Транзисторный передатчик с цифровой модуляцией FSK (ЧМ)

Министерство  науки и образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Санкт - Петербургский  Государственный Университет Аэрокосмического Приборостроения»

Кафедра № 23

 

 

 

 

 

 

 

Отчет защищен

Преподаватель: Вилесов Л.Д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пояснительная записка

к курсовому проекту

по дисциплине

«Устройства генерирования  и формирования сигналов»

Транзисторный передатчик с цифровой модуляцией FSK (ЧМ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Работу выполнил

Студент гр. 2931 Абдуллозода С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

1. Исходные данные:

 

мощность в фидере 8 Вт,

частота  370 МГц,

сдвиг частоты 800 Гц,

полоса  частот модуляции 300...3400 Гц,

кодирование - 8 бит на выборку,

отн. нестабильность частоты 10^-6,

нелинейные искажения < 5%,

сопротивление антенны 50 Ом,

рабочая температура 0..40 гр. С

2. Содержание.

1. Исходные данные 

2. Содержание 

3. Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов. 

4. Введение. 

5. Выбор и обоснование структурной схемы. 

6. Расчет каскадов передатчика. 

7. Расчет блокировочных элементов 

8. Расчет цепей согласования. 

9. Расчет кварцевого генератора. 

10. Проектирование системы охлаждения транзистора. 

11. Проектирование схемы электрической принципиальной. 

12. Проектирование монтажной схемы. 

13. Заключение. 

14. Список использованных источников (литература). 

15. Приложение.  Таблица элементов принципиальной схемы (транзисторов, резисторов,  конденсаторов, индуктивностей), расчитанных и выбранных в соответствии с нормативным рядом. 

 

3.Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц и терминов.

 

ЦС – цепь согласования

ТУК – транзисторный  усилительный каскад

УЧх3 – умножитель частоты на три

УЧх2 – умножитель частоты на два

ЧМКГ – частотно-модулируемый кварцевый генератор антенна

 

4. Введение.

 

Исходными данными  для расчета являются:

f = 370 МГц – рабочая частота или диапазон частот передатчика.

P = 8 Вт - полезная мощность (мощность в фидере)

= 10^-6 - относительная нестабильность частоты.

Разработка функциональной схемы начинается с оконечного каскада, постепенно передвигаясь к возбудителю.

Транзистор  выходного каскады выбирается  по заданной центральной частоте  в центре спектра ЧМ сигнала и по мощности с учетом КПД выходной цепи согласования.

КПД цепей межкаскадного согласования составляет 0,8 – 0,9. С уменьшением выходной мощности каскада требование к КПД снижается. Выходная мощность каждого из остальных каскадов равна:

По полученной мощности и заданной частоте выбирается транзистор данного каскада. Продвижение составления  структурной схемы передатчика будет ограничено схемой возбудителя передатчика. Учитывая, что заданная нестабильность частоты равна , необходима кварцевая стабилизация частоты автогенератора. Коэффициент усиления всего тракта передатчика, с условием заданной мощности в антенне (Ра = 5 Вт) и мощности на выходе генератора (около 1 мВт) приблизительно равен

37  дБ

Кварц необходимо возбуждать на первой гармонике, так как на более высоких гармониках управление частотой кварцевого резонатора менее эффективно. Генератор выдает примерно 20МГц, на выходе передатчика должно быть 430МГц. Поэтому передатчик должен содержать три утроителя частоты.

Также схема должна содержать цепи согласования, которые обеспечивают :

-Трансформацию активной составляющей сопротивления потребителя Rп в требуемое для работы активного элемента в выбранном режиме сопротивление нагрузки Rн. Сопротивление должно трансформироваться в полосе частот, определяемой шириной спектра передаваемого колебания или диапазоном перестройки передатчика.

Необходимую форму  тока в сопротивлении потребителя.

Форму напряжения на выходном электроде активного  элемента  (АЭ) в соответствии с  выбранном режимом работы.

Малые потери в элементах цепей согласования (ЦС).

Возможность перестройки  и регулировки параметров ЦС при  смене рабочей частоты или  изменении параметров ЦС или АЭ.

 

5. Выбор и обоснование структурной схемы.

 

На основании предварительной  оценки структуру передатчика можно представить следующим образом:

Рис 1. Структурная схема передатчика.

ЦС – цепь согласования

ТУК – транзисторный  усилительный каскад

УЧх3 – умножитель частоты на три

УЧх2 – умножитель частоты на два

ЧМКГ – частотно-модулируемый кварцевый генератор антенна

 

6. Расчет каскадов передатчика.

 

Расчет транзисторного усилителя мощности.

 

В формулах индуктивности  выводов необходимо подставлять  в нГ, емкости переходов – в  пф, частоту – в МГц.

Исходные данные приведены в пункте 1.

