Разработка устройства для передачи сигнала на частоте 88-102 МГц

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

ГОУ Тираспольский Техникум Информатики и Права

Отделение Информационных технологий

Дипломная работа

Тема: «Разработка устройства для передачи сигнала на частоте 88-102 МГц»

Исполнитель:

Таров Андрей Викторович, гр. 414.

Специальность: ТОСВТ и КС

Руководитель:

преподаватель отделения ИТ

Петрова Юлия Владимировна

г. Тирасполь 2012 г.

Задание на дипломную работу

Студент: Таров Андрей Викторович группа: 414

Тема работы: «Разработка учебного стенда «Устройство и принцип работы принтера» как средство повышения качества подготовки учащихся специальности «Техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей»

Утверждена приказом №_______________дата____________

Срок сдачи работы: " " 2012 г.

Перечень вопросов дипломной работы:

Обзор литературных данных по теме диплома

Провести исследования по данной тематике:

разработка схемы

спроектировать стенд, устройство, узел.

написать программу

анализ рабочих характеристик

Привести инженерные расчеты данного разрабатываемого устройства

Задание по экономической части: Организация ремонтного хозяйства

Задание по охране труда: Меры безопасности при техническом обслуживании электронной техники

Руководитель ________________________, «____ »__________20 г.

(подпись)

Задание принял к исполнению___________, «____ »__________20 г.

(подпись)

Оглавление

Введение

Глава 1. Техническая часть. Разработка устройства для передачи сигнала на частоте 88-102 МГц

1.1 Аналитический обзор по теме

1.1.1 Классификация радиопередающих устройств

1.1.2 Антенны в современной радиоэлектронике

1.1.3 Назначение антенн

1.1.4 Основные параметры антенн

1.1.5 Классификация антенн

1.1.6 Составление и расчет структурной схемы передатчика

1.2 Практическая часть. Разработка принципиальной схемы

1.2.1 Выбор и обоснование функциональной схемы FM-модулятора

1.2.2 Разработка структурной схемы FM-модулятора

1.2.3 Разработка принципиальной схемы FM-модулятора

1.2.4 Описание конструкции устройства

1.2.5 Изготовление печатной платы

Глава 2. Предприятие как основное звено экономической системы

2.1 Понятие, признаки, задачи предприятия

2.2 Формы предприятия

2.3 Структура предприятия

2.4 Совершенствование процесса производства на предприятие "Витнес -строй"

Глава 3. Охрана труда. Безопасность работы с электронной техникой 68

3.1 Анализ условий труда

3.2 Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны

3.3 Мероприятия по защите от шума и вибрации

3.4 Требования к освещению в производственных помещениях с электронной аппаратурой

3.5 Меры подавления статической электризации

3.6 Обеспечение электробезопасности

3.7 Требования безопасности при работе с компьютерной техникой

3.8 Требования безопасности при наладке и ремонте

3.9 Требования пожарной безопасности

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Техника радиопередающих устройств развивается непрерывно и интенсивно. Это обусловлено определяющей ролью передатчиков в энергопотреблении, качестве работы, надежности, стоимости радиосистем передачи и извлечении информации, радиоуправлении.

Радиопередающее устройство - это источник радиочастотных колебаний в системах радиосвязи, телевидения, радиолокации и др. Назначение передатчика - сформировать радиосигнал в соответствии с требованиями, установленными при разработке системы, и подвести его к антенне или к линии связи.

Радиосигналом называют колебание радиочастоты, один или несколько параметров которого изменяются (модулируются) в соответствии с передаваемым сообщением (информацией). В радиосвязи используется частотная модуляция.

Требования, которым должен удовлетворять передатчик, это, прежде всего, простота схемного исполнения, дешевизна, возможность работы в широком диапазоне температур окружающей среды, простота в обращении, малое энергопотребление, а также требование к радиосигналу, связанное с выбором способа модуляции сигнала, - получение заданной точности воспроизведения закона модуляции на приемной стороне канала связи.

В данной работе необходимо спроектировать и рассчитать передатчик, работающий на частоте 88-102 МГц.

Данная работа является актуальной, так как радиосвязь считается наиболее доступным способом передавать информацию на большие расстояния. Радиопередающие устройства используются для различных целей в области научных исследований, в промышленности, медицине, быту.

Целью данной дипломной работы является исследование схемотехнических решений устройств для передачи сигнала на частоте 88-102- Мгц, разработка структурной и принципиальной схемы, изготовление макета.

Для реализации поставленных целей нужно решить следующие задачи:

рассмотреть литературные данные по теме диплома, провести исследования по данной тематике (разработать схемы, спроектировать устройство, проанализировать рабочие характеристики устройства), привести инженерные расчеты данного разрабатываемого устройства.

Глава 1. Техническая часть. Разработка устройства для передачи сигнала на частоте 88-102 МГц

1.1 Аналитический обзор по теме

1.1.1 Классификация радиопередающих устройств

Радиопередающим называют радиотехническое устройство, которое может передать различные электрические сигналы без проводов, с помощью излучаемых радиоволн.

В современных условиях радиопередающие устройства широко применяются для связи, радиовещания, телевидения, радионавигации и радиолокации. Они используются для различных целей в области научных исследований, в промышленности, медицине, быту. С их помощью осуществляется управление космическими кораблями и межпланетными автоматическими станциями и т. д. Поэтому в настоящее время имеется большое разнообразие типов передатчиков, резко отличающихся по своим техническим показателям. Они классифицируются по диапазону волн, по назначению и мощности, по роду работ, по способу транспортировки и т. д.

По диапазону волн различают следующие передатчики: длинноволновые, средневолновые, коротковолновые и ультракоротковолновые.

В диапазоне УКВ, кроме того, имеется добавочная классификация передатчиков:

метровых волн -- 1 ~ 10 м (f -- 300 -f- 30 Мгц)\ дециметровых волн -- 10 - 100 см (/ = 3000 300 Мгц)\ сантиметровых воли -- 1 ~ 10 см (/ = 30 000 -f- 3000 Мгц)\ миллиметровых волн -- короче 1 см (f > 30 000 Мгц). Название передатчиков с комбинированным диапазоном дается по тому участку волн, который имеет наибольшую ширину.

