Расчет элементов и узлов аппаратуры связи

Расчет элементов и узлов аппаратуры связи

Курсовая работа

"Расчет элементов и узлов аппаратуры связи"

Оглавление

1. Введение

. Техническое задание на устройство

. Расчет автогенератора

. Расчет спектра сигнала на выходе нелинейного преобразователя

. Расчет развязывающего устройства

. Расчет электрических фильтров

. Расчет выходного усилителя

. Общая принципиальная схема

. Спецификация

Заключение

Литература

колебание устройство сигнал фильтр

1. Введение

Цель работы: в процессе данной работы необходимо спроектировать широко распространенное в аппаратуре связи устройство, вырабатывающее так называемую “сетку частот”, то есть несколько гармонических колебаний. Подобное устройство содержит автогенератор, вырабатывающий исходное (задающее) колебание; нелинейный преобразователь, искажающий форму сигнала; набор активных фильтров, выделяющих требуемые гармоники, и масштабирующие усилители предназначенные для согласования входных и выходных сопротивлений устройств, а так же для поддержания необходимого уровня формируемого сигнала.

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

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

В качестве активных фильтров используются активные полосовые RC-фильтры на основе операционных усилителях с полиномиальной аппроксимацией частотной характеристики полиномами Чебышева. Развязывающие (усилительные) устройства представляют собой масштабирующие усилители на интегральных микросхемах.

2.Техническое задание на устройство

Технические требования к устройству

. Расчет автогенератора

Рассчитаем RC-автогенератор на биполярных транзисторах КТ301, схема 1.

Частота генерации fГ=100 кГц

Напряжение питания Uпит авт=12 В

Сопротивление нагрузки в коллекторной цепи Rк=2 кОм

В стационарном режиме работы автогенератора на частоте генерации  должны выполняться условия баланса амплитуд и баланса фаз:

где  - модули передаточных функций ;

 - аргументы этих передаточных функций.

Для данной схемы

Отсюда видно, что , следовательно, для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы цепь обратной связи вносила сдвиг фаз, равный .

Получаем выражение для частоты генерации

и коэффициент передачи цепи обратной связи на частоте генерации

Входное сопротивление Rн составного транзистора

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

 - входное сопротивление транзистора VT2

Для определения  нужно выбрать рабочую точку транзистора.

Для этого вначале строим проходную характеристику транзистора Iк=F(Uбэ) зависимость действующего значения тока в выходной цепи от входного напряжения Uбэ.
Исходными данными для построения проходной характеристики являются:

входная характеристика транзистора Iб=F(Uбэ) (Рис. 1)

выходная характеристика транзистора Iк=F(Uкэ) (Рис. 2)

На семействе выходных характеристик транзистора КТ301, (Рис. 2) проводим нагрузочную прямую через точки с координатами (0, Uпит )и (Uпит / Rк, 0)

По точкам пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками строим промежуточную характеристику Iк=F(Iб) (рис 3)

Рис 1

Рис 2

∆Iб = 25 мкА

Рис 3

Используя полученную зависимость (Рис. 3) и входную характеристику Iб=F(Uбэ) (Рис. 1), определяем требуемую зависимость Iк=F(Uбэ) (Рис. 4)

Рис 4

По проходной характеристике определяют положение рабочей точки. Зададимся значением Uбэ0 = 0,55В - это середина линейного участка проходной ВАХ

Тогда по входной ВАХ транзистора определяют в рабочей точке

=

Коэффициент усиления транзистора по току

Зная , можно рассчитать сопротивление  составного транзистора:

Из ряда номинальных значений резистор

Из условия  выберем значение .

Определим амплитуду стационарного колебания на выходе генератора. Для этого построим колебательную характеристику .

Значение средней крутизны для разных значений Uбэ определим по методу 3-х ординат по формуле:

По этой таблице построим колебательную характеристику Рис. 5.

Рис 5

Для определения по колебательной характеристике стационарного действующего значения Uбэ необходимо рассчитать значение средней крутизны в стационарном режиме . Известно, что .

Но из баланса амплитуд. Тогда

Определим значение  для рассчитанных значений Rн и R

Для этого значения  средняя стационарная крутизна  располагается ниже колебательной характеристики, и поэтому в схеме будет происходить генерация колебаний.

Используем колебательную характеристику и ее значение средней крутизны в стационарном режиме, найдем действующее значение напряжения . Оно равно . Тогда напряжение на выходе генератора в стационарном режиме найдем из соотношения:

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

Емкость CР разделительного конденсатора выберем из условия . Возьмем СР=15 нФ

Определим значение сопротивления Rб, задающего рабочую точку Uбэ0, Iбэ0. Рассчитаем по формуле :

Выберем резистор с номиналом Rб=6,2 кОм.

