Разработка схемы амплитудного модулятора с кварцевой стабилизацией несущей частоты

Разработка схемы амплитудного модулятора с кварцевой стабилизацией несущей частоты

Главное управление образования Курганской области

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Курганский технологический колледж имени Героя Советского Союза Н.Я. Анфиногенова»

Отделение Автоматизации и вычислительной техники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: Конструирование электронной техники

на тему: Амплитудный модулятор

КТК. 210413.465.9924.КП

Студент Бутаков Александр Николаевич

Курган 2015г.

Содержание

1. Общая часть

1.1 Цель курсового проекта

1.2 Основные технические параметры

2. Специальная часть

2.1 Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной

2.2 Выбор элементарной базы

2.3 Электрический расчет узла

2.4 Расчет надежности

3. Конструкторская часть

3.1 Описание конструкции

3.2 Конструкторский расчет

3.3 Компоновка узла

Литература

Введение

Амплитудная модуляция - вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.

Первый опыт передачи речи и музыки по радио методом амплитудной модуляции произвёл в 1906 году американский инженер Р. Фессенден. Несущая частота 50 кГц радиопередатчика вырабатывалась машинным генератором (альтернатором), для её модуляции между генератором и антенной включался угольный микрофон, изменяющий затухание сигнала в цепи. С 1920 года вместо альтернаторов стали использоваться генераторы на электронных лампах. Во второй половине 1930-х годов, по мере освоения ультракоротких волн, амплитудная модуляция постепенно начала вытесняться из радиовещания и радиосвязи на УКВ частотной модуляцией. С середины XX века в служебной и любительской радиосвязи на всех частотах внедряется модуляция с одной боковой полосой (ОБП), которая имеет ряд важных преимуществ перед АМ. Поднимался вопрос о переводе на ОБП и радиовещания, однако это потребовало бы замены всех радиовещательных приёмников на более сложные и дорогие, поэтому не было осуществлено. В конце XX века начался переход к цифровому радиовещанию с использованием сигналов с амплитудной манипуляцией.

В 1887 году немецкий физик Генрих Рудольф Герц изобрёл и построил радиопередатчик и радиоприёмник, провёл опыты по передаче и приёму радиоволн, чем доказал существование электромагнитных волн, исследовал основные свойства электромагнитных волн.

Первые радиопередатчики искрового принципа действия на основе катушки Румкорфа были очень просты по конструкции - излучателем радиоволн служил искровой разряд, а модулятором являлся телеграфный ключ. С помощью такого радиопередатчика информация передавалась в кодированной дискретной форме - например азбукой Морзе или иным условным сводом сигналов. Недостатками такого радиопередатчика была относительно высокая мощность, требуемая для эффективного излучения радиоволн искровым разрядом, а также очень широкий радиочастотный диапазон излучаемых им волн. В результате одновременная работа нескольких близко расположенных искровых передатчиков была практически невозможной из-за интерференции их сигналов. Следующим этапом было использование в передатчике электромашинного генератора переменного тока. Такой генератор позволял получить достаточно стабильные колебания определенной частоты, которую можно изменять, регулируя частоту вращения ротора генератора. Мощность могла достигать десятков и сотен киловатт. Сигнал такого генератора можно модулировать по амплитуде, что позволяет передавать по радио звуковой сигнал. Однако электромашинный генератор практически пригоден для генерации частот не выше десятков килогерц, то есть передатчик может работать только в самом длинноволновом диапазоне. До 1950-х годов электромашинные передатчики использовались в радиовещании и радиосвязи. Так, в 1925 г. на Октябрьской радиостанции в Ленинграде были установлены два генератора мощностью 50 и 150 кВт конструкции В.П. Вологдина. Дальнейшие изобретения в области связи и радиотехники - твердотельные аналоги электронных ламп (транзисторы), кварцевые резонаторы, новые виды модуляции и методы стабилизации частоты - сопровождались только количественными изменениями параметров радиопередатчиков: уменьшением размеров и потребляемой мощности, повышением стабильности и КПД, расширением частотного диапазона и т. д.

