Проектирование выходного каскада связного передатчика с частотной модуляцией

1. Исходные данные и задание на проектирование

2. Выбор, описание и обоснование структурной схемы

3. Электрический расчёт

3.1 Выбор усилительного полупровдникового прибора

3.2 Расчёт коллекторной цепи

3.3 Расчет базовой цепи

3.4 Расчёт цепи питания

3.5 Расчет цепи смещения

4. Расчёт цепи согласования

4.1 Электрический расчёт

4.2 Конструктивный расчёт

5. Расчёт выходного фильтра

5.1 Электрический расчёт

5.2 Конструктивный расчёт

6. Выбор стандартных номиналов

Заключение

Библиографический список

Введение

Человечество шагнуло в третье тысячелетие и теперь стало очевидным то, что всё ускоряющийся и ускоряющийся темп жизни требует всё большей и большей скорости передачи информации, не говоря уже о том, что необходимо обеспечивать связь между отнюдь нестационарными абонентами. Летите ли вы в самолёте, едите ли вы в поезде, идёте ли вы просто пешком, но связь вам нужна и она не должна прерываться, чтобы вы быстро и своевременно могли получить нужную вам информацию и не важно в виде картинок текста, речи будет эта информация или в каком-либо другом виде, а важно то, что о проводной связи в этом случае и речи быть не может. Мало кто может похвастаться возможностью телепатически связываться с человеком или другим живым существом, хотя это самый лучший вариант связи в котором задействован весь организм нашей живой вселенной. Поэтому, хоть и более примитивную связь (Примитивную - поскольку она многим ограничена, обеспечиваясь примитивными техническими устройствами, жадно потребляющими энергию и ничего не дающими взамен кроме удовлетворения наших некоторых потребностей, причём для изготовления таких устройств зачастую требуется огромный вклад научного и инженерного труда. Надо заметить, что именно в технократическом мире достижения человечества значительны и интересны, и только иногда прилетающие наблюдатели с других планет своим присутствием подсказывают о возможных дальнейших перспективах технократического развития) но всё же вполне надёжную и приемлемую можно обеспечить при помощи радио – эту связь мы привыкли называть РАДИОСВЯЗЬ-ю.

По существу же радиосвязь представляет собой распространяющееся в пространстве электромагнитное колебание, несущее в себе информацию. Если информация заключается в амплитуде электромагнитного колебания - то говорят об амплитудной модуляции (или АМ), если же в частоте или фазе – то о частотной (ЧМ) или фазовой (ФМ) модуляции. Также для излучения (приёма) этого электромагнитного колебания в открытое пространство (из открытого пространства) необходимо такое устройство как радиопередатчик (радиоприёмник). В наше время широко используются радиостанции, т.е. устройства, сочетающие в себе и радиоприёмник и радиопередатчик и способные работать как на приём, так и на передачу в широком диапазоне частот.

Радиосвязь имеет огромное значение для современного человека и используется им почти во всех сферах его деятельности, поэтому, очень нужны специалисты по электронике и радиосвязи. Для того чтобы стать таким специалистом, необходимо для начала, приложив не мало усилий получить хорошее техническое образование, которое могут дать компетентные преподаватели, например преподаватели радиотехнического факультета УГТУ-УПИ им. С.М. Кирова. А затем необходимо саморазвиваться и повышать свой профессионализм, проектируя всё более и более совершенные, «шагающие в ногу со временем» радиоустройства.

Всё это хорошо, но в нашем случае необходимо спроектировать оконечный каскад связного передатчика с частотной модуляцией, чему собственно и посвящена данная работа. Передатчики такого типа проектируются для работы на одной фиксированной частоте или в диапазоне частот. В первом случае, рабочая частота стабилизируется кварцевым резонатором, и для генерации ЧМ колебаний могут быть использованы как прямой метод управления частотой, так и косвенный. В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами.

1. Исходные данные и задание на проектирование

Выбрать и рассчитать:

В процессе проектирования радиопередающего устройства (в нашем случае оконечного мощного каскада) обязательно нужно руководствоваться техническим заданием на проектирование, основываясь на котором необходимо выполнить следующее:

Ø выбрать наиболее подходящую структурную схему для будущего устройства;

Ø выбрать усилительный прибор;

Ø выбрать схему питания усилительного прибора;

Ø выбрать однотактной ли или двухтактной будет схема усилителя;

Ø произвести расчёт цепи питания, цепи смещения, а также входной и выходной цепей усилительного каскада.

Ø необходимо обеспечить согласование выходного сопротивления каскада передатчика с входным сопротивлением антенно-фидерного устройства;

Ø выбрать тип и порядок выходного фильтра;

Ø Рассчитать конструктивные параметры согласующего устройства и катушек индуктивности фильтра.

