Проектирование передатчика

Министерство образования Российской Федерации

Нижегородский Государственный Технический Университет

Кафедра "Техники радиосвязи и телевидения"

Проектирование передатчика

Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине

«Устройства формирования сигналов»

КП-НГТУ-2008-(04-Р)-10-07

Выполнил

студент

Тупиков Павел

Руководитель

Ермилов Э.А

Нижний Новгород 2008

Введение

Целью данной работы является проектирование авиационного радиопередающего устройства дальней связи для самолёта АН-2, для сигналов с однополосной амплитудной модуляцией, удовлетворяющего заданным требованиям.

Мировое сообщество давно обосновало отказ от амплитудной модуляции в классической форме и приняло конкретные меры для постепенного отказа от АМ и перехода к однополосной модуляции. Кроме выигрыша в мощности излучаемых сигналов основное преимущество однополосной модуляции в том, что для передачи одного и того же сигнала требуется вдвое меньшая полоса частот, так, расстояние между станциями при ОП передаче по ГОСТ составляет всего 5 кГц.

Также современные тенденции в электронике обусловили необходимость постепенного перехода к цифровой генерации, обработке и передаче сигналов, использовании интегральных схем.

В данной работе мы так же постараемся по возможности максимально использовать многофункциональные компоненты в интегральном исполнении, это позволить снизить стоимость, габариты и энергопотребление проектируемого устройства при достижении указанных в задании параметров по сравнению со схемами на дискретных элементах.

1. Задание на проект

В рамках данного проекта требуется сконструировать радиопередатчик для авиационной связи.

Устройство должно передавать радиосигналы с однополосной амплитудной модуляцией.

В качестве антенны используется проволочная антенна дальней связи самолёта АН – 2. В данном диапазоне частот активное сопротивление антенны постоянно и равно Rx = 15Ом. Индуктивное сопротивление X = -60Ом.

Так же у приёмника должна быть предусмотрена защита от короткого замыкания выхода.

Органы управления:

Выключатель «Питание» - служит для включения всех блоков передатчика в режим ожидания передачи.

Выключатель «Передача» - служит для включения усилителя мощности, загрузки частоты выбранного канала в синтезатор с последующим включением синтезатора, включение входного усилителя.

Питание на кварцевые генераторы должно подаваться постоянно для того, чтобы они всегда находились в прогретом состоянии теплового равновесия, что благоприятно скажется как на общей стабильности передаваемых частот, так и на параметрах передатчика в целом.

2. Составление структурной схемы передатчика

2.1. Анализ требований к передатчику

Проектируемый передатчик должен обеспечивать передачу однополосного АМ сигнала. Формирование однополосной модуляции будем реализовывать фильтровым методом, при этом требуемые характеристики стабильности легко достижимы, а схемная реализация очень проста, также одно из преимуществ фильтрового метода по сравнению с балансным состоит в сложности реализации перестраиваемых фазовращателей.

Диапазон рабочих частот мал, f = 6525…6685 кГц, коэффициент перекрытия по частоте

Требуемое перекрытие диапазона будет реализовываться с помощью синтезатора частот. Диапазон рабочих частот достаточно узкий, поэтому выходной полосовой фильтр можно сделать неперестраиваемым. Для согласования выходного сопротивления усилителя мощности и входного сопротивления антенны необходимо согласующее устройство.

Максимальная требуемая выходная мощность Pмакс = 25Вт, данную мощность можно реализовать при использовании в выходном каскаде одного двухтактного транзисторного усилителя с предварительным усилением по току эмиттерным повторителем.

Передатчик будет проектироваться на полупроводниковой элементной базе, часть сложных и маломощных узлов будет реализованы в интегральном исполнении, это позволит снизить себестоимость изделия, массогабаритные показатели, потребляемую мощность.

Рис 1. Структурная схема передатчика

Сигнал с выхода микрофона попадает на БМ1, на второй вход которого подается сигнал с кварцевого генератора с частотой f₁ = 465 кГц, на выходе БМ1 полосовым электромеханическим фильтром отфильтровывается сигнал верхней боковой полосы, далее вторым БМ сигнал ОБП переносится с помощью перестраиваемого синтезатора частот в заданный диапазон. Далее от сигнала отфильтровываются сигналы гармоник при помощи кварцевого полосового фильтра и пассивного LC фильтра, полученный сигнал усиливается в оконечном каскаде и, через цепь согласования попадает в антенну. Выходное согласующее устройство так же обеспечивает частотную избирательность, для того, чтобы уменьшить излучение высших гармоник, возникших в усилителе мощности.

