передающей и приемной частей канала и рассчитывается передающая часть канала технологической железнодорожной радиосвязи аналогового типа с частотной модуляцией, которая широко применяется на железнодорожном транспорте.

Содержание

Введение

Приемопередающее устройство – это источник и приемник радиочастотных колебаний в системах радиосвязи, телевидения, радиолокации и других. Назначение приемопередатчика – сформировать и принять радиосигнал в соответствии с требованиями, установленными при разработке системы.

Радиосигналом называют колебание  радиочастоты, один или несколько  параметров которого изменяются (модулируются) в соответствии с передаваемым сообщением (информацией).

Частотная модуляция (ЧМ) применяется в высококачественном радиовещании, в радиорелейных линиях с большим числом каналов, в радиолокационных системах непрерывного излучения. При любых видах модуляции энергия сигнала локализована в узкой полосе частот радиоспектра. Это означает, что радиосигнал представляет собой колебание, близкое к гармоническому. Поэтому основным сигналом, для которого рассчитываются режимы каскадов приемопередатчика, является гармонический.

Системы радиосвязи на железнодорожном  транспорте делятся на: поездные, станционные, ремонтно-оперативные, индивидуальные по специально выделенным каналам и другие. Железнодорожная радиосвязь осуществляется в нескольких диапазонах радиоволн:

1. гектометровые волны КВ (f₀ = 2,13 МГц)
2. метровые волны УКВ₁ (f₀ = 151,725 – 156 МГц)
3. дециметровые – УКВ₂ (f₁ = 457,4 – 458,45 МГц и f₂ = 467,4 – 468,45 МГц)

Наибольшее использование в  поездной и станционной радиосвязи получил диапазон метровых радиоволн, поэтому парк радиостанций этого  диапазона самый обширный.

1 Исходные данные (Вариант №16)

1)   Значения рабочей частоты возбудителя и первого гетеродина:

f_B = 153.500 + 0.025∙(n – 1) = 153.500 + 0.025∙(16 – 1) = 153.875 МГц

f_Г1 = 174.900 + 0.025∙(n – 1) = 174.900 + 0.025∙(16 – 1) = 175.275 МГц

2)   Выходная мощность передающего устройства на нагрузке 50 Ом:

P_ВЫХ = 15 – k = 15 – 7 = 8 Вт

3)  Коэффициент усиления постоянного тока в оконечном и в предоконечных каскадах, выполненных  на транзисторах  КТ909А,  КТ907А  и  КТ606: β₀ = h_21Э = 20 + n = 20 + 16 = 36

4) Чувствительность приемного устройства по системе СИНАД при отношении «сигнал/шум», равном 12 дБ, и входном сопротивлении приемника 50 Ом: U_вх.min= 0.5 мкВ. Все каскады усиления и преобразования рекомендуется выполнить на транзисторах ГТ311Е, которые имеют коэффициент усиления по постоянному току:  β₀ = 40 + n = 40 + 16 = 56

5)   Параметры девиации частоты модулятора:

Δf_НОМ = 3.5 кГц  Δf_max = 4 кГц

6)   Избирательность приёмника:

по зеркальному каналу Se_З.К = 50 дБ,  по соседнему – Se_С.К = 60 дБ

7)   Стабильность частоты возбудителя и гетеродинов – δf = 10^-5

8)   Коэффициент нелинейных искажений сигналов в радиоканале – К_Г ≤ 0.08 (8 %)

9)   Материальная база разработки: транзисторы, микросхемы.

10) Номиналы напряжения питания: 25, 15, 12, 9, 5В.

2 Выбор и расчёт параметров функциональных схем приёмной и передающей частей канала

Проектирование  радиопередающей части канала начинается с разработки функциональной схемы. В настоящее время на железнодорожном транспорте внедрена система аналоговой частотно-модулированной (ЧМ) радиосвязи на основе приемопередатчика диапазона метровых волн УПП-2МВ стационарной радиостанции «Транспорт РС-46М». Система выполнена на современной микроэлементной базе с применением микропроцессорной технологии обслуживания с программным обеспечением, позволяющим конфигурировать режимы радиостанции применительно к конкретным условиям эксплуатации на используемой сетке частот, при так называемом симплексе (работает передатчик – выключен собственный приемник и наоборот).

Структурная схема такого канала приведена на рисунке 2.1. В её состав входят следующие устройства:

- блок коммутации К симплексного режима работы;

- передающая часть канала, включающая в себя усилитель мощности (УМ), синтезатор-возбудитель, опорный генератор и модулятор, обеспечивающий оптимальный режим частотной модуляции в канале;

приемная  часть канала, включающая в себя тракт усиления радиочастоты (УРЧ), синтезатор первого гетеродина и сам гетеродин, первый смеситель, усилитель первой промежуточной частоты и завершающую часть приёмника, выполненную на одной микросхеме МС3371Р, – второй смеситель, второй гетеродин, усилитель второй промежуточной частоты, частотный детектор и предварительный усилитель звуковой частоты. После микросхемы следует тракт дополнительного усиления сигнала, который подается затем в блок автоматики.

Рисунок 2.1 – Структурная схема канала радиосвязи

2.1 Функциональная схема радиопередающей  части канала

Для разрабатываемой функциональной схемы передающей части канала, изображенной на рисунке 2.2, из структурной схемы выбираются устройства: коммутатор К, усилитель мощности, который может состоять из двух каскадов предварительного усиления (ПОК₁ и ПОК₂) и оконечного усилителя мощности ОК. Схема синтезатора-возбудителя предназначена для формирования высокочастотного ЧМ-колебания с амплитудой не менее 0,5 В, которое используется для возбуждения предварительного усилителя мощности ПОК.

Диапазон  частоты возбудителя – от 151,725 до 156,000 МГц, шаг сетки частоты  – 25 кГц. В состав возбудителя входят устройства: ГУН₁ на транзисторе ГТ311Е и варикапах КВ121А; буферный усилитель на двух транзисторах того же типа, включенных по каскадной схеме (ОЭ-ОБ); большая интегральная схема (БИС) синтезатора частоты типа КФ1015ПЛ4Б или КР1015ХК2. Опорный сигнал частотой 10 МГц для передающего и приемного синтезаторов вырабатывает высокостабильный генератор «Топаз-03», выпускаемый в виде малогабаритного конструктивного устройства, питаемого стабилизированным напряжением +9 В. В данном проекте он используется как функциональный блок без представления принципиальной схемы.

На вход синтезатора частоты  поступает сигнал с ГУН₁ через развязывающее устройство в виде буферного усилителя. Входом является включенный в синтезатор делитель частоты с переменным коэффициентом деления ДПКД, с выхода которого сигнал поступает на один из входов частотно-фазового детектора ЧФД. На второй вход детектора подается высокочастотный сигнал опорного генератора ОГ, прошедший через делитель опорной частоты ДОЧ. ЧФД формирует сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз входных сигналов. Это напряжение ошибки по цепи фазовой автоподстройки ФАПЧ через фильтр низких частот ФНЧ подается на управляющий вход ГУН₁, что приводит к изменению его частоты до требуемого значения, определяемого коэффициентом ДПКД. Синтезатор имеет выход сигнала детектора захвата частоты петлей ФАПЧ.

На ГУН₁ одновременно осуществляются частотная модуляция и автоподстройка его частоты. Чтобы не происходило снижения девиации частоты за счет схемы ФАПЧ, постоянная времени ФНЧ на выходе синтезатора выбрана много больше, чем период низкой частоты (f_min = 300 Гц) спектра низкочастотного сигнала. При этом ФАПЧ работает на частотах Δf << 300 Гц и не реагирует на сравнительно быстрые изменения частоты при ее девиации.

Особое место в схеме передающего тракта занимает модулятор, который выполняет следующие функции:

- обеспечивает номинальную девиацию  частоты Δf_НОМ;

- ограничивает максимальное значение  девиации частоты Δf_max;

- осуществляет предкоррекцию амплитудно-частотной  характеристики (АЧХ) тракта по закону +6 дБ/октава.

Для выполнения указанных функций  схема модулятора содержит в себе следующие устройства:

- усилитель звуковой частоты,  охваченный петлей автоматической  регулировки усиления (АРУ), которая производит сжатие динамического диапазона входных сигналов;

- корректор АЧХ +6 дБ/октава для  модулирующего сигнала, поступающего  с блока автоматики;

- амплитудный ограничитель, устраняющий  перемодуляцию передатчика;

- ФНЧ, служащий для ограничения  полосы пропускания модулирующих сигналов в пределах от 0,3 до 3,4 кГц;

- формирователь сигнала исправности  модулятора.

Расчет режима модулятора в данном проекте не выполняется, в принципиальную и функциональную схемы вставлены  только его функциональный блок.