В зависимости от назначения передатчики называются связными, радиовещательными, телевизионными, радиолокационными, радиона-вигационными и др.

По мощности передатчики считаются маломощными (с мощностью в антенне менее 5--10 вт), средней мощности (с мощностью от 10 до 1000 вт), мощными (с мощностью в несколько десятков киловатт) и сверхмощными (с мощностью в сотни и тысячи киловатт).

По способу транспортировки передатчики делятся на стационарные и подвижные, а подвижные в свою очередь -- на самолетные, судовые, автомобильные, переносные и др.

По роду работы различают следующие передатчики: телеграфные, телефонные, многоканальные, радиорелейных линий, управляющих импульсов (телемеханические), телевизионные и др.

По характеру работы все передатчики можно разделить на две группы. В первую группу входят передатчики связи, радиовещания, телевидения, некоторые радионавигационные передатчики и передатчики линий телеуправления. Особенностью их является непрерывное излучение сигналов. Во вторую группу входят передатчики радиолокационных станций, многоканальной связи и некоторые радионавигационные передатчики. Они имеют импульсное излучение сигналов.

Рассмотрим принцип работы передатчиков с непрерывным излучением сигналов.

Структурная схема передатчика с непрерывным излучением сигналов изображена на рис. 1.



Рис.1. Структурная схема передатчика с непрерывным излучением сигналов

В нее входят: антенна (излучающая система), источник тока высокой частоты (генератор), модулятор (или манипулятор), источник питания.

Работу радиопередающего устройства можно представить в следующем виде. Источник тока высокой частоты (генератор) возбуждает в антенне колебания

(1),

называемые несущими. Частота их, называемая также несущей, является рабочей частотой передатчика. Величина Ia- называется амплитудой несущих колсбаний, а иногда -- амплитудой несущей волны.

При наличии высокочастотных колебаний антенна излучает в пространство радиоволну (несущую) длиной

(2),

где с -- 3 * 108 м 'сек -- скорость распространения волны, равная скорости света.

Процесс передачи состоит в том, что у высокочастотного колебания в антенне по закону передаваемого сигнала (сообщения) изменяется или амплитуда, или частота, или фаза, вызывая соответствующие изменения излучаемой волны. Этот процесс получил название модуляции.

Способ модуляции также определяется при проектировании радио-системы. Различают следующие виды модуляции:

-- амплитудная (AM), применяемая в радиовещании, связи, телевидении. Модуляция импульсами используется в многоканальных системах связи с временным разделением каналов и в радиолокационных системах,

-- частотная (ЧМ), применяемая в высококачественном радиовещании, в радиорелейных линиях с большим числом каналов, в радиолокационных системах непрерывного излучения. В системах частотной телеграфии (манипуляции) частота сигнала меняется скачком и может принимать два или несколько фиксированных значений;

-- фазовая (ФМ), используемая в радиосвязи;

-- фазовая манипуляция, при которой фаза колебаний изменяется скачком;

-- комбинированные виды модуляции.

Основное требование к радиосигналу, связанное с выбором способа модуляции сигнала, -- получение заданной точности воспроизведения закона модуляции на приемной стороне канала связи. В передатчике точность воспроизведения определяется качеством сигнала, которое характеризуется допустимыми искажениями: частотными, фазовыми, нелинейными и т. п.

При любых видах модуляции энергия сигнала локализована в узкой полосе частот радиоспектра. Это означает, что радиосигнал представляет собой колебание, близкое к гармоническому. Поэтому основным сигналом, для которого рассчитываются режимы каскадов передатчика, является гармонический.

Современные передатчики должны иметь возможность быстро пере-страиваться на любую из большого числа дискретных стабильных частот заданного диапазона. Поэтому в них вместо простых возбудителей применяются синтезаторы сетки стабильных частот и каскады усиления и умножения в широкой полосе частот.

Требования к передатчику -- электрические и конструктивные -- вытекают из технических условий на радиосистему, в составе которой он работает. Дополнительно указываются требования к экономическим характеристикам передатчика, времени перестройки с одной волны на другую, а также условия электромагнитной совместимости с другой аппаратурой, ограничивающие допустимый уровень побочных излучений.

Экономичность передатчика определяется промышленным коэффи-циентом полезного действия (КПД), т. е. отношением мощности в нагрузке к полной мощности, потребляемой от источников питания. Помимо удешевления эксплуатации при повышении КПД снижается рассеяние тепла и упрощается система охлаждения.

Среди прочих можно назвать требования к безопасности и удобству обслуживания, надежности, массе, габаритным размерам и стоимости, приспособленности к работе в заданных условиях, технологичности конструкции. Какие из них важнее, зависит от конкретных условий работы радиосистемы в целом и передатчика как ее части.

1.1.2 Антенны в современной радиоэлектронике

Расширение круга задач, решаемых современной радиоэлектроникой, а также их усложнение стимулировало в последние десятилетия интенсивное развитие теории и техники антенн. Основные области использования радиоэлектроники -- связь, телевидение, радиолокация, радиоуправление, радиоастрономия, а также системы определения государственной принадлежности, инструментальной посадки, радиоэлектронного противодействия, телеметрия и другие невозможны без применения антенн с различными характеристиками. В процессе развития антенн они усложнялись, появлялись принципиально новые их классы, расширялись выполняемые функции, и антенны зачастую превращались из простых взаимных устройств в сложные динамические системы, содержащие в большинстве случаев сотни, тысячи различных элементов.

Конструктивно антенны в процессе развития также существенно видоизменялись. Наряду с проволочными вибраторными антеннами, созданными на первых этапах развития, широко распространены антенны апертурные, бегущей волны, фазированные антенные решетки (ФАР), активные ФАР (АФАР), антенны с обработкой сигнала и др. Разработаны щелевые, импедансные, диэлектрические, ферритовые, печатные и другие типы конструктивного исполнения антенн.

