Методичні вказівки до виконання практичних занять з курсу Радіопередавальні пристрої, НТУУ КПІ
« Назад
Міністерство освіти і науки УкраїниНаціональний технічний університет України"Київський політехнічний інститут"
Радіотехнічний факультетКафедра радіотехнічних пристроїв та системМетодичні вказівкидо виконання практичних занятьз дисципліни «Радіопередавальні пристрої»Рекомендовано вченою радою радіотехнічного факультету Київ НТУУ «КПІ» 2014 Радіопередавальні пристрої: методичні вказівки до виконання практичних занять з дисципліни «Радіопередавальні пристрої» для студентів радіотехнічного факультету / Укладачі: О.М. Антонець, В.О. Дмитрук - Київ: НТУУ "КПІ", 2014.-30с. Гриф надано вченою радою радіотехнічного факультету НТУУ "КПІ" (Протокол №..... від ......) Рекомендовано навчально-методичною комісією радіотехнічного факультету (Протокол №...... від....... ) Навчальне виданняРадіопередавальні пристроїМетодичні вказівкидо виконання практичних занять з дисципліни «Радіопередавальні пристрої» для студентів радіотехнічного факультетуУкладачі Антонець Олександр Миколайович, старший викладач Дмитрук Віктор Опанасович, канд. техн. наук, доцент Відповідальний редактор Правда Володимир Іванович, канд. техн. наук, проф. Рецензент Макаренко Олександр Сергійович, канд. техн. наук, доц. За редакцією укладачів _____________________________________________________ НТУУ «КПІ» Радіотехнічний факультет 03056, Київ, вул..Політехнічна, 12, корп. 17 Тел./факс (044) 454-92-93 Практичне заняття №1 Розробка структурної схеми радіопередавального пристрою (РПП) з орієнтовним вибором активних елементів всіх каскадів Структурна схема передавача розраховується[1,3,6] від вихідного каскаду до збуджувача [6]. Основними параметрами, які необхідно враховувати при розробці структурної схеми є потужність в навантаженні Pн, параметри навантаження, діапазон робочих частот та рід роботи передавача. Радіопередавач може бути навантажений або безпосередньо на антену (з заданими параметрами RA, XA), або на вхідний опір АФП (антенно-фідерний пристрій) із стандартним значенням. На практиці більшість передавачів під’єднуються до антени через АФП. Рід роботи передавача визначається типом модуляції ВЧ коливань і зумовлює смугу частот радіосигналу одного каналу, міжканальну різницю частот (крок сітки частот синтезатора частоти (СЧ), кількість каналів у відведеній смузі частот) та режим підсилення коливань, що виробляє збуджувач, у каскадах передавача. Таким чином збуджувач виробляє ВЧ коливання робочих частот із заданою стабільністю і в більшості випадків формує радіосигнал із заданим у ТЗ типом модуляції. Типові значення потужності коливань на виході збуджувача становлять 5…10 мВт. Підсилення потужності цих коливань до заданого рівня у відбувається у наступних каскадах передавача (включно з вихідним каскадом, що працює на ), якіназиваються генераторами із зовнішнім збудженням (ГЗЗ). Основною схемою ГЗЗ є однотактна схема, до складу якої входить активний елемент (АЕ), джерело живлення (ДЖ), вихідне та вхідне кола узгодження (КУ), які здійснюють необхідну трансформацію відповідних опорів з метою забезпечення оптимального режиму роботи АЕ. Вхідне КУ доцільно відносити до попереднього каскаду підсилення, для якого це коло є вихідним. Така потужність має назву установча потужність АЕ і є одним із основних параметрів для вибору АЕ конкретного ГЗЗ. Другим параметром для вибору АЕ є значення робочих частот. Третім критерієм для вибору АЕ є передбачуваний режим роботи АЕ – лінійний або нелінійний. Лінійний режим необхідно використовувати для підсилення радіосигналів із змінною обвідною (наприклад сигнали з АМ, ОМ, АФМ, КАМ), щоб уникнути спотворень сигналу, що передається. Недоліком цього режиму є низьке значення . Нелінійний режим – режим з відсіканням струму вихідного електроду АЕ- забезпечує значно кращі енергетичні показники особливо при роботі АЕ у граничному режимі,але він може бути застосований для сигналів із сталою амплітудою несучого коливання - сигналів з КМ (ЧМ або ФМ). Лінійний режим у однотактному ГЗЗ забезпечується підсиленням класу А, або двотактним ГЗЗ, кожне плече якого може працювати у граничному режимі, тобто з високою енергетикою. АЕ(транзистор) для кожного ГЗЗ передавача вибирається за довідниковими експериментальними даними ( , - табл.1додаток 2), заданими робочими частотами (ТЗ) та установчою потужністю ГЗЗ . Недоцільно вибирати АЕ із значним перевищення над та f’>>fроб. Такі умови сприяють уникненню можливого самозбудження ГЗЗ. Як правило у довідниках можна знайти декілька типів АЕ, які задовольняють цій умові. Критерієм оптимізації вибору АЕ для вихідного каскаду є порівняння К’р транзисторів, але К’р не може бути більше 20. Для проміжних каскадів доцільно вибрати АЕ з однаковою напругою живлення ( ), що може спростити схему джерела живлення. Враховуючи, що між навантаженням та вихідним каскадом знаходиться схема узгодження з коефіцієнтом передачі = 0,6 … 0,85, потужність.
