Розрахунок радіопередавача з частотною модуляцією

Розрахунок радіопередавача з частотною модуляцією

Міністерство освіти і науки України

Житомирський державний технологічний університет

Генерування та формування сигналів

Курсова робота

«Розрахунок радіопередавача з частотною модуляцією»

Перевірив Андрєв О.В.

Виконав Кондратюк Ю.С.

Житомир 2014

Зміст

Вступ

1. Розрахунок структурної схеми радіопередавача з частотною модуляцією

2 Розрахунок вихідного підсилювача потужності

3 Розрахунок автогенератора, модульованого за напругою

Висновок

Список літератури

Додаток

ВСТУП

В даній курсовій роботі необхідно буде розрахувати структурну схему радіопередавального пристрою системи передач інформації з частотною модуляцією (ЧМ), принципову схему модулятора та вихідного підсилювача потужності. Пристрій повинен працювати на несучій частоті  з шириною спектру, щоб потужність на виході передавача становила  при відносній нестабільності частоти 10^-7.

Так, для того, щоб пристрій працював з заданою нестабільністю, у якості задавального генератора доцільно використовувати кварцовий автогенератор. Згідно з [6], при частотній модуляції кварцового генератора повинно виконуватися наступне співвідношення:

.

Співвідношення виконується, тобто, реалізуємо пристрій на кварці.

Найбільша складність подальшого розрахунку полягає в тому, що вибір транзисторів обумовлений наступною проблемою: щоб повністю розрахувати параметри, доведеться обирати доволі високочастотні транзистори (порівняно із заданою несучою частотою), через те, що деякі транзистори не забезпечують потрібної потужності, а інші мають надто обмежені довідникові характеристики.

Судячи з вказаних вище міркувань, зупинимося на транзисторах серії КТ90х, крім того, так на роботі пристрою майже не будуть впливати інерційні властивості транзисторів [8].

Виберемо коефіцієнт множення  сигналу з виходу генератора. Покладемо сумарний коефіцієнт множення . Тоді частота на виході генератора  становитиме:

.

Таким чином, структурна схема буде складатися з одного множника частоти, передкінцевого та кінцевого підсилювачів.

Знайдемо значення девіації частоти  на виході частотно-модульованого кварцового генератора:

.

Потужність сигналу в антені є заданою величиною, тому кількість каскадів високочастотного тракту будемо знаходити шляхом розподілу потужності коливань між каскадами. Вихідну потужність передавача формує каскад підсилювача потужності. У діапазоні високих частот використовують транзисторний підсилювач потужності зі схемою із загальним емітером. Це забезпечує найкращу стійкість роботи. Щоб забезпечити максимальний ККД і максимальну потужність, необхідно зробити розрахунок підсилювача потужності в критичному режимі [2].

1. РОЗРАХУНОК СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ РАДІОПЕРЕДАВАЧА З ЧАСТОТНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ

Розрахунок структурної схеми почнемо з визначення потужності активного елементу вихідного каскаду. Передавач повинен забезпечувати коливальну потужність в антені 15 Вт. Враховуючи втрати у вихідному колі, отримаємо потужність, яку повинен віддати транзистор з урахуванням , [2]:

Виберемо транзистор. Для нормального забезпечення передачі сигналу потужністю  на несучій частоті  зупинимося на транзисторі КТ909Б, так як він, згідно з додатком А, в типовому режимі працює на потужності  та на частоті , чого із запасом вистачає для покриття потреб задачі.

Розрахуємо підсилення транзистора на робочій частоті [3]:

Враховуючи втрати в узгоджуючому колі, отримаємо потужність, яку повинен віддати транзистор прикінцевого каскаду [2]:

.(1)

Для передвихідного каскаду візьмемо транзистор КТ903Б. Розрахуємо його коефіцієнт підсилення [3]:

Перемножувачі частоти використовуються в передавачах для підвищення частоти коливань у ціле число разів, а також для збільшення індексу модуляції при частотній або фазовій модуляції. Транзисторні перемножувачі частоти будуються за схемами генераторів із зовнішнім збудженням, але вихідний контур налаштований на n-гармоніку частоти збудження, а режим роботи активного елемента обирають таким, щоб одержати максимальну корисну потужність і ККД. Для збереження останніх параметрів на прийнятному рівні, рекомендується обирати коефіцієнт множення не більше 3. Так, дане значення підходить згідно вихідних умов, тому що це забезпечить прийнятну вихідну потужність автогенератора та ККД усього пристрою. Потужність на виході множника частоти визначимо за формулою (1):

.

Реалізуємо цей множник на транзисторі КТ909Б. Його коефіцієнт підсилення [3]:

.

Знаючи коефіцієнт підсилення множника, розрахуємо потужність на виході генератора (1):

.

