Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Разработка радиопередающего устройства

Министерство образовния и науки

Вятский государственный университет

Факультет ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Кафедра радиоэлектронных средств

Утверждаю

Зав. кафедрой .................../Петров Е.П./

ЗАДАНИЕ № 05

ПО КУРСОВОМУ ПРОЕКТИРОВАНИЮ СТУДЕНТА Корсакова Ю.В.

1. ТЕМА КУРСОВОЙ РАБОТЫ: Разработка РПДУ ЧМ сигналов

2. СРОК СДАЧИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ 24.12.12.

3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

Назначение: ССПО;
Мощность, подводимая к антенне: 30 Вт;
Диапазон рабочих частот: 275 - 350 МГц;
Вид модуляции: ЧМ;
Волновое сопротивление фидера: 75 Ом;
КБВ на выходе передатчика: 0.85;

4. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО - ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ

Реферат. Содержание. Введение. Выбор функциональной схемы РПДУ. Расчет и выбор элементов узлов РПДУ. Заключение. Приложения.

5. ПЕРЕЧЕНЬ ГРАФИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Структурная схема устройства. Схема электрическая принципиальная. Перечень элементов схемы.

6. ОФОРМЛЕНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ И ЧЕРТЕЖЕЙ ведется согласно ЕСКД и ГОСТов.

Руководитель работы _______________ / Ефимов С.В./ 07.09.2012 г.

Задание принял ________________ / Корсаков Ю. В./ 07.09.2012 г.

РЕФЕРАТ

Корсаков Ю.В., Разработка РПДУ ЧМ сигналов: ТПЖА. 210402.05 ПЗ: Курс. проект/ ВятГУ, кафедра РЭС; рук. С. В. Ефимов. – Киров 2012. ПЗ 27 с., 8 рис., 7 табл., 5 источников, 4 прил.

РАДИОПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (РПДУ), ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ (ЧМ), СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ, ГЕНЕРАТОР, УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ (ГУН), ФИДЕР, ЦЕПЬ СВЯЗИ, ОДНОТАКТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ, КОЭФФИЦИЕНТ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ (КБВ).

Объектом исследования является радиопередающее устройство.

Цель работы – разработка радиопередающего устройства по заданным параметрам, а также приобретение навыков решения, задач проектирования радиопередающих устройств различного назначения.

В данной работе спроектирован передатчик ЧМ сигналов в диапазоне ОВЧ и УВЧ(метровые и дециметровые волны), который реализует уверенную передачу сигнала при заданных значениях мощности, сопротивления фидера и КБВ на выходе передатчика. В разработанном приёмнике используется современная элементная база. Несколько узлов приемника представлены в виде интегральных микросхем, которые обеспечивают удобство и простоту конструкции передатчика. Усилительные каскады выполнены на биполярных транзисторах, которые могут использоваться на частотах до 400 МГц, устойчивы к механическим воздействиям, имеют большой срок службы, высокий диапазон работы температур .

Практическая ценность полученных результатов состоит в том, что разработанное устройство может быть практически реализовано, а также оно может использоваться в качестве основы для проектирования более сложных устройств, в радиовещательном диапазоне, персональной связи

Содержание

Введение 5

1. Разработка функциональной схемы РПДУ 6

2. Расчет усилителя 7

2.1. Определение мощности и количества ступеней передатчика 7

2.2. Расчет коллекторной цепи 8

2.3. Расчет входной цепи 10

3. Расчет цепи связи и нагрузочного фильтра 11

3.1. Расчет цепи связи 11

3.2. Расчет нагрузочного фильтра 13

4. Выбор и расчет возбудителя …………………………………...…..………………..…15

4.1 Выбор синтезатора частот 15

4.2. Выбор генератора, управляемого напряжением 16

4.3. Выбор стабилизатора напряжения 18

Заключение 19

Приложение А 20

Приложение Б 22

Приложение В 24

Приложение Г 27

Введение

Радиопередающим называется устройство, предназначенное для выполнения двух основных функций – генерации электромагнитных колебаний и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением.