Вихідні каскади сучасних передавачів будуються за схемами додавання потужностей кількох окремих генераторів із зовнішнім збудженням. Визначивши вихідну потужність окремого ГЗЗ у вихідному каскаді вибирається активний елемент – транзистор – за довідковими експериментальними даними, приведеними в табл. 1. При цьому визначається напруга джерела живлення Ек активних елементів вихідного каскаду та струм споживання окремого ГЗЗ та вихідного каскаду в цілому. За експериментальними даними, приведеними в таблицях, визначається коефіцієнт передачі потужності транзистора Кр. Враховуючи коефіцієнт передачі вхідної схеми узгодження = 0,6 … 0,8 та ККД подільникапотужності визначається потужність, яку необхідно подати на вхід вихідного каскаду. Потім аналогічно з врахуванням коефіцієнтів передачі міжкаскадних схем узгодження вибираються транзистори попередніх каскадів, визначаються напруги живлення, струми споживання та вхідні потужності до значення Рвх=5 … 10 мВт, яку може забезпечити збуджувач. При виборі транзисторів для каскадів з рівнями вихідної потужності Рвих≤0,1…0,2 Вт [8] необхідно враховувати, що активні елементи працюють в режимі А і ККД при цьому становить = 0,2. Для малопотужних транзисторів в довідниках приводяться значення максимально допустимої потужності розсіювання на колекторі Ркд. Встановимо зв’язок між Ркд та потужністю високочастотного коливання на виході транзистора Рвих. З останнього виразу можна зробити висновок, що для транзистора, який працює в режимі А, потужність розсіювання на колекторі в чотири рази більша за потужність високочастотного коливання на виході транзистора. Використовуються транзистори при знижених значеннях колекторної напруги Ек. Необхідно перевірити, яку потужність можна забезпечити на виході каскаду. Для цього використовуються максимально допустимі значення параметрів транзистора. Приведемо приклад визначення Рвих, якщо транзистор працює в режимі А і відомі: Максимально допустиме значення колекторної напруги Екд Максимально допустиме значення імпульсного струму колектора Ікmд Максимально допустима потужність розсіювання на колекторі Ркд Розрахунок коефіцієнта передачі потужності Кр малопотужних транзисторів покажемо на прикладі каскаду підсилення на транзисторі КТ312, вхідні характеристики. – крутизна прохідної характеристики, яку можна розрахувати за вхідними характеристиками та параметрами транзистора. – модуль коефіцієнта передачі струму колектора на високій частоті. Тому – вхідний опір наступного каскаду підсилення. Представивши графічно роботу транзистора в режимі А можна визначити потужність Рвих. При цьому потрібно забезпечити режим роботи, при якому два параметри не можуть набувати максимально допустимих значень. Перевіряємо потужність розсіювання на колекторі
Практичне заняття №2 Визначення технічних вимог до джерела живлення (ДЖ) РПП та розробка оптимального варіанту його структурної схеми. Структурна схема джерела живлення розробляється відповідно до призначення передавача, вказаному в технічному завдання. Передавачі можуть бути стаціонарні, рухомі, носійні і від цього залежить тип джерела первинної електричної енергії, від якого необхідно отримати визначені при розробці структурної схеми величини напруг та струмів споживання всіх каскадів передавача. Джерелами первинної електричної енергії можуть бути мережа змінної напруги 220 В 50 Гц (однофазна, трифазна), судові та авіаційні бортові мережі як постійного так і змінного струмів частотою 400 Гц, автомобільні акумуляторні батареї напругою 12 В та24 В, малогабаритні