Вычертить:

Ø принципиальную электрическую схему оконечного мощного каскада связного передатчика с частотной модуляцией.

Задание на проектирование №14.

В данном техническом задании необходимо спроектировать устройство (оконечный каскад связного передатчика с частотной модуляцией), удовлетворяющее следующим требованиям:

Ø Диапазон рабочих частот F, МГц.42 - 48

Ø Мощность передатчика Р₁, Вт.6

Ø Подавление внеполосных излучений, Дб.40

Ø Девиация частоты, кГц.5

Ø Относительная нестабильность частоты10^-5

Ø Питание от сети 220В 50Гц:

Ø Сопротивление фидера, Ом.75

2. Выбор, описание и обоснование структурной схемы

Существует несколько способов получения частотной (ЧМ) (фазовой (ФМ)) модуляции (3, 4, 5).

Угловая модуляция может быть получена прямым способом, когда модулируется непосредственно частота автогенератора передатчика, или косвенным, когда в промежуточном каскаде передатчика производится фазовая модуляция. Структурные схемы передатчиков с этими способами модуляции приведены на рис. 2.1 и 2.2.

Рис. 2.1 Структурная схема передатчика с прямой ЧМ.

Рис. 2.2 Структурная схема передатчика с косвенной ЧМ

Другими словами, прямую частотную модуляцию осуществляют: в полупроводниковых генраторах путём изменения параметров колебатльного контура с помощью варикапов, варикондов, реактивного транзистора, нелинейной индуктивности, железоитериевого граната (на частотах от нескольких сот мегагерц до десятков гигагерц); в диодных генераторах (на тунельном диоде, ЛПД, диоде Ганна) путём изменения напряжения смещения на диоде; в транзисторных RC–генераторах путём изменения режима работы транзистора (тока коллектра, напряжения смещения на переходе эмиттер-база).

В системах косвенного получения частотной модуляции используются фазовые модуляторы (ФМ). Известны четыре наиболее распространённые структурные схемы передатчиков с ФМ: с ФМ на выходе передатчика; с ФМ в предоконечных каскадах с последующим усилением мощности сигнала ФМК; с ФМ в начальных каскадах с последующим умножением частоты и усилением мощности сигнала ФМК; с ФМ на поднесущей частоте с последующим транспонированием и усилением ФМ сигнала. Эти структурные схемы можно посмотреть в книге: «Радиопередающие устройства (проектирование радиоэлектронной аппаратуры СВЧ на интегральных схемах )»/ Под. ред. О. А. Челнокова – М.: Радио и связь, 1982. – 256 с.

Тот и другой способы получения ЧМ имеют свои недостатки и достоинства. Достоинство прямого метода – возможность получения глубокой и достаточно линейной частотной модуляции, недостаток – трудность обеспечения стабильности средней частоты колебания с ЧМ. Достоинство косвенного способа – высокая стабильность средней частоты, недостатки – неглубокая модуляция, трудность передачи низких модулирующих частот.

Возможность получения глубокой и линейной ЧМ делает предпочтительным прямой способ в радиовещательных и связных передатчиках. При этом для повышения стабильности средней частоты используют систему автоматической подстройки частоты (АПЧ) по высокостабильному кварцевому эталону. Структурная схема такого передатчика приведена на рис. 2.3.

Рис 2.3 Структурная схема ЧМ передатчика с синтезатором частоты

Для построения нашего связного передатчика воспользуемся подобной схемой, но уточним состав и количество входящих в неё блоков.

В качестве возбудителя диапазонного передатчика с ЧМ используется синтезатор сетки дискретных частот, ведомый генератор которого управляется двумя варикапами (рис.2.3). На варикап VD1 подается модулирующее напряжение UW, на варикап VD2 - управляющее напряжение системы фазовой автоподстройки частоты. Разделение функций управления объясняется тем, что девиация частоты под влиянием модулирующего сигнала относительно невелика (обычно 3 - 5 КГц) в сравнении с диапазоном перестройки ведомого генератора управляющим сигналом с выхода системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). По этой причине варикап VD1 связан с колебательным контуром ведомого автогенератора значительно слабее, чем VD2. Использование ФАПЧ в передатчике, построенном по подобной схеме, также позволяет линеаризовать статическую модуляционную характеристику. Шаг сетки частот на выходе передатчика в зависимости от его рабочего диапазона частот может быть 5; 10; 12,5; 25 кГц.