Кроме излучения и приема электромагнитных волн для передачи информации на расстояние антенная система стала выполнять дополнительные функции: определение угловых координат источников излучения (с возможно большей точностью и разрешающей способностью); усиление сигналов, пространственную, временную, пространственно-временную обработку принятых сигналов, адаптацию, самонастройку для обеспечения помехозащищенности и электромагнитной совместимости. В ряде случаев антенна должна решать задачи получения внекоординатной информации об отражающем объекте, распознавания образа или осуществления радиовидения путем поляризационной обработки и голографических методов преобразования приходящих электромагнитных полей радиодиапазона. В некоторых антенных задачах возникает необходимость получения пространственно-временной фильтрации «полей источников, расположенных в зоне Френеля. Прорабатывается ряд новых областей использования антенной техники. Например, для решения энергетических проблем предлагаются антенные СВЧ системы передачи мощности на сверхдальние расстояния и орбитальные солнечные станции с активными антенными решетками для. канализации энергии на землю. Огромную роль играет антенная техника в решении проблем космического оружия.

Таким образом, наряду с антеннами, представляющими простые взаимные устройства, применяются активные электрически управляемые антенные системы с присущими им характеристиками управления, динамического диапазона, нелинейностью, быстродействием, гиротропией и т. д. Расчет и проектирование таких современных антенн базируется не только на прикладной электродинамике, но и на теории радиотехнических систем и сигналов, электронных цепей, технической кибернетики и т. д. Реализуемость требуемых антенных характеристик во многом определяется существующей технологической и элементной базой, материалами, активными приборами, фазовращателями, микропроцессорной техникой и ЦВМ.

1.1.3 Назначение антенн

Антенной называется радиотехническое устройство, предназначенное для излучения или приема электромагнитных волн. Антенна является одним из важнейших элементов любой радиотехнической системы, связанной с излучением или приемом радиоволи. К таким системам относят: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиоуправления, радиорелейной связи, радиолокации, радиоастрономии, радионавигации и др.

В конструктивном отношении антенна представляет собой провода, металлические поверхности, диэлектрики, магнитодиэлектрики. Назначение антенны поясняется упрощенной схемой радиолинии (рис.1).

Рис. 2. Упрощенная схема радиолинии

Электромагнитные колебания высокой частоты, модулированные полезным сигналом и создаваемые генератором, преобразуются передающей антенной в электромагнитные волны и излучаются в пространство. Обычно электромагнитные колебания подводят от передатчика к антенне не непосредственно, а с помощью линии питания (линия передачи электромагнитных воли, фидер).

При этом вдоль фидера распространяются связанные с ним электромагнитные волны, которые преобразуются антенной в расходящиеся электромагнитные волны свободного пространства.

Приемная антенна улавливает свободные радиоволны и преобразует их в связанные волны, подводимые с помощью фидера к приемнику. В соответствии с принципом обратимости антенн свойства антенны, работающей в режиме передачи, не изменяются при работе этой антенны в приемном режиме.

Способность антенны излучать электромагнитные волны с различной интенсивностью в разных направлениях характеризуется ее направленными свойствами. Антенны, обладающие этими свойствами, позволяют без увеличения мощности передатчика увеличивать напряженность электромагнитного поля в необходимом направлении в сотни тысяч и даже миллионы раз путем концентрации электромагнитных волн в узкие пучки. В большинстве случаев это экономически более выгодно, чем увеличение напряженности поля увеличением мощности передатчика. Кроме того, концентрация электромагнитных воли в требуемом направлении приводит к уменьшению взаимных помех различных радиотехнических систем. Наличие направленных свойств у приемных антенн, т. е. различная эффективность приема волн, приходящих с различных направле¬ний (пространственная избирательность), ведет к ослаблению приема различных внешних помех, т. е. к повышению качества приема и улучшению помехозащищенности приемного устройства.

Чтобы антенна концентрировала излучаемые электромагнитные волны в узкий пучок лучей, ее размеры должны значительно превосходить длину волны. Большим направленным действием должны обладать антенны для космической радиосвязи, радиоастрономии, радиолокации, радиорелейных линий.

Необходимо иметь в виду, что в ряде случаев к антеннам предъявляют требования всенаправленности (в одной плоскости). Например, радиовещательные и телевизионные антенны, расположенные в центре страны или области, должны в плоскости земли (горизонтальная плоскость) излучать во все стороны одинаково. Направленные свойства являются настолько важными, что принято говорить о двух функциях, выполняемых антенной: 1) преобразование электромагнитных колебаний в свободные электромагнитные волны; 2) излучение этих волн в определенных направлениях.

Важную роль в работе антенного устройства играет линия питания (фидерный тракт), которая передает (канализирует) электромагнитную энергию от генератора к антенне (или от антенны к приемнику). Фидер не должен излучать электромагнитные волны и должен иметь минимальные потери. Его необходимо согласовывать с выходной цепью передатчика (или с входной цепью приемника) и с входным сопротивлением антенны, т. е. в фидере должен существовать режим бегущей волны или близкий к нему. В зависимости от диапазона радиоволн применяют различные типы фидеров: двухпроводные или многопроводные воздушные фидеры, несимметричные экранированные (коаксиальные) линии, различные типы волноводов и др.

1.1.4 Основные параметры антенн

Способность антенны излучать энергию в свободном направлении называется направленностью антенны.

По данному свойству антенны можно разделить на классы:

1) Ненаправленные (изотропные) антенны излучают энергию по всем направлениям одинаково.

2) Направленные антенны или слабонаправленные антенны излучают энергию преимущественно в одном или нескольких заданных направлениях.

3) Остронаправленные излучают энергию в одном направлении.

4) Сверхнаправленные излучают энергию не только в одном направлении, но и в пределах очень небольшого телесного угла.

5) Антенны, формирующие излучение специальной формы.

Диаграмма направленности (Д.Н.) антенны - это зависимость излучаемой мощности в пространство как функции угловых координат.

Данная зависимость может выражаться аналитически (формулой), таблично, графически. Такие Д.Н. являются пространственными. Их недостаток - плохое зрительное восприятие.