Применение полосовых фильтров вместо фильтров нижних частот в данной схеме приведёт в конечном итоге к уменьшению шума на входе усилителя мощности.

В общем случае передатчик имеет следующие входы:

1. Питание, от бортовой сети 115В 400Гц.

2. Входной сигнал, в диапазоне 300 – 3400 Гц.

3. Сигнал выбора рабочей частоты (одной из 32 возможных в диапазоне)

3. Выбор схемотехнических решений и расчёт отдельных узлов передатчика

3.1 Расчёт выходного усилительного каскада

Ключевыми требованиями для проектируемого усилителя являются: нелинейность амплитудной характеристики и КПД.

Выходная мощность, ограниченная на уровне 25Вт легко достижима при усилении двумя каскадами.

Диапазон рабочих частот ограничен f = 6525…6685 кГц, малый при этом не требуется специальных мер для выравнивания частотных характеристик усилителя.

Выходной усилительный каскад работает при больших уровнях сигналов, поэтому требования к коэффициенту шума в данной работе подробно рассматривать не будем, ограничимся лишь оценкой шума, вносимого предоконечным усилительным каскадом.

Уровень нелинейных искажений, вносимый модуляторами гораздо выше, чем средние показатели нелинейных искажений усилителей, поэтому в расчетах установим ограничение в Кни = 0,5%, при грамотном подборе рабочей точки такой уровень нелинейных искажений легко достижим.

3.1.1 Расчёт оконечного усилительного каскада

Для улучшения показателей КПД выберем для оконечного каскада УВЧ режим работы AB, это позволит отказаться от применения на выходе усилителя сложных фильтрующих цепей, которые могли бы отразиться на снижении общего КПД.

В качестве усилительного элемента выберем биполярные транзисторы. В первую очередь это связано с большей крутизной данных транзисторов, то есть при грамотном подборе качественных транзисторов достаточно одного каскада усиления. Этим параметрам полностью удовлетворяют специализированные транзисторы BLW50F производства PhilipsSemiconductor. Это n-p-nкремниевые биполярные транзисторы, специально изготавливаемые для использования в промышленных и военных приёмопередатчиках в усилителях ВЧ КВ и УКВ диапазонов.

Номинальная выходная мощность транзистора в режиме с отсечкой – 60Вт.

Данная серия транзисторов обладает повышенной надёжностью и расширенным диапазоном температур, так максимальная допустимая температура перехода ограничена 200ºС, а при температуре корпуса 100 ºС допустимая мощность в режиме с отсечкой – 35Вт,.

Усилительные элементы включим по схеме с общим эмиттером, в двухтактной схеме включения, при этом уровень мешающих гармоник на выходе усилителя существенно снижается.

При напряжении питания 50В передаточная характеристика по току будет слабо отличаться от представленной на рис 3.3. Исходя из этой характеристики, выходной ток одного транзистора будет приблизительно равен 0,25 А

Рисунок 3.1 Зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер

При полученном выходном токе в 0,3А и напряжении питания 50В, расчётная выходная мощность одного плеча усилительного каскада

При этом выходная расчётная мощность двух каскадов в двухтактном режиме равна:

Оценим коэффициент усиления выходного каскада.

Коэффициент усиления по напряжению равен отношению напряжения питания выходного каскада к входному напряжению.

Коэффициент усиления по току зависит в первую очередь от выбранного рабочего режима транзистора, температуры. так при U_вх=0,8В, температуре 25 градусов, и напряжении питания Е_п = 50В,

K_I=h_FE=β=37

Результирующий коэффициент усиления

K_вых=К_I=β=2312

При данном выборе параметров и рабочей точки уровень интермодуляционных искажений третьего и пятого порядков будут соответственно: -33 и -37дБ.

Рисунок 3.2 Уровень интермодуляционных искажений третьего и пятого порядка соответственно для усилителя класса АВ в зависимости от выходной мощности

3.1.2 Расчёт предоконечного усилительного каскада

Типичное значение выходного сопротивления микросхемы модулятора при напряжении питания Vcc = 6В, Rвых = 800Ом.

Входное и выходное сопротивления электромеханических фильтров в зависимости от исполнения имеют сопротивления от 600 до 4000 Ом, поэтому изготовить партию фильтров на заказ с сопротивлением 800Ом не составляет трудностей. Фильтр вносит среднее затухание в полосе пропускания около 1,5 дБ, что соответствует изменению выходного напряжения в Кфпч = 1/1,4 = 0,71 раза.

Отсюда вытекает первое условие, входное сопротивление предоконечного каскада должно иметь сопротивление не менее 600Ом.

