Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

1. Разработать конструкцию передающего устройства со следующими характеристиками:

Рабочая частота: 66.5 МГц

Допустимая нестабильность частоты: 30 Гц

Вид передаваемой информации: аналоговый

Полоса передаваемых частот: 40…15000 Гц

Допустимый уровень нелинейных искажений: 1%

Вид модуляции: ЧМ

Максимальная девиация частоты: ±50 кГц

Уровень побочных излучений: - 41 дБ

Выходная мощность: 1 Вт

Тип аппаратуры: группа 1 по ГОСТ 16019-78

Содержание

Введение

1. Выбор структурной схемы устройства. Синтез функциональной схемы

2. Выбор функциональных блоков

3. Расчетная часть

3.1 Расчет автогенератора и модулятора

3.2 Расчет усилителя мощности

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

Введение

Радиопередающими называют устройства, предназначенные для выполнения двух основных функций - генерации электромагнитных колебаний высокой или сверхвысокой частоты и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. Радиопередающие устройства входят в состав радиокомплексов, содержащих, кроме того, антенны, радиоприемные и различные вспомогательные устройства.

Радиопередатчики классифицируют по назначению, условиям эксплуатации, выходной мощности, частоте, виду модуляции и т.д. По выходной мощности передатчики могут быть разделены на маломощные (выходная мощность - десятки милливатт), средней мощности (сотни милливатт - десятки ватт) и мощные (сотни ватт - единицы киловатт); по частоте - на высокочастотные (частота менее 300 МГц) и сверхвысокочастотные(частота более 300 МГц).

В связи с быстрым ростом сети радиопередающих станций, резким ужесточением требований электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронных устройств, повышением требований к качеству и надежности их работы особое внимание необходимо уделить использованию новейших достижений отечественной и зарубежной техники в области радиопередатчиков.

1. Выбор структурной схемы устройства. Синтез функциональной схемы

Передатчик частотно-модулированных колебаний можно реализовать по нескольким типовым схемам. Схема, изображенная на рис.1, предполагает модуляцию частоты задающего генератора и умножение частоты (УЧ) в последующих каскадах передатчика. Управляя частотой кварцевого генератора можно получить долговременную нестабильность частоты 10^-5 …10^-6, однако относительный диапазон управления частотой невелик и составляет 10^-3…10^-4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 1

От этого недостатка свободна схема изображенная на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2

Схема представляет собой передатчик, для стабилизации средней частоты которого используется система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Здесь модуляция осуществляется в модулируемом генераторе(МГ), частота которого стабилизируется при помощи опорной частотой высокостабильного кварцевого генератора (ЗГ). Для того чтобы ФАПЧ не ослабляла полезной модуляции, обратную связь в системе на частотах F_min<F<F_max исключают с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ).

На основе второй схемы построим функциональную схему передатчика, изображенную на рис.3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3

Частота среза ФНЧ выбирается меньше минимальной частоты спектра модулирующего сигнала. Изменение частоты модулируемого генератора осуществляется с помощью варикапов.

2. Выбор функциональных блоков

1. Модулируемый генератор (рис.4)

В качестве генератора используется транзисторный автогенератор с емкостной ОС и дополнительной емкостью С₃ в индуктивной ветви (схема Клаппа). Резонатор в схеме образован элементами L, С₁, С₂, С₃. R_см - сопротивление автосмещения.

Модуляция генератора осуществляется с помощью варикапа VD.

Рис.4

2. Фазовый детектор и ФНЧ

Наибольшее практическое применение находит схема балансного фазового детектора (рис.5)

Рис.5

3. Усилитель постоянного тока (рис.6).

В качестве УПТ применяется схема дифференциального усилителя. Достоинство схемы в том, что она позволяет установить на выходе некоторое значение напряжения обеспечивающее начальное смещение корректирующего варикапа.

Рис.6

4. Опорный генератор (рис.7)

Представленная схема предназначена для возбуждения колебаний на механической гармонике кварца. Точная настройка на требуемую частоту осуществляется с помощью подстроечного конденсатора С₃.

Рис.7

5. Усилитель мощности (рис.8)

На рис.8 приведена одна из возможных схем усилителя мощности на биполярном транзисторе с общим эмиттером.