Если воспользоваться принципом независимости, то можно изобразить Д.Н. антенны в двух основных ортогональных плоскостях. Для определённости принято пользоваться ориентацией электромагнитного поля, то есть плоскостями, в которых расположены векторы электрического и магнитного полей, излучаемого поля. Напоминание: из курса теории электромагнитного поля известно, что векторы и также ортогональны.

От главного направления, где мощность максимальна, как правило, если не оговаривается иное, ведётся отсчёт угловых координат.

Для того чтобы Д.Н. не зависела от излучаемой мощности, их нормируют, т.е. все значения мощности делят на величину мощности, излучаемой в главном направлении. Для выявления особенностей Д.Н. нормированные значения логарифмируют. Шириной Д.Н. в данной плоскости называется угол, в пределах которого мощность излучения не менее чем в 2 раза больше мощности, излучаемой в других направлениях.

Рис. 3. Типы ДН антенн

На рисунке 1:

? кривая 1 соответствует п. 1.1

? кривая 2 соответствует п. 1.2

? кривая 3 соответствует п. 1.3

? кривая 4 соответствует п. 1.4

? кривая 5 соответствует п. 1.5

1, 2, 3 - называются боковыми лепестками и имеют соответствующую нумерацию: первый боковой лепесток, второй боковой лепесток, третий второй боковой лепесток и т. д. боковые лепестки.

Каждый из боковых лепестков характеризуется уровнем и обозначается следующим образом: например УБЛ = - 30 дБ.

Ширина Д.Н. определяется как величина угла пересечения пунктирной линии на рис. 1. на уровне 0,5 или - 3 дБ и Д. Н.

Важным параметром является входное сопротивление антенны, характеризующее ее как нагрузку для генератора или фидера. Входным сопротивлением антенны называется отношение напряжения между точками питания антенны (зажимы антенны) к току в этих точках. Если антенна питается волноводом, то входное сопротивление определяется отражениями, возникающими в волноводном тракте. В общем случае входное сопротивление-- величина комплексная: ZBX=RBх+iXBx- Оно должно быть согласовано с волновым сопротивлением фидерного тракта (или с выходным сопротивлением генератора) так, чтобы обеспечить в последнем режим, близкий к режиму бегущей волны.

Мощность, излучаемая антенной связана с током в точках питания антенны соотношением P?=I02/R?o/2, где R?o -- активная составляющая входного сопротивления антенны; при отсутствии потерь в ней (?=1)--это сопротивление излучения. Данное определение относится к проволочным антеннам.

Одним из основных параметров антенны является ширина ее рабочей полосы частот, в пределах которой параметры антенны (характеристика направленности, входное сопротивление, КПД и др.) удовлетворяют определенным техническим требованиям. Требования к постоянству параметров антенны в пределах рабочей полосы могут быть различными; они зависят от условий работы антенны.

Обычно рабочая полоса частот определяется тем параметром, значение которого при изменении частоты раньше других выходит из допустимых пределов. Очень часто таким параметром является входное сопротивление антенны. Изменение его при изменении частоты приводит к рассогласованию антенны с фидером. В ряде случаев ширина рабочего диапазона определяется ухудшением одного из параметров, характеризующих направленные свойства: изменением направления максимального излучения, расширением диаграммы направленности (ДН), уменьшением КНД и др. В зависимости от ширины рабочего диапазона антенны условно разбивают на: а) узкополосные (настроенные), относительная рабочая полоса которых менее 10% номинальной частоты; б) широкополосные, с рабочей полосой частот 10... 50%; в) диапазонные, коэффициент перекрытия которых (fmax/fmin) составляет примерно 2... 5; г) частотно-независимые (сверхширокополосные), с коэффициентом перекрытия, теоретически не зависящим от частоты (практически коэффициент перекрытия таких антенн больше пяти).

Векторы Е и Н излучаемого антенной электромагнитного поля определенным образом ориентированы в пространстве. Направление этих векторов определяется плоскостью поляризации электромагнитного поля.

Еще одним параметром антенны является предельная мощность, которую можно подвести к антенне без опасности ее разрушения и не вызывая пробоя окружающей среды.

1.1.5 Классификация антенн

Антенны можно классифицировать по различным признакам: по диапазонному принципу, по характеру излучающих элементов (антенны с линейными токами, или вибраторные антенны, антенны, излучающие через раскрыв -- апертурные антенны, антенны поверхностных волн) -, по виду радиотехнической системы, в которой используется антенна (антенны для радиосвязи, для радиовещания, телевизионные и др.)- Хотя в различных диапазонах волн очень часто применяют антенны с одинаковыми (по типу) излучающими элементами, однако конструктивное выполнение их различное; значительно отличаются также параметры этих антенн и требования, предъявляемые к ним.

1.1.6 Составление и расчет структурной схемы передатчика

Радиопередатчик любого назначения обеспечивает:

? Генерирование высокочастотных колебаний с заданной частотой и стабильностью частоты.

? Усиление высокочастотных колебаний до требуемого уровня мощности.

? Управление одним или несколькими параметрами высокочастотных колебаний по закону изменения передаваемого сигнала.

Требования, предъявляемые к передатчику, можно обеспечить при разных вариантах построения его схемы. Не проводя полного электрического расчёта, можно, пользуясь оценочными сведениями и формулами, сопоставить структурные схемы этих вариантов и выбрать лучший из них.

В подавляющем большинстве случаев к передатчикам предъявляется требование высокой стабильности частоты. Как правило, это требование выполняется за счёт использования кварцевой стабилизации. Так как транзисторный автогенератор, стабилизированный по частоте кварцевым резонатором, имеет очень небольшую мощность, современные передатчики строятся по структурной многокаскадной схеме.

Для определения числа усилительных каскадов необходимо рассчитать колебательную мощность, отдаваемую АЭ выходного усилителя в максимальном режиме. Выбрав способ формирования заданного вида модуляции; определив принцип построения выходного каскада и тип применяемых в нём транзисторов; выяснив, что передатчик должен быть многокаскадным; решили вопрос о возможности применения типового возбудителя и необходимости разработки автогенератора: определили число умножения частоты. На основании этих данных есть возможность составить функциональную схему и определить общее число усилителей и других каскадов, типы транзисторов в них, необходимые питающие напряжения. Расчёт эскизного варианта структурной схемы проводится без детального расчёта режима каждого каскада на основе справочных данных о транзисторах. Эти данные позволяют подобрать несколько типов транзисторов, мощности и рабочие частоты, которые близки к требуемым для рассматриваемого каскада.