акумуляторні батареї для носійних радіопередавачів спеціального призначення. Структурні схеми джерел живлення можна будувати за класичною схемою від мережі змінного струму, а також за схемами з перетворенням частоти від мережі змінної або постійної напруги. При цьому необхідно враховувати, що найбільш потужний вихідний каскад передавача живиться від окремого джерела напруги, а однакові напруги попередніх каскадів об’єднуються в одне джерело. Для живлення збуджувача, як правило,використовується малопотужне джерело стабільної напруги 4…5 В. На структурній схемі необхідно вказати напругу кожного джерела та струм споживання. Для джерел живлення, що працюють від акумуляторних батарей, необхідно розрахувати струм споживання від первинного джерела напруги, а для носійних передавачів необхідно вибрати тип акумуляторної батареї з ємністю, яка забезпечить необхідний час роботи передавача. Приклад структурної схеми джерела живлення приведений на Рис.2.1., де
Практичне заняття №3 Розрахунок генератора із зовнішнім збудженням. Вихідне коло В основному в ГЗЗ на біполярних транзисторах АЕ вмикаються по схемі зі спільним емітером (СЕ) або спільною базою (СБ). В цій схемі елементи С1, С2, L1, утворюють вхідне КУ, С3, L2, С4, - вихідне КУ, а подільник напруги R1, R2утворює коло зміщення. Під час розробки структурної схеми були вибрані транзистори вихідного каскаду, тому необхідні дані для розрахунку вихідного каскаду зводимо у таблицю 3.1: Таблиця 3.1
Пояснення до таблиці 3.1. а) h21е = β0 б) якщо в графі для Rуе; rе; rб; не вказані величини, то:Rуе = ∞; rе = 0; rб = , де = (0,2…0,3) в) величина rнас вибирається для частот f< величина (rнас вч) вибирається для частот f> г) якщоrнас і (rнас вч) не приведені, то rнас = rнас ВЧ = (1,5…3) rнас
Практичне заняття №4 Розрахунок генератора із зовнішнім збудженням. Вхідне коло Розрахунок кола бази проводиться за наступним алгоритмом[4]:
Практичне заняття №5 Розрахунок протифазних схем додавання потужностей в двотактних каскадах на трансформаторах на довгих лініях (ТДЛ). Протифазні схеми будуються за схемою двотактного каскаду на трансформаторах на довгих лініях (ТДЛ). Для даної схеми проводиться розрахунок транзисторів Т3 та Т4 за методикою приведеною в [3] 1. Визначається кількість ліній трансформатора Т4 N 2. Визначається вхідний опір трансформатораТ3 та вибирається кабель за табл.4.2. [3] Хвильовий опір ліній трансформатораТ4 визначається в залежності від кількості ліній трансформатората способу їх увімкнення. 3. Визначається напруга та струм лінії. 4. Визначається необхідна індуктивність лінії.
Практичне заняття №6 Розробка синфазних та квадратурних схем додавання та ділення потужностей схеми додавання потужностей. Синфазні схеми додавання потужностей будуються за мостовими схемами. Увімкнувши генератор на місце навантаження отримуємо схему ділення потужності. Квадратурний міст, має два основні чотириполюсники «1», які забезпечують зсув фази на або і трансформацію опору R в R/2, і два додаткових чотириполюсника «2», які також забезпечують зсув фази на або і трансформацію опору Rв R. Фаза генератора Г1 по відношенню до фази генератора Г2 становить . При опори і міняють місцями. Чотириполюсники «1» і «2» можна виконати із П – або Т – ланок на зосереджених L, C – елементах або на відрізках ліній довжиною . Для приведених схем реактивні опори визначаються із співвідношення: а) для основних чотириполюсників «1»: б) для додаткових чотириполюсників «2»: При використанні П – ланок можливі чотири варіанти квадратурних схем.
