Разработка учебного передатчика на частоту 27 МГц

Разработка учебного передатчика на частоту 27 МГц

Аннотация

Дипломный проект посвящен созданию учебного передатчика на частоту 27 МГц.

В пояснительной записке представлены результаты анализа литературы по принципам создания передатчиков, произведен выбор электрической схемы передатчика, представлены результаты имитационного компьютерного моделирования отдельных узлов передатчика, разработана конструкция учебного передатчика, создан макет передатчика, описан процесс диагностики передатчика.

Задачи, поставленные при дипломном проектировании, решены, а цель дипломного проекта достигнута.

Ведение

Темой дипломного проекта является разработка учебного передатчика на частоту 27 МГц. Передатчик предназначен для обеспечения учебного процесса по дисциплине «Радиопередающие устройства». Актуальность проекта заключается в том, что развитие профессиональных компетенций у студентов, обучающихся по специальности «Техническое обслуживание и ремонт радиоэлектронной техники», требует развития умений проектировать аппаратуру, изготавливать ее , проводить диагностику, ремонт и испытания изделий радиоэлектронной техники. Такая работа невозможна без изучения конкретных типов радиоустройств.

Тема дипломного проекта не только актуальна, но и имеет практическую значимость, поскольку позволяет на разработанном передатчике проводить лабораторные работы, рассматривать работу отдельных узлов радиопередатчика, проводить измерения параметров и находить неисправности.

Цель дипломного проекта: разработка учебного передатчика на частоту 27 МГц.

Задачи дипломного проекта:

проанализировать принципы создания передатчиков;

выбрать схему для создания передатчика;

промоделировать схему передатчика;

изготовить макет передатчика;

составить технологическую карту диагностики передатчика;

рассчитать себестоимость изготовления учебного передатчика.

В первом разделе пояснительной записки представлены принципы работы передатчиков и проведен анализ литературы.

Во втором разделе проведен выбор электрической схемы передатчика, проведено моделирование узлов передатчика, показаны результаты изготовленного макета учебного передатчика и технологическая карта диагностики учебного передатчика.

В третьем разделе проведен экономический расчет изготовления передатчика.

В четвертом разделе приведена техника безопасности при работе с радиоэлектронной аппаратурой.

1. Принципы создания радиопередатчика

.1 Из истории развития радио

После того как было открыто электричество, его использовали в качестве «почтальона», передающего информацию с молниеносной быстротой. По проводам научились передавать электрические сигналы, переносившие телеграммы и живую человеческую речь. Это была победа над пространством! Но ведь телефонные и телеграфные провода не протянешь за кораблем или самолетом, за поездом или автомобилем.

Перекинуть мост через пространство людям помогло радио (в переводе с латинского «радио» означает «излучать», оно имеет общий корень и с другим латинском словом -«радиус»-«луч»). Для передачи сообщений без проводов нужны лишь радиопередатчик и радиоприемник, которые связаны между собой электромагнитными волнами, иначе называемыми радиоволнами, излучаемыми передатчиком и принимаемыми приемником.

История радио начинается с первого в мире радиоприемника, созданного русским ученым А.С. Поповым в 1895 г. Попов сконструировал прибор, который, по его словам, «заменил недостающие человеку электромагнитные чувства» и реагировал на электромагнитные волны. Сначала приемник мог «чувствовать» только атмосферные электрические разряды - молнии. А затем научился принимать и записывать на ленту телеграммы, переданные по радио. Своим изобретением А.С. Попов подвел итог работы большого числа ученых ряда стран мира.

Первый кирпич в фундамент радиотехники заложил датский профессор Г. Эрстед, который показал, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Затем английский физик М. Фарадей доказал, что магнитное поле рождает электрический ток. Во второй половине XIX в. его соотечественник и последователь Д. Максвелл пришел к выводу, что переменное магнитное поле, возбуждаемое изменяющимся током, создает в окружающем пространстве электрическое поле, которое в свою очередь возбуждает магнитное поле, и т.д. Изменяющиеся электрические и магнитные поля, взаимно порождая друг друга, образуют единое переменное электромагнитное поле - электромагнитную волну. Возникнув в том месте, где есть провод с током, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света - 300 000 км/с, занимая все больший и больший объем. Д. Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода, в котором есть переменный электрический ток. Они отличаются друг от друга только длиной. Очень короткие волны и есть видимый свет.