Из всего вышесказанного вытекает необходимость в преобразовании сопротивления выхода фильтра в сопротивление входа транзисторного каскада.

Оптимальный уровень выходного сигнала предоконечного каскада должен быть в пределах 0,8В, минимальный ток – 8 мА, при этом входная мощность P_вх.ус = 6,4мВт. Мощность, передаваемая с выхода фильтра

Необходимый коэффициент усиления предоконечного каскада должен составлять

.

Для этого наилучшим образом подойдёт схема с общим коллектором в режиме A, однако из за того, что эмиттерный повторитель не усиливает напряжение, к его выходу подключим трансформатор, с коэффициентом передачи K = 8, основное предназначение которого – увеличение выходного напряжения до необходимого уровня, а так же создание противофазных напряжений для двух плеч оконечного усилителя. Смешение для рабочей точки будет подаваться только во время активной передачи. Для работы в данном диапазоне частот подойдёт практически любой транзистор, например BC547 (по параметрам аналог КТ315). Напряжение смещения на вход будет подаваться через резистивный делитель. При этом величина входного сопротивления очень велика и составляет десятки кОм, а выходного сопротивления – очень мала, что способствует лучшему согласованию выхода формирователя сигнала и основного усилителя.

Рисунок 3.3 Зависимость входного сопротивления транзистора BLW50F от частоты

3.2 Расчёт выходного согласующего устройства

При данном подходе на выходе усилительного каскада необходимо поставить лишь согласующую цепь, относительно широкополосную, чтобы без перестройки согласующей цепи можно было покрывать весь диапазон рабочих частот.

Нелинейность частотной характеристики согласующей цепи будет оказывать меньшее влияние на искажения СП АМ сигнала, так как полоса ОП АМ в несколько раз уже чем полоса пропускания согласующей цепи.

Для согласования выхода оконечного усилителя с нагрузкой будем использовать колебательный контур. Основное предназначение выходного ФНЧ – фильтрация высших гармоник, при этом критерии оптимальности для ФНЧ будут следующие:

1) Максимальная равномерность в полосе f = 6525…6685 кГц.

2) Общий уровень побочных гармоник не более 40дБ.

Входное активное сопротивление антенны 15 (Ом), индуктивное 60(Ом), выходное активное сопротивление транзистора – 50Ом, реактивным сопротивлением выхода в рабочем диапазоне частот можно пренебречь. (> 3,5 кОм)

В качестве элемента согласования выберем полосовой фильтр в виде П-образного звена.

Параметры звена:

Где R₀<R₁, и R₀<R₂

Сопротивление источника сигнала R₁ = 50Ом.

Сопротивление нагрузки R₂ = 15Ом.

Рисунок 3.4 Зависимость КПД цепи согласования от сопротивления R₀

Реактивное сопротивление входной ветви согласующего устройства должно быть равно 12,06 Ом.

Встаёт задача распределения реактивного сопротивления между трансформатором и ёмкостью П-образного звена. В результате расчётов в рабочем диапазоне частот получим следующую зависимость индуктивности трансформатора от емкости.

Рисунок 3.1 Зависимость индуктивности связующего трансформатора от входной ёмкости контура

В результате анализа реализуемости подобного звена были выбраны следующие параметры:

Индуктивность согласующего трансформатора L5 = 150нГн.

С14 = 2 нФ

С15 = 3,4 нФ

L6 = 415 нГн

При этих параметрах максимальный КПД цепи согласования может быть порядка 98%, в реальности он будет на 4-7% ниже.

3.3 Расчёт входного каскада передатчика

Основная задача данного каскада – формирование из входного сигнала модулирующего напряжения.

При этом стоит учесть следующее:

1. амплитуда входного сигнала и динамический диапазон может изменяться очень сильно.

2. На входе может действовать сигнал с шумом в очень широкой полосе частот.

3. На вход балансного смесителя необходимо подавать сигнал с амплитудой 70мВ.

4. Источником сигнала служит внешний подключаемый микрофон.

5. На входе – сигнал с малой амплитудой, важно хорошее отношение сигнал/шум для этого каскада.

Для этой цели наиболее оптимальным решением является усилитель с автоматической регулировкой усиления.

Например, специализированная микросхема MAX9814 – микрофонный усилитель с АРУ и малошумящим смещением микрофона.

Отличительные особенности:

· Автоматическая регулировка усиления (АРУ)

· Три коэффициента усиления (40дБ, 50дБ, 60дБ)

· Программируемое время нарастания сигнала

· Программируемое соотношение нарастания и спада

· Диапазон напряжения питания 2.7В…6В

· Малая плотность шума по отношению ко входу 30нВ/Гц

· Отношение сигнал/шум – 61дБ.