Здесь С₁, L₁ - входная ЦС; С₂, L₂, С₃, С₄ - выходная.

Рис.8

3. Расчетная часть

3.1 Расчет автогенератора и модулятора

передатчик транзисторный автогенератор усилитель

1. Выберем транзистор малой мощности КТ331 с граничной частотой f_t = 250 МГц. Его паспортные данные: С_к = 5 пФ, С_э = 8 пФ; ф_ос = 120 пс; u_отс = 0,6 В; u_кдоп = 10 В; i_кдоп = 20 мА; u_бдоп = 4В; Р_доп = 15 мВт; S_гр = 10 мА/В. Считаем, что средний коэффициент усиления тока В = 20.

Граничные частоты

f_в = f_t/В = 12,5 МГц,

f_б = f_t +f_в = 262 МГц.

Активная часть коллекторной емкости

С_ка = С_к/2 = 2,5 пФ

и сопротивления потерь в базе

r_б = ф_ос / С_ка = 480 Ом.

Так как f_max = 66,5 МГц, что больше 0,5f_в, то ля ослабления влияния инерционности транзистора на энергетические параметры УМ применим цепь коррекции вида:

Рис. 9

2. Расчет корректирующей цепочки:

? 39 Ом; R₃ = = 79 Ом;

С_кор = ? 15,5 пФ; R'_кор = =26 Ом.

Принимаем R'_кор = 27 Ом в соответствии со стандартным рядом сопротивлений. Крутизна переходной характеристики транзистора с коррекцией S^к 1/ R'_кор = 0,038 А/В.

3. Расчет электрического режима. Выбираем i_{к max} = 0,5i_{к доп} = 16 мА; U_к0=0,4, u_кдоп = 4,5 В; К_ос = 0,5; и = 60°; тогда б₀ = 0,218; б₁ = 0,391; г₀ = 0,109; cosи=0,5.

Рассчитаем основные параметры генератора:

I_к1 = б₁ i_{к max} ? 6,3 мА; I_к0 = б₀ i_{к max} ? 3,5 мА

= = 0,8 В; U_к1= =1,6 В;

R_к = U_к1/I_к1 = 264 Ом; Р₁ = 0,5U_к1I_к1 = 4 мВт;

Р₀ = U_к0I_к0 = 15 мВт; Р_рас = Р_{0 -} Р₁ =13 мВт < Р_доп = 15 мВт;

з=Р₁/Р₀ = 17%; E_см = u_отс -cosи = 0,2 В;

|E_см -| < u_бдоп = 3В; о = U_к1/U_к0 =0,2;

о_гр = 1-i_{к max}/(S_грU_к0) = 0,82; о < 0,5о_гр.

4. Расчет резонатора. В диапазоне частот 10 … 30 МГц оптимальные значения индуктивности контура L = 1… 10 мкГн. Выбираем L = 1 мкГн с добротностью Q_L = 125. Считаем, что Q₀ ? Q_L. Вычислим параметры элементов резонатора:

с=щ_рL = 417 Ом; С_? = = 5,8 пФ;

R_р = сQ₀ = 42 кОм; р == 0,056;

= C?/p = 103 пФ; С₁ = /К_ос = 206 пФ;

С₃=(1/С_?-1/C₁-1/)^-1 = 7 пФ.

5. Расчет емкостей С_св и С₂. Чтобы сопротивление нагрузки , пересчитанное к выходным электродам транзистора, не снижало заметно добротность контура, примем ?3R_к?396 Ом. Добротность последовательной цепочки

С_свR_н Q = = 2,07,

отсюда емкость связи

С_св=1/(щRнQ)= 15,4 пФ,

емкость, пересчитанная параллельно емкости С₂:

= = 12,5 пФ; С₂= - = 91,1пФ.

6. Расчет цепи смещения:

U_б = Е_см + = 1,7 В; R_ист = = 2265 Ом;

проверка: (С_?/С₁)² R_р = 130 Ом « R_ист;

R_см= = 330 Ом; R₃= R_истЕ_п/U_б =5800Ом;

R₄ = R₁U_б/(Е_п - U_б) = 3480 Ом; С_бл2 = 10/(щR_см) = 72 пФ.