1. Общая часть

1.1    Цель курсового проекта

Цель курсового проекта разработать схему несложного амплитудного модулятора с кварцевой стабилизацией несущей частоты. В настоящее время во многих регионах страны на среднем и длинном диапазоне частот трудно найти хотя бы одну, так как многие современные эфирные вещания полностью перешли на УКВ диапазон.

Рис.1 Структурная схема амплитудного модулятора

.2 Основные технические параметры

Напряжение питания, В 9

Потребляемый ток, мА 8

Выходная мощность, мВт 8

Диапазон рабочих температур, °С 10 - 70

амплитудный модулятор транзистор плата

2. Специальная часть

2.1 Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной

На основании структурной схемы, выбрал схему электрическую принципиальную, состоящую из (Регулировки чувствительности, зад.генератора, модулятора, усилителя мощности.)

На транзисторе VT1, резонаторе ZQ1, резисторах R1-R3 и конденсаторе С4 собран задающий генератор. Каскад на транзисторе VT1 получает питание от RC фильтра C1R4. Усилитель мощности, выполненный на транзисторе VT2. В цепь эмиттера этого транзистора включен модулятор, реализованный на транзисторе VT3, резисторах R8-R11 и конденсаторах С8, С11, С13. Через разделительный конденсатор C9 к отводу этой катушки подключена антенна W1 в виде провода. Устройство подключается к источнику питания через дроссели L2, L3, светодиод HL1 светится при наличии напряжения питания. Конструкция потребляет ток около 8мА при напряжении 9 В.

.2 Выбор элементной базы

Транзистор КТ3102 - эпитаксиально-планарный, n-p-n структуры, кремниевый, универсальный. Применяется в НЧ устройствах, требовательных к уровню шумов, а также в генераторных и усилительных СЧ и ВЧ устройствах.

Транзистор КТ645 - универсальный, кремниевый, структуры n-p-n, эпистаксиально-планарный. Основное применение - быстродействующие импульсные устройства, высокочастотные генераторы и усилители. Имеет гибкие выводы и пластмассовый корпус. Масса не более 0.3 г. Тип прибора указывается на этикетке.

Резисторы МЛТ-0,125 - постоянные металлопленочные лакированные теплостойкие. Металлодиэлектрические с металлоэлектрическим проводящим слоем неизолированные, для навесного монтажа. Предназначены для работы в электрических цепях постоянного, переменного и импульсного токов

Резистор С1-4 - с углеродистым проводящим слоем. Применяется в цепях импульсного, постоянного и переменного тока. Используется как элемент навесного монтажа. Является неизолированным резистором.

Резистор С2-23 - Постоянные непроволочные общего применения неизолированные резисторы С2-23 (аналог ОМЛТ) предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Резисторы производятся на полностью автоматизированных линиях, что обеспечивает стабильность параметров и качества.

Подстроечный резистор 100кОм и 6.8кОм - переменный резистор, предназначенный для тонкой настройки радиоэлектронного устройства в процессе его монтажа или ремонта. Эти компоненты устанавливаются внутри корпуса устройства и недоступны для пользователя при нормальной эксплуатации.

Кварцевый резонатор 1МГц - прибор, в котором пьезоэлектрический эффект и явление механического резонанса используются для построения высокодобротного резонансного элемента электронной схемы. Несмотря на то, что вместо кварца часто используются и другие пьезоэлектрики, например, керамика (Керамический резонатор), прилагательное «кварцевый» является общеупотребительным для всех таких устройств.

Светодиод L-934 - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра.

Катушка индуктивности (дроссель) 100мкГн - винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока, наблюдается её значительная инерционность. Применяются для подавления помех, сглаживания пульсаций, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательный контур) и частотноизбирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков перемещений и так далее.

Конденсатор К50-35 - электролитический алюминиевый c радиальными выводами и для поверхностного монтажа, обладают большой емкостью, в пересчете на единицу, низкой ценой и вседоступностью. Эти конденсаторы широко применяются в импульсных блоках питания в качестве выходных фильтров с частотами до 150КГц.

Конденсатор К73-17 - полиэтилентерефталатные защищённые конденсаторы. Предназначены для работы встроенных элементов внутри комплектных изделий в цепях постоянного, переменного тока и в импульсном режиме.

.3 Электрический расчет узла

На транзисторе VT1, резонаторе ZQ1, резисторах R1-R3 и конденсаторе С4 собран задающий генератор на частоту 1 МГц. Резонатор ZQ1 работает на первой основной гармонике, конденсатор С4 препятствует возбуждению резонатора на более высоких гармониках, а так же, облегчает запуск задающего генератора. Каскад на транзисторе VT1 получает питание от RC фильтра C1R4. Конденсатор С2 устраняет отрицательную обратную связь по высокой частоте.

С вывода коллектора VT1 сигнал частотой 1 МГц и амплитудой около 5 В через разделительный конденсатор C3 и резистор R5 поступает на усилитель мощности, выполненный на транзисторе VT2. В цепь эмиттера этого транзистора включен модулятор, реализованный на транзисторе VT3, резисторах R8-R11 и конденсаторах С8, С11, С13. Конденсатор С6 шунтирует выводы коллектор - эмиттер VT3 по высокой частоте. Резистором R9 устанавливают оптимальный рабочий режим транзисторов VT2, VT3. К входу модулятора, гнездо XS2 может быть подключен генератор звуковых частот, MP-3 плеер или другой радиоприемник, например с УКВ диапазона на диапазон средних волн. Подстроечным резистором R10 регулируют чувствительность модулятора. Контурная катушка L1 настроена на частоту задающего генератора, через разделительный конденсатор C9 к отводу этой катушки подключена антенна W1 в виде провода. Чем больше длинна антенны, тем на большем расстоянии будет возможен радиоприем.

С антенной 2 метра радиоприем излучения модулятора возможен на расстоянии до 5 метров на встроенную ферритовую антенну. Без подключенной антенны возможен радиоприем на расстоянии до 1,5 метра за счет излучения контура L1C7. Устройство подключается к источнику питания через дроссели L2, L3, светодиод HL1 светится при наличии напряжения питания. Конструкция потребляет ток около 8мА при напряжении 9 В.

.4 Расчет надежности

Надежность - свойство изделия выполнять заданные функции в определенных условиях эксплуатации при сохранении значении основных параметров в заранее установленных пределах.

Надежность аппаратуры определяется надежностью и количеством используемых в ней элементов. Так как надежность является одним из основных параметров изделия, то проектируя аппаратуру, её следует оценивать наряду с другими параметрами и на основе этих расчётов делать выводы о правильности выбранной схемы и конструкции изделия.

На этапе проектирования, когда ещё точно не определены режимы работы схемы, производят расчет, задаваясь ориентировочными данными, определяющими условие работы. Так в качестве температуры окружающей среды для каждого из элементов может быть принято среднее значение температуры внутри блока, определенное на основании данных о количестве теплоты, выделенной внутри блока его габаритных размеров, условий теплоотдачи и температуры среды, окружающей блок.

Рассчитанная таким образом температура не учитывает местных перегревов, создаваемых отдельными элементами, выделяющими значительное количество теплоты.

Ориентировочным значением коэффициентов нагрузки по напряжению могут быть определены для элементов каждого типа по известному напряжению источника питания и номинальному значению напряжений всех элементов.

Коэффициенты нагрузки по мощности резисторов для ориентировочного расчета следует выбирать в пределах 0,5-0,6. После того как определены условия работы элементов и интенсивность отказов аппарата, и среднюю наработку на отказ.

Если полученные в результате расчета параметры надежности не соответствуют требованиям, то следует проанализировать возможность повышения надежности за счет облегчения режимов или использования более надежных типов элементов. Для этого следует определить, какие типы элементов в наибольшей мере определяют интенсивность отказа аппарата λ и повторить расчет. Предполагая, что эти элементы заменены другими, имеющими большую надежность или большее номинальное значение параметра, влияющего на надежность (допустимая мощность рассеяния для резистора, допустимое напряжение для конденсатора и т. д.)

Исходные данные для расчета: перечень используемых компонентов, их количество, температура окружающей среды и фактическое значение параметра, определяющего надежность.

а) по данным, содержащимся в технических условиях на радиокомпоненты, определяю значение параметра, определяющего надежность, а также конструктивную характеристику компонента (для транзистора - кремниевый, для конденсатора - керамический и т. д.).

Коэффициентом нагрузки называют отношение фактического значение воздействующего фактора к его номинальному или максимально допустимому значению.

Коэффициент нагрузки для транзисторов:

К=Рс/Рс мах

где Рс - фактическая мощность, рассеиваемая на коллекторе,

Рсmax - максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе.

Коэффициент нагрузки для резисторов:

К=Р/Рн

где Р - фактическая мощность, рассеиваемая на радиокомпоненте,

Рн - номинальная мощность.

Коэффициент нагрузки для конденсаторов:

К=U/Uн

где U - фактическое напряжение, приложенное к конденсатору,

Uн - номинальное напряжение конденсатора.

в) по таблице коэффициент влияния определяю значение коэффициента а, для этого использую t и к.

г) из таблицы - интенсивность отказов радиокомпонентов выбираю значения λо для интересующих компонентов.

д) по формуле рассчитаю интенсивность отказов для компонентов каждой группы работающих в одинаковых условиях

λi=λо*α 

е) по формуле рассчитаю интенсивность отказов λс для каждой группы компонентов, работающих в одинаковых условиях.

λс= λi*N

ж) нахожу значение λ для всего функционального узла.

q=T/tи

Определяем общую интенсивность отказа прибора

λ_пр=0,081*10^-6[1/ч]

Рассчитаем среднюю наработку на отказ

Тср=1/ λ_пр

Таблица 1

3. Конструкторская часть

3.1 Описание конструкции

Данное устройство собрано на печатной плате. Она сделана из одностороннего фольгированного стеклотекстолита марки СФ1 -3 5Г-1,5 ГОСТ10316-78, он обладает хорошими физико-химическими и электрическими свойствами (малые диэлектрические потери, прочное сцепление фольги с основанием и др.) плату изготовляют комбинированным позитивным методом. Печатную плату закрепляют четырьмя болтами, что обеспечивает хорошее закрепление в корпусе.

Для работы схемы требуется питающее напряжение, поэтому я в корпусе предусмотрел разъем питания, входное и выходное гнёзда.

Так как элементы устройства выделяют небольшое количество тепла и работают при температуре окружающей среды, то применяется естественное охлаждение, которое осуществляется через прорехи в корпусе посредством конвекции воздуха. Прорези расположены снизу и сверху корпуса.

.2 Конструкторский расчет

Расчет площади каждого элемента

S=m*n

где n-длина, т-ширина

S_{С1,С4,С5,С6} =30х50=150 мм²

S_C2,C3=6x13мм²= 78мм²

S_R=18,5х8,6=159,1мм²

S_R=6,0х2,2=13,2мм²

S_Д1,Д2=15х9=135мм²

S_Д3-Д6=18х11,2=201,6мм²

S_VT4-VT5=7,2х3=21,6мм²

S_VT1,VT7=36х12,5=432мм²

S_R4,R5=9,4х9,4=88,36мм²

S_VT3,VT6=10,8х7,8=84,24мм²

Расчет площади печатной платы

S_min=2*(Sc+S_R+S_T+S_VD+S_VT) 

S_min=2*(600+156+636,4+132+270+806+43,2+864+176,72+168,48)=7705,6мм²

S_max=3*(Sc+S_R+S_T+S_VD+S_VT)

S_max=3*(600+156+636,4+132+270+806+43,2+864+176,72+168,48)=11558,4мм²

Следовательно размер платы должен находиться в этих пределах.

Расчет диаметров отверстий:

dотв=dвыв+0,2(если выводы≤0,8мм) 

dотв=dвыв+0,3(если выводы>0,8мм) 

d_{С1,С4,С5,С6} =1+0,3=1,3 мм

d_C2,C3=0,5+0,2=0, 7мм

d_R=0,8+0,3=1,1мм

d_R=0,7+0,2=0,9мм

d_Д1,Д2=0,6+0,2=0,8мм

d_VT4-VT5=0,9+0,3=1,2мм

d_VT1,VT7=1+0,3=1,3мм

d_R4,R5=1,1+0,3=1,4мм

d_VT3,VT6=0,9+0,3=1,2мм

Расчет диаметра контактных площадок:

dкп=d+2b+c

где d - диаметр отверстия;

b-необходимая минимальная радиальная толщина контактной площадки;

с-коэффициент (0,6-0,7).

dкп_{С1,С4,С5,С6} =1+0,6+0,6=2,2 мм

dкп_R=0,8+0,6+0,6=2мм

dкп_R=0,7+0,6+0,6=1,9мм

dкп_Д1,Д2=0,6+0,6+0,6=1,8мм

dкп_VT4-VT5=0,9+0,6+0,6=2,1мм

dкп_VT1,VT7=1+0,6+0,6=2,2мм

dкп_R4,R5=1,1+0,6+0,6=2,3мм

dкп_VT3,VT6=0,9+0,6+0,6=2,1мм

Рассчитываю площадь металлизации печатной платы

Sкп=П/4(dкп²-dотв²)*n

где dкп - диаметр контактной площадки;

doтв- диаметр отверстия; n-количество контактных площадок

Sкп_{С1,С4,С5,С6} =3,14/4(2,2²-1,3²)х8=19,782 мм

Sкп_C2,C3=3,14/4 (1,7²-0,7 ² )х4=7,536мм

Sкп_R=3,14/4(2²-1,1²)х8=17,512

Sкп_R=3,14/4(1,9 ² -0,9 ² )х 20=43,96мм

Sкп_Д1,Д2=3,14/4(1,8²-0,8²)х3=4,08мм

Sкп_VT4-VT5=3,14/4(2,1²-1,2²)х3=6,99мм

Sкп_VT1,VT7=3,14/4(2,2²-1,3²)х3=7,41мм

Sкп_R4,R5=3,14/4(2,3²-1,3²)х3=7,84мм

Sкп_VT3,VT6=3,14/(2,1²-1,2²)х3=6,99мм

SкпƩ=670,468мм

.3 Компоновка узла

Плотность монтажа применять по классу 1 , так как увеличение плотности монтажа может привести к ухудшению ремонтопригодности.

Следует искать такие компоновочные решения, которые удовлетворяют следующим требованиям:

а) взаимное расположение элементов конструкции должно обеспечивать технологичность сборки и монтажа, легкий доступ к деталям для контроля, ремонта и обслуживания.

б) изделие должно удовлетворять требованиям технической эстетике.

в) габариты и масса изделия должны быть минимальными, так как прибор работает в стационарном состоянии, то элементы на плате крепятся пайкой без дополнительного крепления.

Список использованной литературы

1. Фрумкин, Г.Д. Расчет и конструирование радиоаппаратуры./ Г.Д. Фрумкин М: Высшая школа,1989г. - 462 стр.

. Алексеева, И.Н. В помощь радиолюбителю./ И.Н. Алексеева, М.: Патриот, 1991г - 230 стр.

. Овсищер, П.И., Несущие конструкции РЭА./ П.И. Освищер, Ю.В. Голованов, М.: Радио и связь, 1988г, 150 стр.

. А.А. Куликовский "Справочник радиолюбителя" МРБ издание 2, 1958 г.

5. В.И. Дьяков "Типовые расчеты по электрооборудованию"

6. Ленк Дж.Д. "Справочник по проектированию электронных схем", 1979 г.