· Малые общие гармонические искажения: 0.04% (тип.)

· Маломощный режим отключения

· Встроенный малошумящий источник смещения микрофона напряжением 2В

· Расширенный температурный диапазон -40°C…+85°C

· В диапазоне частот 300 – 3400Гц АЧХ усилителя практически линейна.

Для того, чтобы выбрать коэффициент усиления равный 50дБ, необходимо вход выбора Кус (GainControlInput) подключить к земле.

На выходе данной микросхемы мы имеем стабильный сигнал с уровнем 0,7 В, не зависимо от подключаемого ко входу источника. Для преобразования этого стабильного напряжения в 70мВ, требуемые для балансного смесителя, между смесителем и усилителем включим резистивный делитель.

Вход переключения между активным режимом и режимом ожидания подключим к общему выключателю «Передача» так же через делитель для согласования уровня напряжения питания (6В) и уровня логической единицы на входе SHDN – 1,3В.

3.4 Расчёт тракта формирования однополосного сигнала

Балансные модуляторы выберем в интегральном исполнении на микросхемах SL1640C производства PlesseySemiconductors.

Основные характеристики модулятора:

Задающий генератор для промежуточной частоты проектируется на частоту 465 кГц. Очень важно сделать ГПЧ1 очень стабильным, чтобы обеспечить линейную фильтрацию нижней боковой полосы. Для повышения стабильности в ГПЧ1 необходимо использовать кварцевую стабилизацию.

Уровень выходного сигнала ГПЧ1 должен быть порядка 100мВ, для обеспечения нормальной работы балансного модулятора.

В качестве ГПЧ1 можно выбрать кварцевый термостатированный генератор ГК-120-ТС. На выходе этого генератора гармонический сигнал с частотой 465кГц.

Стабильность не хуже 0,5×10^-6, и точность настройки не хуже 10^-6. Выходной сигнал данного кварцевого генератора – гармонический с амплитудой 500мВ. Для преобразования его в гармонический с амплитудой 100мВ необходимо к выходу кварцевого генератора подключить резистивный делитель напряжения.

3.5 Расчёт фильтра основной селекции

Исходя из выбранной блок схемы, фильтр основной селекции, проедназначеный для фильтрации нижней боковой полосы должен быть настроен на частоту 463,3 кГц. Ширина полосы пропускания должна быть в пределах 3000кГц. Ослабление в полосе заграждения нижней боковой полосы не менее 40-50 дБ, ослабление несущей не менее 32 – 40 дБ.

Ширина полосы пропускания при этом равна 6,41% от резонансной частоты.

Существует несколько видов физически реализуемых фильтров ПЧ, с требуемыми характеристиками:

Пьезоэлектрические фильтры обладают хорошей избирательностью по соседнему каналу при расстройках на 10— 20 кГц, но она недостаточна для сигналов, отстоящих от резонансной частоты фильтра на 100-200 кГц и выше. Контур LC. наоборот, обладая невысокой избирательностью по соседнему каналу, обеспечивает хорошее подавление сигналов с большими расстройками. При совместном включении контура и фильтра удается повысить избирательные свойства тракта ПЧ.

Возможно применение пьезокерамических фильтров.

Одно из необходимых условий согласования – входное сопротивление электромеханического фильтра должно составлять 800 Ом ± 5%

Для лучшей селекции при больших расстройках, т.е для более эффективного подавления гармоник к выходу электромеханического фильтра подключим колебательный LC контур, настроенный так же на частоту 463,3. Параметры контура при этом должны быть следующие:

Рисунок 3.6 Зависимость индуктивности фильтра основной селекции от ёмкости ФОС.

Выберем для определённости С10 = 10нФ

Тогда L3 = 11,8 мкГн.

Определим необходимые требования для высокочастотного полосового фильтра.

В данном диапазоне частот наиболее эффективны электромеханические кварцевые или лангаситовые фильтры, а так же фильтры на ПАВ. Основные физически реализуемые характеристики:

1. центральная частота – 6600кГц.

2. Относительная полоса пропускания полоса – 3% (200МГц)

3. Порядок фильтра – 12

Физически достижимые параметры:

1. Затухание в полосе заграждения – 80дБ

2. Неравномерность в полосе пропускания – 0,5 дБ

3. Диапазон температур -60 - +85 градусов Цельсия.