Более длинные электромагнитные волны впервые сумел получить и исследовать немецкий физик Г. Герц в 1888 г. Однако он не видел путей практического использования своего открытия. Эти пути увидел А.С. Попов: опираясь на результаты опытов Герца, он создал прибор для обнаружения и регистрирования электрических «колебаний»- радиоприемник.

Первый радиоприемник А.С. Попова имел очень простое устройство: батарея, электрический звонок, электромагнитное реле и стеклянная трубка с металлическими опилками внутри - когерер (от латинского слова «когеренция» - «сцепление»). Передатчиком служил искровой разрядник, возбуждавший электромагнитные колебания в антенне, которую Попов впервые в мире использовал для" беспроводной связи. Под действием радиоволн, принятых антенной, металлические опилки в когерере сцеплялись, и он начинал пропускать электрический ток от батареи. Срабатывало реле, включался звонок, а когерер получал «легкую встряску», сцепление между металлическими опилками ослабевало, и они были готовы принять следующий сигнал.

Продолжая опыты и совершенствуя приборы, А.С. Попов медленно, но уверенно увеличивал дальность действия радиосвязи. Через 5 лет после постройки первого приемника начала действовать регулярная линия беспроволочной связи на расстояние 40 км. Благодаря радиограмме, переданной по этой линии зимой 1900 г., ледокол «Ермак» снял со льдины рыбаков, которых шторм унес в море. Радио, начавшее свою практическую историю спасением людей, стало новым прогрессивным видом связи XX в.

Радиоволны - частичка общего «семейства» электромагнитных волн, «родные сестры» видимых световых лучей и невидимых - инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-излучений (см. Инфракрасная техника и Рентгеновская техника).

Главное различие электромагнитных волн - их частота, т. е. число колебаний в секунду. Единица частоты - герц (Гц) - одно колебание в секунду

Радиоволны длиной 100-10 км (частота 3- 30 кГц) и длиной 10-1 км (частота 30- 300 кГц), называемые сверхдлинными (СДВ) и длинными (ДВ) волнами, распространяются в свободном пространстве вдоль поверхности Земли днем и ночью и мало поглощаются водой. Поэтому их используют, например, для связи с подводными лодками. Однако они сильно ослабевают по мере удаления от передатчика, и поэтому передатчики должны быть очень мощными.

Волны длиной 1000-100 м (частота 0,3- 3 МГц), так называемые средние волны (СВ), днем сильно поглощаются ионосферой (верхним слоем атмосферы, имеющим большую концентрацию ионов - заряженных атомов, образующих ионосферу) и быстро ослабевают, а ночью ионосфера их отражает. Средние волны используют для радиовещания, причем днем можно слышать только близкорасположенные станции, а ночью - и очень удаленные.

Волны длиной 100-10 м (частота 3- 30 МГц), называемые короткими (KB) приходят к антенне приемника, отражаясь от ионосферы, причем днем лучше отражаются более короткие, а ночью - более длинные из них. Для таких радиоволн можно создавать антенны передатчиков, которые излучают электромагнитную энергию направленно, фокусируют ее в узкий луч, и таким образом увеличивать мощность сигнала, идущего к антенне приемника. На коротких волнах работает большинство станций радиосвязи - корабельных, самолетных и т. д., а также многие радиовещательные станции.

