Розрахунок коливальної системи, автогенератора та діодного детектора

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Розрахунок коливальної системи

Коливальні системи у вигляді одиночних та зв'язаних контурів широко використовуються у різних пристроях: вибіркових підсилювачах високої та проміжної частоти, генераторах гармонійних коливань, вхідних колах, модулях тощо.

Вихідні дані варіант №51 [1]:

Схема коливальної системи з індуктивним зв'язком рисунок 1.1 б) [1].

Рисунок 1.1 - Схема зв'язаних контурів з індуктивним зв'язком.

1.1 Визначаємо необхідну еквівалентну добротність контурів за необхідною полосою пропускання та заданою величиною

Полоса пропускання зв'язаних контурів по рівню 3 дБ (0,707) визначається добротністю та величиною зв'язку:

Так як то використовуємо наступну формулу:



Виводимо формулу для обчислення добротності :

1.2 Визначаємо мінімальну ємність контуру

З графіку залежності мінімальної ємності від резонансної частоти приведеного на рисунку 1.2 [1], та задаємось ємностями контуру:

При значенні отримуємо

Так як

,

Тоді



Рисунок 1.2 Графік залежності мінімальної ємності від резонансної частоти

1.3 Визначаємо критичну ємність

Так як , тоді коефіцієнт включення приймаємо , розраховуємо резонансний опір ненавантаженого першого кола , так як це значення необхідно для розрахунку величини резистора :

Резистором необхідно затушувати перше коло для отримання необхідної полоси пропускання.



1.4 Розраховуємо коефіцієнт включення навантаження

Якщо в результаті розрахунків виходить що , то приймаємо . В нашому випадку , тому приймаємо значення отримане при розрахунку.

1.5 Визначаємо еквівалентну ємність та резонансний опір контурів:

1.6 Визначаємо повні індуктивності контурів

1.7 Виходячи із співвідношення

де:



Визначаємо величину взаємної індуктивності обмоток М вивівши формулу:

1.8 Для нашого випадку при наявності в схемі ємного дільника розраховуються значення ємностей та

Тепер необхідно побудувати АЧХ та ФЧХ зв'язних контурів. Для цього задаємось значеннями відносної розстрочки в межах .

Для побудови АЧХ скористаємося наступними формулами, при :

Далі необхідно розрахувати два максимуми на частотах та :

Для побудови ФЧХ визначаємо фазовий зсув:



Таблиця 1.1 Дані для побудови графіків

За результатами розрахунків будуємо АЧХ (рисунок 1.3) та ФЧХ (рисунок 1.4)

Рисунок 1.3 - Амплитудно-частотна характеристика



Рисунок 1.4 - Фазо-частотна характеристика



2. Розрахунок автогенератора

Генератором із самозбудженням (ГСЗ) або автогенератором називають електронний пристрій, що перетворює енергію джерел постійного струму в енергію високочастотних коливань без зовнішнього збудження. Це можливо завдяки тому, що частина енергії з виходу схеми подається на її вхід по ланцюгу зворотного зв'язку (ЗЗ) і створюються умови, що приводять до самозбудження.

Таким чином, ГСЗ представляє схему ГЗЗ (резонансний підсилювач), доповнену ланцюгом ЗЗ.

У курсовій роботі розраховується вдосконалена схема ємнісної триточки з повним фазуванням контуру (схема Клаппа) ( рисунок 2.1 [1]).

У коливальний контур додатково включений прискорювальний конденсатор С₃. Він необхідний, щоб компенсувати інерційність струму колектора в транзисторі при роботі ГСЗ в області високих частот, тобто компенсувати кут ц_s у рівнянні балансу фаз. При цьому контур може бути точно настроєний на частоту генеруємих коливань, що пояснює й назву схеми - схема з повним фазуванням. С₃ включають при значних кутах ц_s. Якщо обрані високочастотні транзистори й реально кути ц_s малі, то включення С₃ не доцільно.

Рисунок 2.1 - Схема генератора

Вихідні дані [1]:

Розрахунок проводиться в наступній послідовності:

2.1 Згідно методичних вказівок [2] обираємо високочастотний транзистор малої потужності

2.2

Вибираємо транзистор ГТ 313А, параметри приведені нижче:

ємність колекторного переходу	, пФ	2,5
ємність емітерного переходу	, пФ	1,4
постійна часу кола зворотній зв'язку	фк, пс	75
максимально допустимий струм колектору	Ік макс, мА	50
максимально допустима напруга колектор-емітер	Uкэ макс, В	12
коефіцієнт передачі за струмом в схемі	h21е	10-230
гранична частота	fгр, МГц	300
максимальна розсіювача потужність	Рк макс, мВт	100

Вольт-амперні характеристики представлені на рисунках 2.2 та 2.3.

Рисунок 2.2 - Вихідна вольт-амперна характеристика

Рисунок 2.3 - Вхідна вольт-амперна характеристика

Напругу відсічення базового струму визначаємо по вхідній характеристики транзистора (рисунок 2.3)

2.3 Напругу колекторного ланцюга та амплітуда імпульсу колекторного струму



2.4 На основі вхідної та вихідної характеристик транзистора будуємо прохідну характеристику транзистору та визначаємо значення крутизни струму колектору в області низьких частот

Рисунок 2.4 - Прохідна характеристика

де значення визначені з прохідної характеристики:

2.5 Визначаємо граничну частоту транзистору за крутизною



Отримане значення повинно задовольняти умові:

2.6 Визначаємо модуль крутизни колекторного струму в області генеруємої частоти

2.7 Визначити фазовий кут крутизни

2.8 Обираємо кут відсічки колекторного струму [4], тоді значення коефіцієнтів Берга в стаціонарному режимі роботи автогенератору будуть приймати значення

2.9 Визначаємо повну ємність коливального контуру та індуктивність котушки , згідно заданих значень



2.10 Визначаємо коефіцієнт включення контуру в колекторне коло

2.11 Визначаємо коефіцієнт зворотного зв'язку за умовами балансу амплітуд

коливальний контур діодний детектор

де - середня крутизна транзистора по першій гармоніки

2.12 Визначити значення ємностей коливальної системи автогенератору

2.13 Визначити ємність конденсаторів



2.14 Проводимо електричний розрахунок колекторного та базового кіл транзистору автогенератору

Для цього необхідно послідовно визначити значення наступних величин:

- постійна складова струму колектору:

- амплітуда першої гармоніки струму колектору:

- амплітуда напруги на контурі:

- амплітуда змінної напруги в колі бази:

- напруга зміщення в колі бази:

де - напруга відсічки базового струму;

- напруга джерела колекторного живлення:



де - значення опору резистора в колі емітера;

- індуктивність блокувального дроселя:

- коефіцієнт використання транзистору за колекторною напругою:

- потужність, споживана від джерела колекторного живлення:

- потужність, розсіювача на колекторі транзистору:

2.15 При розрахунку дільника в колі бази опір резисторів та обираємо виходячи з двох умов

- напруга зміщення повинна бути рівною значенню , отриманому в результаті розрахунків, з урахуванням дії кіл автоматичного зміщення:

де - це постійна складова струму бази

- для забезпечення високої добротності коливальної системи опір базового дільника повинна бути більш опору ветви контуру меж базою та емітером , а з точки зору термостабілізації не повинна перевищувати , тобто

Для виконання умови в необхідних випадках можна між дільником та базою транзистора включити блокувальний дросель , опір якого обирається з умови

На основі приведених вище обмежень обираємо опір :

Далі розраховуємо значення опорів та :



2.16 Ємність конденсатору по відомим значенням визначають із умови



3. Розрахунок діодного детектору

Детектування амплітудно-модульованих коливань здійснюється за допомогою транзисторних або діодних детекторів. В каналах передачі інформації широко використовуються діодні детектори.

Вихідні дані [1]:

Рисунок 3.1 - Схема детектору

Розрахунок діодного детектору виконуємо в наступній послідовності:

3.1 З довідкової літератури [2] обираємо діод ГД508А

За вольт - амперною характеристикою обраного діода (рисунок 3.2) на основі її лінійної апроксимації визначаємо значення



Знайдемо значення прямого навантаження :

Знайдемо значення зворотнього навантаження :

Рисунок 3.2 ВАХ діода ГД508А

Значення прямого та зворотнього струмів знаходимо з графіку ВАХ діода:

Далі визначаємо внутрішній опір :



Далі визначаємо зворотній опір :

3.2 Знайдемо опір з рівняння [1]:

3.3 Опір визначимо виходячи з припустимої втрати чутливості викликаної поділом навантаження, звичайно

3.4 Знайдемо сумарний опір навантаження детектору

3.5 За графіком на рисунку 3.3 [1] при визначаємо



- кут відсічки.

3.6 За графіком на рисунку 3.3 при визначаємо (вхідний опір детектора) та (опір детектора)

3.7 Коефіцієнт включення детектора в коливальному контурі останнього каскаду ППЧ розраховуємо за формулою

де - полоса пропускання коливального контуру ППЧ.



3.8 Приведену ємність навантаження , припустиму за нелінійним спотворенням визначаємо за формулою

3.9 Приведена ємність допустима за частотними спотвореннями

де - опір детектора, визначений за графіком (рисунок 3.3) заданого значення .

3.10 З двох розрахованих значень та в якості приведеної ємності навантаження приймаємо найменше значення

.

3.11 Еквівалентну ємність

обирають з умови ефективної фільтрації



3.12 Ємність

де - ємність монтажу, котра звичайно становить 10 … 20пФ, якщо тоді конденсатор не встановлюють.

3.13 Ємність

3.14 Ємність роздільного конденсатору визначають, виходячи з допустимих частотних спотворень на нижчих частотах модуляції

3.15 Коефіцієнт передачі детектора розраховуємо за формулою

3.16 Коефіцієнт фільтрації

де - ємність діода .



4. Проектування каналу передачі інформації

Ескізне проектування каналу передачі інформації включає розробку структурної схеми передаючого та приймального пристрою і визначення їх основних параметрів.

Вихідні дані [1]:

- несуча частота -

- спектр модульованого сигналу - - 0,05 - 15 кГц;

- проміжна частота - ;

- вид модуляції - ОБП;

- тип пристрою - детектор

Модуляція - процес зміни одного або декількох параметрів несучого коливання відповідно до змін миттєвого значення переданого сигналу.

Несуче коливання - це високочастотне електромагнітне коливання, призначене для отримання модульованого сигналу електрозв'язку.

При проектуванні передаючої частини будується багатокаскадна схема з урахуванням множення частоти в n=3-12 рази, при цьому визначається як , з умовою границі 2-12 МГц.

Вибір значення пояснює оптимальні розміри кварцових резонаторів для даної полоси частот.

У передавачах з AM, що реалізовують метод передачі однієї бічної полоси необхідно враховувати труднощі розділення бічних полос в області високих частот. Тому в передавачах з ОБП модуляція здійснюється в два етапи. На щодо низьких частотах можна надійніше розділити бічні полоси. Після цього одна з бічних використовується як моделююча частота в другому модуляторі. При цьому бічні полоси виявляються достатньо рознесеними і їх розділення не представляє трудності.

Рисунок 4.1 - Схема формування сигналів в передавачах з ОБП

У передавачах з ОБП потрібно використовувати балансні схеми модуляторів (БМ), на виході яких відсутня несуча частота. Розділення бічних полос в схемі на рисунку 4.2 здійснюють полосові фільтри (ПФ).

У багатьох випадках для синхронізації генераторів в пунктах прийому в передавачах передбачають передачу спеціального синхронізуючого «пилот-сигнала» або ослаблений несучій коливання.

Рисунок 4.2 - Структурна схема передавача з передачею однієї бічної полоси

Переваги передачі ОБП:

1. Зменшення удвічі полоси частот, необхідної для передачі сигналу. Це дозволяє збільшити в 2 рази число каналів в тій же полосі частот. Зменшення полоси пропускання приймача дозволяє зменшити потужність перешкод на вході.

2. При передачі ОБП досягається великий енергетичний виграш, оскільки в лінію не передається несуче коливання і інша бічна, а потужність коливань однієї бічної смуги частот Р_бп невелика.

Якщо врахувати, що в режимі мовчання БП відсутні, то енергетичний виграш буде ще більший.

Недоліки передачі ОБП:

Для демодуляції сигналів ОБП в пункті прийому необхідно мати несуче коливання. Причому в багатоканальних системах передачі частоти несучих коливань при передачі і прийомі повинні відрізнятися не більше ніж на 1Гц.

Несуче коливання, в пункті прийому подають від місцевого генераторного устаткування. У необхідних випадках передбачається передача спеціального пилот-сигнала для синхронізації місцевого генератора.

Складність прийому радіосигналів з ОБП полягає в тім, що він не може бути демодулірован звичайним амплітудним детектором, тому що для нормальної роботи амплітудного детектора необхідно коливання несучої частоти, що у сигналі з однією бічною полосою відсутній. Тому для демодуляції ОБП сигналів необхідно в прийомному пристрої відновлювати коливання несучої частоти, подавлені в передавальному пристрої при формуванні ОБП сигналу, тобто мати джерело коливань несучої частоти. По сталій термінології це високочастотне коливання називають коливанням місцевої, або відновлюваної, несучої. Структурна схема приймального пристрою представлена на рисунку 4.3.

Рисунок 4.3 Структурна схема приймального пристрою.

Приймальний пристрій призначений для перенесення прийнятого сигналу з області верхніх частот в область нижніх частот, тобто приймальний пристрій виконує дії зворотні передавачу.

Сигнал з антени поступає на вхідний пристрій (Вх.цепь), який забезпечує виділення корисного сигналу зі всієї суми коливань що діють на вході. Далі сигнал поступає на підсилювач ВЧ (УВЧ). Полоса пропускання УВЧ:

Після підсилення сигнал поступає на змішувач (СМ). На змішувач також поступає частота з гетеродина:

На виході змішувача маємо два сигнали і , які

поступають на підсилювач проміжної частоти УПЧ, який виділяє сигнал і підсилює його.

Після УПЧ сигнал поступає на детектор Д до якого підключене гетеродин для відновлення коливання несучої частоти, подавленій в передавальному пристрої при формуванні ОБП сигналу. Після демодуляції сигнал поступає на фільтр низької частоти - призначений для фільтрації на низьких частотах ОБП -- однополосного сигналу з подавленям несучої з полосою , виділена моделююча звукова частота F посилюється підсилювачем низької частоти УНЧ і після чого поступає на гучномовець.

Рисунок 4.4 - Перетворення сигналів в приймальному пристрої

Опишемо значення та структуру детектора ОБП.

Для демодуляції при прийомі ОБП необхідно встановити несучу. Для цього в приймачі встановлюється генератор несучої частоти, та обидві частоти (прийнята бокова і місцева несуча) впливають на нелінійний елемент (детектор). На виході детектора виходить складне несинусоїдальне коливання, із якого за допомогою фільтра нижніх частот виділяється передане повідомлення.

Простіший детектор ОБП зображений на рисунку 4.5. На вхід подаються бокова частота та несуча частота від генератора. В якості детектора використовується діод, а в якості фільтра ємність С, яка подавляє (шунтує) непотрібні частоти (несучу та одну бічну).



Рисунок 4.5 Схема детектору ОБП



Список літератури

1. Елизаренко А.В., Кнышев И.П. Методические указания и задания №196: к курсовой работе по дисциплине «Каналообразующие устройства». -Харьков: ХИИТ, 1992. - 28с.

2. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам - Киев: Техника, 1984. -424с.

3. Горелов Г.В., Волков А.А., Шелухин В.Н. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007

4. Радиосвязь на железнодорожном транспорте / Под ред. П.Н. Рамлау. -М : транспорт, 1983. -366с.

5. Єлізаренко О.В., Єлізаренко А.О. Коливальні кола та генератори, Модулятор: Конспекти лекцій. - Харків: УкрДАЗТ, 2010.

6. Муравьев О.Л. Радиопередающие устройства: Учебное программированное пособие для техникумов. -М.: Связь, 1974.

7. Теория передачи сигналов на железнодорожном транспорте: Учеб. Для вузов ж-д трансп. / Г.В. Горелов, А.Ф. Фомин, А.А. Волков, В.К. Котов. М.: Транспорт, 2001. - 415с.

Размещено на Allbest.ru