Параметры стандартного модулятора:

- чувствительность  модуляционного входа модулятора  при R_ВХ = 600 Ом не менее 300 мВ;

- отклонение амплитудно-частотной модуляционной характеристики передатчика (АЧМХ) от характеристики с предкоррекцией +6 дБ/октава лежит в пределах );

- уровень  паразитной амплитудной модуляции  составляет не более 3 %.

Рисунок 2.2 – Функциональная схема  передающей части канала

2.2 Расчёт параметров функциональной схемы передающей части канала

1. В таблице параметров транзистора КТ909А приведены следующие данные для типового режима его работы: Р_ТИП = 24 Вт; К_ТИП = 2,4; f_ТИП = 500 МГц, по которым может быть рассчитан коэффициент усиления мощности К_Р оконечного каскада на рабочей частоте:

где η_кс = 0.5 – коэффициент полезного действия контура предоконечного каскада.

2. Мощность возбуждения на входе оконечного каскада:

3. Предоконечный каскад может быть выполнен на менее мощном транзисторе КТ606 с параметрами типового режима: f_ТИП = 400 МГц, К_ТИП = 3; по ним может быть рассчитан коэффициент К_Р на рабочей частоте:

4. Мощность возбуждения на входе предоконечного каскада ПОК:

5.  Оптимальная амплитуда модулирующего напряжения звуковой частоты

где ν = 0.5 – коэффициент нелинейности характеристики варикапа; U_В0 – напряжение постоянного смещения варикапа (обычно U_В0 = 4 – 10 В). Для данного проекта можно порекомендовать варикап КВ123А с параметрами U_В0 = 4 В при С₀ = 17 пФ;

2.3 Функциональная схема радиоприемной части канала

Проектирование радиоприемной  части канала начинается с разработки функциональной схемы, изображённой на рисунке 2.3. Эта схема составляется на основе структурной схемы, изображенной на рисунке 2.1. Для функциональной схемы приемника выбираются кроме коммутатора К два усилителя радиочастоты – УРЧ1 и УРЧ2, первый смеситель VT1, на второй вход которого подается через буферный усилитель БУ2 сигнал с генератора, управляемого напряжением ГУН2, который выполняет роль первого гетеродина приемника. Диапазон перестраиваемой частоты первого гетеродина – от 173,125 до 177,400 МГц (N = 172 канала) обеспечивается собственным синтезатором приемной части канала (аналогичен синтезатору возбудителя).

Схема генератора, управляемого напряжением  ГУН2, аналогична схеме ГУН1, но имеет  более простую колебательную  систему, так как в ней не должна производиться частотная модуляция. Для увеличения мощности сигнала первого гетеродина и его надежной развязки от смесителя и синтезатора частоты должен быть использован буферный усилитель БУ2, собранный по каскодной схеме ОЭ-ОБ.

В БИС  синтезатора частоты приемника  входят те же элементы, что и в  функциональную схему, выполнен он на микросхеме D2 типа КФ1015ПЛ4Б либо КР1015ХК2. В качестве опорной частоты f₀ = 10 МГц используется частота ОГ «Топаз-03», имеющего относительную нестабильность δf ≤ 10^-5. Напряжение рассогласования, сформированное частотно-фазовым детектором синтезатора, через ФНЧ поступает на варикапы колебательного контура ГУН₂ и управляет его частотой. Запись коэффициентов деления ДПКД и опорного делителя в регистр синтезатора осуществляется последовательным двоичным кодом по цепям «Запись 1», «Данные», «Синхронизация». В приемном синтезаторе также предусмотрена схема контроля (вывод 4), формирующая сигнал исправности синтезатора при наличии захвата в кольце ФАПЧ.

Рисунок 2.3 – Функциональная схема приемной части канала

Преобразованный сигнал со смесителя  СМ₁ через фильтр сосредоточенной избирательности ФСИ₁ поступает на усилитель первой промежуточной частоты f_ПР1 = 21,4 МГц, выполненный по стандартной схеме. С ее нагрузки (двухконтурного фильтра) сигнал поступает на вход микросхемы D₃ типа МС3371Р. Микросхема D₃ осуществляет второе преобразование частоты сигнала во вторую промежуточную частоту f_ПР2 = 455 кГц, ее усиление, частотное детектирование и предварительное усиление звуковой частоты речевого сигнала.