Для реализации указанных технических данных передатчик можно построить по схеме с кварцевым автогенератором и умножителями частоты.

Кварцевый автогенератор является составной частью возбудителей, синтезаторов частот радиопередающих и радиоприёмных устройств, а также аппаратуры для частотных и временных измерений. Существует большое количество схем АГ, стабилизированных кварцевым резонатором. Их классифицируют на однокаскадные и многокаскадные. Однокаскадные АГ чаще всего строят по трехточечным схемам. Основное применение нашла схема ёмкостной трёхточки как наиболее надёжная и стабильная. Многокаскадные АГ содержат два или более активных элементов, а КР обычно включают в цепь обратной связи, что позволяет реализовать режим с малыми значениями мощности Ркв и долговременной нестабильности частоты. В осцилляторных схемах КР является элементом контура КАГ и играет в нём роль индуктивности. В таких схемах КР работает на частотах выше частоты последовательного резонанса, где его эквивалентная индуктивность достигает больших значений. Основным достоинством таких схем являются простота схемной реализации и малые значения относительной нестабильности частоты колебаний. Частоту задающего генератора с целью обеспечения её высокой стабильности выбираем порядка (1 - 10)МГц. В осцилляторных схемах контур КАГ выполняется с таким расчётом, чтобы при выходе из строя КР нарушалось условие самовозбуждения трёхточечной схемы автогенератора.

Рис. 4. Схема автогенератора

Для уменьшения дестабилизирующего влияния непостоянной нагрузки АГ надо связывать с последующей схемой - умножителем частоты через буферный каскад - эмиттерный повторитель. Эмиттерным повторителем является каскад с ОК. У такого каскада высокое входное и малое выходное сопротивления. В силу того, что напряжение на выходе каскада с ОК, " снимаемое с эмиттера", по значению и полярности близко к действующему на входе и как бы повторяет его, поэтому такой каскад называют эмиттерный повторитель. Коэффициент передачи такого каскада близок к единице.

Рис. 5. Схема эмиттерного повторителя

Для передатчика допустимо использовать только стандартные напряжения при питании его от электросети через выпрямители, а также типовые гальванические батареи и аккумуляторы в зависимости от условий эксплуатации. Особенно важно подобрать напряжение питания для выходного каскада, определяющего КПД всего передатчика. Если Ек выбрать равным наибольшему предельно допустимому для данного типа транзистора, то следует ожидать существенного снижения его надёжности из - за опасности пробоя. Если же значительно недоиспользовать транзистор по Ек, то снизится КПД коллекторной цепи, потребуется более интенсивное охлаждение. Промежуточные каскады проектируются либо с расчётом на такое же напряжения питания, как и в выходном каскаде, либо на меньшее, которое придётся получать от другого источника.

Автогенераторы и их буферные каскады нуждаются в стабилизированном напряжении питания. Поскольку мощность этих каскадов мала, то могут быть использованы стабилизаторы в микросхемном исполнении.

Цепи питания передатчика упрощаются, при использовании транзисторов одного типа проводимости.

Процесс управления колебаниями называется модуляцией. Основные виды модуляции: амплитудная, частотная и фазовая. Место модуляции в радиопередатчике определяется в зависимости от вида модуляции. Амплитудная модуляция осуществляется в выходном или в одном из промежуточных усилителей передатчика. Модуляция в выходном усилителе требует большей мощности модулятора, но обеспечивает меньшие искажения передаваемого сообщения. Частотная модуляция (прямой метод) осуществляется в задающем генераторе, что ухудшает стабильность частоты колебаний. Поэтому в структурную схему передатчика необходимо вводить систему автоподстройки частоты. Фазовая модуляция осуществляется в одном из промежуточных каскадов передатчика, позволяет обеспечить высокую стабильность частоты, но из - за малого значения девиации фазы требует применения большого числа умножителей частоты. Фазовая модуляция может использоваться не только для получения ФМ - колебаний, но и для получения ЧМ - колебаний (косвенный метод) путём преобразования ФМ в ЧМ.

При проектировании передатчиков с ФМ необходимо, прежде всего, решить вопрос о месте модулятора в структурной схеме передатчика. Известны четыре наиболее распространённые структурные схемы передатчиков:

? c ФМ на выходе передатчика;

? c ФМ в предоконечных каскадах с последующим усилением мощности сигнала ФМК;

? с ФМ в начальных каскадах с последующим умножением частоты и усилением мощности сигнала ФМК;

? с ФМ на поднесущей частоте с последующим транспонированием и усилением ФМ сигнала.

Достоинство первой схемы - отсутствие линейных и нелинейных искажений в тракте за модулятором. Однако мощность на выходе модулятора равна мощности передатчика, так что проектирование мощных полупроводниковых фазовых модуляторов затруднено и не всегда выполнимо. Кроме того потери в модуляторе существенно влияют на КПД передатчика. Указанные недостатки первой схемы устранены во второй. Достоинство третьей схемы состоит в том, что в фазовом модуляторе требуется в N раз меньший индекс модуляции; N коэффициент умножения частоты в тракте за модулятором. Однако при заданной относительной нестабильности индекса модуляции на выходе передатчика требования к его абсолютной стабильности оказываются более жёсткими (в N раз); для стабилизации параметров фазового модулятора приходится развязывать его от смежных узлов с помощью резистивных аттенюаторов или ферритовых вентилей. Четвёртый вариант схемы передатчика с ФМ используют в диапазонных передатчиках или в передатчиках промежуточных радиорелейных станций. Общий недостаток последних трёх схем - увеличение линейных и нелинейных искажений в тракте за модулятором, обусловленное ограниченной полосой пропускания и нелинейностью ФЧХ каскадов усиления, преобразования или умножения частоты. Прохождение ФМ сигнала через эти каскады сопровождается его искажением, в частности амплитудно-фазовой конверсией.

