Расчёт элементов и узлов аппаратуры связи

Федеральное агентство связи УрТИСИ (филиал) ГОУ ВПО «СибГУТИ»

Курсовая работа по ОТЦ на тему:

«Расчёт элементов и узлов аппаратуры связи».

Выполнил: Смольников А.В.

Группа: ВЕ-01

Екатеринбург 2012

• Введение
• Техническое задание на разработку устройства
• Расчет автогенератора
• Расчет спектра сигнала на выходе нелинейного преобразователя
• Расчёт электрических фильтров
• Расчет выходного усилителя
• Заключение

Цель данной работы заключается в разработке генератора сетки частот, состоящего из автогенератора, вырабатывающего колебание заданной частоты и нелинейного преобразователя, формирующего из него импульсы тока, состоящие из суммы гармоник исходного колебания. Для выделения заданной гармоники требуется рассчитать активные RC-фильтры.

В качестве задающего автогенератора в работе используются схемы на биполярных транзисторах с пассивной лестничной RC-цепью обратной связи. При расчете автогенератора необходимо рассчитать: значения всех элементов схемы, амплитуду стационарного колебания на выходе генератора.

Нелинейный преобразователь строится на основе биполярных, полевых транзисторов или полупроводниковых диодах. Анализ схемы нелинейного преобразователя включает в себя аппроксимацию ВАХ нелинейного элемента и расчет спектрального состава выходного тока и напряжения.

В качестве активных фильтров используются активные полосовые RC-фильтры на основе операционных усилителях с полиномиальной аппроксимацией частотной характеристики полиномами Чебышева.

Согласование функциональных элементов по входным и выходным сопротивлениям, а также обеспечение заданных уровней напряжения на их входах и выходах обеспечиваются масштабирующимися усилителями на интегральных микросхемах также входящими в состав проектируемого устройства.

Функциональная схема проектируемого устройства изображена на рисунке 1:

Рисунок 1 — Функциональная схема устройства Цифрами обозначены следующие устройства:

1. Автогенератор;

2. Развязывающее (усилительное) устройство;

3. Нелинейный преобразователь;

4. Электрические фильтры.

Автогенератор — электронный генератор с самовозбуждением. Он вырабатывает электрические (электромагнитные) колебания, поддерживающиеся подачей по цепи положительной обратной связи части переменного напряжения с выхода автогенератора на его вход. Это будет обеспечено тогда, когда нарастание колебательной энергии будет превосходить потери (когда петлевой коэффициент усиления больше1). При этом амплитуда начальных колебаний будет нарастать.

Такие системы называют автоколебательными системами или автогенераторами, а генерируемые ими колебания — автоколебаниями. В них генерируются стационарные колебания, части, и форма которых определяются свойствами самой системы. Автогенераторы применяются, например, в радиопередающих устройствах.

Существуют 2 режима работы автогенератора: мягкий и жесткий режимы. Мягкий режим характеризуется безусловным быстрым установлением стационарного режима при включении автогенератора. Жесткий режим требует дополнительных условий для установления колебаний, либо большой величины коэффициента обратной связи, либо дополнительного внешнего воздействия (накачки).

Достоинства схемы заключаются в возможности применения в диапазоне весьма высоких радиочастот (УКВ) недостатком является невозможность заземлить ротор конденсатора переменной ёмкости.

Развязывающее (усилительное) устройство — представляет собой масштабирующие усилители на интегральных микросхемах. В системах автоматики оно служит для усиления сигнала рассогласования по мощности или напряжения до величины необходимой для управления исполнительными устройствами.

Нелинейный преобразователь — служит для преобразования (изменения) формы сигнала и соответствующего (изменения) формы сигнала и соответствующего изменения его спектра нелинейные элементы широко используются в устройствах переноса спектра (модуляторах), образования новых частотных составляющихся, расширения динамического диапазона, регулирования коэффициента усиления.