1. Коэффициент использования транзистора по коллекторному напряжению в граничном режиме: , где P_Г = (0,75-0,9)P₁=; S_гр = 15*Р₁/E_k
2. Амплитуда напряжения эквивалентного генератора (ЭГ):
3. Амплитуда тока первой гармоники (ЭГ):
4. Пиковое значение на коллекторе транзистора не должно превышать допустимое:
5. Сопротивление нагрузки ЭГ:
6. Крутизна по переходу:
7. Сопротивление рекомбинации не основных носителей в базе:
8. Крутизна статической характеристики:
9. Угол отсечки
10. Коэффициенты разложения для нулевой и первой гармонических составляющих:   
11. Пиковое обратное напряжение на эмиттерном переходе:
12. Управляющий ток: , где - время пролета не основных носителей.
13. Ток эмиттера:
14. Напряжение на сопротивлении r_э c учетом индуктивности L_э:
15. Первая гармоника напряжения на переходе:
16. Напряжение на активной емкости коллекторного перехода (С_ка) :
17. Ток через емкость С_ка:
18. Ток через сопротивление r_б:
19. Напряжение на r_б:
20. Напряжение на с_kп – пассивной емкости коллекторного перехода:
21. Ток через с_kп:
22. Сопротивление потерь коллектора r_k, приведенное к параллельному эквиваленту относительно пассивной емкости коллекторного перехода:
23. Ток источника возбуждения транзистора:
24. Напряжение на индуктивности вывода базы:
25. Напряжение возбуждения транзистора:
26. Первая гармоника тока коллектора:
27. Амплитуда напряжения на нагрузке:
28. Входное сопротивление для первой гармоники:
29. Мощность возбуждения:
30. Мощность в нагрузке:
31. Постоянная составляющая тока коллектора:
32. Потребляемая мощность:
33. Коэффициент полезного действия:
34. Коэффициент усиления по мощности:
35. Допустимая мощность рассеивания транзистора: , где t_ндоп , t_k – допустимая температура перехода и температура корпуса транзистора соответственно; R_пк – тепловое сопротивление перехода – корпус транзистора (⁰С/Вт).
36. Мощность, рассеиваемая в транзисторе, не должна превышать допустимую:
37. Сопротивление нагрузки на внешних выводах транзистора:

 

Расчет каскадов производился, начиная с выходного каскада при помощи программ gww.exe и gww_m.exe. Данные, полученные при расчете приведены ниже.

 

6.1. Расчет ТУК3.

 

Программа для  расчета gww.exe

Pнагр = 8E+0000 / 0.8 = 1E+0001 Вт

             ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА    2t934B

┌──────┬──────────╥──────┬──────────╥──────┬──────────┐

│F,МГц │ 370      ║ P,Вт │ 15       ║ oe/ob│ oe       │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│Ft,МГц│ 1000     ║ H21  │ 75.0     ║Skr,См│ 0.66     │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│ Ek,В │ 28.0     ║ Es,В │  0.7     ║  Kp  │   ----   │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│Ukd,В │   60     ║ Ub,В │  4.0     ║Ik0m,А│ 2.00     │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│ Rpk  │ 4.40     ║ Tp,Гр│  160     ║ Tk,Гр│   40     │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│ Ce,пФ│ 210.0    ║Cka,пФ│  6.0     ║Ckp,пФ│ 18.0     │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│ Rb,Ом│  1.9     ║Rem,Ом│ 0.00     ║ Rk,Ом│ 1.00     │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│ Lb,нГ│ 2.80     ║ Le,нГ│ 1.00     ║ Lk,нГ│ 2.50     │