Наиболее широко применяют два способа получения ФМ. Один из них состоит в расстройке контура усилительного каскада и примечателен своей универсальностью: в модуляторе одновременно с ФМ происходит усиление мощности. Второй способ - использование фазовращающих цепей.

Следующим каскадом в передатчике является фазовый модулятор, в котором ФМ осуществляется в контурах усилительного каскада путём управления его расстройкой с помощью модулирующего сигнала. В качестве управляемого реактивного элемента здесь используется варикап. Для увеличения индекса модуляции варикапы подключены ко всем контурам усилителя. Изменение резонансной частоты контура усилителя изменяет фазу высокочастотных колебаний в контуре в соответствии с его фазовой характеристикой. Схема имеет вид:



Рис. 6. Схема фазового модулятора

После фазового модулятора распологается умножители частоты. В основе работы маломощных транзисторных умножителей частоты обычно лежит принцип выделения гармоники нужной частоты из импульсов коллекторного тока. На высоких частотах на режим и параметры влияет реакция нагрузки, и её необходимо учитывать.

При достаточно высокой добротности контуров умножителя его входное и выходное напряжения имеет форму, близкую к гармонической. Но в общем случае ток и напряжение на входе транзистора в режиме с отсечкой имеют негармоническую форму, и это усложняет расчёт.

Трудность создания резонансных умножителей частоты заключается в низких значениях коэффициентов Берга при большой кратности умножения. Поэтому следует выбирать углы отсечки максимизирующие соответствующие коэффициенты Берга. Также известно, что коэффициент усиления уменьшается при увеличении кратности умножения. Схемы умножителей бывают с параллельным питанием или с последовательным. Схема умножителя:

Рис. 7. Схема умножителя

Используем схему с последовательным питанием. Для уменьшения влияния нагрузки на параметры контура и согласования контура с VT мы нагрузку подключаем частично. После умножителя ставим выходной каскад - ГВВ с резонансной схемой согласования в коллекторной цепи. Генератор с внешним возбуждением относится к классу усилителей высокой частоты. В отличие от малосигнальных усилителей ВЧ ГВВ имеет дело с большими уровнями сигналов, действующими на его входе и выходе, и работает как в линейном, так нелинейном режимах. В этой связи ГВВ принято характеризовать рядом энергетических показателей. К ним относятся выходная колебательная мощность, мощность, потребляемая от источника питания, мощность рассеяния по выходному электроду, коэффициент полезного действия по выходному электроду, коэффициент усиления по мощности и ряд других. Качество генератора во многом зависит от уровня достигнутого КПД и Кр при заданном уровне выходной мощности. Поэтому ГВВ можно рассматривать как устройство, осуществляющее преобразование энергии источника питания в ВЧ энергию с достаточно высоким КПД и управляемое внешним ВЧ сигналом. В ГВВ с избирательными цепями согласования можно реализовать три возможных режима работы: недонапряжённый, критический, перенапряжённый. Если напряжение источников питания, смещения и амплитуды возбуждения неизменно, то требуемый режим работы ГВВ достигается подбором нагрузки, по выходному электроду. При энергетическом расчёте ГВВ в критическом режиме на заданную мощность одним из параметров, которым приходится задаваться, является угол отсечки. Его значение можно выбирать из интервала от 0 до 180 градусов. Однако при разных значениях углов отсечки получаются различными такие важные характеристики ГВВ как электронный КПД, Кр, насыщенность выходного тока высшими гармониками и ряд других. Известно, что усилительные свойства АЭ наиболее высоки в классе А. При выборе угла отсечки из интервала 120 - 180 усилительные свойства АЭ уменьшаются, но незначительно. Однако электронный КПД ГВВ получается при этом невысоким и лишь немного превышает 50%. При выборе угла отсечки < 120 начинает расти требуемая амплитуда напряжения возбуждения и заметно снижается коэффициент усиления по мощности. Одновременно увеличивается вес высших гармоник в импульсной последовательности выходного тока. Максимум амплитуды второй гармоники наблюдается при угле отсечки 60 градусов, а третьей - при 40 градусов. Изменение веса третьей гармоники имеет колебательный характер, и при угле отсечки 90 градусов её вес равен нулю. Одновременно с уменьшением угла отсечки наблюдается рост электронного КПД. Максимум его получается при угле отсечки (50 - 60) градусов, а затем идёт резкое снижение. При угле отсечки < 90 градусов начинает быстро убывать Кр и увеличивается требуемая мощность возбуждения.

Рис. 8. Схема с последовательным питанием

Приходится искать компромиссное решение, при котором можно получить приемлемые усилительные свойства АЭ и достаточно высокий КПД. Это компромиссное решение получается при выборе угла отсечки в окрестности 90 градусов. При этом электронный КПД становится близким к максимальному, Кр уменьшается всего лишь в два раза в сравнении с максимально возможным. Кроме того, минимизируется третья гармоника тока выходного электрода. Мы использовали ГВВ с включением транзистора по схеме с общим эмиттером.

Вычислим колебательную мощность выходного каскада, для этого зададим значения следующих величин:

?пк - КПД промежуточного контура (0.7 - 0.9) - берём равным 0.8;

?ак - КПД антенного контура (0.8 - 0.95) - берём равным 0.9;

?м - КПД моста сложения мощности (0.8 - 0.95) - берём равным 0.9;

?пз - коэффициент производственного запаса (1.1 - 1.3) - берём равным 1.1;

P~ = 37 Вт - выходная мощность. f = 108 МГц - рабочая частота.

Определим колебательную мощность выходного каскада:

(3)

Выходной каскад передатчика будем выполнять по однокаскадной схеме усилителя мощности с общим эмиттером. Однокаскадная схема применяется из-за простоты исполнения, а также исходя из достаточно низкой величины выходной мощности.