Радиоволны длиной 10 м -0,3 мм (частота 30 МГц-1 ТГц), называемые ультракороткими (УКВ), не отражаются и не поглощаются ионосферой, а, подобно световым лучам, пронизывают ее и уходят в космос. Поэтому связь на УКВ возможна только на таких расстояниях, когда антенна приемника «видит» антенну передатчика, т.е. когда ничто между антеннами (гора, дом, выпуклость Земли и т.д.) не преграждает путь этим волнам. Поэтому УКВ используют в основном для радиорелейной связи, телевидения, спутниковой связи, а также в радиолокации.

Сегодня средствами радиосвязи оснащены все виды самолетов, морских и речных судов, научные экспедиции. Все более широкое развитие находит диспетчерская радиосвязь на железных дорогах, на стройках, в шахтах (см. Диспетчерское управление). Космическая радиосвязь позволяет преодолеть огромные расстояния в сотни и тысячи миллионов километров, с ее помощью мы получаем ценную научную информацию.

Но радио - это не только радиотелефонная и радиотелеграфная связь, радиовещание и телевидение, но и радиолокация и радиоастрономия, радиоуправление и многие другие области техники, которые возникли и успешно развиваются благодаря выдающемуся изобретению нашего соотечественника А.С. Попова.

1.2 Структурная схема радиопередатчика

Область электрической связи в настоящее время испытывает революционные преобразования, связанные с глобализацией производственных и экономических процессов в мировом сообществе; этому соответствует зарождение и развитие новых технологий: слияние компьютерных и телекоммуникационных систем, внедрение волоконно-оптической техники, развитие цифровых методов и устройств передачи, хранение и обработка информации

Рис. 1.1 - Современные технологии передачи информации

Для того, чтобы оценить роль электросвязи в обществе, рассмотрим те виды информации, которые она способна передавать. На рисунке 1.1 изображены основные источники информации в системе координат «время сеанса связи» - «скорость передачи информации». Самые низкие требования к системам электросвязи предъявляет телеметрия - область связи, где нужно передавать сигналы от разных датчиков производственных и бытовых систем (температура, влажность, давление и т.п.). Здесь объемы передаваемой информации невелики, поэтому их передача обеспечивается на малых скоростях и за короткие промежутки времени.

Скорости в единицы и десятки килобит в секунду и времена занятия канала, исчисляемые минутами, характерны для передачи данных с помощью обычных модемов с коммутируемым соединением. Еще больше увеличивается диапазон изменения скорости и времени для передачи голоса, как при телефонной связи, включая цифровую телефонию, так и при радиовещании. Переход к телевидению, качественной передаче звука, скоростному Интернету требует скоростей в единицы, десятки и сотни мегабит в секунду.

Приведенная диаграмма показывает, что сигналы, передаваемые в современных телекоммуникационных системах, очень отличаются друг от друга. Можно выделить три вида информационных потоков (трафика):

голосовой трафик (передача звука);

данные (трафик компьютерных сетей);

телевидение.

Другой важный вывод, следующий из диаграммы, - это чрезвычайно большой диапазон требуемой скорости передачи и времени сеанса. Это обстоятельство предъявляет к телекоммуникационным системам, их разработчикам и операторам связи очень высокие требования в части реализации аппаратно-программных средств и их эксплуатации.

В развитии электросвязи на современном этапе существует ряд тенденций, качественно меняющих понятие и содержание привычных нам услуг телефонии и телевидения.

Цифровизация. Переход к цифровым сигналам обеспечивает высокую помехоустойчивость передачи, повышает ее качество и надежность, существенно сокращает вес и габариты оборудования. Поскольку представление цифрового сигнала одинаково для всех видов трафика, то это создает реальную платформу для их объединения в одном канале передачи.

Глобализация. Практически телекоммуникационные сети приобретают всемирный характер. Это касается и телефонии, когда мы можем связаться с абонентом в любой стране, и передачи данных (сеть Интернет). Примерами глобальных сетей также являются: сети сотовой связи (GSM, NMT и др.), сети спутниковой связи (InMarSat, Global Star и др.).

Персонализация. С появлением сотовых телефонов, терминалов спутниковой связи телекоммуникации все больше привязываются не к месту нахождения терминала (телефонный аппарат, телевизор и т.п.), а к персоне, человеку, который носит или возит терминал с собой.