Практичне заняття №7 Розрахунки вихідних та міжкаскадних схем узгодження (СУ). Розрахунок вузькосмугових вихідних схем узгодження на LC-елементах. Вихідні схеми узгодження вирішують дві основні задачі: а) трансформація опорів; б) фільтрація вищих гармонік. Вихідні дані для розрахунку:
У зв’язку з цим розрахунок проводиться по другій гармоніці. 1. Вибирається тип схеми узгодження: «П» - тип або «Т» - тип. 2. Розраховується допустима потужність струму ІІ гармоніки в навантаженні. 3. Розраховується допустима амплітуда струму ІІ гармоніки в навантаженні. 4. Визначається амплітуда струму ІІ гармоніки на вході СУ. Якщо, необхідно збільшити кількість елементів СУ, а при кількість елементів схеми зменшують і проводять перерахунок. При цьому в формулі при вилученні ємності підставляють, а при вилученні індуктивності підставляють. Величина розрахункового ККД повинна перевищувати значення, враховані при розрахунку структурної схеми передавача. Розрахунок вхідних (міжкаскадних) схем узгодження. Після розрахунку вхідного кола транзистора, вибирається та розраховується вхідна схема узгодження, яка виконує дві функції:
Практичне заняття №8 Вибір методу та схеми формування сигналу. Розробка структурної схеми формування сигналу базується на технічних вимогах стандартів та значеннях основних параметрів передавачів з різними типами модуляції і проводиться за методиками, приведеними в [2], [3]. Спочатку визначаються границі діапазону робочих частот передавача, а потім встановлюються конкретні робочі частоти в межах цього діапазону у відповідності до кількості каналів зв’язку та смуги частот, яку займає один канал для вказаного в ТЗ типу модуляції. При розробці структурної схеми необхідно передбачити: а) попередню підготовку модулюючого сигналу; б) отримання модульованого сигналу на проміжних частотах; в) перенесення модульованого радіосигналу в область робочих частот; г) формування необхідної сітки частот; д) визначення робочих частот синтезатора частоти (СЧ). Як наприклад, на Рис.6.1 наведений варіант схеми формування радіосигналу передавача з частотною модуляцією (ЧМ). Тракт формування сигналу модуляції складають: 1 - перетворювач акустичних сигналів в електричні – мікрофон; 2 - підсилювач низької частоти для підсилення слабких сигналів, що виробляє мікрофон, до необхідного рівня для здійснення модуляції (ПНЧ); 3 - фільтр НЧ (ФНЧ), що обмежує смугу частот сигналу модуляції до стандартних значень (у телефонному режимі до 3000 Гц); 4 - попередня частотна корекція – забезпечує підйом ВЧ з крутістю 6 дБ/окт для фіксації індекса модуляції М у спектрі радіосигналу 5 - амплітудний обмежувач (АО) виключає рівні сигналів, що призводять до перемодуляції Формування радіосигналу здійснюється у частотному модуляторі (ЧМГ) (якщо прийнято прямий метод формування ЧМ-сигналу) середня частота якого - і постійна. Стабілізація середньої частоти забезпечується системою ФАПЧ за допомогою високостабільних коливань опорного генератора. В наведеному прикладі. Якщо з якихось міркувань не дорівнює, у схемі ФАПЧ необхідно передбачити подільники частоти. Частота зрізу ФНЧ повинна бути нижче, ніж сигналу модуляції (в режимі телефонії ), щоб виключити демодуляцію радіосигналу, що формується, кільцем ФАПЧ. Як джерела високо стабільних коливань доцільно застосовувати кварцові АГ (генератор опорних коливань) та синтезатори частоти (СЧ) для формування робочих частот передавача. Найвища стабільність частоти кварцового АГ досягається на частотах. Робочі частоти передавача формуються за допомогою перетворювача частоти (ПЧ), на входи якого підключені: радіосигнал та коливання СЧ , частота яких залежить від обраного каналу. На виході ПЧ отримуємо радіосигнал, частота якого . Смуговий фільтр забезпечує формування робочої частоти. Наведена схема дає змогу встановити вимоги до СЧ. В сучасних РПдП можливо використання цифрових СЧ двох типів: - прямого синтезу частот (DDS) - СЧ з колом автоматичного підстроювання частоти (ФАПЧ, ЧАПЧ) СЧ першого типу забезпечують майже безінерційне формування частот з дуже малим кроком сітки частот, але робочі частоти поки що не перевищують десятків МГц. Зміна частоти здійснюється програмним методом. СЧ з колами АПЧ забезпечують формування коливань в широкій смузі частот (десятки ГГц) з певною інерційністю.
Практичне заняття №9 Розрахунок синтезатора частоти (СЧ). Вихідними даними для розрахунку СЧ, побудованого за принципом використання кола фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ): 1. Робочі частоти СЧ 2. Крок сітки частот 3. Частота опорного генератора ГКН – генератор керований напругою ПЗКД – подільник із змінним коефіцієнтом ділення ІФД – імпульсний фазовий детектор ОГ – опорний генератор ІСПП – інтегральна схема попереднього подільника, коефіцієнт ділення якого може набувати значення pі p+1 ІС СЧ – інтегральна схема СЧ Методика розрахунку СЧ, побудованого за вказаною структурною схемою, приведена в [3]. Спочатку вибираються мікросхеми ПП і СЧ і вказуються їх параметри. Порядок розрахунку 1. Визначається значення ПЗКД R, яке забезпечує необхідний крок сітки частот. 2. Для кожної частоти синтезатора визначається необхідний коефіцієнт ділення.
Література
З повагою ІЦ "KURSOVIKS"! |