ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Автоколебательная система и автогенератор
Варианты решения поставленной задачи
Вариант№1.
Вариант№2
Вариант№3
Выбор и обоснование варианта
Составление принципиальной схемы
Расчет электрической схемы
Расчет автогенератора
Расчет эмитерного повторителя
Заключение
Список использованной литиратуры
ВВЕДЕНИЕ
Электрификация железнодорожного транспорта, рост скоростей движения поездов и наметившееся увеличение грузопотока (особенно за последний 1999 год) приводит к более интенсивному применению средств связи на железнодорожном транспорте. Решение вопроса ускорения оборота вагонов на крупных железнодорожных станциях вызывает необходимость массового использования станционной радиосвязи, применения носимых радиостанций и организации новых видов связи. Расширение областей применения и продолжающееся развитие радиотехники привело к необходимости подготовки качественных специалистов в этой области. Эту задачу помогает решить дисциплина “Каналообразующие устройства автоматики телемеханики и связи”. Главной задачей этой курсовой работы является овладение навыками проектирования каналообразующих устройств, а также повышение уровня подготовки расчетов электронных и электротехнических схем. В нашем конкретном случае необходимо разработать автогенератор гармонических колебаний поэтому необходимо рассмотреть следующие теоретические вопросы.
Задание на проектирование: Разработать автогенератор с буферным каскадом, перестраиваемый в пределах 1 – 1,5 МГц. Назначение – гетеродин в радиоприемнике.
АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И АВТОГЕНЕРАТОР
Автогенератор – это источник электромагнитных колебаний, колебания в котором возбуждаются самопроизвольно, без внешнего воздействия.
Любой автогенератор представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию питания в энергию колебаний. Независимо от схемы и назначения автогенератор должен иметь источник питания, усилитель и цепь обратной связи, причём обратная связь должна быть положительной.
В качестве усилительных элементов в настоящее время в автогенераторах используются транзисторы или другие аналогичные приборы, а в качестве цепей нагрузки – колебательные цепи с сосредоточенными или распределенными параметрами.
Автогенератор, находящийся в стационарном режиме, представляет собой обычный нелинейный усилитель, для возбуждения которого используются колебания, вырабатываемые в самом генераторе; колебания с выхода подаются на его вход по цепи обратной связи. Если амплитуда и фаза возбуждения отвечают определенным условиям, то в энергетическом отношении автогенератор ведёт себя так же, как и генератор с внешнем возбуждением. Однако генератор с самовозбуждением имеет существенные особенности. Частота и амплитуда автоколебания в стационарном режиме определяются только параметрами самого генератора, между тем, как в генераторе с внешним возбуждением частота и амплитуда колебаний навязываются возбудителем. Кроме того, в случае самовозбуждения большое значение имеет механизм возникновения колебаний при запуске автогенератора.
Все эти особенности можно выявить, рассматривая поведение автогенератора в процессе нарастания колебаний от момента запуска до полного установления стационарного состояния. Можно наметить следующую картину. В момент запуска колебательной цепи автогенератора возникают свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, электрическими флуктуациями и т.д. Благодаря положительной обратной связи эти первоначальные колебания усиливаются, причем на первом этапе, пока амплитуда мала усиление практически линейно и цепь можно рассматривать как линейную. Энергетически процесс нарастания колебаний объясняется тем, что за один период колебания усилитель предает в нагрузку энергию, большую той, которая расходуется в ней за это время. С ростом амплитуд начинает проявляется нелинейность устройства (кривизна вольтамперной характеристики усиленного элемента) и усиление уменьшается. Нарастание амплитуд прекращается, когда усиление уменьшается до уровня, при котором только компенсируется затухание колебаний в нагрузке. При этом, энергия отдаваемая усилителем за один период, оказывается равной энергии, расходуемой за это время в нагрузке.
Таким образом, на последнем этапе установления колебаний основную роль играет нелинейность цепи, без учета которой нельзя определить параметры стационарного режима автогенератора. Любой автогенератор высокочастотных колебаний можно представить в виде схемы представленной на рис.1. На этой схеме автогенератор представлен в виде сочетания трёх четырехполюсников: одного нелинейного, безынерционного, и двух линейных. Нелинейный четырехполюсник соответствует усилительному элементу (транзистор, туннельный диод и т.д.), первый из линейных четырехполюсников – колебательной цепи автогенератора, а второй – цепи обратной связи.
Подобное представление справедливо для автогенераторов с внешней обратной связью. Усилительный элемент совместно с избирательным четырехполюсником, обеспечивающим фильтрацию (подавление) высших гармоник, представляет собой обычный нелинейный усилитель, развивающий на выходе гармоничкское напряжение. В общем случае напряжение зависит как от частоты, так и от амплитуды (из-за нелинейности усилительного элемента). Коэффициент усиления этого устройства – Kу
(iwг
,U1
).
Рис. 1
Очевидно, что
Kу
(iwг
,U1
)=U2
/U1
(*)
При фиксированной частоте wг
Ky
является функцией только амплитуды U1
.
Коэффициент передачи линейного четырехполюсника обратной связи, который в дальнейшем будем называть просто коэффициентом обратной связи, можно выразить через амплитуды U3
и U2
:
Koc
(iw)= U3
/ U2
,
Но напряжение U3
, снимаемое с выхода четырехполюсника обратной связи, есть одновременно напряжение U1
, действующее на входе усилителя. Следовательно,
Koc
(iw)= U1
/ U2
Сравнивая это выражение с выражением (*), приходим к выводу, что в стационарном режиме автогенератора (когда только и можно пользоваться методом комплексных амплитуд) коэффициенты Kу
(iwг
,U1
) и Koc
(iw) являются заимно обратными величинами:
Kу
(iwг
,U1
)Koc
(iwг
)=1.
Представим комплексные функции Kу
(iwг
,U1
) и Koc
(iwг
) в форме
Kу
(iwг
,U1
)=Ку
(wг
,U1
)еiy
(
w
г
)
, Koc
(iwг
)= Koc
(wг
)еi
y
(
w
г
)
.
Тогда последнее равенство распадается на два условия:
Kу
(iwг
,U1
)Koc
(iwг
)=1(**)
(***)
Условие (**) называют условием баланса амплитуд: из него следует, что в стационарном режиме полное усиление на генерируемой частоте при обходе кольца обратной связи равно единице.
Условие (***) называют условием баланса фаз. Из чего следует, что в стационарном режиме автоколебаний полный фазовый сдвиг при обходе кольца ОС равен (или кратен) 2pi. Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний wг
.
Существуют мягкий и жёсткий режимы возбуждения колебаний. Режим, когда колебания возникают самопроизвольно, называется мягким. В АГ с мягким возбуждением состояние покоя (состояние с нулевой амплитудой) неустойчиво. Жёстким называется режим, при котором генерация возникает только при наличии внешнего воздействия, создающего колебания с амплитудой, большей некоторого порогового значения.
Отметим одно важное требование, предъявляемое к автогенератору, предназначенному для устройств связи: вырабатываемое им колебание должно быть строго монохроматическим. Любое нарушение монохроматичности, проявляющееся в паразитном изменении амплитуды, частоты или фазы колебания, может служить причиной возникновения помех в канале радиосвязи. Требование монохроматичности включает в себя также и требование стабильности частоты автоколебания.
ВАРИАНТЫ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ
Для решения поставленной задачи прежде всего необходимо выдвинуть ряд требований к проектируемому устройству. Так как проектируемый автогенератор относится к классу гетеродинов, то он должен обладать относительно стабильной частотой генерации. Но, нередко за стабильность приходится “доплачивать”. На основе этих критериев я постараюсь предложить различные альтернативные принципиальные схемы автогенераторов.
Вариант 1
Данный вариант обладает высокой стабильностью частоты т.к. он основан на кварцевой стабилизации. Кварцевая стабилизация является наиболее эффективным способом повышения частоты генераторов. Она основана на применении в схемах кварцевых пластинок с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Если к пластине кварца приложить переменное напряжение, то она испытывает периодические механические деформации, т.е. сжимается и разжимается, что в свою очередь приводит к появлению электрических зарядов на её гранях. В результате в цепи (между входными зажимами) течёт переменный ток. Этот ток имеет две составляющие Ic
и Iкв
. Реактивный ток Ic
протекает через ёмкость. Образованную металлическими пластинами кварцедержателя. Ток кварца Iкв
обусловлен наличием пьезоэффекта.
Величина тока кварца зависит от частоты приложенного напряжения. Когда частота подведенного напряжения совпадает с собственной частотой механических колебаний кварца, наступает резонанс, при котором амплитуда колебаний будет максимальной. Пьезоэлектрический ток будет максимальным, а его фаза совпадет с фазой приложенного напряжения. Поэтому вблизи резонансных частот кварцевую пластину можно представить в виде последовательного контура с сосредоточенными постоянными Lk
Ck
rk
и параллельно подключенной к нему емкости кварцедержателя С0
. Практически статическая ёмкость кварцедержателя С0
в сотни раз больше эквивалентной ёмкости кварца Ck
, поэтому собственная частота кварца как последовательного контура близка к собственной частоте эквивалентного параллельного контура.
Поскольку Ск
<<С0
, то частота параллельного резонанса отличается от частоты последовательного резонанса незначительно. Относительный разброс частот составляет
Добротность кварцевого резонатора достигает больших значений (порядка 105
).
Рис. 2
Рис. 3
Электрические параметры кварцевого резонатора определяются геометрическими размерами, типом среза пластин и видом колебаний. Для различных типов среза значение собственной частоты кварца колеблется в пределах f0
=1,6/d – 3,6/d МГц, где d – толщина среза пластины (в мм).
Вариант 2
Данный генератор является LC-автогенератором, который обладает достаточно стабильной частотой генерации. Представленный автогенератор является аввтогенератором с мягким возбуждением колебаний, т.е. для его работы достаточно лишь включить источник питания.
Под действием различных дестабилизирующих факторов частота колебаний с течением времени изменяется сложным образом. Относительная стабильность данного АГ частоты Dw/w0
которого 10-2
…10-3
.
Энергия колебаний передаётся из выходной цепи транзистора в колебательную систему при условии, что управляющее током коллектора колебательное напряжение uБЭ
(t) имеет определённый фазовый сдвиг относительно напряжения uкэ
(t) между коллектором и эмиттером. Передача напряжения с выхода на вход обеспечивается цепью обратной связи. Чаще всего применяют схему с ёмкостной обратной связью.
В базовую или эмиттерную цепь транзистора включается корректирующая цепочка для устранения фазового сдвига между iк
(t) и uу
(t). Для реализации поставленн
Колебательная система образована в схеме элементами L,С1
,С2
,С3
. Цепочка Rкор
’Скор
’ - корректирующая, R см
- сопротивление автосмещения, Сбл1
и Сбл2
- блокировочные ёмкости, Rбл
- блокировочное сопротивление. Ссв
обеспечивает оптимальное сопротивление нагрузки на выходных электродах транзистора и препятствует прохождению в нагрузку постоянного тока источника питания. Фиксированное смещение осуществляется путём подачи на базу транзистора части напряжения Епит
через резисторный делитель R1
и R2
.
Рис. 4
Вариант 3
Особенностью этого варианта является использование туннельного диода. Как видно на схеме отсутствует ёмкость контура, т.к. в качестве неё используется собственная ёмкость диода. Сопротивление rk – собственные активные потери контура. Данный автогенератор является АГ с внутренней обратной связью. Это связанно с особенностью вольтамперной характеристикой туннельного диода. Условие самовозбуждения этого генератора выполняется в весьма широком частотном диапозоне.
Рис. 5
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВАРИАНТА
Из предложенных вариантов я считаю что наиболее рациональым будет использование варианта№2. Хоть LC-генератор и не обладает такой высокой стабильностью как кварцевый он обладает достаточно низкой стоимостью, что тоже является немаловажным фактором, особенно при массовом монтаже.
Составление принципиальной схемы
В соответствии с заданием проектируемый автогенератор должен иметь буферный каскад. Буферные каскады используются для согласования параметров различных функциональных блоков в готовом устройстве. В качестве такого каскада я считаю целесообразным использовать эмитерный повторитель в силу его основных достоинств, а именно: высокое входное и низкое выходное сопротивление, повторение фазы входного сигнала на выходе, простота составления электрической схемы и её расчёта. Буферный каскад включается непосредственно после АГ и обеспечивает ему постоянную во времени нагрузку, Одновременно ослабляя влияние его на работу последующих каскадов.
Рис. 6
По заданию нам необходимо получить регулировку частоты автогенератора в заданных пределах. Этого можно добиться использованием специальных регулируемых конденсатров С1, С3 а также индуктивности L.
РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
Расчет автогенератора
Обычно расчёт автогенератора происходит в три стадии. Первая стадия заключается в расчете режима работы транзистора, т.е. его выборе и проверке стабильности его работы на заданной частоте. Вторая стадия заключается в электрическом расчете схемы. Третья стадия – энергетический расчёт, т.е. определение мощности генерируемых колебаний и мощностей в цепях генератора, а также определение КПД. Методики приведенных расчетов взяты из литературы [2,5,6].