Мобильность. Эта тенденция существовала и раньше, но сейчас она развивается в массовых средствах связи благодаря развитию технологий радиосвязи, которые являются беспроводными, и поэтому обеспечивают услугами абонентов, находящихся в движении, как при перемещении пешком, так и в автомобиле или даже самолете или космическом аппарате.

Рис. 1.2 - Развитие технологий телекоммуникаций

Интеграция услуг. Цифровые сигналы позволяют объединить разнородный трафик (голос, данные, видео) в одном цифровом потоке.

Под радиопередающим устройством (РПдУ) понимают комплекс оборудования, предназначенный для формирования и излучения радиосигналов. Основными узлами РПдУ являются генератор несущей частоты и модулятор. В современных системах связи РПдУ содержит и другое оборудование, обеспечивающее совместную работу средств связи: источники питания, системы синхронизации, автоматического управления, контроля и сигнализации, защиты и т.д.

Обобщенная структурная схема радиопередающего устройства с амплитудной либо фазовой модуляцией сигналов приведена на рисунке 1.3.

Первичный сигнал, подлежащий передаче, поступает на входную цепь. Входная цепь обеспечивает согласование этого сигнала с РПдУ, в конечном итоге, это определяется параметрами модулированного радиосигнала, передаваемого в линию.

Генератор несущей частоты формирует колебания несущей частоты, которые и являются переносчиками сообщения. В современных системах связи генератор несущей частоты выполняют в виде синтезатора частот. Синтезатор частот - устройство, предназначенное для формирования в заданном диапазоне частот высоко стабильных колебаний, определяемых стабильностью параметров задающего генератора.

Модулятор - узел, в котором на параметры несущего колебания накладывается передаваемое сообщение. При формировании в РпдУ радиосигналов с амплитудной или фазовой модуляцией синтезатор частоты вырабатывает колебания с постоянной частотой. При дополнительном воздействии модулирующим сигналом на частоту выходного колебания синтезатора частот можно получить радиосигналы с частотной модуляцией.

Рис. 1.3 - Обобщенная структурная схема радиопередающего устройства

Усилитель мощности предназначен для увеличения уровня радиосигнала до величины, определяемой мощностью излучаемого сигнала в системе связи. Необходимое согласование РПдУ с антенной обеспечивает выходная цепь.

Преимущества цифровых методов обработки информации (передача, хранение, преобразование) способствовали широкому распространению цифровых систем связи. Достоинством представления сигналов в цифровом виде является также ее универсальность, то есть независимость от природы передаваемых сообщений. Современные системы связи способны передавать не только дискретные сообщения, но и непрерывные (как по времени, так и по уровню). Для преобразования непрерывных сигналов в цифровые служат специальные устройства - аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

В аналого-цифровом преобразователе из сигнала, непрерывного по времени, сначала выбирают значения сигнала в определенные моменты времени. Чаще всего такие отсчеты берут через одинаковые промежутки времени. Выбранные значения сигнала называют выборками, а операцию получения отсчетов называют дискретизацией по времени.

На следующем этапе обработки весь диапазон возможных значений сигнала разбивают на определенное количество интервалов и выясняют, к какому из этих интервалов относится значение текущей выборки. На этом этапе обработки за значение сигнала принимается не действительное значение выборки, а ближайшее к нему округленное значение сигнала. Это значение может соответствовать середине того интервала, в который попадает данный отсчет, либо другому значению из этого интервала (начало или конец этого интервала). Операция замены действительного значения сигнала ближайшим к нему округленным значением называется квантованием, а ширину этого интервала называют шагом квантования. Если все интервалы, на которые разбиваются возможные значения сигнала, одинаковые, то такое квантование называется равномерным. В некоторых случаях, например, при передаче речи, оказывается выгодным такие интервалы делать неодинаковыми. В таком случае говорят о неравномерном квантовании.