└──────┴──────────╨──────┴──────────╨──────┴──────────┘

             РАСЧЕТ НА ЗАДАННУЮ МОЩНОСТЬ

                 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

кси критич.= 6.5E-0001      Uгенер   = 1.8E+0001 В

Iгенер     = 1.4E+0000 А    Uкэ пик  = 4.6E+0001 В

Rнаг       = 1.3E+0001 Ом   Sперех   = 3.7E+0001 См

Rрек.      = 2.0E+0000 Ом   крутизна = 1.9E+0001 См

Rколл      = 3.2E+0002 Ом   угол отс = 8.9E+0001 Гр

Гамма1     = 4.9E-0001      Гамма0   = 3.1E-0001

Uбэ пик    = 1.5E+0000

Iu (А)   = -1.550E-01 + 1.039E+00j

Up1 (В)  =  1.083E+00 + 1.615E-01j

Ie1 (А)  =  1.240E+00 + 1.039E+00j

Ue (В)   = -2.416E+00 + 2.883E+00j

Ucka (В) =  1.936E+01 + 1.615E-01j

Icka (А) = -2.252E-03 + 2.700E-01j

Ib1s (А) = -1.572E-01 + 1.309E+00j

Urb (В)  = -2.987E-01 + 2.488E+00j

Uckp (В) =  1.906E+01 + 2.649E+00j

Ickp (А) = -1.109E-01 + 7.976E-01j

Irks (А) =  5.934E-02 + 8.247E-03j

Ib1 (А)  = -2.681E-01 + 2.107E+00j

Ulb (В)  = -1.372E+01 - 1.745E+00j

Uw (В)   = -1.535E+01 + 3.788E+00j

Ik1 (А)  =  1.508E+00 - 1.068E+00j

Uk (В)   =  1.586E+01 + 2.883E+00j

Без учета Lk   Zn0 (Ом)   =  6.104E+00 + 6.232E+00j

               f_n (Гр)   =  4.6E+0001

На выводах  КЭ  Zn (Ом)    =  6.104E+00 + 4.204E-01j

               Yn (1/Ом)  =  1.631E-01 - 1.123E-02j

Lн пос  =  1.8E-0001 нГ      Cн кор  =  1.0E+0003 пФ

Lн пар  =  3.8E+0001 нГ      Cн кор  =  4.8E+0000 пФ

Zw1 (Ом)   =  2.681E+00 + 6.943E+00j

Yw1 (1/Ом) =  4.840E-02 - 1.253E-01j

Lвх пос  =  3.0E+0000 нГ     Cвх кор  =  6.2E+0001 пФ

Lвх пар  =  3.4E+0000 нГ     Cвх кор  =  5.4E+0001 пФ

Pвоз   = 6.0E+0000 Вт   Pнагр = 1.0E+0001 Вт

Iк0    = 8.8E-0001 А    Pпотр = 2.5E+0001 Вт

КРД    = 4.2E-0001      Kp    = 1.7E+0000

Pр доп = 2.7E+0001 Вт   Pрас  = 2.0E+0001 Вт

 

6.2. Расчет ТУК2.

 

Программа для  расчета gww.exe

Pнагр = 6E+0000 / 0.9 = 6.(6) Вт

             ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА    2t934b

┌──────┬──────────╥──────┬──────────╥──────┬──────────┐

│F,МГц │ 370      ║ P,Вт │ 8.9      ║ oe/ob│ oe       │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│Ft,МГц│ 1000     ║ H21  │ 75.0     ║Skr,См│ 0.33     │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│ Ek,В │ 28.0     ║ Es,В │  0.7     ║  Kp  │   ----   │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│Ukd,В │   60     ║ Ub,В │  4.0     ║Ik0m,А│ 1.00     │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│ Rpk  │ 8.80     ║ Tp,Гр│  160     ║ Tk,Гр│   40     │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│ Ce,пФ│ 115.0    ║Cka,пФ│  2.9     ║Ckp,пФ│  8.6     │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│ Rb,Ом│  1.9     ║Rem,Ом│ 0.00     ║ Rk,Ом│ 2.00     │

├──────┼──────────╫──────┼──────────╫──────┼──────────┤

│ Lb,нГ│ 3.10     ║ Le,нГ│ 1.20     ║ Lk,нГ│ 2.50     │

└──────┴──────────╨──────┴──────────╨──────┴──────────┘

             РАСЧЕТ НА ЗАДАННУЮ МОЩНОСТЬ

 

                 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

 

кси критич.= 6.5E-0001      Uгенер   = 1.8E+0001 В

 

Iгенер     = 8.3E-0001 А    Uкэ пик  = 4.6E+0001 В

 

Rнаг       = 2.2E+0001 Ом   Sперех   = 2.2E+0001 См

 

Rрек.      = 3.4E+0000 Ом   крутизна = 1.4E+0001 См

 

Rколл      = 7.0E+0002 Ом   угол отс = 9.1E+0001 Гр

 

Гамма1     = 5.1E-0001      Гамма0   = 3.3E-0001

 

Uбэ пик    = 1.5E+0000

 

Iu (А)   = -8.870E-02 + 5.949E-01j

 

Up1 (В)  =  1.092E+00 + 1.628E-01j

 

Ie1 (А)  =  7.391E-01 + 5.949E-01j

 

Ue (В)   = -1.660E+00 + 2.062E+00j

 

Ucka (В) =  1.937E+01 + 1.628E-01j

 

Icka (А) = -1.098E-03 + 1.306E-01j

 

Ib1s (А) = -8.980E-02 + 7.255E-01j

 

Urb (В)  = -1.706E-01 + 1.379E+00j

 

Uckp (В) =  1.920E+01 + 1.541E+00j

 

Ickp (А) = -3.082E-02 + 3.838E-01j

 

Irks (А) =  2.744E-02 + 2.203E-03j

 

Ib1 (А)  = -1.206E-01 + 1.109E+00j

 

Ulb (В)  = -7.995E+00 - 8.692E-01j

 

Uw (В)   = -8.733E+00 + 2.734E+00j

 

Ik1 (А)  =  8.597E-01 - 5.144E-01j

Uk (В)   =  1.662E+01 + 2.062E+00j

 

Без учета Lk   Zn0 (Ом)   =  1.318E+01 + 1.028E+01j

               f_n (Гр)   =  3.8E+0001

На выводах  КЭ  Zn (Ом)    =  1.318E+01 + 4.470E+00j