Умножители частоты включают в структуру передатчика для повышения устойчивости, но при этом из-за нелинейностей их АЧХ увеличиваются нелинейные искажения ЧМК в «n» раз, соответственно, а шаг сетки синтезатора уменьшается в «n» раз, где n - коэффициент умножения частоты.

В нашем случае, источником сигнала U_W является микрофон с последующим усилителем звуковой частоты (УЗЧ) Управление ГУН в этом случае также производится через два варикапа, на один из которых подаётся модулирующее напряжение U_W с выхода УЗЧ, а на другой варикап – управляющее напряжение системы ФАПЧ. Девиация частоты под действием модулирующего сигнала в случае связного передатчика равна 3 кГц. Ширина спектра ЧМ сигнала (полоса частот П) рассчитывается по формуле:

(2.1)

В этой формуле F_в – верхняя частота передаваемого сообщения, для речевых сообщений, т.е. F_в = 3,4 кГц (а нижняя частота спектра речевого сигнала F_н = 300 Гц); m – индекс модуляции, рассчитанный по формуле (2.2):

(2.2),

где Df – девиация частоты на выходе ГУН (или передатчика, в зависимости от того хотим ли мы получить индекс модуляции на входе или на выходе передатчика соответственно), а F_в - верхняя частота спектра речевого сигнала.

На выходе ГУН, как было сказано выше, сигнал имеет небольшую девиацию частоты » 3 кГц и соответственно небольшой коэффициент модуляции m » 0,882, а по техническому заданию передатчик должен обеспечить девиацию частоты как минимум Df = 5 кГц. Поэтому, рассчитанный по формуле (2.2) индекс модуляции, который должен иметь сигнал на выходе нашего связного передатчика оказывается равным:

Поделив полученный индекс модуляции на выходе передатчика на индекс модуляции на входе передатчика (выходе ГУН) можно определить во сколько раз необходимо произвести умножение частоты сигнала на входе передатчика для получения требуемой девиации частоты в 5кГц сигнала на выходе передатчика:

 раз

Поскольку с каждым каскадом умножителей частоты умножение частоты происходит в соответствии с алгоритмом: (1) «n» ® (2) «n²» ® (3) «n³» ® … ® (k) «n^k»; то с учётом того, что необходимо минимизировать число каскадов, а стандартный максимальный коэффициент умножения частоты одного каскада n = 4, то в нашем случае, число каскадов умножителей частоты получается k = 1, а коэффициент умножения частоты этого каскада n = 2. При этом девиация частоты на выходе передатчика получится Df = 3000 × 2 » 6 кГц. Очевидно, что при коэффициенте умножения частоты равном 2 верхние и нижние частоты генератора сетки эталонных частот должны быть соответственно:

 МГц;  МГц

Подставив в формулу (2.1) численные значения входящих в неё величин, получаем, что ширина спектра сигнала на выходе связного передатчика равна:

 кГц

Исходя из ширины спектра ЧМ сигнала в данном случае, выбираем шаг сетки частот на выходе передатчика равным 50 кГц. Тогда с учётом коэффициента умножения частоты шаг сетки частот ГСЭЧ должен составить » 25 кГц.

Допустим, что у нас возбудитель «ПКВ – 250» у которого диапазон генерируемых частот 4…27 МГц с шагом сетки частот 100 Гц, нестабильность частоты порядка 2×10^-7 (хотя в нашем случае, по техническому заданию достаточно обеспечить нестабильность частоты на выходе передатчика 10^-5), напряжение на выходе 1 В при работе на нагрузку 75 Ом (см. (3), стр. 261, табл. 8.6). Тогда получается, что мощность на выходе ГУН порядка 10 мВт. Выходная колебательная мощность нашего связного ЧМ передатчика по техническому заданию должна быть 6 Вт, следовательно, входной сигнал передатчика необходимо по мощности усилить в 600 раз. Оконечный же мощный каскад передатчика в соответствии с расчётами, (см. раздел 3.3 РАСЧЁТ БАЗОВОЙ ЦЕПИ) может обеспечить коэффициент усиления по мощности порядка К_р » 5,119. Значит, необходимо обеспечить коэффициент усиления по мощности как минимум ещё в 115…120 раз, допустим, что в 120 раз (возьмём с запасом), тогда перед оконечным каскадом необходимо поставить ещё два усилительных каскада, например, на выбранном транзисторе 2Т951А (см. раздел 3.1 ВЫБОР УСИЛИТЕЛЬОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА) c К_р равными 10 и 12 соответственно. После проведённых рассуждений, проводимых с целью обозначить необходимые составные части и объяснить назначение этих частей в структурной схеме, предлагается структурная схема связного передатчика с ЧМ, вид которой показан на рисунке 2.4: