Понятие каналообразующих устройств как комплекса технических средств для передачи (передатчик) и приема (приемник) сообщений. Методика расчета и проектирования передающих и принимающих устройств. Особенности моделирования отдельных узлов на компьютере.
Аннотация к работе
Таким образом, если сформировано некоторое сообщение ? (t), которое требуется передать, то по средствам соответствующих операций оно преобразуется в сигнал S (t), который передается по линиям связи потребителю. Однако при всем разнообразии применяющихся на ж. д, транспорте каналообразующих, передающих и приемных устройств и схемотехнические решения могут быть расчленены на элементы достаточно ограниченного набора - генератора, усилителя, модема (модулятор-демодулятор), кодека, преобразователя частоты, преобразователя сигналов и подобные им устройства. В реальных условиях сигнал S (t) передается при наличии помех, под которыми понимается любое случайное воздействие, накладывающиеся на сигнал. Передатчик служит для преобразования передаваемого сообщения в сигнал, который можно передавать по линии связи ЛС. БК - буферный каскад, в котором осуществляется модуляция, т.е. перенос спектра сигнала в высокочастотную область, т.е. закладывает информацию в сигнал переносчик.
План
Содержание
Введение
Обоснование вида АМ модуляции
Разработка автогенератора синусоидального сигнала
Автоколебательная система. Автогенератор
Выбор рабочей точки транзистора в режиме класса А. Определение необходимых параметров транзистора
Схема усилителя переменного сигнала
Расчет и моделирование усилителя
Расчет и моделирование усилителя по постоянному току
Расчет усилителя по постоянному току
Расчет и моделирование индуктивного трехточечного автогенератора
Заключение
Моделирование амплитудного манипулятора с пассивной паузой
Разработка последовательного диодного детектора амплитудно-манипулированного сигнала с пассивной паузой
Список использованной литературы
Введение
Под каналообразующими устройствами понимают комплекс технических средств, предназначенных для передачи и приема сообщений. Линия связи исключается из перечня технических средств, образующих каналообразующую аппаратуру. Таким образом, если сформировано некоторое сообщение ? (t), которое требуется передать, то по средствам соответствующих операций оно преобразуется в сигнал S (t), который передается по линиям связи потребителю. Потребитель информации принимает сигнал содержание которого будет отличаться от того, что передано в начале линии связи. Это связано с тем, что в линии связи на полезный сигнал накладывается помеха. Принятый сигнал преобразуется в сообщение.
Комплекс технических средств на передающей стороне называется передатчик. Комплекс технических средств для преобразования сигнала в сообщение - приемник. Техника передачи информации на ж. д. транспорте использует разнообразные направляющиеся среды. Наряду с традиционными проводниками, радио и радиопроводными линиями связи начинают создавать наземные волоконнооптические и спутниковые линии связи. В качестве рабочих используются частоты всех диапазонов: от крайне низких (3 - 30Гц) до сверхвысоких (3 - 30 ГГЦ). В качестве элементной базы широко применяются электронные и микроэлектронные приборы. Однако при всем разнообразии применяющихся на ж. д, транспорте каналообразующих, передающих и приемных устройств и схемотехнические решения могут быть расчленены на элементы достаточно ограниченного набора - генератора, усилителя, модема (модулятор-демодулятор), кодека, преобразователя частоты, преобразователя сигналов и подобные им устройства.
Целью данного курсового проекта является практическое ознакомление студентов с методикой расчета и проектирования передающих и принимающих устройств. Моделирование отдельных узлов передатчика и приемника ведется на компьютере путем математического моделирования в программе Electronics Workbench Pro. На данном этапе развития человечества математическое моделирование стало неотъемлемой частью работы инженера. Выполнение курсового проекта дает определенную базу знаний в области использования специальных программ и возможность практического закрепления знаний полученных теоретически в курсе лекций.
Каналом передачи называется совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу электромагнитных сигналов, ограниченных по мощности, в определенной области частот или с определенной скоростью.
Первичные сигналы являются, как правило, низкочастотными и широкополосными. Условия передачи таких сигналов по физическим линиям весьма ограничены, а по радиоканалу практически невозможны. Поэтому для передачи сигналов по линии связи используют специальные колебания, называемые переносчиками или несущими частотами. Эти колебания вырабатывает задающий генератор несущего колебания, которое является вспомогательным для передачи информации, и информации не несет. Для того, чтобы заложить информацию в сигнал переносчик осуществляется операция модуляции. Устройство, реализующее операцию модуляции, называется модулятором. В состав модулятора входят генератор несущего колебания и нелинейный элемент, осуществляющий перемножение низкочастотного информационного и несущего колебаний. Линия связи (ЛС) - это среда используемая для передачи сигналов. В качестве ЛС можно использовать провода, рельсы, пространство, в котором распространяются электромагнитные волны. В реальных условиях сигнал S (t) передается при наличии помех, под которыми понимается любое случайное воздействие, накладывающиеся на сигнал. В результате чего переданный сигнал будет отличаться от сигнала на выходе передаваемого устройства. Приемник обеспечивает выделение передаваемого сообщения из принятого сигнала. Для этого в приемнике производят операцию демодуляции. Демодулятор (детектор) преобразует модулированный сигнал с переносом спектра модулирующего сигнала из области высоких в область низких частот.
Рисунок 1.1 Структурная схема передатчика
Структурная схема передатчика: ИС - источник сообщения, ПСС - преобразователь неэлектрической величины в электрическую, Модулятор - осуществляет перемножение несущей частот и модулирующего сигнала, К - кодер, НЭ - нелинейный элемент, УС - усилитель передаваемого сигнала, Фпер - фильтр передаваемого сигнала.
В состав каналов передачи дискретной информации входят: источник сообщения (ИС), передатчик, линия связи (ЛС), приемник и получатель сообщения (ПС). Источником сообщения (ИС) может быть речевой сигнал, информационно-измерительный датчик, электронно-вычислительная машина и тому подобное. Под ИС понимают собственно источник передаваемых сообщений и преобразователь неэлектрической величины в электрическую.
Передатчик служит для преобразования передаваемого сообщения в сигнал, который можно передавать по линии связи ЛС. Передатчик состоит из кодера и модулятора.
Кодер (К) представляет собой преобразователь дискретного сообщения в последовательность кодовых символов.
Модулятор (Мод) является устройством, реализующим модуляцию. Линия связи (ЛС) - это среда, используемая для передачи сигналов. В качестве линии связи можно использовать рельсы, провода, оптические кабели и др. В реальных условиях в линии связи действуют помехи.
Приемник обеспечивает выделение передаваемого сообщения из принятого сигнала. Для этого в его состав входит демодулятор и декодер. Демодулятор (Дем) преобразует принятый модулированный сигнал, искаженный помехами, в исходный моделирующий.
Декодер (Дек) осуществляет операцию декодирования. Сигнал приобретает необходимую информационную форму и поступает к получателю сигнала (ПС).
Рисунок 1.3 Функциональная схема передатчика
Назначение функциональных узлов передатчика: ЗГ - задающий генератор.
ОГР - усилитель-ограничитель, который обеспечивает необходимый уровень сигнала на входе модулятора.
БК - буферный каскад, в котором осуществляется модуляция, т.е. перенос спектра сигнала в высокочастотную область, т.е. закладывает информацию в сигнал переносчик.
Ф - фильтр.
УЧ - умножитель частоты (в схеме возможно применение нескольких умножителей, нагрузкой которых является ПФ).
ПФ - полосовой фильтр, который настроен на гармонику соответствующую коэффициенту умножения УЧ (3, 9, 12.).
УМ - Усилитель мощности.
Схема защиты - предназначена для избегания выхода из строя мощного транзистора в схеме УМ при обрыве или коротком замыкании антенно-фидерной цепи.
Ф - фильтр, предназначенный для подавления побочных излучений.
Модуляционный усилитель, наряду с усилением низкочастотного сигнала, поступающего на модулятор, выполняет еще одну функцию - повышение помехоустойчивости канала радиосвязи более эффективным использованием выделенной полосы частот. Улучшить помехоустойчивость канала радиосвязи можно сжатием динамического диапазона передаваемого сообщения, т.е. увеличением уровня слабых звуков до уровня сильных. При приеме это проявляется как возрастание средней громкости и разборчивости речи, что эквивалентно увеличению мощности передатчика.
Сжатием (компенсированием) динамического диапазона речевого сигнала осуществляется модуляционными усилителями, которые часто называют компрессорами. В компрессоре слабые сигналы усиливаются больше, чем средние, а громкие не усиливаются совсем либо усиливаются незначительно. В результате происходит относительное повышение среднего уровня сигнала.
Принцип действия компрессора основан на ограничении низкочастотного сигнала. Речевой сигнал от микрофона поступает на усилитель У, характеристика которого имеет равномерный подъем в сторону высоких частот в благодаря включению дифференцирующей цепи Д. Поскольку в спектре речи преобладают низкочастотные составляющие, то частотный спектр речи выравнивается. Такой сигнал поступает на ограничитель ОГР, который вступает в действие при превышении входным сигналом порога ограничения.
При выровненном спектре все составляющие сигнала ограничиваются более равномерно и продукты ограничения оказывают незначительное мешающее действие. На выходе ограничителя включена интегрирующая цепь И. Частотная характеристика этой цепи обратная характеристике Д, в результате чего на выходе восстанавливается первоначальная форма сигнала. После усиления У сигнал поступает на фильтр нижних частот Ф.
Назначение Ф состоит в ограничении полосы передаваемого сигнала. Высшие гармонические составляющие, которые возникли при ограничении и сохранились на выходе И не пропускаются фильтром, и тем самым устраняется перемодуляция передатчика.
Рисунок 1.4 Функциональная схема приемника
Назначение функциональных узлов приемника: ОГР - который защищает каскады от перенапряжений, наводимых в антенной цепи.
У - усилитель.
Ф - фильтр. Его назначение состоит в необходимом ослаблении чувствительности по внеполосным каналам приема.
ШОУ - широкополосный фильтр ограничитель - узкополосный фильтр, позволяющий существенно снизить мешающее действие импульсных помех.
ПЧ - преобразователь частоты, осуществляет перенос спектра сигнала из высокочастотной области на меньшую частоту, называемой промежуточной, на который подается напряжение гетеродина Г.
Ф - фильтр, обеспечивающий требуемую избирательность по соседнему каналу.
У - усилитель промежуточной частоты.
Д - детектор (демодулятор), в котором осуществляется перенос спектра сигнала из высокочастотной области в область низких частот.
У - оконечный усилитель.
АРУ - автоматическое регулирование усиления.
ШП - шумоподавитель.
Применение АРУ может быть вызвано необходимостью обеспечения устойчивой работы ШП при высоких уровнях помех. Назначение ШП состоит в том, чтобы закрывать тракт низкой частоты приемника при отсутствии полезного сигнала и тем самым избавлять корреспондента от прослушивания шумов как в режиме дежурного приема, так и в паузах между переговорами.
Обоснование вида АМ модуляции
В реальных каналах связи при передачи информации возникают ее потери. Они могут быть вызваны искажением сигналов изза несовершенства отдельных элементов, а так же изза воздействия помех. Помехи образуются во всех элементах канала связи: как в линии связи, так и в технических устройствах. В первом случае помехи называются внешние, во втором внутренние. Внешние помехи появляются изза различных атмосферных явлений, от соседних работающих систем связи и т.д. Внутренние же помехи обязаны своим возникновением тепловому шуму входных устройств, а так же некачественной работе самих устройств. Наиболее радикальным средством борьбы с помехами является их ослабление в месте возникновения.
Помехи от радио устройств устраняют рациональным размещением частот, регламентируемыми международными соглашениями. Улучшением качества передачи в результате увеличения стабильности несущей частоты, применения направленных антенн и т.д. Центральной проблемой радиотехники является проблема помехоустойчивости систем связи и в качестве ее основного показателя при передачи дискретных сообщений обычно используется средняя вероятность ошибки в приеме элементарного символа. В общем случае это Рош зависит от основания кода, метода модуляции, вида и интенсивности помех в линии связи, отношения сигнал - помеха и вида приемника.
На рисунке 1.1.1 показаны сигналы соответствующие различным видам модуляции.
При амплитудной модуляции AM каждой значащей цифре выбранного кода соответствует своя амплитуда несущего колебания. При частотной модуляции ЧМ в соответствии с кодовой комбинацией изменяется частота. При фазовой модуляции ФМ каждой цифре назначается своя фаза. В последнее время широко применяют относительные виды модуляции, например ОФМ.
Для ФМ сигналов
Для ЧМ сигналов
Для АМ сигналов
Где: а - основание кода;
а1 - отношение сигнала - помеха по энергии;
V (*) - дополнение к интегралу вероятностей;
V (а1) - уменьшается с увеличением а1 из чего видно, что ФМ обладает наибольшею помехоустойчивостью, a AM - наименьшею. Однако AM сигналы являются узкополосными и просты в своей реализации.
Другим критерием в оценке вида модуляции является эффективное использование мощности передатчика. Анализировав АМ, ЧМ, ФМ сигналы - пришли к выводу, что амплитудная модуляция уступает двум другим видам модуляции в этом критерии. Так как несущие колебания в AM сигнале не переносят информацию, то в нашем случае при коэффициенте амплитудной модуляции равным 1, эффективность использования мощности передатчика составит всего лишь 33,3% общей мощности, 67% мощности переносится несущим колебанием и расходуется бесполезно [4]. В сигналах с частотной и фазовой модуляцией сигнал также содержит как несущую так и боковые полосы частот. С увеличением индекса модуляции наблюдается перераспределение мощности в спектре, причем при соответствующем индексе модуляции мощность колебания несущей частоты может быть сделана сколь угодно малой и, следовательно, эффективность использования передатчика может быть сделана сколь угодно близкой к 100%.
В данном курсовом проекте будет применяться AM модуляция т.к. при всех ее минусах она остается самой простой в своей реализации.
3) Частота колебаний входного сигнала: f = 1.075 МГЦ;
4) Тип транзистора p - n - p;
5) Мощность, отдаваемая генератором в нагрузку Рн > 5 МВТ;
6) Коэффициент нелинейных искажений на частоте генерации не должен превышать 5 %;
7) Коэффициент усиления Ку > 30;
8) Тип автогенератора - индуктивная трехточка.
9) Расхождение между заданными и полученными результатами не более 10%.
Автоколебательная система. Автогенератор
Структурная схема автогенератора
Основными элементами генератора синусоидальных высокочастотных колебаний являются: избирательная цепь ИЦ (в частности колебательный контур); усилительный (генераторный) элемент (УЭ); цепь положительной обратной связи (ПОС); источник питания (ИП) (рисунок 2.1.1).
Во всякой избирательно цепи, к которой относится и колебательный контур, всегда существуют флуктуационные токи, которые вызваны тепловым хаотическим движением свободных электронов в проводниках. Вследствие этого в контуре всегда возникают и непрерывно затухают собственные колебания с малыми амплитудами.
Если бы избирательная цепь не имела потерь, то колебания в ней продолжались бы сколь угодно длительное время. Однако поскольку в реальных цепях всегда имеются потери, то колебания в ИЦ всегда будут затухать. Для поддержания колебаний в ИЦ необходимо компенсировать потери сигнала. С этой целью в систему вводится усилитель сигнала (УЭ) и специальная связь, называемая положительной обратной связью (ПОС).
Таким образом создается замкнутая структура схемы (рисунок 2.1.1), которая и называется автоколебательной системой. Электронное устройство, реализующее эту структуру называют автогенератором (АГ).
Восполнение потерянной энергии сигнала в избирательной цепи для сохранения незатухающих колебаний, обеспечивается в том случае, когда выполняются два условия: 1. Баланс амплитуд. Потери в избирательной цепи, приводящие к уменьшению амплитуды свободных колебаний должны непрерывно пополняться, то есть потери должны компенсироваться. Условие обеспечение баланса амплитуд: Ку·Кос = 1. То есть произведение коэффициента усиления на коэффициент обратной связи должно быть равно 1.
2. Баланс фаз. Восполнение потерянной энергии должно происходить в определенные моменты времени. Первая гармоника выходного тока усилительного элемента, доставляющая энергию в контур должна совпадать с полярностью колебательного напряжения в избирательной цепи. То есть фаза сигнала, подводимого к базе усилительного элемента должна совпадать с фазой сигнала, передаваемого с выхода усилителя через цепь ПОС.
Другими словами, условие баланса амплитуд определяет количественную сторону пополнения энергии в избирательной цепи, а условие баланса фаз определяет фазовые соотношения в автогенераторе и указывает на время (фазу) когда должно происходить это восполнение энергии.
Названные условия выполняются с помощью цепи обратной связи, которая служит для передачи части энергии из контура (ИЦ) на управляющий электрод усилительного элемента.
Следует иметь в виду, что названные условия самовозбуждения являются и необходимыми и достаточными. Выполнение лишь одного условия баланса, не обеспечивает автогенерации системы.
Выбор и анализ схемы автогенератора
Автогенератором является такая электрическая цепь, в которой периодические изменения напряжения и тока возникают без приложения к ним дополнительного периодического сигнала.
Для получения незатухающих колебаний в схеме создана положительная обратная связь. В генераторе синусоидального напряжения цепь обратной связи имеет резонансные свойства, чем обеспечивается ее самостабилизация.
В схеме автогенератора по типу индуктивная трехточка передача энергии от выхода ко входу обеспечивается положительной обратной связью осуществляемой за счет разделения индуктивности контура на две части, и падение напряжения на одной из них является источником входного сигнала усилительного каскада (рисунок 2.1.2.1). Автогенератор работает в мягком режиме, т.е. петлевое усиление Ку·Кос > 1 в момент включения. Тогда любые шумы или возмущения в системе, вызванные случайными факторами, усиливаются и через цепь ОС подаются на вход усилителя в фазе, совпадающей с фазой входного сигнала, причем, причем величина этого дополнительного сигнала больше того возмущения, которое вызвало его появление, затем этот процесс повторяется до тех пор пока при определенном уровне сигнала не начнут появляться свойства усилительного каскада. Петлевой коэффициент начинает уменьшаться до единицы, амплитуда автоколебаний начинает стабилизироваться и АГ начинает давать колебания, имеющие постоянную амплитуду. Также в автогенераторе должно выполняться два необходимых и достаточных условия: баланс амплитуд Ку·Кос = 1 (все потери в схеме должны быть восполнены за счет усиления) и баланс фаз (часть выходного сигнала снимаемого с выхода должна подаваться с той же фазой на вход).
Назначения элементов: R1, R2 - базовый делитель, обеспечивающий необходимое напряжение смещения, т.е. положение рабочей точки на входной характеристике;
Rэ1, Rэ2 - резисторы создающие отрицательную обратную связь по постоянному току, это обеспечивает автоматическую термостабилизацию рабочей точки;
Сэ - конденсатор, достаточно большой емкости, исключающий ООС по переменному току, что не позволяет снизить коэффициент усиления каскада;
Ск, Lk1, Lk2 - колебательный контур, является нагрузкой транзистора и задает частоту генерируемых колебаний;
Lф, Сф - развязывающий фильтр, необходим для того чтобы переменная составляющая коллекторного тока не замыкалась на источник питания;
Ср1, Ср2 - разделительные конденсаторы, они разделяют (развязывают) по постоянному току входную цепь и выходные соответственно;
Rн - внешняя нагрузка.
Выбор рабочей точки транзистора в режиме класса А. Определение необходимых параметров транзистора
Перед началом расчета усилителя по постоянному току необходимо иметь входную и выходные характеристики для выбранного транзистора по справочнику, либо определить их моделированием.
Расчет выполним для работы транзистора в классе А, в этом случае форма сигнала на выходе повторяет форму сигнала на входе.
Надо определить начальные токи и напряжения покоя транзистора для заданных условий работы (напряжения питания, сопротивления нагрузки и выбранного эмиттерного сопротивления) для использования в дальнейших расчетах схемы по постоянному току.
Составим схему для снятия переходной характеристики и введем исходные данные для каждого элемента схемы в соответствии с заданием. При этом напряжение включаемого источника питания в базовую цепь выбираем равным 3В, имея ввиду, что это предельное напряжение до которого его можно изменять, начиная от нуля. В программе расчета, для получения передаточной характеристики по точкам, воспользуемся встроенной функцией построения графиков, которую можно запустить следующим образом: ANALYSISDC sweep. В открывшемся окне вводим необходимые параметры: источник, напряжение которого изменяется; пределы изменения напряжения; шаг изменения напряжения; узел, в котором снимается напряжение (см. рисунок 2.2.1.1).
По полученному графику определяем напряжение базы покоя UБП, для этого принимаем напряжение Uk равным половине ЕП/2 =7В. При этом UБП=1.519В (см. рисунок 2.2.1.3).
Полученное значение UБП задаем для источника V2 и определяем значение напряжения база-эмиттер покоя UБЭП, тока базы покоя ІБП и ток коллектора покоя Ікп, которые покажут измерительные приборы, включенные в схему (см. рисунок 2.2.1.2).
Соберем схему, показанную на рисунке 2.2.1.4 для снятия выходной характеристики (при постоянном токе базы). Снова воспользуемся встроенной функцией построения графиков, которую можно запустить следующим образом: Analysis DC sweep. В открывшемся окне введем необходимые параметры для получения семейства выходных характеристик.
Входная характеристика - это зависимость тока базы ІБ от напряжения Uбэ при Ik=const. Она снимается аналогично остальным характеристикам с помощью DC sweep Схема для ее снятия и ее график показаны на рисунках 2.2.1.7 и 2.2.1.9 соответственно.
Величина Размер
Uбп 1.519 V
Uбэп 814.0 MV
Uкп 7.010 V
Ібп 47.34 ?A
Ікп 4.660 MA
Схема усилителя переменного сигнала
Усилительный каскад содержит в себе следующие функциональные цепи: входную цепь, цепь обратной связи, нагрузочную и выходную цепи, а также фильтр в цепи источника питания.
Рассмотрим функциональное назначение элементов и электрических цепей схемы (рисунок 2.3.1).
В состав входной цепи входят резисторы R1 и R2, а также разделительный конденсатор Ср1. Конденсатор Ср1 препятствует протеканию постоянного тока от источника входного сигнала на вход усилителя. В противном случае это приводит к нарушению режима работы транзистора по постоянному току. Разделительный конденсатор Ср1 представляет собой большое сопротивление для постоянного тока на входе усилителя и вносит фазовый сдвиг, обеспечивающий положительную обратную связь по переменному току. Иначе говоря, разделительный конденсатор Ср1 служит для того чтобы не пропустить на вход каскада постоянную составляющую. Конденсатор Ср2, также называемый разделительным, служит для разделения выходной коллекторной цепи от внешней нагрузки по постоянному току. Наличие этих конденсаторов позволяет считать, что подключение следующего функционального узла к выходу усилителю или к его входу, не вызовет изменений режима работы усилителя по выполняемым расчетам по постоянному току.
Сопротивления R1 и R2 образуют делитель напряжения. При включении его в схему из нее исключается дополнительный источник питания базы. Чем меньше общее сопротивление делителя, тем больше ток делителя, и тем меньше потенциал базы зависит от изменений базового тока и тем лучше стабилизация. Сущность стабилизации заключается в том, что делителем задается потенциал базы, тем самым фиксируется ток эмиттера и через это ток коллектора. Резисторы R1 и R2 выбираются таким образом, чтобы ток делителя многократно превышал ток базы. В этом случае потенциал базы не зависит от тока базы, поэтому он слабо подвержен температурному дрейфу и обеспечивает необходимое, напряжение смещения рабочей точки и выводит транзистор в режим работы класса А.
Цепь обратной связи предназначена для стабилизации режима работы транзистора по постоянному току. Данная схема включает в себя сопротивление Rэ и емкость Сэ.
Резистор Rэ образует отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току для получения стабильного режима работы усилителя. Резистор Rэ предназначен для компенсации теплового изменения коллекторного тока. Увеличение резистора Rэ приводит к максимальному усилению на переменном токе и повышает температурную стабилизацию на постоянном. Резистор Rэ обеспечивает ограничение протекания тока в цепи и тем самым уменьшает вероятность перегрузки.
Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ по переменному току, чтобы исключить влияние отрицательной обратной связи на сигнал. При отсутствии конденсатора Сэ резистор Rэ не только стабилизирует рабочую точку, но и изменяет режим работы каскада по переменному току. Для схемы входной изменяющийся сигнал также является дестабилизирующим фактором.
Конденсатор Сэ обеспечивает увеличение коэффициента усиления усилителя по напряжению, так как уменьшает амплитуду переменной составляющей напряжения Urэ (говорят, что конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ ликвидируя отрицательную обратную связь на переменном токе). Резистор Rэ образует цепь обратной связи. Предназначен для температурной стабилизации каскада. Чем больше Rэ, тем стабильнее рабочая точка, но уменьшается КПД усилителя. Температурная стабилизация тем выше, чем больше падение стабилизирующего напряжения на Rэ.
Переменная составляющая эмиттерного тока Іэ создает на резисторе Rэ падение напряжения, которое уменьшает переменное напряжение Uбэ = Uвх - IЭRЭ, что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада.
Нагрузочная цепь, за счет содержащегося в ней резистора Rk, ограничивает протекание тока в выходной цепи. Rk выбирается примерно равным сопротивлению нагрузки Rн для согласования, чтобы уменьшить нелинейные искажения и обеспечить оптимальный коэффициент передачи сигнала.
В выходную цепь передается усиленный переменный сигнал, откуда выходное напряжение передается в следующий каскад. Данная цепь содержит два элемента: Ср2 и Rн.
Конденсатор Ср2 аналогично конденсатору Ср1 выполняет функции разделительного и имеет большое сопротивление постоянному току. Он для того, чтобы не пропустить постоянную составляющую тока в нагрузку. Резистор Rн - сопротивление нагрузки, с которого снимается выходное напряжение.
Разновидности всех схем усилителей состоят в основном в различиях нагрузки в выходных цепях.
Расчет и моделирование усилителя
Расчет схемы усилителя независимо от его функционального назначения может быть сведен к двум этапам: расчет схемы по постоянному току и расчет схемы по переменному току. На первом этапе нагрузочная цепь заменяется активной нагрузкой (резистором), сопротивление которого либо равно сопротивлению нагрузки следующего каскада, к которому подключается рассчитываемый каскад, либо эквивалентно сопротивлению реальной нагрузки на заданной частоте (диапазоне рабочих частот).
Выбирается расчетная схема усилительного каскада (включение транзистора, класс работы, требуемые элементы схемы: резисторы, конденсаторы, индуктивности, схема включения источника питания и т.п.). В результате останавливаются обычно на одной из типовых схем усилителя сигналов, например, рис. 3.2.1.1.
Расчет и моделирование усилителя по постоянному току
Цель расчета состоит в нахождении номиналов всех элементов схемы, обеспечивающих получение заданных параметров, согласно исходному заданию. Типовым расчетом усилителя является его расчет с резистивной нагрузкой. Причем, независимо от частоты входного сигнала расчеты включают два этапа: расчет усилителя по постоянному току, в результате которого находятся параметры элементов схемы, по которым протекает постоянный ток и второй - расчет схемы по переменному току, в результате которого определяются величины элементов, по которым протекает переменный ток.
Разновидности всех схем усилителей состоят в отличиях нагрузки в выходных цепях. Поэтому базовый, типовой инженерный расчет для каждого типа усилителя дополняется расчетами нагрузочных цепей: трансформаторной, контурной или многоконтурной и т.п.
Выбор типа транзистора
Поскольку сопротивления коллекторной и эмиттерной цепи были рассчитаны в пункте 3.2, из которого были получены следующие данные: Ток базы покоя: ІБП=47.34?А
Ток коллектора покоя: Ікп=4.660MA
Напряжение базы покоя: UБП=1.519В
Напряжение база-эмиттер покоя UБЭП=814.0MB
Напряжение коллектора покоя: Uкп=7.01В то расчет усилителя по постоянному току сводится к расчету оставшихся сопротивлений R1 и R2.
Расчет усилителя по постоянному току
Расчет произведем согласно рисунка 2.4.1.1 На нем приведены некоторые условные обозначения: ІД-ток делителя протекающий через R1
ІД*-ток делителя протекающий через R2
ІБ-ток базы.
Используя расчетные формулы получим:
Таким образом, найдены номиналы всех элементов в схеме усилителя для его работы в режиме по постоянному току.
Теперь, используя найденные значения всех элементов собираем схему усилительного каскада обеспечивающую режим его работы по постоянному току. Данная схема представлена на рисунке 2.4.1.2.
Проведя моделирование работы схемы по постоянному току, включением всех рассчитанных номиналов элементов, поместив в цепи схемы измерительные приборы (вольтметры, амперметры) для проверки рассчитанных режимов и подключив напряжение источника питания, получаем демонстрационную модель имитируемых рабочих параметров схемы.
Кроме того, для проверки полученных значений мы можем воспользоваться встроенной функцией Electronics Workbench: расчет схемы по постоянному току, которая показывает потенциалы всех точек схемы относительно нуля и вызывается командой Analysis > DC Operation Point (рисунок 2.4.1.3). Нетрудно убедиться, что полученные расчетные значения совпадают со значениями, рассчитанными программой: например напряжение UБЭ=?5 - ?1, получается равным: UБЭ=1.519-704.97793Ч10-3= 0,8140221В = 814,02МВ
Анализ схемы усилительного каскада с резистивной нагрузкой показывает, что полученные расчетным путем токи и напряжения каскада при моделировании отличаются от расчетных токов и напряжений покоя не более чем на 10%, что является приемлемым для инженерных расчетов. Следует учитывать, что приборы (вольтметры, амперметры) имеют свое внутреннее сопротивление, которое не учитывалось при расчете.
Таблица 2.4.1.1
Сравнительная таблица усилительного каскада сигналов постоянного тока с резисторной нагрузкой
Параметры Рассчитанные значения Полученные значения
ІБ 47.34?А 47.34?А
ІД 473.4?А 473.4?А
UБЭП 814.00MB 814.02MB
R1 26.364КОМ 26.364КОМ
R2 3.565 КОМ 3.565 КОМ
Ікп 4.66 MA 4.66 MA
Uкп 7.01 В 7.01 В
Расчет и моделирование усилителя по переменному току
Расчет усилительного каскада по переменному току состоит в получении номиналов всех необходимых элементов схемы, по которым протекает переменный, то есть сигнальный ток, частота которого отличается от 0. Для выполняемого задания эта частота равна 1.075 МГЦ.
Расчет усилителя по переменному току (рисунок 2.4.2.1) базируется на расчете схемы по постоянному току (пункт 2.4.1), из которой получены следующие значения номиналов сопротивлений: R1 = 26364 Ом
R2 = 3565 Ом
RЭ= 150 Ом
RK = 1500 Ом
RH = 1500 Ом поэтому расчет усилителя по переменному току сводится к расчету разделительных и шунтирующих конденсаторов СР1, СР2, СЭ, СФ, и индуктивности фильтра LФ.
Разделительные конденсаторы СР1, СР2 обеспечивают большое сопротивление постоянному току на входе и выходе усилителя, значит их сопротивления должны быть много меньше с одной стороны входного, а с другой - выходного сопротивления усилительного каскада: XC1 << RBX; XC2 << RВЫХ
Сопротивления разделительных конденсаторов выбираются, приняв, что омическое сопротивление емкости должно быть меньше сопротивления названных резисторов в 10-100 раз.
XC1 = 0.0001RBX; XC2 =0.001 RВЫХ
Для разделительных конденсаторов: сопротивление входного разделительного конденсатора должно быть на порядок меньше, чем входное сопротивление усилителя, чтобы на нем, при передаче полезного сигнала не создавалось падения напряжения, уменьшающего уровень входного сигнала. Иными словами этот конденсатор не должен вносить потери во входной цепи при подаче входного сигнала.
Для нахождения Ср1 необходимо рассчитать входное сопротивление каскада. Оно представляет собой три параллельно включенных сопротивления (R1||R2||Rбэ). Сопротивление Rбэ = ? Rэ; коэффициент усиления транзистора ? = 100.
Для предотвращения влияния переменного сигнала на источник питания, в цепь питания усилителя включается LC фильтр, в котором катушка индуктивности представляет большое сопротивление для переменного тока (XL, = ?L), а конденсатор - для постоянного, значит: XL > RK; ХСФ >> XL;
Такое соотношение омических сопротивлений индуктивности и емкости выбирается для того, чтобы: 1) переменный ток на сигнальной частоте не поступал в источник постоянного напряжения питания через резистор в цепи коллектора, а шунтировался на "землю" через конденсатор фильтра.
2) вследствие малого сопротивления индуктивности на частоте постоянного тока, частота равна нулю, все напряжение постоянного тока без потерь подается на коллектор. Через конденсатор фильтра постоянный ток также не будет протекать, вследствие его большого сопротивления на постоянном токе:
Обычно в практической реализации схем усилителей, эмиттерный резистор делится на два в пропорции , сохраняя его общее сопротивление. И лишь одна его часть шунтируется конденсатором, с целью частичного уменьшения отрицательной обратной связи по переменному току. Этим методом обычно пользуются для получения требуемого коэффициента усиления усилителя.
Поделим начальную величину сопротивления Rэ на два в соответствии с приведенным соотношением; RЭ1 = 15 Ом, а значение RЭ2 = 135 Ом. То есть суммарное сопротивление, принятое в расчете по постоянному току, сохранилось равным 150 Ом и не изменило режимов работы по постоянному току.
Конденсатор СЭ шунтирует резистор RЭ по переменному току, чтобы исключить влияние отрицательной обратной связи на частоте сигнала.
Следовательно, сопротивление конденсатора Сэ должно быть близко к нулю на частоте усиливаемого сигнала, т.е. Хсэ << Rэ. Как известно:
Собрав полностью рассчитанную схему усилителя (рисунок 2), определяют ее параметры в соответствии с заданием, в том числе оценивая и форму сигнала на выходе.
Целью является определение параметров усилителя по сдвигу фаз. Смоделированный усилитель должен обеспечивать сдвиг выходного сигнала по отношению к входному на 180° ± 1°; кроме того коэффициент усиления усилителя должен быть равен: Ку > 30. В соответствии с этим для определения сдвига фаз и определения коэффициента усиления воспользуемся осциллографом и измерителем АЧХ и ФЧХ.
В результате моделирования получены осциллограммы (рисунок 2.4.2.3) усиленного сигнала (черный луч) в сравнении со входным (красным луч).
С помощью функции bode plotter получены основные характеристики (коэффициент усиления и фазовый сдвиг) усилительного каскада. На рисунке 2.4.2.4 приведены амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики усилительного каскада. С их помощью определен коэффициент усиления Ку =36.2 и сдвиг фаз между входным и выходным сигналами транзистора на заданной частоте, который составляет 179.8°, т. е практически 180 градусов, что удовлетворяет требованиям, предъявленным в задании.
Анализ схемы усилительного каскада с помощью встроенных средств контроля показывает, что полученные параметры схемы каскада при моделировании отличаются от расчетных. Сравнительные данные приведены в таблице 2.4.2.1: Таблица 2.4.2.1
Сравнительная таблица схемы усилительного каскада по переменному току.
ПАРАМЕТРЫРАССЧИТАННЫЕ ЗНАЧЕНИЯПОЛУЧЕННЫЕ значения
СР1 570.2 НФ 570.2 НФ
СР2 98.761 НФ 98.761 НФ
СЭ 0.987 ?Ф 0.987 ?Ф
СФ 9.87 НФ 9.87 НФ
LФ 22.21 МГН 22.21 МГН
RЭ1 15 Ом 35 Ом
RЭ2 135 Ом 115 Ом
Отличия в величине СР1 и LФ обусловлены необходимостью получения заданного сдвига фаз, а отличия в величине RЭ1 и RЭ2 - необходимостью получения требуемого коэффициента усиления. Таким образом, расчет усилителя по переменному току является законченным.
Расчет и моделирование индуктивного трехточечного автогенератора
Расчет состоит в том, чтобы на основе расчетов и моделирования усилительного каскада п
Список литературы
Таким образом, полученный индуктивный трехточечный автогенератор с положительной обратной связью отвечает требованиям задания.
Моделирование амплитудного манипулятора с пассивной паузой
Сообщение преобразуется в первичный электрический сигнал, который, как правило не передают. Чаще всего передают высокочастотное колебание, один из параметров которого изменяется по закону изменения первичного электрического сигнала - модуляции. В этом случае первичный сигнал называется модулирующим, высокочастотное колебание и колебание несущей частоты или модулирующим колебанием или сигналом переносчиком, а устройство с помощью которых осуществляется модуляция - модуляторы. Дискретные модуляторы называют манипуляторами, в моем случае амплитудный манипулятор. Этот манипулятор представляет собой перемножитель колебаний несущей частоты и дискретного манипулирующего сигнала, изменяющегося от 0 до Um.
Для реализации манипулятора необходимо иметь: манипулирующий сигнал , несущий сигнал fн = 1.075 МГЦ частота берется с выхода автогенератора, перемножитель, манипулятор, в качестве которого используются ключи, управляемые напряжением.
По заданию необходимо разработать амплитудный манипулятор с пассивной паузой. Частота несущего колебания 1.075 МГЦ. Для формирования этого несущего колебания используем в принципиальной схеме манипулятора (рисунок 2), эдс (автогенератор) переменного тока.
Для формирования же манипулирующего сигнала используем источник прямоугольных импульсов с частотой 10.75 КГЦ. В принципиальной схеме манипулятора используем два ключа S1 и S2, необходимые для обеспечения пассивной паузы путем снятия сигнала с нагрузки на землю (общую точку схемы).
Результаты моделирования представлены на рисунке 3.
Полученный амплитудный манипулятор подключаем к разработанному автогенератору. Конечная схема передатчика и осциллограммы его работы представлены на рисунке 4 и рисунке 5, соответственно.
Из осциллограммы видно, что в начале посылки логической единицы работа автогенератора дестабилизируется. Это вызвано тем, что ключи переключаются не идеально в противофазе, а с некоторой разницей во времени. Такое переключение вызывает нестабильность сопротивления нагрузки автогенератора, что и является дестабилизирующим фактором.
Для получения манипулированного сигнала используются два ключа: Первый ключ S1 нужен для перемножения манипулирующего и несущего сигналов.
Второй ключ S2 предназначен для устранения аномальных выбросов амплитуды модулированного сигнала, т.к. обеспечивает неизменный режим работы автогенератора (автогенератор находится под нагрузкой).
Вывод: В данной схеме амплитудного манипулятора в качестве манипулирующего сигнала используется дискретный сигнал, поступающий с функционального генератора, частота манипулирующего сигнала равна 10.75 КГЦ. В качестве опорного колебания используется сигнал с выхода автогенератора (1.075 МГЦ).
При амплитудной манипуляции с пассивной паузой манипулированный сигнал при 1-ой посылке имеет амплитуду несущего колебания, а при 0-й посылке амплитуда манипулированного сигнала равна нулю, что подтверждает снятая осциллограмма (рисунок 3.5).
Разработка последовательного диодного детектора амплитудно-манипулированного сигнала с пассивной паузой
Разработать последовательный диодный детектор амплитудно-манипулированного сигнала с пассивной паузой со следующими параметрами: 1) Тип детектора - последовательный диодный детектор амплитудно-манипулированного сигнала с пассивной паузой;
2) Допустимые искажение демодулированного сигнала, связанное с завалом фронтов не должно превышать 7% от длительности элементарной посылки манипулирующего сигнала, то есть ?иск < 0.07·?и;
3) Частота несущего колебания fн = 1.075 МГЦ;
4) Частота манипулирующего сигнала ;
5) Сопротивление нагрузки: Rнагр = 1.5КОМ
6) Режим работы детектора - детектор должен работать в режиме сильного сигнала (амплитуда входного сигнала не менее 5 В).
7) Прямое сопротивление открытого диода VD Rдпр=50 Ом.
В соответствии с видами модуляции различают демодуляторы аналоговых, аналогово-импульсных, дискретных сигналов. Процесс в демодуляторе (детекторе) обратен процессу в модуляторе. Детектор выделяет полезную информацию из входного модулированного колебания, содержащего только высокочастотные составляющие: колебания несущей частоты и боковые полосы. На выходе демодулятора выделяется напряжение с низкочастотным спектром передаваемого сообщения. Следовательно детектирование сопровождается трансформацией частотного спектра и поэтому не может быть осуществлено без применения нелинейных систем или же линейных систем с переменными параметрами. Процесс детектирования: является основным процессом приема модулированных колебаний, поскольку при этом форма колебаний на выходе детектора позволит воспринимать информацию.
Выбор схемы амплитудного демодулятора.
Чаще других используют диодные демодуляторы, в состав которых входят LC - контур, диод, и фильтры типа RC. По принципу построения диодные детекторы делятся на детекторы последовательного и детекторы параллельного типа. Недостатком параллельного диодного детектора является, то, что на зажимах выходного сопротивления вместе с постоянным имеется и напряжение промежуточной частоты, для уменьшения которого к выходным зажимам детектора подключается фильтр, состоящий из последовательно включенных резистора R и конденсатора С.
В связи с указанными достоинствами и недостатками различных видов диодных детекторов, в разработке амплитудного детектора будем использовать линейный детектор со схемой последовательного типа (рисунок 5)
От режима работы диода в схеме, детекторы делятся на квадратичные и линейные детекторы.
Вольт - амперная характеристика диода имеет резкий начальный изгиб. Он соответствует небольшому входному напряжению и апроксимируется квадратичной зависимостью. Поэтому для малых входных сигналов работа детектора соответствует квадратичному участку ВАХ диода, и в этом случае детектор называется квадратичным. При возрастании входного напряжения квадратичный участок ВАХ диода переходит в линейный (рисунок 7). Если же это напряжение настолько велико, что квадратичным участком можно пренебречь, то в этом случае детектор называется линейным. Квадратичный детектор имеет следующие недостатки: меньшее входное напряжение, большие нелинейные искажения, коэффициент передачи пропорционален амплитуде принимаемых сигналов. Достоинством его является возможность приема более слабых сигналов.
Отметим, что в приемниках часто используют преобразователи частоты. Поступающий высокочастотный сигнал переносят на более низкую частоту и, только после этого происходит детектирование. Таким образом, преобразователи частоты обеспечивают получение одинаково высокой чувствительности приемника на любой приемной частоте, а также получение высоких характеристик избирательности полезного сигнала на фоне помеховых. Однако в курсовом проекте используется одна принимаемая частота и преобразователь частоты не нужен.
Назначение элементов включенных в схему: VD - нелинейный элемент, выделяющий спектр информационного сигнала.
Rфл, Сфл - образуют фильтр, отделяющий информационный спектр от всех остальных (несущего и того далее). Все высокочастотные составляющие должны шунтироваться Сфл, поэтому сопротивление ХСФЛ на этих частотах должно быть минимальным, не создавая на нем сколь-нибудь заметного падения напряжения. Низкочастотная (информационная) составляющая должна замыкаться через сопротивление Rфл.
Выбор элементной базы
Диод выбирается по максимальному обратному напряжению, которое должно быть на порядок больше входного напряжения схемы. Максимальный ток через диод будет при максимально открытом диоде, то есть в точке амплитуды входного сигнала. Рабочая точка в стационарном состоянии находится в 0, так как в схеме не имеется источника постоянного напряжениям. Также диод должен иметь малый обратный ток (на порядок меньше тока демодулятора), то есть, чтобы он был хорошим выпрямителем. Также диод должен подходить по частоте, то есть максимальная частота, на которую рассчитан диод, должна быть много больше промежуточной частоты.
По справочнику выбираем импульсный высокочастотный диод Д220.
Параметры диода.
Рассмотрим работу детектора на примере входного манипулированного сигнала. Задача состоит в восстановлении после детектора исходного манипулирующего сигнала. Критерием оценки демодулированного сигнала служит различие в длительностях продетектированного импульса ?ди и исходного ?и: ;
Период манипулирующего сигнала и длительность исходного будут:
По заданию:
Конденсатор Сфд фильтра детектора предназначен для фильтрации, шунтирования высокочастотных составляющих спектра сигнал, полученного на выходе диода. Эти частотные компоненты кратны по частоте несущему сигналу (fн = 1.075 МГЦ).
Активное сопротивление Rфд фильтра предназначено для протекания токов низкой частоты ( ). Отсюда:
Последние неравенства являются необходимыми, но недостаточными для работы детектора.
Рассмотрим работу фильтра детектора с позиции подбора его элементов, минимизирующих нелинейные искажения.
Время заряда конденсатора должно быть:
В соответствии с заданием, период высокочастотного сигнала определяется частотой несущего колебания fн = 200КГЦ:
Где ?зар - постоянная заряда определяется прямым сопротивлением открытого диода VD (Rдпр=50 Ом по заданию) и конденсатором фильтра Сфл:
Разрядная цепь фильтрующего конденсатора содержит фильтрующий резистор, значит его номиналом определяется время разряда емкости и должно выполняться следующее неравенство:
Длительность импульса манипулирующего сигнала определяется по известной частоте манипулирующего сигнала , в соответствии с заданием: ;
Получим:
После расчетов параметров фильтра детектора необходимо проверить выполнение главных условий:
При условии их выполнения можно считать, что параметры фильтра детектора рассчитаны, диод выбран, можно приступать к моделированию схемы демодулятора.
Принципиальная схема последовательного диодного детектора изображена на рисунке 8, осциллограммы приведены на рисунке 9.
По осциллограмме на рисунке 9 произведем расчет расхождения длительностей исходного и продетектированного сигналов.
Длительность продетектированного сигнала, отсчитанная между визирными линиями 1 и 2 на уровне 0,5 максимального уровня сигнала составляет:
Таким образом:
то есть искажение продетектированного сигнала не превышает 7%, что требуется по условию задания.
Однако, на осциллограмме видно, что у полученного сигнала имеется "шапка" на вершине импульса (последовательность зарядов и разрядов емкости Сфд в горизонтальной части ступеньки). Она характеризует дополнительные искажения выходного сигнала. Убрать ее варьированием параметрами схемы сложно, поэтому включим в схему логический элемент ИЛИ, который ограничивает уровень входного сигнала по амплитуде, и обрезает "шапку" сигнала. Принципиальная схема и осциллограммы представлены на рисунке 10.
Длительность продетектированного сигнала:
Таким образом:
После расчетов необходимо проверить два основных условия:
ХСФЛ (?) = = =255.26 Ом << 10 КОМ;
ХСФЛ (?) = = =25.53 КОМ >> 10 КОМ;
Вывод: В результате использования в схеме элемента ИЛИ, уменьшились искажения длительности сигнала и исчезла "шапка" на вершине импульса. Это видно из представленных рисунков.
Таким образом, в результате моделирования разработан амплитудный диодный детектор с пассивной паузой, который удовлетворяет условиям задания.
Задача данного курсового проекта состояла в разработке каналообразующего устройства - передатчика и приемника, которые предназначены для преобразования информационного сообщения в электрический сигнал с последующим кодирование и модуляцией и передачей в линию связи и обратным преобразованием этого сигнала в приемнике. Передатчик и приемник, разработанные в курсовом проекте, имеют следующие характеристики: 1) Напряжение источника питания: Еп = 14В;
2) Тип транзистора p-n-p;
3) Сопротивление нагрузки: Rнагр = 1.5КОМ;
4) Частота генерируемого синусоидального сигнала: f = 1.075 МГЦ (по заданию f=1.075 МГЦ);
5) Мощность, отдаваемая генератором в нагрузку (Рн > 5 МВТ по заданию);
6) Коэффициент нелинейных искажений равен 4.15 % (не более 5% по заданию);
7) Тип автогенератора - индуктивная трехточка;
8) Вид манипуляции - амплитудная;
9) Частота манипулирующего сигнала ;
10) Допустимые искажения демодулированного сигнала, связанные с завалом фронтов составили 6.8 % (не более 7 % по заданию).
Таким образом, разработанное каналообразующие устройство удовлетворяет условиям задания. Приемник и передатчик могут быть использованы для преобразования информационного сообщения в электрический сигнал с последующим кодированием и модуляцией и передачей в линию связи и обратным преобразованием этого сигнала в приемнике. Передача сигналов может осуществляться на большие расстояния с небольшими потерями.
Список использованной литературы
1. Лекции по каналообразующим устройствам ст. преподаватель Акинин М.Ю.
2. Лекции по "Теории передачи сигналов" доцент Журавлева Л. М.
3. Лекции по дисциплине "Каналообразующие устройства" проф. Табунщиков А. К.
4. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам под общей редакцией Н.Н. Горюнова, издание третье, "Энергия" Москва 1972 г.