Таким образом нам необходимо найти Rк
, Есм
, Р1
и КПД. Выберем транзистор, определим параметры корректирующей цепи и рассчитаем режим работы транзистора.
Для увеличения стабильности частоты в задающем АГ выбирают транзисторы малой мощности. Чтобы фазовый сдвиг между колебаниями ik
(t),uб
(t) можно было устранить с помощью корректирующей цепочки, следует выбирать транзистор, граничная частота которого больше, чем заданная частота колебаний fнес
= 1,5 МГц. Выбираем транзистор малой мощности КТ 331Г-1 с граничной частотой fт
= 400 МГц, со следующими паспортными данными:
· барьерные ёмкости коллекторного и эмиттерного переходов Ск
= 5 пФ, Сэ
= 8 пФ
· постоянная времени цепи внутренней обратной связи tос
=120 пс
· допустимые напряжения и токи Uотс
= 0.6 В, Uкб
доп
= 15 В, iк доп
= 0,02 А, Uб доп
= 3 В
· допустимая мощность Рдоп
= 15мВт
· крутизна линии граничных режимов на выходных статических ВАХ транзистора Sгр
= 20 мА/В
· коэффициент усиления тока В = 40.
fb
= ft
/В = 10 МГц; fa
= ft
+ fb
= 11,5 МГц. Активная часть коллекторной ёмкости Ска
=2 пФ и сопротивление потерь в базе rб
= tос
/Ска
= 60 Ом.
Rкор
, Rз
- сопротивления, корректирующие частотные свойства транзистора в открытом и закрытом состояниях. Rкор
должно быть меньше Rз
, от этого зависит эффективность применения корректирующих цепей , иначе следует выбрать другой транзистор.
Крутизна переходной характеристики транзистора с коррекцией Sк
= 1/R/
кор
= 1/10 = 0,1 А/В. Чтобы мгновенные значения напряжения и тока коллектора не превышали допустимых значений uК ДОП
и iК ДОП
,
выбираем ik
max
= 0,8ik
доп
= 0,8×20 = 16 мА; ik
max
- максимальное значение импульса коллекторного тока;
Величина kос
=Uк
бэ
/Uк1
отражает относительное шунтирующее влияние на резонатор входной и выходной проводимостей транзистора. Наибольшая стабильность частоты в транзисторном АГ получается при kос
=1…3. Примем kос
=1.
При выборе угла отсечки следует учесть необходимый запас по самовозбуждению Skос
=(3…5)GК
, а также условие баланса активных мощностей СК
(w) = -GА
(UА1
); êGА
ê= êG0
êg1
(q)-из этих трёх условий следует, что в стационарном режиме колебаний g1
(q) » 0.2…0.3. выбираемq = 600
.
Тогда a0
=0,218, a1
=0,391, g0
=0,109, Cosq = 0,5.
Рассчитаем основные параметры генератора:
Ik
1
= a1
ik
max
= 0,391×16 = 6,3 мА; Ik
0
= a0
ik
max
= 0,218×16 = 3,5мА, IК1
,IК0
- амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая коллекторного тока.
Uк
б1
,Uк1
- амплитуды первой гармоники напряжения на базе и коллекторе транзистора с коррекцией.
Rк
- сопротивление нагрузки транзистора.
P1
= 0.5IK
1
UK
1
= 0,5 × 6,3 мА × 0,32 В = 1,01 мВт ;
Po = IK
0
UK
0
=3,5 мА × 4,5 В=15,75 мВт
Ppac
= Po-P1
= 15,75 - 1,01 = 14,74 мВт < P доп
= 15 мВт
Р1
,Р0
,Ррас
- колебательная, потребляемая и рассеиваемая в транзисторе мощности.
h = P1
/Po = 0,064 = 6,4%- электронный КПД;
Есм
= Uост
-Uk
б1
cosq = 0,6 - 0,32×0,5 = 0,44 В,
где Uотс
- напряжение отсечки на переходной ВАХ транзистора.
÷Есм
-Uк
б1
÷ < 3 В;
e = Uk
1
/Uk
0
»0,07; eгр
=1-[ik
max
/(Sгр
Uk
0
)] = 0,82 ,
где e- напряжённость режима, eгр
- напряжённость граничного режима
e < 0,5eгр
- условие получения недонапряжённого режима при относительно слабой зависимости барьерной ёмкости Ск
от Uк
для увеличения стабильности частоты.