Электрические фильтры называются четырехполюсниками. Они устанавливаются между источником питания и нагрузкой и служат для беспрепятственного (с малым затуханием) пропускания токов одних частот и задержки токов других частот.

генератор частота преобразователь

Техническое задание на разработку устройства

Расчет автогенератора

Рассчитаем RC-автогенератор на биполярных транзисторах 2Т928А, Б схема 1. Частота генерации f_Г=200 кГц Напряжение питания U_{пит авт}=15 В Сопротивление нагрузки в коллекторной цепи R_к=10 Ом Схема 1

Автогенератор собран на составном транзисторе VT1 — VT2 для увеличения входного сопротивления транзистора по цепи базы.

В стационарном режиме работы автогенератора на частоте генерации _г=2f_г, то должны выполнятся условия баланса амплитуд и фаз:

где Н_УС(_г), Н_ОС(_г) — модули передаточных функций Н_УС(j) (усилительного элемента), Н_ОС(j) (цепи обратной связи), соответственно;

_УС(_г), _ОС(_г) — аргументы этих передаточных функций.

(6-R²²C²+4R/R_H) =0

6-R²²C²+4R/R_H =0

²=(6+4R/R_H)/ R²C²

Получаем выражение для частоты генерации:

Теперь можно записать, что:

и коэффициент передачи цепи обратной связи на частоте генерации

Найдём значения сопротивлений R_H и R, входящих в формулы для расчёта _г и Н_ОС(_г).

Входное сопротивление R_Н составного транзистора:

R_Н=R_бэ2 ,

где — коэффициент усиления транзистора по току (для VT1);

R_бэ2 — входное сопротивление транзистора VT2.

Для определения и R_бэ2 нужно выбрать рабочую точку транзистора.

Для этого вначале необходимо построить проходную характеристику транзистора i_k=F (u_бэ) — зависимость действующего значения тока в выходной цепи от входного напряжения u_бэ. В свою очередь, исходными для построения проходной характеристики являются:

входная характеристика транзистора i_б=F (u_бэ)

выходная характеристика транзистора i_k=F (u_кэ)

Входная характеристика Выходные характеристики На семействе выходных характеристик используемого транзистора 2Т928А, Б проводится нагрузочная прямая через точки с координатами: (0, U_пит) и (U_пит/R_K, 0).

По точкам пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками строим промежуточную характеристику i_k=F (i_б). Для этих целей удобно составить таблицу:

Промежуточная характеристика Затем используя полученную зависимость и входную характеристику i_б=F (u_БЭ), определяют требуемую зависимость: i_K=F (u_БЭ)

Все данные, необходимые для построения характеристики, сведены в таблицу:

Входная характеристика

По проходной характеристики определяют положение рабочей точки. Лучше всего задаться значением U_БЭ0 = 0,8 В — это середина линейного участка проходной ВАХ.

Тогда по входной ВАХ транзистора определяют в рабочей точке:

.

Коэффициент усиления транзистора по току:

.

Зная R_БЭ2 и, можно рассчитать сопротивление R_H составного транзистора:

R_H = · R_БЭ2

Из условия R>>R_K следовало бы выбрать значение R 10 кОм. Но эту величину необходимо уточнить при дальнейшем расчёте.

Определим теперь амплитуду стационарного колебания на выходе генератора. Для этого построим колебательную характеристику S_ср = F (U_БЭ).

Значение средней крутизны для разных значений U_БЭ можно определить по методу 3-х ординат по формуле:

Представим все расчёты в виде таблицы:

На основании этой таблицы строится колебательная характеристика S_СР = F (U_1(БЭ)).

генератор частота преобразователь Колебательная характеристика Для того чтобы по колебательной характеристике определить стационарное действующее значение U_БЭ необходимо предварительно рассчитать значение средней крутизны в стационарном режиме .

Известно, что Н_УС(_Г)=R_K. С другой стороны из баланса амплитуд Н_УС(_Г) = 1/Н_ОС(_Г). Отсюда

.

Определим значение Н_ОС(_Г) для рассчитанных значений R_H и R.

.

R = 100 Ом.

Используя колебательную характеристику и зная значение средней крутизны в стационарном режиме S^*_ср = 3,294 mA/В, легко найти стационарное действующее значение U_БЭ. Оно равно: U_БЭ = U_ВХ = 0,15 В. Тогда напряжение на выходе генератора в стационарном режиме можно найти из соотношения

U_ВЫХ = U_ВХ • Н_УС(_Г)

Определим теперь значение емкости в цепи обратной связи. Из выражения для частоты _Г найдем

;

Емкость С_Р разделительного конденсатора выбирается из условия С_Р>>С или 1/_ГС_Р? 0,01R. Возьмем С_Р = 1 мкФ.

Осталось определить только значение сопротивления R_Б, задающего рабочую точку U_БЭ0, I _БЭ0. Рассчитаем его по формуле:

.

Выбираем резистор с номиналом R = 100 Ом.

На этом расчет RC-генератора можно считать законченным. Остается лишь привести его схему с найденными значениями элементов.

Расчет спектра сигнала на выходе нелинейного преобразователя

Требуется рассчитать спектр тока и напряжения на выходе нелинейного преобразователя

Схема нелинейного преобразователя (схема 2) Тип нелинейного элемента транзистор КП305Е Напряжение на входе U_m=2,5 В Напряжение смещения U₀=-1,0 В

Амплитуда напряжения на выходе автогенератора больше амплитуды напряжения, которое следует подать на вход нелинейного преобразователя, следовательно, его необходимо ослабить. Для этого используем усилитель, которую подключим между генератором и нелинейным преобразователем.

Передаточная функция этой схемы:

Так как U_m вх=2,5 В, а U_{m вых ген}=4,942 В, тогда :

Расчет нелинейного преобразователя Используя проходную ВАХ диода, графически определим вид тока на выходе Для расчета тока и напряжения на выходе нелинейного преобразователя необходимо сделать аппроксимацию ВАХ. Амплитуда выходного сигнала достаточно велика, поэтому выберем кусочно-линейную аппроксимацию По ВАХ определяем U_отс=0,3 В Для расчета крутизны S выбираем любую точку на прямой, аппроксимирующей ВАХ Для расчета крутизны S выбираем любую точку на прямой, аппроксимирующей ВАХ, например U_БЭ = 0,8 В, I_К = 3 мА, тогда Рассчитываем угол отсечки:

Затем вычисляем функции Берга

Постоянная составляющая и амплитуды гармоник спектра тока i_вых рассчитывается по формуле:

I_mk = S U_{m k}(), k = 0, 1, 2, 3, …

Ограничиваясь третьей гармоникой, имеем:

Напряжение на выходе нелинейного преобразователя при наличии разделительного конденсатора не пропускающего постоянную составляющую u_вых = i_вых • R_к .

Амплитуды гармоник выходного напряжения:

Расчёт электрических фильтров

Требуется рассчитать полосовой фильтр для выделения второй гармоники при частоте генерируемых колебаний 200 кГц, Неравномерность ослабления в ПЭП = 0,5 дБ, минимально допустимое ослабление в ПЭН А_min = 30 дВ (рис. 2.13). Частота 3-ой гармоники равна 600 кГц, следовательно, ₀= 600 кГц.

По заданным, А и A_min и, выбрав порядок фильтра п = 3 определяем нормированную частоту, соответствующую границе ПЭН НЧпрототипа ₃ =3,2 Далее находим граничные частоты ПЭП и ПЭН.

Входная характеристика Выходные характеристики Так как, то задавшись f₃^, = 500 кГц, т. е.

найдем Учитывая соотношение, определим Решая совместно систему

получаем:

Пользуясь табл. 3.5 находим полюсы передаточной функции НЧпрототипа:

Для отыскания полюсов передаточной функции ПФ, воспользуемся соотношением:

P_{i,j ПФ}

Полученные значения полюсов Передаточная функция ПФ может быть записана в виде произведения трех сомножителей второго порядка

где

.

Коэффициенты при р в знаменателях сомножителей а_i = 2б_i, а свободные члены a_0i = б_i² + _i².

Для реализации полученной передаточной функции необходимо выбрать тип звеньев, для чего найдем вначале добротности полюсов соответствующих сомножителей, используя соотношение

.

В результате расчетов получим

Их таблицы 3.6 выбираем для реализации всех сомножителей схему 3. Для отыскания элементов звена, соответствующего первому сомножителю Н (р), составим систему уравнений:

.

Зададимся С₆ ⁼С₇ = С = 5 · 10^-9 Ф.

Кроме того, выберем R₁ =R₂ = 1/_пС. Здесь _п — частота полюса, определяемая для данного сомножителя, как Итак, Решая систему относительно элементов R_5, R₃, R₄ получим

Для расчета АЧХ и ослабления фильтра в выражении Н (р) осуществим замену р = j, тогда |Н (j)| запишется:

Ослабление фильтра связано с АЧХ выражением:

.

Найдем частоты ПЭП, при которых, А и АЧХ принимают максимальные и минимальные значения. Из таблицы 3.8 для характеристик НЧ-прототипа имеем при n = 3: _1min = 0; _1max = 0,5; _2min = 0,866; _2max=1.

Для нахождения соответствующих частот характеристики ПФ воспользуемся соотношениями:

.

Полученная частотная зависимость ослабления удовлетворяет заданным нормам, А и A_min.

По результатам расчетов построим графики АЧХ и зависимость ослабления от частоты полосового фильтра.

График АЧХ (рис. 12), зависимость ослабления от частоты полосового фильтра (рис. 13).

Зависимость ослабления от частоты

Амплитудно-частотная характеристика

Расчет выходного усилителя

Напряжение устройства выделения третьей гармоники U_{вых треб}= 3 В, амплитуда напряжения второй гармоники U_m2=239 мВ, напряжение на выходе фильтра будет:

требуемый коэффициент усиления Возьмем схему:

Зададим R₁=1 кОм, тогда 1,935 кОm

Заключение

В данной курсовой работе я рассчитывал такие устройства как автогенератор, развязывающее (усилительное) устройство, нелинейный преобразователь, электрические фильтры. В качестве задающего автогенератора были использованы схемы на биполярных транзисторах КТ301 и рассчитаны следующие показатели: сопротивление нагрузки R_н=91 кОм, колебательная характеристика S_ср=F (U_бэ).

Напряжение на выходе генератора в стационарном режиме U_вых=3,64 В, емкость в цепи обратной связи С=0,145 нФ и емкость разделительного конденсатора С_р=15 нФ, сопротивление задающего рабочую точку U_бэо, I_бэо получаем R_б=6,2 кОм.

При расчете нелинейного преобразователя я воспользовался рисунком 8 — «Схема нелинейного преобразователя». Так как амплитуда напряжения на автогенераторе больше амплитуды напряжения, которое подается на вход нелинейного преобразователя, то следовательно его нужно ослабить. Для этого между генератором и нелинейным преобразователем подключил усилитель. При расчете тока и напряжения на выходе нелинейного преобразователя была построена аппроксимация ВАХ. В итоге получил спектр амплитуды тока и спектр амплитуды напряжения.

При расчете полосового фильтра с порядками n=3 получил следующие значения:

§ Полюса передаточной функции НЧ-прототипа:

§ Добротность полюсов: Q₁=6.3, Q₂=5,7

§ Полученные данные по расчету полосового занесены в табл.11.

§ График АЧХ и зависимость ослабления от частоты полосового фильтра показана на рис. 11 и 12.

При расчете выходного усилителя нашел на выходе фильтра U _вых.ф=0,306 В, к=13,1