На последнем этапе аналого-цифровой преобразователь заменяет действительное значение выборки номером того интервала, в пределах которого находится значение данного отсчета. Операция замены значения отсчета номером (кодом) называется кодированием. Наибольшее распространение в современных системах получило представление отсчетов в виде двоичных кодов. Затем полученные коды передаются по системе связи.

Упрощенная структурная схема приемопередатчика цифровой системы связи приведена на рисунке 1.4. Рассмотрим работу этого устройства.

Непрерывное сообщение от источника сообщений поступает на устройство, называемое кодером. Под кодированием в широком смысле понимают операцию преобразования отсчетов непрерывных сигналов в последовательность кодовых символов. В результате, на выходе кодера формируются электрические сигналы, соответствующие кодовой последовательности и определяемой передаваемым сообщением.

Кодовые сигналы в виде последовательности импульсов затем поступают на модулятор, на второй вход которого подается колебание несущей частоты с выхода синтезатора частоты. В модуляторе выполняется соответствующая модуляция (амплитудная, фазовая, частотная и т.д.) колебания несущей частоты в соответствии с поступающей кодовой последовательностью. Затем модулированные сигналы усиливаются до необходимого уровня с помощью усилителя мощности и излучаются передающей антенной.

Наведенные в приемной антенне электромагнитные излучения поступают на вход усилителя и преобразователя частоты, где выделяются и усиливаются колебания несущей частоты полезного сигнала. В демодуляторе выполняется демодуляция принимаемого сообщения, и на выходе демодулятора формируется последовательность импульсов, соответствующая последовательности импульсов передаваемого сообщения (на выходе кодера), которая поступает на декодер. В декодере выполняется операция, обратная кодированию, и восстановленное сообщение направляется получателю сообщений.

В одном приемопередающем устройстве кодер и декодер обычно объединяют в единый конструктивный узел (чаще - это одна микросхема) и объединенный блок кодер-декодер по первым буквам составляющих называют кодеком. Аналогично, объединенный блок модулятор-демодулятор называют модемом.

Радиопередающие устройства отличаются по назначению, условиям эксплуатации, виду модуляции радиосигналов и другим характеристикам.

К основным энергетическим показателям РПдУ относят величину мощности сигнала, подводимого к антенне, и коэффициент полезного действия. Различают пиковую мощность полезного сигнала РпдУ и усредненное значение мощности за определенный интервал времени. Коэффициент полезного действия - это отношение полезной мощности, подводимой к антенне, к мощности, потребляемой РпдУ от источника электропитания.

Под диапазоном частот, в котором работает данное РПдУ, понимают такую полосу частот, которая необходима для передачи полезных сигналов в системе связи и выделена данному РПдУ для формирования радиосигналов. К сожалению, кроме полезных сигналов, радиопередающие устройства излучают и побочные колебания.

Внеполосными излучениями называют такие сигналы, формируемые РПдУ, спектры которых расположены вне полосы, отведенной для данной системы связи. Внеполосные излучения являются источниками дополнительных помех для систем связи, работающих в других полосах частот.

Важной характеристикой систем связи является стабильность частоты излучаемых колебаний. Под нестабильностью частоты РПдУ понимают отклонение частоты излучаемых колебаний относительно номинального значения. Недостаточная стабильность частоты ухудшает качество связи и может являться причиной помех для радиотехнических устройств, работающих в смежных диапазонах частот.

По назначению радиопередающие устройства делят на связные и радиовещательные. По условиям эксплуатации РПдУ разделяют на стационарные и мобильные (устанавливаемые на подвижных объектах: самолетные, автомобильные, носимые и т.д.). РПдУ различаются также диапазоном рабочих частот, мощностью излучаемых колебаний и т.д.

2. Разработка учебного стенда радиопередатчика

.1 Проблемы разработки радиопередатчиков

Любительская радиосвязь на коротких и ультракоротких волнах - одно из самых интересных направлений радиолюбительства, сочетающее в себе как путешествия в эфире, так и конструирование (приемников и передатчиков, измерительной техники, антенн). В свое время разработка любительских передатчиков была развита в нашей стране очень широко. В последние годы это направление находит все меньшее применение, а это неверно.