. Расчет спектра сигнала выходе нелинейного преобразователя

Требуется рассчитать спектр тока и напряжения на выходе нелинейного преобразователя

Схема нелинейного преобразователя (схема 2)

Тип нелинейного элемента КТ203А

Напряжение на входе Um=1,8 В

Напряжение смещения U0=-1 В

к=600 Ом

Так как U_{m вх}=1,8 В, а U_{m вых ген}=3,9 м В, тогда

Амплитуда напряжения на выходе автогенератора меньше амплитуды напряжения, которое следует подать на вход нелинейного преобразователя, следовательно, его необходимо ослабить. Для этого используем схему 3, которую подключим между генератором и нелинейным преобразователем.

Схема 3

Для расчета тока и напряжения на выходе нелинейного преобразователя необходимо сделать аппроксимацию ВАХ. Амплитуда выходного сигнала достаточно велика, поэтому выберем кусочно-линейную аппроксимацию

По ВАХ определяем Uотс=0,65 В

Для расчета крутизны S выбираем любую точку на прямой, аппроксимирующей ВАХ, ; ,тогда:

Рассчитаем угол отсечки

Вычислим функции Берга

; ;  ;

Постоянные составляющие и амплитуды гармоник спектра тока IВЫХ рассчитаем по формуле , где к=0,1,2,3, …

Ограничимся третьей гармоникой

; ; ;

Напряжение на выходе нелинейного преобразователя считаем по формуле

;

Амплитуды гармоник выходного напряжения

=0,156 В; Um1=0,306 В; Um2=0,408 В; Um3=0,019 В

Спектры амплитуд тока и напряжения на (Рис 7) (Рис 8)

Рис 7

Рис 8

5.Расчет полосового фильтра

Рассчитать полосовой фильтр для выделения первой гармоники при частоте генерируемых колебаний fГ=100 кГц. Неравномерность ослабления в ПЭН:, минимально допустимое ослабление в ПЕН:Аmin=18 дБ.

Частота первой гармоники равна 100 кГц, тогда, f0=100 кГц.

Характеристика ослабления фильтра должна обладать геометрической симметрией относительно выделяемой гармоники (Рис 9)

Рис 9

По заданным данным ΔА и Аmin определим вспомогательную функцию D (Рис 10)

Рис 10

Затем, задавшись приемлемым значением порядка фильтра-прототипа n=2, для полученного значения D=28(рис.13) определим нормированную частоту, соответствующую границе ПЭН НЧ-прототипа: Ω3= 3,5

Находим граничные частоты ПЭП и ПЭН.

Так как , то задавшись f3=110 кГц, т.е. , найдем .

Учитывая соотношение , определим

Решим совместно систему

Получаем:

Отсюда получаем граничные частоты:

Полюса передаточной функции НЧ-прототипа:

Для отыскания полюсов передаточной функции ПФ, используем соотношение:

где ; .

Запишем передаточную функцию ПФ в виде произведения трех сомножителей второго порядка

где

Коэффициенты при р в знаменателях сомножителей , а свободные члены

.

Тогда передаточная функция искомого ПФ запишется:

В результате получим: Q1=6.3, Q2=5,7

Выберем для обоих звеньев схему 4. Для поиска элементов звена, соответствующего первому сомножителю H(p), составим систему уравнений:

Зададимся С3=4 нФ, С4=5 нФ,

Решая систему относительно элементов R1, R2, R5, получаем:= 8,16 кОм, R2=300 Ом, R3=45,1 кОм

Схема 4

Поступая аналогичным образом находим элементы второго звена.

Для расчета АЧХ и ослабления фильтра в выражении H(p) сделаем замену p=jω тогда |H(jω)| запишется:

Ослабление фильтра связано с АЧХ выражением

Найдем частоты ПЭП, при которых А и АЧХпринимают максимальные и минимальные значения. Ω1 мАx=0 , Ω2 мАx=1, Ω1 min=0,707

Для нахождения соответствующих частот ПФ используем соотношение

График АЧХ (Рис 11), зависимость ослабления от частоты полосового фильтра (Рис 12)

Рис 11

Рис 12

. Расчет выходного усилителя

Напряжение устройства выделения первой гармоники, Uвых треб= 4 В, амплитуда напряжения первой гармоники Um1=0,306 В, напряжение на выходе фильтра будет:

0,306∙1=0,306 В

требуемый коэффициент усиления

13,1

Возьмем схему 5

Схема 5

Зададим R1=10 Ом, тогда 131 Ом

Заключение

В данной курсовой работе было рассчитано устройства применяемое в системах связи. Я научил пользоваться справочниками, а также искать подходящие каскады для построения устройств в радиоаппаратуре, и системах связи. Рассчитывать параметры этих устройств, и элементов входящих в их состав.

Литература

В.П. Бакалов, А.А. Игнатов, Б.И. Крук. Основы теории электрических цепей и электроники: Учебник для высших учебных заведений. - М.: Радио и связь, 2009 - 525 с.

Б.И. Крук, О.Б. Журавлёва, М.И. Сметанина. Методические указания к курсовой работе. СибГАТИ. - Новосибирск 2010