Определяем необходимое значение общего коэффициента умножения, который будет обеспечен несколькими умножителями: Nобщ = 32

Для получения такого коэффициента умножения будем использовать пять удвоителей частоты, так как это позволит нам получить заданную мощность в нагрузке без использования очень мощных транзисторов и дополнительных каскадов усиления.

Генератор с внешним возбуждением

Генератор с внешним возбуждением (ГВВ) относится к классу усилителей высокой частоты (ВЧ). В отличие от малосигнальных усилителей ВЧ ГВВ имеет дело с большими уровнями сигналов, действующими на его входе, и работает как в линейном, так и нелинейном режимах. ГВВ можно рассматривать как устройство, осуществляющее преобразование энергии источника питания в ВЧ энергию с достаточно высоким КПД и управляемое внешним высокочастотным сигналом.

В диапазонах ДВ, СВ, КВ, УКВ, СВЧ широкое применение при создании ГВВ находят различные типы транзисторов и ламп. Верхняя частотная граница их применения достигает 50 ГГц (и выше) и имеет тенденцию к росту. ГВВ, выполненные на лампах и транзисторах, имеют много общих признаков, т.к. решают задачу получения требуемой мощности ВЧ колебаний в нагрузке.

Вместе с тем ламповые и транзисторные ГВВ обладают рядом существенных отличий. Причина этого кроется в различии физических процессов протекающих в указанных типах активных элементов (АЭ).

Такой АЭ, как лампа (триод, тетрод, пентод), имеет высокий уровень анодного питания, относительно малую величину крутизны проходных характеристик, большие уровни внутреннего и входного сопротивлений. Для получения от лампы её номинальной мощности требуется высокоомная анодная нагрузка. Проходные характеристики у ламп левые. Возбуждение лампового ГВВ проще реализовать от источника напряжения.

Транзисторы в отличие от ламп являются токовыми приборами. Они имеют большую величину крутизны входной и проходной характеристик, низковольтное напряжение источника коллекторного питания и требуют низкоомную коллекторную нагрузку для отбора номинальной мощности. Проходная характеристика биполярных транзисторов правая. Принимая во внимание, что в области средних и высоких частот коэффициент усиления по току транзистора существенно ниже, чем в области низких частот, и базовый ток сравним по величине с коллекторным током, входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером получается низкоомным и его возбуждение удобнее реализовать от источника тока.

В ГВВ с избирательными цепями согласования можно реализовать три возможных режима работы:

1. Недонапряженный (НН).

2. Критический.

3. Перенапряженный (НП).

В области недонапряженного режима активный элемент (АЭ) ГВВ ведет себя как источник тока, а в области перенапряженного режима - как источник напряжения.

Наиболее оптимальным является критический режим работы ГВВ. В этом режиме АЭ ГВВ отдаёт максимальную мощность, имея малую мощность рассеяния на выходном электроде и достаточно высокие ??? и Кр. В области ННР увеличивается Ррасс и падает ??? в области ПНР при сохранении высокого ??? уменьшаются Р' и Кр.

В связи с указанными недостатками недонапряженный и перенапряженный режимы менее предпочтительны в сравнении с критическим.

При энергетическом расчете ГВВ в критическом режиме на заданную мощность одним из параметров, которым приходится задаваться, является угол отсечки И. Его значение можно выбирать из интервала от 0 до р. Однако при разных значениях И получаются различными такие важные характеристики ГВВ как электронный КПД, коэффициент усиления по мощности, насыщенность выходного тока высшими гармониками и ряд других.

Усилительные свойства АЭ наиболее высоки в классе "А". При выборе И из интервала 120 - 1800 усилительные свойства АЭ уменьшаются, но незначительно. Однако электронный КПД ГВВ при этом получается невысоким и лишь немного превышает 50 %. При выборе И < 1200 начинает расти требуемая амплитуда напряжения возбуждения и заметно снижается коэффициент усиления по мощности. Одновременно увеличивается вес высших гармоник в импульсной последовательности выходного тока. При И < 900 начинает быстро убывать Кр и увеличиваться требуемая мощность возбуждения.

Следовательно искать компромисное решение, при котором при котором можно получить приемлемые усилительные свойства АЭ и достаточно высокий КПД. Это компромисное решение получается при выборе И в окрестности 900.

Расчёт кварцевого автогенератора

Кварц - это минерал, имеющий кристаллическую структуру и являющийся разновидностью кремнезема SiO2.В природе он встречается в виде двух модификаций, различающихся своими свойствами (б и в - кварцы).

Основным элементом кварцевого резонатора является пластина, вырезанная из кристалла кварца в определенной ориентации к его осям X, Y, Z. По виду этой ориентации различают типы срезов кварцевой пластины. Пластины, вырезанные перпендикулярно X или Y называют простыми срезами. Чаще используют "косые" срезы, так как у них температурный коэффициент влияния значительно ниже.

Для подведения к кварцевой пластине переменного напряжения её противоположные стороны покрывают серебром. В результате образуется конденсатор с ёмкостью Со и кварцевым диэлектрическим заполнением, обладающим пьезоэффектом. Пластину, закрепляют в кварцедержателе, помещают в баллон с выводами. При подведении к кварцевой пластине переменное напряжение с частотой f, в ней возникают различные механические колебания.

Кварцевый автогенератор является составной частью возбудителей, синтезаторов частот, радиопередающих и радиоприемных устройств, а также аппаратуры для частотных и временных измерений.

По принципу использования кварцевого резонатора (КР) схемы КАГ можно классифицировать по трем основным группам:

? Осцилляторные

? Фильтровые

? Схемы с затягиванием частоты.

В осцилляторных схемах кварцевый резонатор является элементом контура КАГ и играет в нем роль индуктивности. В таких схемах КР работает на частотах выше частоты последовательного резонанса, где его индуктивность достигает больших значений (до единиц генри). Основным достоинством таких схем являются простота схемной реализации и малые значения относительной нестабильности частоты колебаний. Но уровень колебательной мощности, который они могут генерировать при сохранении параметров КР, невелик и составляет единицы и десятки милливатт.

В осцилляторных схемах контур КАГ выполняется с таким расчетом, чтобы при выходе из строя кварцевого резонатора нарушалось условие самовозбуждения трехточечной схемы автогенератора.