7. Расчет цепи питания: R_бл = 5R_к = 660 Ом; выбираем 1/щ_рС_бл1 = 0,1 Ом, тогда С_бл1 = 59 нФ;

L_бл1 = (5…10)R_н /щ_р = 50 мкГн.

Е_п = U_к0 + I_к0R_бл = 9В.

8. Расчет модулятора.

Выбираем схему модулятора, изображенную на рис. 6. Схема замещения выглядит следующим образом:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.10

Из расчета автогенератора известны следующие параметры: U_б1 = 0,8 В; Еп = 9В; Uк1=1,6 В; р = 0,056; = 104 пФ; С₂ = 91 пФ; С₃ = 7 пФ; С_? = 5,8 пФ.

Выбираем варикап КВ121Б, емкость которого Св0 = 100пФ при uв = 4В и добротность Q = 150 на частоте 50 МГц. Предельные параметры варикапа: U_доп = 45 В; Р_доп = 100 мВт. Степень нелинейности вольт-фарадной характеристики н = 0,5.

Смещение на варикап будем подавать от источника коллекторного питания транзистора Е_п = 9В, выбираем постоянное смещение на варикапе U_в0 = 4В, тогда:

U= = 0,13В; ?С_в/С_в0 = = 0,067;

к_в = = 0,015 ; р_в = = 0,116;

U_в1 = р_в U_к1/р = 0,2 В; С_св = С_в0 = 100 пФ;

U_Щ = U/Uв0 = 0,6 В; С₁ = -(С_в^-1 + С_св^-1)^-1 = 360 пФ.

Рассчитаем резистивный делитель R₁R₂ в цепи смещения варикапа, учитывая следующие условия:

Е_п= 4В; « = 470 кОм.

Второе условие вводится для того, чтобы нагрузка источника модулирующего сигнала была постоянной в полосе частот F_min…F_max.

Пусть = 5 кОм; тогда R₁= 5600 Ом; R₂ = 45500 Ом.

3.2 Расчет усилителя мощности

Рассчитаем параметры схемы, изображенной на рис.10.

Исходными данными для расчета усилителя мощности являются рабочая частота f_р = 66,5 МГц, мощность в антенне Р_А = 1 Вт, напряжение питания коллектора Е_п = 5,6 В, угол отсечки и = 90^о. В качестве активного элемента выбираем транзистор КТ928А с параметрами: f_t = 250 МГц; С_к = 10 пФ; С_э = 100 пФ; ф_ос = 100 пс; u_отс = 1В; u_кдоп = 60 В; u_кбдоп = 60В; i_кдоп = 0,8А; u_бдоп = 3В; Р_доп = 2 Вт; S_гр = 15 мА/В. Средний коэффициент усиления тока В=20.

Граничные частоты

f_в = f_t/В = 12,5 МГц;

f_б = f_t +f_в = 262,5 МГц.

Так как f_max = 66,5 МГц, что больше 0,5f_в, то ля ослабления влияния инерционности транзистора на энергетические параметры УМ применим цепь коррекции изображенную на рис. 11.

Активная часть коллекторной емкости

С_ка = С_к/2 = 5 пФ

и сопротивления потерь в базе

r_б = ф_ос / С_ка = 200 Ом.

1. Расчет корректирующей цепочки:

? 42 Ом; R_з = = 76 Ом;

С_кор = ? 4,53 пФ; R'_кор = =27 Ом.

Крутизна переходной характеристики транзистора с коррекцией S^к 1/R'_кор = 0,037 А/В.

2. Расчет режима.

Выберем полезную выходную мощность по Р_А: Р₁ = (1,1…2)Р_А. Выберем Р₁ = 1.5Р_А = 1,5 Вт. Напряжение питания коллектора выберем 5,6 В. Расчет начинаем с определения коэффициента использования коллекторного напряжения в критическом режиме:

о_кр = = 0,74.

Затем вычисляем напряжение в нагрузке:

U_н = о_кр Е_п = 4,1 В

и проверяем выполнение неравенства

(1+ о_кр)Е_п = 9,75 В< u_кбдоп.