Радиосистемы различного назначения, от простейших радиотелефонов до компьютерных радиосетей, пользуются всё большим успехом у пользователей во всём мире. После нескольких десятилетий развития теории и техники радиосистем значительно выросли скорость и качество коммуникационных услуг при постоянном снижении их стоимости, что делает услуги беспроводной связи всё более привлекательными для потребителей, а производство соответствующего оборудования и комплектующих - одной из наиболее рентабельных и быстрорастущих отраслей электронной индустрии.

В связи с этим многократно возрастает роль международных стандартов, разработанных и разрабатываемых отдельными фирмами и специальными интернациональными организациями, и поддерживаемых большинством производителей коммуникационного оборудования, независимо от их национальной принадлежности. Каждая из имеющихся технологий характеризуется уникальным, присущим только ей, набором требований и параметров, однако общим для всех является использование сложных преобразований и обработки исходного сигнала с целью приведения его к виду, подходящему для передачи через среду распространения (радиоканал). Повсеместно принято деление стандартов связи на изначально использовавшиеся аналоговые и, более современные, цифровые. Наряду с этим необходимо отметить, что независимо от используемого стандарта практически все выпускаемые устройства связи являются гибридными радиосистемами, построенными с применением аналоговых и цифровых узлов, сопрягаемых между собой с помощью АЦП и ЦАП. Именно они на современном этапе являются наиболее оптимальными по соотношению "стоимость - потребительские качества".

Данный курсовой проект посвящён разработке РПДУ. Радиопередающее устройство - устройство для генерирования и формирования радиосигнала, подаваемого на вход передающей антенны.

Требования, которым должен удовлетворять передатчик, это, прежде всего, простота схемного исполнения (которая достигается применением современной элементной базы), что обеспечивает высокую надежность, возможности работы в широком диапазоне температур и влажности окружающей среды, простота в обращении, иногда ударостойкость, малое энергопотребление, а также низкая себестоимость.

Разработка функциональной схемы РПДУ

При проектировании РПДУ необходимо исходить из конкретных требований. Принимаемые решения при построении блок – схем и принципиальных схем необходимо учитывать современный уровень радиоприемной техники. Поэтому в основу разработки требований ко всей схеме и ее отдельным узлам целесообразно принять результаты критического анализа качественных показателей и способов построения схем существующих моделей устройств аналогичного назначения.

В данном курсовом проекте необходимо рассчитать параметры структурной схемы ЧМ радиопередатчика для систем подвижной радиосвязи со следующими характеристиками:

Мощность, подводимая к антенне: 30 Вт;

Диапазон рабочих частот: 275 – 350 МГц;

Волновое сопротивление фидера: 75 Ом;

Коэффициент бегущей волны на выходе передатчика: 0.85

В радиопередающих устройствах частотную модуляцию осуществляют в возбудителе. Это позволяет получить высокое качество сигнала, вводя при необходимости в схему элементы, улучшающие параметры устройства. В действующих радиостанциях преимущественно применяют прямой метод ЧМ с использованием в качестве управляющего элемента варикапа. Стабильность несущей частоты в аналоговых устройствах обеспечивают применением в возбудителе системы фазовой автоподстройки частоты ЧМ сигнала, использованием высококачественного опорного генератора и современных методов синтеза частот. Это подразумевает использование цифрового синтезатора частот с делителями частоты в тракте сравнения опорного и подстраиваемого колебаний. Частоту перестраивают дискретно, изменяя коэффициент деления.

В качестве усилителя используем несколько каскадов однотактных ГВВ. Они просты в исполнении и могут использоваться в мощных оконечных каскадах передатчиков на частотах , где построение двухтактных генераторов вызывает определенные трудности. Режим работы принимают граничным или перенапряженным (позволяет повысить КПД, но вносит искажения в форму сигнала). Угол отсечки выбирают 90⁰ или меньше, потому что больший угол может привести к нелинейным искажениям.

Структурная схема, учитывающая все вышеперечисленное, представлена в Приложении А.

Расчет усилителя

Определение мощности и количества ступеней передатчика

Мощность выходной ступени передатчика определяется величиной мощности в фидере и коэффициентом полезного действия колебательной системы.

Так как в задании приводится пиковая (максимальная) мощность в антенне, определим значение мощности, которое будем использовать в дальнейших расчетах:

где (задались

Мощность каждого каскада, начиная с предоконечного, определяется ориентировочно путем последовательного деления выходной мощности следующего каскада на коэффициент его усиления по мощности ().

Мощность возбудителя определяется мощностью ГУН, которая составляет

В оконечном каскаде используем транзистор 2Т970AБ, имеющий мощность на выходе предыдущего каскада определяется:

В предоконечном каскаде – транзистор 2Т934Б с мощность на выходе предыдущего каскада:

Во втором каскаде – транзистор 2Т907А с мощность на выходе предыдущего каскада:

В первом каскаде – транзистор 2Т925А с Мощность, принимаемая от возбудителя не более:

Параметры транзисторов, по которым производился их выбор, приведены в таблице 1. Остальные параметры можно найти в [1].

Для заданного усиления будет достаточно 4-х каскадов, каждый из которых будет выполнен по однотактной схеме, работающей в граничном режиме, с углом отсечки

Таблица 1 – Параметры транзисторов

Тип транзистора	Диапазон рабочих частот, МГц			Режим работы
2Т970A	100…400	100	4	Класс В
2Т934Б	100…400	10..12	4	Класс В
2Т907А	100…400	8..10	6,3	Класс В
2Т925А	100…400	>2	5	Класс В

Расчет коллекторной цепи

Зададимся

Для учета потерь снижаем _{на 0,5.}

_{Параметры транзистора 2Т970А:}

- сопротивление насыщения:

- постоянная времени коллекторного перехода:
- стабилизирующее сопротивление в цепи эмиттера:
- сопротивление утечки эмиттерного перехода:
- коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ:
- граничная частота транзистора:
- емкость коллекторного перехода:
- емкость эмиттерного перехода:
- индуктивности выводов:

- предельное напряжение на транзисторе:
- импульсное значение напряжения:
- обратное напряжение на эмиттерном переходе:

- постоянная составляющая коллекторного тока:

- максимально допустимое значение коллекторного тока:

- максимально допустимая выходная мощность:

- барьерная емкость активной части коллекторного перехода:

_{- сопротивление
материала базы:}

Угол отсечки коллекторного тока равен Pi/2, при этом

_{Амплитуда переменного
напряжения:}

Напряжение:

_{Амплитуда первой
гармоники тока:}

_{Постоянная составляющая
тока:}

_Ток:

_{Максимальная
мощность, потребляемая
от источника коллекторного
питания:}

_{КПД коллекторной
цепи:}

Максимальная рассеиваемая мощность:

_{Номинальное сопротивление
коллекторной нагрузки:}

Расчет входной цепи

Сопротивление:

При

Сопротивление:

Амплитуда тока базы:

где

Напряжение смещения на эмиттерном переходе:

Максимальное обратное напряжение на эмиттерном переходе:

Значения :

Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления:

Входная мощность:

Коэффициент усиления по мощности:

Постоянные составляющие базового и эмиттерного токов:

Расчёт цепи связи и нагрузочного фильтра

3.1 Расчет цепи связи

В нашем передатчике необходима трансформация эквивалентного сопротивления 4,9 Ом на выходе оконечного каскада усилителя в сопротивление фидера 75 Ом. Для этого мы используем трансформатор на линиях, так как, по сравнению с трансформаторами на LC элементах, он имеет минимальные потери.

Чтобы определить количество линий N, необходимо найти отношение сопротивлений:

_Отсюда _N=_4.

_{Схема
трансформатора на} _N_{линиях при несимметричном
включении трансформатора
по входу и выходу с
обозначениями токов
и напряжений приведена
на рисунке 1.}

_{Рисунок
1 – Трансформатор
на N линиях}

Требуемое волновое сопротивление линии:

Амплитудные значения напряжения и тока при и

Напряжения и токи в линиях:

Продольные напряжения в линиях:

_{Последняя линия
является фазокомпенсирующей
и устанавливается
без феррита.}

Требуемые продольные индуктивность проводников линии:

где

Выбираем полосковый коаксиальный кабель марки КВФ-25. Его параметры приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Параметры кабеля марки КВФ-25

Волновое сопротивление, Ом

Погонная емкость, пФ/м

Допустимое напряжение, В

Допустимый ток, А

, дБ/м

, МГц

25(+-0,2)

187

145

<0,4

Геометрическая длина линий:

где при - электрическая длина линии;

- скорость света;

- диэлектрическая проницаемость диэлектрика (фторопласт).

КБВ : 25/25,28=0,967

Выбираем высокочастотный Ni-Zn феррит для слабых магнитных полей марки 9ВH.

Таблица 3 – Параметры феррита марки 9ВH

Диапазон рабочих частот, МГц

Температурный диапазон,

_Уд_{ельное эл. сопр(Om *m)}

_Ос_{таточная магнитная
индукция, mT}

До 650

-60...+55

10^7

150

3.2 Расчет нагрузочного фильтра

Основными параметры фильтра, необходимыми для расчета являются:

- частота среза ФНЧ;

- неравномерность АЧХ в полосе пропускания;

- подавление гармоник вне полосы пропускания;

- нормированная расстройка;

Реализуем ФНЧ Чебышева. В данном случае он более оптимальный, чем фильтр Баттерворта, так как для удовлетворения заданных условий можно обойтись меньшим порядком фильтра и меньшим количеством индуктивностей.

На рисунке 2 представлены характеристики избирательности фильтров Чебышева 3, 5, 7 и 9-го порядков.

По данной характеристике и заданным параметрам определили количество LC-элементов – n=5.

Рисунок 2 - Характеристики избирательности фильтров Чебышева

Эквивалентная схема для расчета представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Эквивалентная схема ФНЧ Чебышева

Базовые значения определяются:

Формулы для расчета элементов фильтра:

- коэффициенты, зависящие от порядка фильтра.

В данном случае они равны 1,445; 1,306; 2,283; 1,306; 1,445.

Из ряда Е24 выбираем значения:

Выбор и расчет возбудителя

Выбор синтезатора частот

В качестве синтезатора частот был выбран КФ1015ПЛ2А. Он предназначен для построения современных экономичных цифровых ФАПЧ синтезаторов частот КВ, УКВ, СВЧ диапазонов. Интерфейс программирования – последовательный, 3-х проводный.

Он включает в себя:

ДПКД – делитель частоты с программируемыми коэффициентами деления тракта ГУН;

ОД – опорный делитель;

ЧФД — частотно-фазовый дискриминатор;

ОГ – опорный генератор.

Синтезатор подходит нам, так как выполняются основные условия:

где - требуемый шаг перестройки по частоте.

Задаваясь и - получаем коэффициенты M=400, N=11000..14000.

Основные параметры синтезатора приведены в таблице 4.

Таблица 4- Электрические параметры КФ1015ПЛ2А

Разрядность управляющего слова, бит	20
Диапазоны коэффициентов деления ДПКД ( шаг1), N, ед	961 – 131071
Коэффициенты деления ОД, M, ед	10, 20, 40, 100, 200, 400, 800, 1000
Диапазон рабочей частоты ДПКД, МГц	100 – 900
Диапазон рабочей частоты ОД, МГц	0,1 – 60
Чувствительность по ВЧ входу ДПКД, В эфф	0,3 – 0,8
Чувствительность по входу ОГ, В эфф	0,08 – 0,12
Диапазон рабочих температур, ⁰С	– 60 … +70
Напряжение питания, В	3 – 6
Тип корпуса	MS-012AC

Структурная схема представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 –Структурная схема КФ1015ПЛ2А

Назначение выводов в таблице 5.

Таблица 5 - назначение выводов ИМС MC3367

1	Общий	9	Питание
2	Выход ЧФД	10	Вход данных
3	Выход ЧФД	11	Выход ОГ
4	Выход контроля захвата ФАПЧ	12	Вход ОГ
5	ВЧ вход ДКПД	13	Вход отключения ОГ
6	Выход ДКПД (N)	14	Выход ОД (M)
7	Выход перезаписи	15	Общий тракта ОГ и ОД
8	Вход тактов записи данных	16	Контрольный выход приемного регистра

Типовая схема включения ИМС с ФНЧ на аналоговых элементах представлена рисунке 5.

Рисунок 5 - Типовая схема включения КФ1015ПЛ2А

4.2 Выбор генератора, управляемого напряжением

В качестве входного каскада РПДУ используем интегральную микросхему (ИМС) производства фирмы Motorola MC100EL1648 в корпусе с двухрядным расположением выводов. ИМС работает с частотами до 1100 МГц, осуществляет частотную модуляцию и используется в качестве генератора, управляемого напряжением. ИМС сохраняет работоспособность в расширенном диапазоне рабочих температур от -40 до +85 С.

Основные параметры ИМС приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Основные параметры микросхемы MC100EL1648

Функции	МШУ, Смеситель
Максимальная выходная частота, МГц	до 1100
Мощность рассеяния, мВт	95
Рабочая температура, ⁰С	-30. . . +85
Напряжение питания, В	-5.2...5
Ток потребления, мА	19
Тип корпуса	DIP

Структурная схема ИМС MC100EL1648 представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Структурная схема ИМС MC100EL1648

Назначение выводов в таблице 7.

Таблица 7 – Назначение выводов ИМС MC100EL1648

1	Питание	8	Земля
3	Выход	10	Вход
5	АРУ	12	Опорное напряжение
7	Земля	14	Питание

Остальные выводы не используются.

Типовая схема включения ИМС представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Типовая схема включения ИМС MC100EL1648

В качестве управляющего элемента будем использовать варикап КВ105А, имеющий

4.3 Выбор стабилизатора напряжения

Чтобы обеспечить питание микросхем на 5В от общего источника на 24В, используем стабилизатор напряжения, выполненный на микросхеме LM7805. Его принципиальная схема приведена на рисунке 8.

Особенности:

Широкий диапазон входного напряжения: от 0.5 до 40 В
Фиксированное (5 В) выходное напряжение
Максимальный выходной ток до 1 А

КПД до 94 %

Защита от перегрева и КЗ

Рисунок 8 – Принципиальная схема включения стабилизатора напряжения

Заключение

В ходе курсовой работы был разработан передатчик ЧМ сигналов, реализующий следующие параметры:

диапазон принимаемых частот: 275-350 МГц;
мощность, подводимая к антенне: 30 Вт;
Волновое сопротивление фидера: 75 Ом;
КБВ на выходе передатчика: 0,967;
Подавление гармоник вне полосы пропускания: 40 дБ;
коэффициент усиления по мощности 8,32 дБ;
напряжение питания 24В;
низкие массогабаритные показатели;
Шаг перестройки частоты 25 кГц;

Полученные параметры удовлетворяют техническому заданию. В качестве элементной базы были использованы интегральные микросхемы MC100E1648, КФ1015ПЛ2А, МС34063А, каскады выполнены на транзисторах 2Т930Б, 2Т925А, 2Т907А, 2Т934Б.

Структурная схема приемника приведена в приложении А.

Электрическая принципиальная схема приемника приведена в приложении Б.

Приложение Г (справочное)

Библиографический список

Проектирование радиопередатчиков: Учеб. пособие для вузов / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2000. - 656 с: ил.

ГОСТ 12252-86. Радиостанции с угловой модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы. Основные параметры. Технические требования. Методы измерений.
Радиопередающие устройства. Учебник для вузов связи/ Под ред. В.В.Шахгильдяна. - М.: Радио и связь, 1996. -560с.: ил.

4. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. – М.: Мир, 1990. -256с.:ил.

5. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Том 2: Справочник. М.: Радио и связь, 1993 – 240 с.