К выводу 1 микросхемы D подключен кварцевый резонатор Z₁, который служит для генерации вторым гетеродином стабильной частоты f_Г2 = f_ПР1 + 455 кГц. Сигнал второй промежуточной частоты выделяется кварцевым фильтром сосредоточенной избирательности ФСИ₂ (Se_С.К ≥ 60 дБ), усиливается и детектируется. Усиленный микросхемой D₃ сигнал поступает на активный фильтр низких частот ФНЧ и на конечный усилитель в блоке автоматики и управления, выполняющий функцию частотного корректора, обеспечивающего завал частотной характеристики сигнала минус 6 дБ/октава. Далее сигнал звуковой частоты используется в блоке автоматики.

2.4 Расчёт параметров функциональной схемы приёмной части канала

1. Полоса частот генерации ЧМ канала:

где: М_f = Δf_max / F_max – индекс частотной модуляции;  Δf_max = 4 кГц – максимальная девиация частоты ЧМ сигнала; F_max = 3.4 кГц – максимальная частота телефонного спектра.

2. Полоса частотной нестабильности канала:

где ∆f_С = (f_C∙δf_В) – абсолютная нестабильность частоты возбудителя;

      ∆f_Г1 = (f_Г∙δf_Г) – абсолютная нестабильность частоты гетеродина;

      Δf_ПЧ1 = (f_ПЧ1∙δf_ПЧ) – абсолютная нестабильность тракта промежуточной частоты;

∆f_С = 155.75∙10⁶∙10^-5 = 1558 Гц; 

∆f_Г1 = 177.15∙10⁶∙10^-5 = 1772 Гц;   Δf_ПЧ1 = 21.4 ∙10⁶∙10^-5 = 214 Гц;

∆f_Г2 =  (21.4 + 0.455) ∙10⁶∙10^-5 = 218.55 Гц; Δf_ПЧ2 = 0.455 ∙10⁶∙10^-5 = 4.55 Гц.

3. Ширина полосы пропускания приёмного тракта:

4. Первая промежуточная частота определяется заданной избирательностью по зеркальной помехе Se‘_ЗП, числом колебательных контуров в тракте n_ВЧ = 3 и их эквивалентным затуханием d_Э = 0,06:

Возьмём в качестве первой промежуточной частоты стандартную, принятую в новых железнодорожных радиостанциях f_ПР1 = 21,4 МГц

5. Проверка показывает, что полученная промежуточная частота не сможет обеспечить требуемую избирательность по соседнему каналу (Se_С.К = 60 дБ), следовательно, неизбежно двойное преобразование частоты. Вторая промежуточная частота может быть вычислена по формуле:

где Δf_С.К = 25 кГц, d_ПЧ ≤ 0.02 (при использовании ФСИ), n_пч = 9.

В качестве второй промежуточной частоты  выбираем стандартную для железнодорожных радиостанций f_ПР2 = 455 кГц.

6. Произведём предварительное распределение усиления по каскадам приемника. Так, например, двухкаскадный УРЧ может иметь устойчивый коэффициент усиления не менее К_УРЧ = 10, тогда при чувствительности приёмника U_вх.min= 0.5 мкВ на входе преобразователя появится сигнал с напряжением:

7. Примем общий коэффициент усиления в тракте УПЧ₁. К_УПЧ1 = 30, тогда на вход второго преобразователя будет подаваться напряжение:

8. Оценим общий коэффициент усиления приёмного тракта если на предельной чувствительности микросхема МС3371Р может выдавать выходное напряжение низкой частоты не менее 0,1 В:

9. Коэффициент усиления, приходящийся на микросхему МС3371Р должен быть не менее:

3 Расчёт усилителя мощности радиочастоты

Основу технического расчета транзисторного генератора с посторонним возбуждением составляет энергетический расчет режима транзистора. Расчет энергетики коллекторной и базовой цепей усилителя мощности высокой частоты производится по упрощенной методике. Исходными данными для энергетического расчета являются основные технические параметры, приведенные в задании, а также полученные в результате предварительного расчета функциональной схемы. По этим данным производится выбор транзистора, вследствие чего становятся известными следующие его параметры: f_P, f_ГР, Е_k0, Р_ВЫХ.max, I_k.доп, U_К-Э.доп, U_Б-Э.доп, h_21Э, U`<sub>Б-Э</sub>, S<sub>ГР</sub>, t<sub>П</sub>, С<sub>К.А</sub>, С<sub>К</sub>, С<sub>Э</sub>, r`_б, r`_э, R_П.К, Т_П.доп.