Далее находим

I_к1 = 2Р₁/U_н = 7,3 мА

и по выбранному ранее и определяем максимальную амплитуду тока

i_{к max} = I_к1/б₁(и) = 15 мА,

и постоянную составляющую

I_к0 = б₁(и)i_{к max} = 4,6 мА.

Рассчитаем потребляемую мощность

Р₀ = Е_пI_к0 = 2,2 Вт,

мощность рассеиваемую коллектором

Р_рас = Р₀ - Р₁ = 1,1 Вт,

и электронный КПД выходной цепи

з_э = Р₁/Р₀ = 58%.

Для реализации расчетного критического режима необходимо следующее сопротивление нагрузки

R_{н кр} = U_н / I_к0 = 562 Ом.

Входное напряжение определяется

U_вх = I_к1/S_крб₁(и) = 0,4 В.

3. Расчет входной цепи согласования

В качестве входной ЦС используется П-образная ЦС, образованная элементами С₃, С₄, С₅, L.

Сопротивление на входе транзистора определяется

r_б+(В+1)= 699 Ом.

Требуемое сопротивление = 276 Ом.

Характеристическое сопротивление цепи

с= = 439 Ом.

Емкости согласующей цепи

С₁ = С₂ = 1/(щс) = 84,5 пФ,

Индуктивность

L = = 16 мкГн.

4. Расчет выходной цепи согласования

Выходная ЦС представляет собой П-образную ЦС с улучшенной фильтрацией. Ее характеристическое сопротивление

с= = 168 Ом.

Емкости согласующей цепи

С₃ = С₅ = 1/(щс) = 35 пФ.

Зададим коэффициент улучшения фильтрации h = 10, тогда

С₄ = с/hщ = 100 нФ;

а L = = 1 мкГн.

Коэффициент фильтрации определяется выражением:

F_n = n^-2{[(n²-1)(h+1)^-1]² + (G_п/G_{н кр})(h+1)²(n²-1)²}^-1

Для второй гармоники F₂ = -94 дБ, для третьей F₃ = -120 дБ. Требуемое значение -41 дБ.

5. Расчет цепи питания и смещения

L_бл = (5…10) R_н/щ_р = 20 мкГн

Рассчитаем резистивный делитель R₁R₂ в цепи смещения транзистора, учитывая следующие условия:

R_ист = = 405 Ом;

R_см= = 62 Ом;

С_бл = 10/(щR_см) = 942 пФ;

Е_п= u_отс = 0,6 В;

= R_ист.

Откуда R₁= 3830 Ом; R₂ = 464 Ом.

R_бл = (Е_п-U_к0)/I_к0 = 750 Ом.

4. Выбор элементной базы

В качестве активных элементов в разрабатываемом устройстве применим полупроводниковые приборы, так как энергетические характеристики устройства низкие. В качестве полупроводниковых транзисторов можно применить элементы типа КТ331: КТ928А:

f_t = 250 МГц; 250МГц;

С_к = 5 пФ; 10пф;

С_э = 8 пФ; 100пф;

ф_ос = 120 пс; 0.1нс;

u_отс = 0,6 В; 1В;

u_кдоп = 15 В; 60В;

u_кбдоп = 10В; 60В;

i_кдоп = 20 мА; 0.8А;

|u_бдоп| = 3В; 5В;

Р_доп = 1,5 Вт; 2Вт;

S_гр = 10 мА/В; 15мА/В;

В = 20…70. 20…100;

Модуляция осуществляется с помощью полупроводникового варикапа КВ121Б с параметрами:

Св0 = 100пФ (u_в = 4В);

Q = 150 (на частоте 50 МГц);

U_доп = 45 В;

Р_доп = 100 мВт;

н = 0,5.

Резисторы используются марки С2-29-0,25.

Резисторы данной марки имеют погрешность ±1, ±2%; ТКС(·10^-6) = 250…1000.

Номиналы сопротивлений лежат в пределах 1…10⁶ Ом.

Конденсаторы с постоянной емкостью марок:

К10-43а с номиналами 21,5п…0,0442; погрешность ±1, ±2, ±5%; группа по ТКЕ МП0.

К21-9б с номиналами 2,2 …5100п; погрешность ±2, ±5, ±10%; группа по ТКЕ МП0.

Конденсаторы с переменной емкостью марки:

КТ4-28 с номиналами 4…40п; погрешность ±10%; группа по ТКЕ М75.

Заключение

Нельзя стать квалифицированным инженером, не испытав на себе все тяжести проектирования радиопередающих устройств. Хотя, если с любовью подойти к выполнению данной работы, оказывается, проектировать радиопередатчики увлекательное занятие.

Устройство (радиопередатчик), спроектированное в работе - это уже готовый к применению узел, выполняющий заданные требования при заданных климатических параметрах.

Если полностью пересмотреть все расчеты и пересмотреть схемотехнические решения, то при более тщательном выборе и разработке схем можно получить либо относительно дешевый передатчик, либо достаточно компактный, либо, наконец, с малым потреблением энергии.

Список используемой литературы

1. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Методические указания к курсовому проектированию для студентов специальностей 200700, 201100, 201500 / Сост. А.Ю. Чернышев, М.И. Бастракова. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002. - 26 с.

2. Б.Е. Петров, В.А. Романюк Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах М.: Высш. шк., 1989 г.

3. Проектирование радиопередающих устройств: учебное пособие для высших учебных заведений /под ред. В.В. Шахгильдяна, М.: Радио и связь, 1993г.

4. Радиопередающие устройства /под ред. М.В. Благовещенского, Г.М. Уткина, М.: Радио и связь, 1982 г.

5. Радиопередающие устройства /под ред. В.В. Шахгильдяна, М.: Радио и связь, 1996 г.

6. В.И. Каганов Радиопередатчики малой и средней мощности М.-Л.: Энергия, 1964 г.

7. Радиопередающие устройства /под ред. Б.П. Терентьева, М.: Связь, 1972 г.

8. Радиоприемные устройства /под ред. Н.Н. Фомина, М.: Радио и связь, 1996 г.

Приложение

Задание конструктору.

Характеристики радиопередающего устройства:

Рабочая частота: 66,5 МГц

Допустимая нестабильность частоты: 30 Гц

Вид передаваемой информации: аналоговый

Полоса передаваемых частот: 40…15000 Гц

Допустимый уровень нелинейных искажений: 1%

Вид модуляции: ЧМ

Максимальная девиация частоты: ±50 кГц

Уровень побочных излучений: - 41 дБ

Выходная мощность: 1 Вт

Аппаратура должна отвечать следующим требованиям по ГОСТ 16019-78 для носимой аппаратуры:

Прочность при синусоидальных вибрациях: частота, Гц линейное ускорение, м/с2 время выдержки, час, не менее	20 19,6 0,5
Обнаружение резонансов в конструкции: диапазон частот, Гц амплитуда, мм время выдержки, мин, не менее	10..30 0,5..0,8 0,4
Устойчивость к синусоидальным вибрациям: диапазон частот, Гц линейное ускорение, м/с2 время выдержки, мин, не менее	-----
Устойчивость к механическим ударам: длительность действия ударного ускорения, мс частота, мин-1 максимальное линейное ускорение, м/c2 суммарное число ударов, не менее	------
Устойчивость к цикл. изменениям температуры: диапазон температур, К время выдержки, мин	------
Воздействие повышенной влажности: влажность, % температура, К время выдержки, час	80 298 48
Воздействие пониженной температуры: температура предельная, К температура рабочая, К время выдержки, час	233 278 2..6
Воздействие инея и росы: температура, К время выдержки, час	------
Воздействие повышенной температуры: температура предельная, К температура рабочая, К время выдержки, час	328 313 2..6
Воздействие пониженного атм. давления: температура, К давление, кПа время выдержки, час	263 61 2..6
Прочность при транспортировании: длительность ударного ускорения, мс частота, мин-1 максимальное линейное ускорение, м/с2 суммарное число ударов, не менее	5..10 40..80 49..245 13000
Прочность при воздействии синусоидальной вибрации: диапазон частот, Гц время выдержки, час линейное ускорение, м/с2	-------
Прочность при воздействии многократных ударов: длительность ударного ускорения, мс частота, мин-1 максимальное линейное ускорение, м/с2 суммарное число ударов, не менее	--------
Воздействие соляного (морского) тумана (95% капель): температура, К дисперсность, мкм водность, г/м3 время выдержки, час	300 1..10 2..3 24
Воздействие дождя: интенсивность, мм/мин время выдержки, мин, не менее	-----
Воздействие воздушно-пылевого потока: скорость, м/с, не менее время выдержки, мин, не менее	------

Устройство состоит из 3-х блоков: входной усилитель с модулятором и усилителем мощности, эталонный кварцевый генератор, система ФАПЧ.

Нужно разработать схему РПУ, рассчитать элементы схемы и выбрать аналоги.

Все испытания должны проводиться только в специально оборудованных помещениях и на специальном оборудовании.

Данное устройство размещается на одной печатной плате в соответствии с электрической принципиальной схемой.

Выбор типа и класса точности печатной платы

Исходя из того, что печатные платы 1-го и 2-го классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость, выбор пал на 2-й класс точности, как самый оптимальный для установочной серии.

Минимальная ширина проводника t и зазора s, мм 0,45

Предельное отклонение проводника

с металлическим покрытием, мм +0,15.. -0,1

Гарантийный поясок контактной площадки, мм 0,2

Допуск на отверстие диаметром до 1 мм

с металлизацией d, мм +0,1.. -0,15

- // - без металлизации +0,1

Допуск на отверстие диаметром свыше 1 мм

с металлизацией d, мм +0,15.. -0,2

- // - без металлизации ±0,15

Отношение диаметра металлизированного

Отверстия к толщине платы, у 0,4

Выбор внешних соединителей

Внешняя коммутация обеспечивается с помощью непосредственного сочленения с использованием проводников, соединенных в жгут. Для исключения влияний выходных цепей на входные, в разъеме их следует разнести.

Для 2-го класса точности при расстоянии между отверстиями 3.54мм их диаметр составляет 1.3 мм.

Выбор вариантов установки навесных элементов на печатную плату

В соответствии с ОСТом и требованиями, предъявляемыми к ФУ в качестве варианта для установки сопротивлений рекомендуется выбрать вариант 1а, который обеспечивает достаточную жесткость крепления. Для повышения устойчивости транзисторов к вибрации их дополнительно закрепить на радиаторах стандартным креплением.

Выбор материала печатной платы

Повышенные требования к функциональному узлу, в связи с жесткими условиями эксплуатации, вынуждают использовать в качестве основания печатной платы стеклотекстолит фольгированный. Данный материал по сравнению с гетинаксом обладает более высокими электроизоляционными свойствами, лучшей механической прочностью, обрабатываемостью, стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий. Длительно допустимая рабочая температура +160С⁰ (гетинакс +85С°), допустимая влажность окружающей среды для платы без дополнительной влагозащиты до 98% при t<40C° (45% при t=15..32 C°), стеклотекстолит имеет меньший тангенс угла потерь 0.035 (0,07) и меньшую диэлектрическую проницаемость 5,5 (7,0), что уменьшает паразитную емкость; влагопоглощение при толщине 1.5мм 20мг против 80мг для гетинакса, прочность на отслаивание фольги после кондиционирования в гальваническом растворе 3,6Н (1,8Н), прочность на отрыв контактной площадки 6011 (50ЕГ). Для наземной РЛС стоимость не является решающим фактором и им можно пренебречь. Наиболее полно отвечает требованиям стеклотекстолит марки СФ-1-35 (односторонний, толщина фольги 35 мкм.). Необходимая и достаточная толщина материала 1мм. (ГОСТ 10316-78).

Так как данное устройство маломощное помещаем плату в единый корпус, для естественного охлаждения в корпусе должны быть отверстия.

Рекомендуется установить регулятор и индикатор уровня сигнала, разъем для подключения антенны и элемента питания на задней стенке.

Отчётная документация должна содержать:

-схема структурная;

-схема функциональная;

-схема электрическая - принципиальная;

-спецификация структурной и электрической - принципиальной схемы;

-чертёж внешнего вида устройства.

Размещено на Allbest.ru