Создание любительских радиопередатчиков не только развивает умения радиолюбителей, но и имеет большое значение в учебных целях при изучении радиопередающих устройств.

Несмотря на то, что в последнее время развито построение устройств на цифровых микросхемах, я выбрал для дипломного проектирования передатчик, построенный по классической схеме на транзисторах. Это позволило мне не только закрепить знания по элементной базе, но и лучше освоить принцип действия устройства.

В целях выбора оптимального варианта учебного передатчика мною были проанализированы несколько схем радиомикрофонов на различных способах передачи информации.

В процессе выполнения дипломного проекта мной было рассмотрено несколько схем АМ-передатчиков (передатчики с амплитудной модуляцией):

Средневолновой АМ-передатчик;

Радиомикрофон АМ 27 МГц;

Передатчик в ИК линии связи.

Рассмотрим схемы АМ-передатчиков.

Рис. 2.1

2.1.1 Схема средневолнового АМ-передатчика, ее описание

Передатчик работает на частотах 1-2 МГц с амплитудной модуляцией.

К достоинствам этого передатчика следует отнести возможность приема его сигнала на обычный вещательный радиоприемник в верхней части средневолнового диапазона или в нижней коротковолнового. Однако излучение подобного передатчика, как правило, не попадает в частотный диапазон обычных поисковых средств.

Рис. 2.2

2.1.2 Схема радиомикрофона с амплитудной модуляцией на 27 МГц

Радиомикрофон представляет собой передатчик с амплитудной модуляцией и дальностью действия около 100 метров.

Передатчик состоит из генератора высокой частоты, собранного на транзисторе VT2, и однокаскадного усилителя звуковой частоты на транзисторе VT1. На вход последнего через конденсатор С1 поступает звуковой сигнал от микрофона М электретного типа (МКЭ-3 или "Сосна"). Нагрузкой усилителя являются резистор R3 и генератор высокой частоты, включенный межу плюсом питания и коллектором транзистора VT1. С усилением сигнала, напряжение на коллекторе VT1 изменяется, что приводит к амплитудной модуляции сигнала несущей частоты передатчика, излучаемого антенной.

При настройке диапазон частоты устанавливают вращением сердечника в катушке L1. После регулирования его закрепляют каплей парафина.

Рис. 2.3 - Радиомикрофон

Этот радиомикрофон является наиболее стабильным и хорошо зарекомендованным в работе.

И все это благодаря буферному каскаду усилителя ВЧ.

Может использоваться как в стационарном, так и в носимом варианте.

Радиомикрофон имеет довольно не плохие характеристики, а так же не дефицитный список деталей который можно найти практически на любом радио рынке.

Работа данного устройства весьма стабильна за счет использования дополнительного каскада развязки.

Так же дополнительный каскад уменьшает воздействие емкости и ухода частоты при ношении на теле.

Схема способна устойчиво работать в режиме город стены здания 120 - 200 метров.

При настройке устройства необходимо учитывать расположение радиостанций находящихся в том же диапазоне чтобы не вызывать помех.

Микрофон показал прекрасные показатели по чистоте звука, так как использован частотно модулированный сигнал.

Рис. 2.4 - Чертеж печатной платы радиомикрофона

Я привел несколько примеров передатчиков:

Рис. 2.5 - Схема АМ-передатчика

Основу передатчика составляет генератор прямоугольных импульсов на микросхеме D1. Выходной сигнал генератора с частотой 35 кГц поступает на базу транзистора VT1, который совместно с VT2 образует составной транзистор Дарлингтона. При помощи этого транзистора коммутируется ИК-светодиод VD1.

Рис. 2.6 - Схема передатчика ИК линии связи

Важнейшим параметром ИК передатчика, как и любого элемента охранной техники, является его энергопотребление в дежурном режиме.