1.2 Практическая часть. Разработка принципиальной схемы

1.2.1 Выбор и обоснование функциональной схемы FM-модулятора

Для того чтобы выбрать и обосновать функциональную схему FM-модулятора необходимо выяснить основные принципы построения проектируемого передатчика: выбрать способ формирования заданного вида модуляции, определить принцип построения выходного каскада и тип применяемых в нем транзисторов, решить вопрос о применении типового возбудителя или необходимости разработки автогенератора. На основании этих данных есть возможность составить функциональную схему и определить общее число усилителей и других каскадов, типы транзисторов и т. д.

Исходя из того, то АМ является основным видом модуляции, то необходимо выбрать способ ее осуществления, обеспечивающий заданное качество модуляции при возможно более высоком КПД передатчика и простом управлении.

Заданная полезная мощность - одно из основных требований к передатчику. Ее обеспечивает выходной (оконечный) каскад передатчика. Между выходом передатчика, предназначенного для подключения антенно-фидерной системы, и транзисторами выходного каскада всегда расположены цепи согласования, фильтрации и др. Несмотря на то что они обычно выполняются на реактивных элементах (конденсаторах, катушках индуктивности), в них всегда теряется часть энергии. На начальном этапе проектирования об этих согласующих цепях еще ничего не известно, поэтому приходится учитывать их свойства ориентировочно. Исходя из заданного частотного диапазона и выходной мощности передатчика, КПД согласующей цепи не превышает 0,8.

радиопередающий сигнал модулятор

Рис. 9: Функциональная схема передатчика: КАГ - кварцевый автогенератор; АГ - автогенератор; СМ - смеситель; N - умножитель частоты; УС - промежуточный усилитель; ОУ - оконечный усилитель; М - модулятор; ЦС - цепь связи; А - антенна

Модулирующий сигнал поступает в модулятор с выхода микрофона или, если это необходимо, с усилителя низкой частоты. Модулируемый сигнал формируется с помощью кварцевого автогенератора настроенного на частоту 8 МГц и автогенератора генерирующего колебания с частотами 0,75 - 3,25 МГц.

Стабильность частоты кварцевого автогенератора Df/fКАГ = 10-5, перестраевомого Df/fАГ= 5*10-4. Общая нестабильность частоты Dfе/fе=4*10-5. Далее эти колебания складываются в смесителе. Далее модулируемый сигнал поступает на умножитель частоты, кратность умножения - 4. Следовательно колебательный контур в умножителе частоты должен быть настроен на четвертую гармонику. Для подачи сигнала в оконечный каскад его необходимо предварительно усилить его. Для этого используется предварительный усилитель. В оконечном усилителе происходит окончательное усиление сигнала. Так как выходное сопротивление оконечного каскада меньше, чем входное сопротивление антенны, необходимо использовать цепь согласования.

1.2.2 Разработка структурной схемы FM-модулятора

Получение ФМ сигналов путем прямой модуляции исходным сигналом возможно, если использовать реализацию с квадратурными сигналами. Фактически необходимо создать два многоуровневых сигнала в виде импульсов постоянного тока: один -- для сигнала в фазе (В) и один -- для сигнала в квадратуре (К). Эти сигналы обозначаются как тв(t) и тк(t) соответственно для сигналов В и К. Уровни, выбранные для этих двух сигналов в виде импульсов постоянного тока, находятся в соответствии с коэффициентами, которые необходимы для представления ФМ сигнала как линейной комбинации сигналов В и К. Структурная схема соответствующего устройства представлена на рис. 10. Выбор этого конкретного вида модулятора определялся не столько рекомендациями по практической реализации, сколько тем, что он демонстрирует основные концепции модуляции и полезен для анализа требований к спектру передаваемых методом ФМ сигналов.

Рис. 10. Обобщенная структурная схема ФМ-модулятора

1.2.3 Разработка принципиальной схемы FM-модулятора

Рис. 11. Структурная схема FM-модулятора

Основой устройства является микросхема BH1417. Питается она от напряжения 5В и потребляет 5-10мА. Несмотря на небольшую выходную мощность, представляется интересным подключить к ней простой усилитель мощности ВЧ на двух транзисторах КТ368 и КТ610, с целью увеличения радиуса действия до километра и более. Качество звучания данной микросхемы BH1417 гораздо лучше, чем у стереомодулятора на ВА1404. По некоторой информации, полученной от радиолюбителей, при высоте установки антенны 10 метров - то при использовании что 2-х ваттного усилителя - радиус был не около двух километров. Если поднять антенну выше - покрывается радиус до 7 км уверенным приемом.

Основные блоки чипа BH1417: фильтр пред искажений, ограничитель аудио сигнала, стерео кодер (мультиплексор), схема ФАПЧ, генератор и радиочастотный буфер.

Рис.12. Основные блоки чипа BH1417

BH1417 питается напряжением 4 - 6 вольт и потребляет ток 10 мА, обеспечивая выходную мощность в 20 милливатт. Микросхема обеспечивает фильтрацию каналов в 40 dB.

BH1417 выпускается только в корпусе SOP22, вызвает неудобства при монтаже. Но поскольку чип меньше, чем ИС в типовом DIP корпусе, целый передатчик можно разместить на одной маленькой плате.

Для передатчика на BH1417 требуется кварцевый резонатор на 7,6 МГц, но вместо него можно использовать резонатор на 7,68 МГц. Частота передачи может быть смещена ровно на 1 МГц. Частоты, используемые в данном проекте регулируются по 1 МГц, так что дополнительное преобразование не нужно.

Микросхема BH1417 может использовать отдельный стерео кодер. Преимущество этого метода в том, что имеется полная свобода использования передатчика и усилителя выбору. Имеется фильтр предъискажений, ограничитель, стерео кодер и ФНЧ в одном маленьком корпусе и всего несколько внешних элементов требуется для этих блоков. 5й контакт - мультиплексированный (кодированный) выход, он может непосредственно быть подключен ко входу внешнего радиопередатчика через емкость в 10 мкФ.