На частоте 1,5 МГц оптимальным значением индуктивности контура будет L=10 мкГн с добротностью 125. Считаем, что Q0
»QL
, так как потери в индуктивности намного больше потерь в ёмкости. Вычислим параметры элементов резонатора.
r =wр
L= 6,28 ×1,5×10 = 94,2 (Ом)
Сå
=1/w2
р
L=1/(4×1,52
×108
)=1,11 (нФ);
Rр
= rQ0
= 94,2 ×125=11775 (Ом);
= 0,0042462
СI
2
=Cå
/р=1,11 Ф/0.0042462 = 26 нФ;
С1
= СI
2
/ kос
=25 нФ;
С3
= (1/Сå
-1/С1
-1/СI
2
)-1
=(1/1,11 - 1/25 - 1/25)-1
= 1,21 пФ;
Где Сå
-суммарная ёмкость контура; р - коэффициент включения контура в выходную цепь транзистора; Rр
- резонансное сопротивление контура при его полном включении; r- характеристическое сопротивление.
Чтобы сопротивление нагрузки RI
Н
, пересчитанное к выходным электродам транзистора, не снижало заметно добротности контура, примем RI
Н
» 3Rk
» 150 Ом. Добротность последовательной цепочки Ссв
Rн
Отсюда ёмкость связи Ссв
=1/wRН
Q= 20,7 пФ
СI
СВ
= ССВ
/(1+1/Q2
) = 20,7 пФ/(1+1/0,8464) = 45,15 пФ;
C2
=CI
2
-CI
СВ
= 1300 пФ – 45,15 пФ = 1254,85 пФ
Проверка:
-
условие должно выполняться для исключения шунтирования сопротивлениями R1
,R2
колебательный контур.
Rсм
=3Rист
/В= 125 Ом
R1
= Rист
ЕПИТ
/Uб
= 1668×9 /1.027=15 кОм
R2
= R1
Uб
/(ЕП
-Uб
) = 15 кОм ×1.027 /(9 - 1.027 )=1.93 кОм
СБЛ 2
= 10 /wр
RСМ
=1350 пФ
RБЛ
= 5RК
= 250 Ом.
Выбираем 1/wр
СБЛ 1
= 1 Ом, тогда СБЛ 1
= 20 нФ
СБЛ
,RБЛ
- блокировочные элементы. Сопротивление ёмкости СБЛ
на wр
должно быть по возможности малым, много меньше внутреннего сопротивления источника питания.
Расчет эмитерного повторителя
В схеме используется транзистор ГТ308А, параметры которого следующие:
предельная частота fT
= 120МГц
коэффициент усиления по току b0
=40, db=0.4,
сопротивление базы rб
=50 Ом,
СЭ
=22 пФ,
мощность рассеяния РКД
= 0.1 Вт (при Т = 70о
),
напряжение uКБ
= 28 В,
напряжение uЭБ
= 3 В,
iКД
= 120 мА,
Uбэ0
= 0,45 В.
Iэ0
= 5×10-4
А,
Iб
= 10-3
А.
По второму закону Кирхгофа: E = Riб0
+ Rн
+ Uбэ0.
Uбэ0
= 0,45 В. Iэ0
= 10-4
А. При нагрузке Rн
= 1кОм последними двумя составляющими в уравнении можно пренебречь. Тогда R = E/Iб0
= 9/(120×10-6
) = 75кОм. Разделительная ёмкость на входе ЭП рассчитывается исходя из того, что на самой низкой частоте сопротивление 1/(wCp
) должно быть меньше входного сопротивления RВХ.
Практически достаточно такого условия: 1/(wCp
)£ 0,1 RВХ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В процессе выполнения были освоены основные этапы проектирования каналообразующих устройств в системах автоматики телемеханики и связи на железнодорожном транспорте. Также были повышены навыки по схемотехническому расчету и электронным устройствам.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах.- М.: Высш. школа, 1989.
2. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учебник для ВУЗов /под ред. Уткина.- М.: Радио и связь, 1994.
3. Радиосвязь на железнодорожном транспорте: Учебник для ВУЗов/под ред. П.Н. Рамлау М.: Транспорт, 1983.
4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для ВУЗов, М.: Радио и связь, 1986.
5. Бодиловский В.Г. Полупроводниковые приборы в устройствах автоматики телемеханики и связи, М:. Транспорт, 1985.
6. Грановская Р.А. Расчет каскадов радиопередающих устройств, М.: Издательство МАИ, 1993
7. Справочник по полупроводниковым транзисторам, М.: Связь, 1981.