Существует большое множество фильтров, удовлетворяющих заявленным требованиям, среди них пьезокерамические фильтры, фильтры на ПАВ, пьезоэлектрические. Все требуемые в работе кварцевые генераторы и электромеханические фильтры могут быть произведены на заказ группой компаний «Пьезо» (Россия, г. Москва и МО)

3.6 Расчёт тракта формирования несущей частоты

Переноса сигнала с промежуточной частоты в 465кГц на радиочастоту из рабочего диапазона f = 6525… 6685 кГц в конкретном передатчике будет осуществляться гетеродинированием сигнала ПЧ с гармоническим сигналом с изменяющейся частотой, полученного с использованием синтезатора частот.

В качестве смесителя будем использовать те же микросхемы, что и в модуляторе, SL1640C производства PlesseySemiconductors, их краткое описание и основные параметры были приведены в п. 3.4.

Генерацию опорных частот для второго гетеродина в данном передатчике будем производить с помощью интегрального синтезатора частот NJ8820, производства PlesseySemiconductors (Великобритания)

Основные характеристики и достоинства данного синтезатора:

1. Генерируются частоты до 10МГц.

2. Вход для внешнего высокостабильного кварцевого генератора.

3. Диапазон питающих напряжений 5 – 7 (В)

4. Диапазон рабочих температур -40 - +85 ºС

5. Встроенный генератор управляющих сигналов для работы с ПЗУ.

Требования к ПЗУ:

1. организация ячейками по 4 бита.

2. время доступа не менее 25мкс при тактировании ИМС синтезатора на частоте 10МГц.

3. для программирования всех 32 каналов необходимо 32*8x4 = 1024 бита ПЗУ.

Из списка микросхем, рекомендованных производителем, наиболее оптимальны по всем параметрам и стоимости ПЗУ 74S287, производства FarChildSemiconductors.

Данные в синтезатор загружаются из ПЗУ, причём для настройки синтезатора на каждую частоту требуется 28 бит информации, организованной в 8 4-х разрядных словах.

Алгоритм загрузки прост: С помощью старших 5 разрядов адреса микросхемы памяти выбирается частота, далее синтезатор, подключенный к трём младшим разрядам последовательно считывает 8 ячеек памяти. Это очень выгодная возможность синтезатора, так как для его настройки не требуется включать в схему процессор. ПЗУ программируется перед запайкой, в последующем изменении информации в ПЗУ надобности нет.

На вход тактирования подключим внешний тактовый генератор с частотой 10МГц. Строгие требования к стабильности тактового генератора не предъявляются.

На вход внешнего осциллятора подключим высокостабильный кварцевый генератор с частотой 6МГц.

Загрузка частоты, а так же включение генератора будут включаться при подаче на разрешающий вход ИМС синтезатора логического сигнала высокого уровня (около 6В), для этого подключим разрешающий вход к выключателю «передача».

3.7 Расчёт источника питания

Радиопередатчик питается от бортовой сети самолёта с напряжением переменного тока 115В и частотой 400Гц.

Для питания отдельных узлов нужно получить следующий ряд напряжений

В целях повышения стабильности напряжения, а так же для защиты аппаратуры от импульсных помех через бортовую сеть целесообразнее использовать импульсный блок питания с ШИМ преобразователем.

В основе этого блока будет лежать микросхема ШИМ контроллера TL494.

Напряжение бортовой сети выпрямляется, фильтруется, далее через два мощных ключевых транзистора, управляемых ШИМ контроллером, подаётся на трансформатор, выводы обмоток которого будут образовывать требуемые напряжения.

Далее каждое из напряжений фильтруется с помощью мощного дросселя и конденсаторов.

Наибольшая стабильность выходного напряжения требуется для кварцевых генераторов, питающихся от шины 10В, поэтому выходную стабилизацию ШИМ контроллера подключим только к выходу 10В.

Блок схема импульсного блока питания:

Так же в блоке питания необходимо предусмотреть защиту выходных цепей от короткого замыкания на выходе, а так же защиту от перенапряжений.

Специальные меры защиты на входе не потребуются, если силовые транзисторы взять с запасом по пробивному напряжению в 3-4 раза, например С4242.

При данной реализации блока питания должна быть обеспечена стабильная работа передатчика при изменении напряжения питания от 70 до 300В, и при изменении частоты от 20 Гц до 1кГц.

4. Заключение

В результате выполнения данного курсового проекта был спроектирован авиационный передатчик для дальней связи самолёта АН -2.

Основные технические характеристики:

Так же к достоинствам данного передатчика стоит отнести компактность, надёжность, простоту конструкции, невысокая стоимость комплектующих.