Базуючись на розрахованих даних, складемо структурну схему передавача.

Рисунок 1 - Структурна схема передавача

Як видно з рисунку 1, до складу структурної схеми передавача з частотною модуляцією входять два підсилювача потужності, перемножувач частоти, узгоджуючі кола та задаючий автогенератор, що має вихідну потужність 0,0155 Вт та середню частоту 22,5 МГц. Таким чином, модуляція буде здійснюватися шляхом зміни параметрів коливальної системи за допомогою варикапу.

Розрахуємо орієнтовний коефіцієнт корисної дії всього передавача [2]:

ККД: .

При цьому враховано, що типове значення ККД транзисторів складатиме:

·        вихідний підсилювач потужності на транзисторі КТ909A - 45%,

·        передкінцевий підсилювач потужності на транзисторі КТ903Б - 50%,

·        помножувач частоти на два на транзисторі КТ903Б - 50/2 = 25%.

Таким чином, ККД всього передавача складатиме приблизно 45%.

2. РОЗРАХУНОК ВИХІДНОГО ПІДСИЛЮВАЧА ПОТУЖНОСТІ

Згідно з розрахунками, проведеними у першому розділі, вихідна потужність попереднього підсилювача становить .

Покладемо кут відсікання  та визначимо відповідно йому коефіцієнти Берга за Додатком Б, графік якого було побудовано у програмі Wolfram Mathematica:

Спершу розрахуємо колекторний ланцюг за методикою, викладеною у [5].

Амплітуда першої гармоніки напруги колектору  визначається як:

, (2)

радіо передавальний модулятор антена колектор

де - коефіцієнт використання колекторної напруги,  - напруга колекторного живлення.

Напругу живлення колектору задамо. Тоді амплітуда першої гармоніки напруги на колекторі знаходиться за формулою (2):

,

де - опір насичення. Звідси:

.

Розрахуємо амплітуду першої гармоніки струму колектору:

.

Знаючи її, обчислимо постійну складову струму колектору та впевнимося, чи не перевищує вона значення допустимого струму колектору транзистора :

.

Знайдемо максимальний імпульсний струм колектору та перевіримо попередню умову:

.(3)

Розрахуємо потужність, споживану від джерела живлення колекторної напруги:

.(4)

Знаючи споживану та вихідну потужності, розрахуємо ККД колектору:

.

Розрахуємо потужність, що розсіюється на колекторі транзистора:

Обчислимо еквівалентний опір коливальної системи [7]:

.

Перейдемо до розрахунку вхідного кола транзистора за [5].

Для того, щоб ліквідувати перекоси імпульсів колекторного струму між колектором та базою, розрахуємо додаткові резистори. включається між базою та емітером, - між базою та колектором.

,

.

де - коефіцієнт передачі за струмом, - частота одиничного підсилення, - гранична ємність емітеру переходу,  - опір втрат емітерного переходу, - гранична ємність колекторного переходу. Звідси:

,

.

Розрахуємо потужності резисторів. Спочатку для цього знайдемо струм у колі дільника

,

тоді шукані потужності:

,

.

Для продовження розрахунків необхідно знайти величину зменшення коефіцієнту підсилення за струмом:

.

Обчислимо амплітуду струму бази:

.

Розрахуємо максимальну зворотну напругу емітерного переходу:

,

де - напруга відсікання на емітері. Значення  має бути менше за табличне допустиме. Переконаємось у цьому:

.

Визначимо постійну складову базового струму:

.(5)

Розрахуємо постійну складову емітеру:

Обчислимо напругу зміщення емітерного переходу:

,

де - опір бази транзистору, - опір емітеру транзистору. Звідси:

Далі розрахуємо еквівалентну схему вхідного опору транзистора. Тут величина  - бар’єрна ємність активної частини переходу колектору, - індуктивність виводів бази, - індуктивність виводів емітера:

Знайдемо резистивну та активну складові вхідного опору транзистору:

.

Розрахуємо вхідну потужність:

Обчислимо коефіцієнт підсилення за потужністю:

.

Розрахуємо значення блокуючої індуктивності:

Гн.

Розрахуємо узгоджуючі кола. Для узгодження опорів використаємо Т-кола.

Рисунок 2 - Узгоджуюче Т-коло

Спершу розрахуємо попереднє коло. Так, для нього відомий опір , а опір R₁, виходячи з міркувань приблизної схожості транзистора помножувача покладемо . Тоді узгоджуючий опір R₀ візьмемо рівним 100 Ом. Проведемо розрахунок елементів L₁, L₂, C₁. Розрахункові співвідношення для LC-елементів Т-кола надані [3] виходячи з припущення, що реактивні елементи не мають втрат. Практично це допустимо при добротності LC-елементів вище .

(6)

(7)

(8)

Знайдемо остаточні значення елементів.

(9)

На схемі електричній принциповій дана індуктивність матиме позначення L₃.

(10)

На схемі електричній принциповій дана індуктивність матиме позначення L₄.

(11)

На схемі електричній принциповій дана ємність матиме позначення С₆.

Покладемо Q_L = 100. ККД кола, як відношення вихідної з нього потужності  до вхідної , дорівнюватиме:

(12)

Звідси знайдемо потужність, що підводиться до передкінцевого каскаду, враховуючи що :

(13)

Тепер за тим самим принципом розрахуємо наступне узгоджуюче коло. Опір , опір , опір R₀ покладемо рівним 100 Ом, та розрахуємо елементи L₁, L₂, C₁. За формулами (5), (6), (7):

Знайдемо остаточні значення елементів за (9), (10), (11).

На схемі електричній принциповій дана індуктивність матиме позначення L₅.

На схемі електричній принциповій дана індуктивність матиме позначення L₆.

На схемі електричній принциповій дана ємність матиме позначення С₉.

Покладемо Q_L = 100. За (12) ККД кола:

Звідси за (13) знайдемо потужність, що підводиться до кінцевого каскаду, враховуючи, що :

3. РОЗРАХУНОК АВТОГЕНЕРАТОРА, МОДУЛЬОВАНОГО ЗА НАПРУГОЮ

Проведемо розрахунок генератора, який би забезпечував частоту генерації 22,5 МГц та потужність до 0,0155 Вт. Таким вимогам із запасом відповідає транзистор КТ617А [5]. Параметри кварцового резонатора QZC14ГП на даному діапазоні частот: С_о = 2,5 пФ, r_к = 40 Ом, ємнісне співвідношення [10].

Згідно [12] виберемо перехідний конденсатор С₃ = 10 мкФ, та проведемо розрахунок за постійним струмом згідно із методикою, що наведена у [10].

Задамо постійну складову колекторного струму І_к0 = 30 мА, напругу між колектором та емітером Е_ке = 5 В, напругу живлення Е_к = 7 В [5], амплітуду модулюючого сигналу U_m = 0,1 В, та кут відсічки , для якого коефіцієнти Берга: ; ; .

Визначимо опір в ланцюзі живлення R₂:

Визначимо струм бази за формулою (5):

,

Задамо струм дільника напруги в ланцюзі зміщення:

.

Визначимо опір дільника напруги:

.

Визначимо напругу зміщення на базі транзистора:

.

Знайдемо значення опорів R₈ та R₃:

.

.

Розрахуємо потужності резисторів:

.

.

Дані розсіювані потужності можуть забезпечити резистори МЛТ 0,125 з максимальною допустимою потужністю 0,125 Вт.

Проведемо розрахунок автогенератора за змінним струмом згідно з [10].

Визначимо крутість вольтамперної характристики (тут  - високочастотний опір бази,  - опір емітерного переходу):

.

Знайдемо значення ємності зворотного зв’язку генератора (у формулах опорів К₀ = 0,4 - коефіцієнт зворотного зв’язку):

,

,

,

.

Згідно із припущення, що амплітуда модулюючого сигналу U_m = 0,1 В, задамо напругу зміщення Е_зм = 0,5 В.

Знайдемо приведене значення модулюючої напруги:

Визначимо приведену величину опору варикапа:

.

Визначимо ємність варикапу:

.

Таким чином, необхідно, щоб ємність варикапу становила не менше 1,114 пФ. Для того, щоб зменшити нелінійні спотворення застосуємо зустрічно послідовне ввімкнення двох варикапів КB122А з ємністю  пФ, отримавши в результаті .

Визначимо індуктивність котушки, яку необхідно ввімкнути послідовно з резонатором, для забезпечення можливості роботи поблизу частоти послідовного резонансу резонатора. Знайдемо значення індуктивності для двох граничних значень ємності варикапа:

Знайдемо середнє значення індуктивності:

.

Визначимо коефіцієнт нелінійних спотворень:

.

Як видно, коефіцієнт нелінійних спотворень завеликий, тому щоб його зменшити, необхідно увімкнути паралельно резонатору котушку:

.

Оскільки

.

Визначимо коефіцієнт нелінійних спотворень з врахуванням включення паралельно резонатору котушки:

Перевіримо чи буде даний варикап забезпечувати перестройку частоти в заданих межах при даній модулюючій напрузі. Для цього визначимо крайні частоти:

Значення індуктивності складає . Розрахуємо зміну ємності коливального контуру при частотах f_В та f_Н:

При цьому зміна ємності:

Згідно [12] розрахуємо значення конденсаторів  та :

,

.