Формулы, используемые в расчете, соответствуют  упрощенной эквивалентной схеме замещения мощного транзистора, приведенной на рисунке 3.1. В этой схеме применены следующие обозначения: r`_б – сопротивление материала тела базы транзистора между выводом и р-n-переходом; r – сопротивление рекомбинации; С_Э и С_Д – соответственно барьерная и диффузионная емкость эмиттерного перехода; С_К.А и С_К – активная и общая емкость коллекторного перехода.

Рисунок 3.1 – Упрощенная эквивалентная схема замещения мощного транзистора

Типовая электрическая схема выходного каскада представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 – Типовая электрическая схема выходного каскада

3.1 Расчёт оконечного каскада

В ходе расчёта угол отсечки коллекторного тока транзистора КТ909А выбирается для критического режима класса В: θ = 90⁰ (α_k1 = 0.5, α_k0 = 0.318).

1. Коэффициент использования коллекторного напряжения транзистора в граничном режиме рассчитывается по формуле:

где Е_k0 = 28 В, S_ГР = 0.46 См.

При этом напряжение эквивалентного генератора по формуле:

2. Амплитуда тока первой гармоники коллектора находится по формуле:

3. Формула для проверки допустимого напряжения коллекторного перехода:

4. Расчёт нагрузки эквивалентного генератора производится по формуле:

5. Амплитуда импульса коллекторного тока находится по формуле:

6. Постоянный ток коллектора рассчитывается по формуле:

7. Мощность, потребляемая от источника питания, находится по формуле:

8. Мощность, рассеиваемая на коллекторе, рассчитывается по формуле:

9. КПД генератора находится по формуле:

10. Угол дрейфа носителей тока через базу рассчитывается по формуле:

11. Нижний угол отсечки импульсов эмиттерного тока находится по формуле:

По таблице коэффициентов Берга находятся следующие коэффициенты:

α_Э1 = 0.481, α_Э0 = 0.296, cos θ = 0.122

12. Постоянный ток эмиттера рассчитывается по формуле:

13. Амплитуда эмиттерного тока находится по формуле:

14. Ток первой гармоники эмиттера рассчитывается по формуле:

15. Крутизна тока коллектора на рабочей частоте находится по формуле:

16. Амплитуда переменного напряжения возбуждения базы находится по формуле:

Модуль  коэффициента передачи напряжения возбуждения  с входных электродов (б-э) на р-n-переход (б^¢-э) определяется в соответствии с рисунком 3.3.

Рисунок 3.3 – Схема внутреннего делителя напряжения б-э транзистора

17. Приближенное значение входного сопротивления транзистора на рабочей частоте рассчитывается по формуле:

18. Мощность сигнала на входе оконечного каскада (ОК) находится по формуле:

19. Коэффициент усиления мощности в оконечном каскаде находится по формуле:

20. Тепловое сопротивление радиатора охлаждения транзистора рассчитывается с помощью формулы:

      где  

t_СР ≈ +(30 40) – температура окружающей транзистор среды;

R_П-К – тепловое сопротивление (переход-корпус) транзистора;

R_К.Т ≈ (0,5 1) - тепловое сопротивление между теплоотводом и корпусом транзистора, °С/Вт.

3.2 Расчёт предоконечного каскада

Энергетический расчёт предоконечных каскадов производится по методике, аналогичной изложенной выше. Но в качестве выходной мощности предоконечного каскада выбирается входная мощность оконечного каскада, увеличенная в К_ЗАП раз, где К_ЗАП – коэффициент запаса, обычно К_ЗАП = 1,5, то есть в качестве выходной мощности предоконечного каскада выбирается входная мощность оконечного с коэффициентом запаса К_ЗАП. В большинстве случаев надобности во втором предоконечном каскаде не возникает, так как мощность в десятки милливатт обеспечивает буферный усилитель. Используемый транзистор – КТ606.

Входная мощность каскада определяется по формуле:

1. Коэффициент использования коллекторного напряжения транзистора в граничном режиме рассчитывается по формуле:

где Е_k0 = 28 В, S_ГР = 0.03 См.

При этом напряжение эквивалентного генератора по формуле:

2. Амплитуда тока первой гармоники коллектора находится по формуле:

3. Формула для проверки допустимого напряжения коллекторного перехода:

4. Расчёт нагрузки эквивалентного генератора производится по формуле: