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.

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

1.1 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.

Рис. 1.4 Приемопередатчик цифровой системы связи 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

2.1 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.

Размещая передатчик, нужно помнить об очень узкой диаграмме его излучения. Узел крепления должен позволить точную наводку передатчика и жесткую его фиксацию в лучшем положении. Можно воспользоваться, например, шарнирной головкой от фотоаппарата или кинокамеры, установив ее на стене, раме окна и т. п. Или выполнить этот узел в виде двух латунных пятачков, соединенных отожженной медной проволокой диаметром 2…2,5 мм. Один из пятачков крепят винтами к боковой стенке излучателя (резьба — в стенке), другой — шурупами к опоре. Проволоку сгибают так, чтобы излучатель занял нужное положение, во избежание значительных вибраций она должна быть, возможно, более короткой.

Я выбрал передатчик на частоте 27 МГц, это разрешенная частота вещания. И в процессе конструирования передатчика, столкнулся с рядом проблем, таких как:

подборка и намотка катушек нужной нам индуктивности настройка контуров в каждом блоке радиочастоты согласование антенны, сопротивление которой должно быть равно 50 Ом.

2.2 Структура радиопередатчика и его принцип действия

Рассмотренный в работе радиопередатчик работает на одной фиксированной частоте в диапазоне 27 МГц с частотной узкополосной модуляцией. Ожидаемая выходная мощность на нагрузке 50 Ом составляет 1,5 Вт. В данной схеме привлекает то, что схема передатчика является классической, выполненной согласно структуре :

Рис. 2.7

Возбудитель служит для формирования рабочей частоты, в данном случае — 27 МГц. Частотная модуляция осуществляется в возбудителе, а усилитель мощности служит для обеспечения требуемой выходной мощности.

Второе достоинство данной схемы то, что она является полностью транзисторной, что позволяет лучше понять принцип работы. Кроме того, в схеме отсутствуют дефицитные детали, что очень важно для учебного заведения.

Принципиальная схема радиопередатчика приведена на рисунок. 2.8.

радиопередатчик учебный стенд моделирование Рис. 2. 8 — Принципиальная схема передатчика Функционально схему можно разделить на четыре узла: роль возбудителя играет задающий генератор, роль частотного модулятора — микрофонный усилитель-модулятор, усилитель мощности включает предварительный усилитель для предварительного усиления уровня промодулированного сигнала, и непосредственно усилитель мощности.

Микрофонный усилитель выполнен на транзисторах VT1, VT2. Усилитель выполнен по схеме усилителя напряжения. Транзисторы включены по схеме с общим эмиттером. Усилитель включает два каскада. Кнопка S1 служит для подачи вызывного сигнала, при нажатии которой микрофон от входа усилителя отключается, а подключается цепь положительной обратной связи С2 — С5. Это превращает усилитель в генератор, генерирующий сигнал частотой около 1 кГц. В стенде этот режим не используется.

Частотная модуляция обеспечивает изменение рабочей частоты задающего генератора по закону модулирующего колебания (выходного сигнала микрофонного усилителя). Она осуществляется по принципу, показанному на рис. 2.9.

Рис. 2.9 — Схема получения частотной модуляции Звуковой сигнал с микрофонного усилителя подается на варикап, представляющий управляемую емкость, которая сдвигает частоту контура задающего генератора. В результате получается сигнал, имеющи1 вид (рис. 2.10)

Рис. 2.10 — Частотно-модулированный сигнал

В рассматриваемой схеме сигнал с коллектора VT2 поступает на варикапную матрицу VD1 (мы заменили матрицу двумя варикапами, соединив их катоды вместе). Емкость варикапа зависит от звукового сигнала, а поскольку она включена последовательно с кварцевым резонатором Q1, то частота кварца сдвигается пропорционально звуковому сигналу, и таким образом осуществляется частотная модуляция.

Задающий генератор выполнен на транзисторе VT3, генератор выполнен по обычной схеме усилителя, охваченного положительной обратной связью. Частота генерации задается кварцевым резонатором Q1 и цепью VD1 — DL1. В данном случае частота выбрана 27 120 кГц, на эту частоту настроен контур C9 — L1, включенный в коллекторной цепи VT3. Обратная связь осуществляется посредством емкостного делителя С7 — С8.

Предварительный усилитель выполнен на транзисторе VT4, включенном по схеме с общим эмиттером. Смещение рабочей точки обеспечивается резистором R13. Связь с задающим генератором емкостная, через С10. Для стабилизации режима используется цепь отрицательной обратной связи R14 — C11. В коллекторную цепь транзистора включен контур C12 — L2, настроенный на частоту 27,12 МГц.

Усиленный предварительным усилителем сигнал поступает на усилитель мощности, выполненный на транзисторе VT5. Входное сопротивление усилителя 100 Ом, связь с предварительным усилителем емкостная.

С коллектора VT5 усиленное по мощности напряжение высокой частоты поступает на двухзвенный П-образный фильтр, подавляющий гармоники и согласующий выходной каскад с антенной. Катушка L5 удлинительная, она используется для увеличения электрической длины антенны.

В следующих подразделах будут рассмотрены отдельные узлы передатчика и результаты их моделирования.

2.3 Результаты моделирования передатчика

Перед изготовлением макета передатчика я промоделировал работу отдельных узлов с помощью программы имитационного компьютерного моделирования Electroniks Workbench.

Микрофонный усилитель-модулятор Моделирование отдельных узлов радиопередатчика производилось с помощью моделирующей программы Electronics Workbench .

Схема микрофонного усилителя представлена на рисунок 2.11.

Рис. 2.11 — Моделирование микрофонного усилителя На вход усилителя от генератора сигналов подается сигнал с частотой 1кГц и амплитудой 10мкВ. На выходе усилителя получено напряжение той же частоты с амплитудой 661 мВ, т. е усиление усилителя составляет порядка 66 100 раз. В процессе моделирования была отмечена высокая чувствительность усилителя. На вход подавалось напряжение амплитудой 0,1 мкВ, при этом коэффициент усиления сохранялся. Это позволяет использовать в качестве микрофона стандартный малогабаритный динамик. Также отмечена следующая закономерность. При увеличении входного сигнала до 100 мкВ на выходе отмечалось ограничение сигнала. Поэтому важно, чтобы диапазон изменений входного сигнала не превышал 60 дБ.

Задающий генератор Моделирование задающего генератора с помощью моделирующей программы затруднено тем, что в программе отсутствуют варикапы. Поэтому в процессе моделирования варикап был заменен переменной емкостью. Схема моделирования приведена на рис. 2.12.

Рис. 2.12 — Моделирование задающего генератора Кварцевый резонатор был заменен контуром, настроенным на частоту 27 МГц. Параллельный контур, настроенный на ту же частоту, поставлен в коллекторной цепи генератора. Варикап заменен переменной емкостью Н. Как видно из результатов моделирования, частота генератора смещается с помощью переменной емкости, в данном случае частота генератора составляет 300 кГц.

Предварительный усилитель Задача предварительного усилителя — подъем уровня сигнала до такой величины, чтобы обеспечить работу усилителя мощности. Схема предварительного усилителя приведена на рисунок. 2.13.

Рис. 2.13 — Моделирование предварительного усилителя В коллекторной цепи усилителя включен колебательный контур, настроенный на частоту кварца, в данном случае 27 МГц. На входе включен генератор, задающий сигнал с амплитудой 100 мВ и частотой 27 МГц. Этот сигнал соответствует сигналу задающего генератора. Моделирование показало, что в случае точной настройке контура в коллекторной цепи, уровень выходного сигнала составляет порядка 5 вольт. Моделирование также показало, что при расстройке контура на 1 МГц происходит амплитудная модуляция. Однако, учитывая, что звуковой сигнал занимает полосу 25 кГц, что не выходит за пределы полосы контура, паразитной амплитудной модуляции не должно происходить.

Усилитель мощности Усилитель мощности служит для получения требуемой мощности на нагрузке, эквивалентной антенне, в данном случае на выходе усилителя включено нагрузочное сопротивление 50 Ом. Входное сопротивление усилителя составляет 100 Ом, связь с предыдущим каскадом — емкостная. Наибольшие трудности при моделировании составил подбор катушек индуктивности выходного фильтра, служащего выходной согласующей цепью для согласования с антенной. Схема моделирования усилителя мощности представлена на рисунок. 2.14.

Рис. 2.14 — Моделирование усилителя мощности На вход усилителя подается сигнал с амплитудой 1 вольт, соответствующий выходному сигналу предварительного усилителя. На выходе усилителя имеем сигнал частотой 27 МГц с амплитудой порядка 10 В. Выходная согласующая цепь настроена на частоту 27 МГц.

Таким образом, была промоделирована схема радиопередатчика. После этого, можно было приступить к созданию стенда «Учебный радиопередатчик».

2.4 Изготовление учебного стенда

Подготовка печатной платы.

Вырезаем нужных нам размеров плату из текстолита.

Обрабатываем её края.

Рисуем на бумаге разводку печатной платы.

Прикладываем, фиксируем разводку печатной платы и сверлим отверстия в текстолите.

На текстолите рисуем дорожки разводки печатной платы маркером.

Плата травиться в растворе.

После обезжиривания платы она готова к пайке.

Подготовка радио элементов.

Производим поиск радио элементов.

Доступные элементы покупаются в магазине «Дан», некоторые берутся в колледже.

В этой схеме есть катушки индуктивности которые пришлось мотать самим. В этом возникали некоторые трудности. Катушки L1, L2, L3, L5 намотаны на пластмассовых каркасах диаметром 5 мм с построечными сердечниками из карбонильного железа. Сердечники были выпаяны из старый плат неизвестного происхождения. L1 -10 витков, L2- 5+5 витков, L3−8 витков, L5 — 12 витков. Все намотаны проводом ПЭВ 0,61. Катушка L4-бескаркасная, она содержит 8 витков того же провода. Дроссель DL2 намотан на резисторе R15, содержит 30 витков провода ПЭВ 0,2.

Монтаж.

Берется плата приготовленная для пайки.

Берется элемент, у него выгибаем ножки под отверстие в плате, изгибы 90 градусов, все это делается пинцетом.

Элемент вставляется в плату и обезжириваем кислотой

После чего происходит припайка ножек.

Главное не перегреть элемент, а то он может сгореть.

Схема передатчика расположена на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита. Разводка печатной платы представлена на рисунок 2.15.

Рис. 2.15 — Разводка печатной платы

Все узлы устройства размещены в линейку, близко к их размещению на принципиальной схеме. Такое последовательное расположение каскадов наиболее выгодно с точки зрения проверки работоспособности устройства.

Плата помещена в корпус, представленный на рисунок 2.16.

Рис. 2.16 — Общий вид стенда учебного передатчика На крышке корпуса выведены контрольные точки, подключая осциллограф к которым, можно проверить работу устройства. Для подключения антенны имеется специальный ВЧ разъем. Питание стенда производится от стандартного источника питания.

Процесс настройки стенда включает следующие операции.

На вход передатчика подключается низкочастотный генератор, выдающий сигнал частотой порядка 5 кГц. Осциллограф подключается к контрольной точке «выход микрофонного усилителя». По осциллографу проверяется коэффициент усиления микрофонного усилителя и форма выходного сигнала. Уровень сигнала низкочастотного генератора должен быть такой величины, чтобы выходной сигнал не имел искажений, но в то же время был достаточен для модуляции задающего генератора.

Проверяется работа задающего генератора. Для этого микрофонный усилитель отключается, а осциллограф подключается к контрольной точке «задающий генератор». Генератор должен выдавать сигнал постоянной амплитуды с частотой 27 МГц. После этого включается микрофонный усилитель, и на экране осциллографа должен появиться сигнал, частота которого нестабильна. Амплитуда сигнала должна быть постоянна. После этого приступаем к настройке контура задающего генератора, подстраивая катушку индуктивности L1, добиваясь максимальной амплитуды на выходе генератора.

Настраивается предварительный усилитель, для чего осциллограф подключают к контрольной точке «предварительный усилитель».

Настраивается выходной каскад, настройка сводится к настройку выходной согласующей цепи. При этом подключаются к контрольной точке «выход передатчика».

2.5. Диагностика передатчика

Алгоритм диагностики всего радиопередатчика Рис. 2.17 — Алгоритм диагностики всего радиопередатчика

Описание алгоритма диагностики радиопередатчика Диагностика передатчика начинается с внешнего осмотра. Сначала плата чистится от пыли и других загрязнений. Проверяется внешняя целостность элементов, а именно наличие подгорания, запаха, поврежденных ножек элементов. Затем проверяется печатные дорожки платы и также пайка элементов на наличие разрывов. Теперь нам понадобится высокочастотный генератор, вольтметр и осциллограф.

Для начала вольтметром измерим сигнал источника питания, подаваемый на передатчик, он должен соответствовать 12 вольт.

Далее подключаем на вход передатчика высокочастотный генератор и осциллографом измеряем выходной сигнал передатчика, его частота должна быть равна 27 МГц. Если сигнал не соответствует заданной норме, его настраивают с помощью подстрочной катушки L3, но если это не удастся то, нужно проверить транзистор VT5 (КТ907А) на его работоспособность.

И так транзистор исправен. Теперь осциллограф подключаем на выход предварительного усилителя. На выходе должен быть нужный усиленный сигнал, если он не соответствует, его нужно подстроить контуром С12-L2. Далее проверяем транзистор VT4 (КТ603Б). Осциллограф подключаем на выход задающего генератора, несоответствие сигнала можно исправить подстрочным контуром C9-L1 или проверить работоспособность элементов транзистора VT3 (КТ315Б), кварцевый резонатор Q1 и цепь VD1-DL1. Последним проверяем микрофонный усилитель, на выходе которого должен быть усиленный сигнал.

При наличии искажения или помехи сигнала проверить фильтр C4-R6-C5, а при наличии несоответствия усиления по напряжению проверить транзисторы VT2 (КТ315Б) и VT1 (КТ315Б) поочередно.

После замены неисправных элементов, нужно повторно провести регулировку и настройку всего передатчика, и измерить выходные параметры.

Алгоритм диагностики микрофонного усилителя Рис. 2.18 — Алгоритм диагностики микрофонного усилителя Описание алгоритма диагностики микрофонного усилителя Необходим внешний осмотр микрофонного усилителя, то есть проверка на наличие запаха гари, наличие подгорания, разрывов контактов и проверка печат6ных дорожек на наличие разрывов. Потом плату необходимо почистить от пыли. Теперь нам понадобится высокочастотный генератор, вольтметр и осциллограф.

Для начала вольтметром измерим наличие питания, которое должно соответствовать 12 вольт.

Далее подключаем на вход микрофонного усилителя генератор и осциллографом измеряем выходной сигнал усилителя на соответствие с правленым значением. Если измеренный сигнал не соответствует норме, необходимо проверить целостность фильтра C4-R6-C5, а при наличии несоответствия усиления по напряжению проверить транзисторы VT2 (КТ315Б) и VT1 (КТ315Б) поочередно.

После замены неисправных элементов, нужно повторно провести регулировку и настройку микрофонного усилителя, проверить соответствие выходных параметров табличным.

Технологическая карта замены транзистора КТ315Б Таблица 2.1 — Технологическая карта замены транзистора КТ315Б

Замена транзистора начинается с демонтажа неисправного транзистора с платы.

Прежде чем заменить неисправный транзистор, необходимо убедиться в работоспособности нового транзистора, путем измерения его параметров.

После демонтажа подготовить место для установки транзистора, убрать лишний припой, с помощью тампона и спирта очистить остатки флюса.

Чтобы залудить выводы транзистора, использовать припой ПОС-61, флюс ЛТИ. Температура жала паяльника при лужении 280є С, лудить не более 3 секунд. Расстояние от корпуса транзистора до места лужения не менее 2 мм.

Установить транзистор на плату, опаять. Пайку проводить не более 3 секунд, при температуре паяльника 280 С, на расстоянии не менее 2 мм от корпуса транзистора.

Очистить плату от остатков флюса, используя тампон, смоченный в спирте.

3. Расчет затрат на создание учебного радиопередатчика

На создание учебного радиопередатчика были произведены следующие затраты:

3.1 Затраты на покупные элементы

Таблица 3.1 — Перечень необходимых элементов и их стоимость

Затраты на элементную базу составили 129,30 руб Расчет затрат на элементную базу производился по формуле Цэ = ?Э*P, (3.1)

где: Цэ — цена элемента (руб.);

?Э — количество элементов;

Pцена одного элемента (руб.).

3.2 Затраты на заработную плату

Для создания учебного стенда радиопередатчика необходимо просчитать временные затраты и повременную заработную плату (повременная заработная плата рассчитывается из расчета 100 руб. за 1час) Таблица 3.2 — Расчет повременной заработной платы

Повременная заработная плата составляет 265 руб.

Зп = t * Зt (3.2)

где: Зп — заработная плата на все операции (руб.);

t — время затраченное на операцию;

Зt — повременная заработная плата (руб.).

Затраты на электроэнергию Таблица 3.3 — Расчет затрат на электроэнергию

Затраты на электроэнергию составила 2,76 руб.

Зэ = t*1кВт/час (3.3)

где: Зэ — Затраты на электра энергию (руб.);

t — время работы по операциям;

1кВт/час — 2,08 руб.

Заработная плата на создание учебного стенда радиопередатчика составила 397,06 руб.

С = Цэ + Зп + Зэ (3.4)

где: С — себестоимость изделия (руб.);

Цэ — цена элемента (руб.);

Зп — заработная плата на все операции (руб.);

Зэ — затраты, на электроэнергию (руб.).

Созданный учебный стенд радиопередатчика предназначен для обучения студентов по специальности «Техническое обслуживание и ремонт электра радио оборудования «по дисциплине «Радиопередающие устройства».

Приобрести данный «учебный стенд радиопередатчик» невозможно, так как в продаже имеются покупные радиостанции, имеющие высокую стоимость, но не раскрывающие процесс работы радиопередатчика. Радиостанции, предлагаемые в продаже, имеют стоимость 5870 руб., что на 330% дороже учебного стенда радиопередатчика, созданного нами. Данный учебный стенд радиопередатчик на данный момент аналогов не имеет.

Если данный учебный стенд радиопередатчик запустить в реализацию, увеличивая себестоимость в среднем на 20%, то цена будет составлять 476 руб., что намного ниже цены производителя.

4. Техника безопасности при налаживании радиоаппаратуры

Во время выполнения монтажных работ при налаживании радиоаппаратуры на электронных лампах, в цепях которой действуют высокие напряжения, радиолюбитель не должен забывать правила техники безопасности.

Наиболее опасным является возможное поражение электрическим током. Ток силой всего в несколько десятков миллиампер, прошедший через тело человека, уже вызовет в организме поражения.

Интенсивность поражения током во многом зависит от состояния кожи и нервного состояния человека.

Безопасным для организма человека является напряжение до 36 в при работе в условиях сухого помещения. Токи высокой частоты не поражают человека, но вызывают местные ожоги.

Пайка монтажа радиоаппаратуры должна производиться исправным электрическим паяльником. Розетки для включения паяльника также должны быть исправны. Нельзя производить пайку стоя на земле или цементном полу, так как не исключена возможность соединения корпуса паяльника с одним из проводов электросети. Категорически запрещается дотрагиваться руками до оголенных участков проводов электросети.

Особую осторожность следует соблюдать при проверке и налаживании радиоаппаратуры на электронных лампах, так как для питания анодно-экранных цепей подаются напряжения более 250- 300 в. Нельзя для проверки цепей при включенном питании пользоваться пинцетом. Категорически запрещается касаться проводников, несущих высокое напряжение, руками или металлическими предметами, взятыми в руки. Нельзя дотрагиваться руками до контуров высокой частоты в выходных каскадах передатчиков — может получиться значительный ожог кожи.

После наладки передатчиков, на аноды ламп которых подают напряжения более 400−500 в, необходимо предусмотреть блокировку, отключающую питание при открывании защитных стенок или крышек корпусов.

При поражениях электрическим током пострадавшему делают искусственное дыхание и немедленно вызывают врача.

Соблюдение несложных правил техники безопасности предупреждает несчастные случаи.

В практической работе радиолюбителю постоянно приходится сталкиваться с выполнением самых разных операций, требующих неуклонного исполнения правил техники безопасности во избежание причинения себе и окружающим травм или других вредных воздействий. Особая осторожность необходима при механических работах и работах, связанных с электричеством, легковоспламеняющимися, горючими и токсичными веществами, сильными кислотами и щелочами. Пренебрежение правилами безопасности может повлечь стойкие нарушения здоровья и даже смерть. Предвидеть заранее степень риска обычно невозможно. Поэтому перед выполнением работы нужно тщательно продумать последовательность операций, подготовить рабочее место и инструмент, учесть возможные последствия и обезопасить себя и окружающих от причинения вреда.

Рабочее место должно быть чистым, хорошо освещено и не загромождаться лишними предметами или инструментами. При механических работах нужно пользоваться исправным инструментом. Напильники должны иметь плотно насаженные ручки со стягивающими кольцами. Молотки также должны быть надежно насажены на рукоятки, зубила не должны иметь сколов. Нельзя делать зубила или стамески из напильников, которые выполнены из хрупкого, металла и при ударах ломаются, разлетаясь на мелкие осколки.

Ременные приводы сверлильных станков должны иметь ограждение. При работе на сверлильных и токарных станках обязательно надевается головной убор во избежание скальпирования. Закрепив деталь или сверло в патроне станка, не забывайте удалить из патрона ключ. При сверлении отверстий не держите деталь руками: при выходе сверла оно застревает, увлекая за собой деталь, которая может вырваться и повредить руки. Во время работы на токарном станке или точиле надевайте защитные очки. Стружку или опилки не убирайте руками, пользуйтесь для этого щеткой. Не разрешайте детям близко подходить к работающим станкам и играть с «красивой» стружкой. Предотвратите доступ детям к режущему или колющему инструменту.

При получении порезов или царапин нужно немедленно промыть рану чистой водой с мылом для удаления грязи и опилок, обработать рану настойкой йода или спиртом и наложить стерильную повязку. Можно смазать ранку фурапластом, который ее дезинфицирует и защищает пленкой. При обильном кровотечении нужно наложить тугую повязку или жгут и вызвать скорую медицинскую помощь.

При монтажных работах нужно аккуратно пользоваться кусачками: отскакивающие мелкие кусочки провода могут попасть в глаз. Концы припаиваемых проводов перед пайкой нужно закрепить, иначе при удалении паяльника конец незакрепленного провода спружинит, и брызги припоя или флюса попадут в глаз. Паяльные работы должны вестись в хорошо проветриваемом помещении: пары флюсов и свинца, который содержится в припое — токсичны.

Часто приходится иметь дело с химическими препаратами. Из существующих растворителей наименее токсичным является спирт, который используется при изготовлении жидкого канифольного флюса и при промывании паек от остатков канифоли. Использовать для этого такие растворители, как ацетон, бензол, толуол или дихлорэтан, нельзя, так как их пары очень токсичны. При отсутствии спирта можно использовать одеколон или чистый бензин. Пользоваться автомобильным бензином также нельзя, так как многие его сорта содержат этиловые соединения свинца и крайне ядовиты. Указанные растворители часто используются для приготовления клеев или лаков, содержатся в аэрозольных упаковках красителей, дихлорэтаном склеивают оргстекло. Вдыхание паров этих растворителей опасно и требует принудительной вентиляции или работы на открытом воздухе.