Оскільки максимальний зворотній струм варикапа КB122А менше I_R = 200 нА [11], то сумарний опір, що буде ввімкнений послідовно з варикапами, повинен складати:

Струм дільника візьмемо в 10 разів більше зворотного струму варикапа, а саме= 2000 нА. Визначимо опір дільника:

Знайдемо значення опорів  та :

Виберемо стандартне значення опорів R₆ = 250 кОм, R₁ = 2,25 МОм. Номінали опорів R₄, R₅ та R₇ візьмемо наступними: , .

Розрахуємо потужності цих резисторів та резистору R₂:

,

,

,

,

.

Визначимо номінал роздільної ємності С₅ з урахуванням вхідного опору наступного каскаду 10 кОм:

Ємність конденсатора в ланцюзі живлення С₁:

Проведемо енергетичний розрахунок автогенератора. Розрахуємо амплітуду імпульсу колекторного струму за (3):

Визначимо амплітуду імпульсу першої гармоніки колекторного струму:

Знайдемо керуючий опір R_y:

Розрахуємо амплітуду напруги на базі транзистора:

Знайдемо амплітуду напруги на емітері транзистора:

Визначимо потужність, що споживається (4):

Визначимо коливальну потужність:

В результаті отримано необхідну для збудження першого помножувача частоти потужність.

Знайдемо ККД автогенератора:

ВИСНОВОК

В роботі потрібно було розрахувати структурну схему радіопередавального пристрою системи передачі інформації з частотною модуляцією, принципову схеми модулятора та вихідного підсилювача потужності.

Структурну схему передавача було розраховано з урахуванням втрат в узгоджуючих колах та втрат в антені.

Згідно проведених розрахунків, структурна схема передавача містить: задаючий автогенератор з частотною модуляцією, помножувач частоти на дві, вихідний підсилювачі.

Задаючий генератор повинен забезпечити потужність 0,0155 Вт та девіацію частоти 15 кГц. У якості задаючого генератора було розраховано кварцовий генератор з можливістю зміни робочої частоти за допомогою варикапів.

В якості попереднього підсилювача потужності було обрано схему генератора із зовнішнім збудженням, що працює з відсічкою струму у критичному режимі і забезпечує коефіцієнт підсилення за потужністю 246,91 на робочій частоті 45 МГц, що з урахуванням втрату колі узгодження дає змогу забезпечити на вході вихідного підсилювача потужність 19,69 Вт.

В цілому ККД передавача становить близько 45%, а його вихідна потужність в антені буде не менше ніж 15 Вт при девіації частоти передавача 30 кГц.

Робота виконана у повному обсязі.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1.         П. Г. Тамаров. - Расчет и проектирование транзисторных передатчиков: учебное пособие / П. Г. Тамаров.- Ульяновск : УлГТУ, 2008. - 76 с. ISBN 978-5-795-0346-2.

2.         Приемо-передающие устройства радиотехнических систем: Учеб./ Под ред. Ю.Н.Седышева. - Харьков.: ВИРТА, 1991. - 335 с.

3.         Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет. Под ред. Валитова Р.А. и Попова И. А. - М.: Сов. Радио, 1973, 464 с.

4.         Компания "Электроника и связь" - электронные компоненты [Электронный ресурс] / КТ909А. - Режим доступа: http://www.eandc.ru/catalog/detail.php?ID=10688.

5.         Шумилин М.С., Козырев В.Б., Власов В.А. Проектирование транзисторных каскадов передатчиков. Учебн. пособие для техн. - М.: Радио и связь, 1987. - 320 с.

6.         Проектирование радиопередающих устройств. Под ред. В.В. Шахгильдяна. Учеб. пособие для вузов. М.: «Связь», 1976. - 432 с.

7.            СтудентБанк.ру [Электронный ресурс] / Связной передатчик с частотной модуляцией. - Режим доступа: http://studentbank.ru/view.php?id=39547.

8.         Бордус А.Д., Ильин А.Г., Казанцев Г.Д., Пороховниченко А.М. Устройства формирования сигналов: Учебное методическое пособие. - Томск: кафедра ТУ, ТУСУР, 2012. - 142 с.

9.         В помощь радиолюбителю // Под ред. И.Н. Алексеевой. - М.: «Патриот», 1991. - 80 с.

10.       Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г. Кварцевые генераторы: Справ. пособие. М.: Радио и связь, 1984. - 232с.

11.          ChipList.ru [Электронный ресурс] / Варикап КВ122А. - Режим доступа: http://chiplist.ru/varicaps/KV122A/.

ДОДАТОК А

ДОДАТОК Б

ДОДАТОК В

ДОДАТОК Г

Параметри транзистора

ДОДАТОК Д

Еквівалентні параметри транзистора