Проектирование автогенератора с кварцевым резонатором в контуре
Министерство общего и профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
Кафедра ИИСТ
Пояснительная записка по курсовой работе:
“Разработка и расчет экранированного
автогенератора”
Студент гр.6561: Виноградов К.Ю.
Преподаватель: Пыко С.М.
Санкт-Петербург
Содержание:
1. Задание. 3
2. Ðàñ÷åò ñõåìû àâòîãåíåðàòîðà. 3
2.1. Расчет аппроксимированных параметров транзистора. 4
2.2. Расчет параметров колебательной системы 4
2.3. Расчет режима работы транзистора. 5
2.4. Расчет элементов цепей питания. 6
3.Настройка колебательного контура автогенератора. Выбор катушки индуктивности. 6
4. Выбор элементов. 7
5. Размещение элементов на печатной плате. 8
6. Ðàñ÷åò ýêðàíà. 9
6.1. Ðàñ÷åò òîëùèíû ýêðàíà t. 9
6.2. Ðàñ÷åò ýôôåêòèâíîñòè ðåàëüíîé ñîñòàâëÿþùåé ýêðàíà. 9
6.3. Ðàñ÷åò ýôôåêòèâíîñòè èäåàëüíîé ñîñòàâëÿþùåé ýêðàíà. 10
6.4. Ðàñ÷åò êîíå÷íîãî çíà÷åíèÿ ýôôåêòèâíîñòè ýêðàíèðîâàíèÿ. 10
6.5. Дополнительные меры для получения требуемой эффективности экранирования. 11
7. Вывод по проделанной работе. 11
8.Литература. 12
1. Задание.
Проектирование автогенератора с кварцевым резонатором в контуре.
|
C>Н>, пкФ |
R>Н>, Ом |
K>Э>, дБ |
f>кв>, МГц |
R>кв>,Ом |
Q>кв>,тыс |
C>0>, пкФ |
|
4 |
600 |
75 |
4,99992 |
27,5 |
91 |
5,7 |
Рассчитать электрическую схему транзисторного автогенератора и разработать его конструкцию.
Предложить методику настройки автогенератора.
Конструкция автогенератора должна учитывать наличие электромагнитного экрана, расчитанного на частоты близкие к частоте автогенератора и обеспечивать заданную эффективность подавления помех.
2. Ðàñ÷åò ñõåìû àâòîãåíåðàòîðà.
Рассчитаем колебательную систему автогенератора, работающего на частоте 4,99992 МГц и выполненного на транзисторе ГТ313.
Òàáëèöà 1.1
|
ГТ313 NPN-ïåðåõîä Ge |
Основные параметры |
||||||
|
F>ã>, МГц |
S>ãð>, А/Â |
b>0> |
Å, Â |
Ñ>ê>, ïÔ |
Ñ>êà>, ïÔ |
r>á>, Ом |
|
|
450-1000 |
0.05 |
50 |
-0,25 |
2,5 |
1,25 |
60 |
|
|
Ïðåäåëüíûå ýêñïëóàòàöèîííûå ïàðàìåòðû |
|||||||
|
÷å>êä>÷,  |
÷å>ýáä>÷,  |
I>êä>, А |
t>ä>, °C |
R>i>>ä>, °С/Âò |
P>êä> при t°=25°C Bò |
||
|
12 |
0,5 |
0,03 |
70 |
500 |
0,09 |
Таблица 1.2
|
Частота |
Рекомендуемая P>КВ>, мВт |
Допустимая P>КВ. д.>, мВт |
||
|
для термоста-тируемых резонаторов |
для нетермос-татируемых резонаторов |
для термоста-тируемых резонаторов |
для нетермос-татируемых резонаторов |
|
|
Свыше 800 при колебаниях на основной частоте |
0,500 |
1,00 |
1,00 |
2,00 |
2.1. Расчет аппроксимированных параметров транзистора.
Зададимся
мА;
=-5В;
q=700
(a>1>=0,436;
a>0>=0,253)
и определяем
МГц
2.2. Расчет параметров колебательной системы
Çàäàåìñÿ m=0,1.
Ïàðàìåòð
Îòíîøåíèå
åìêîñòåé
Амплитуда
первой ãàðìîíèêè
I>Ê1>
êîëëåêòîðíîãî
òîêà:
ìÀ
Åìêîñòü
êîíäåíñàòîðà â öåïè áàçû
ïÔ
Åìêîñòü
êîíòóðà
ïÔ
Åìêîñòü
êîíäåíñàòîðà
ïÔ
Íàãðóæåííàÿ äîáðîòíîñòü êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû
Èíäóêòèâíîñòü
êîíòóðà
ìêÃí
Ìîäóëü
êîýôôèöèåíòà îáðàòíîé ñâÿçè
Ðåçèñòîð
R>0
>
âûáèðàåòñÿ
Îì
2.3. Расчет режима работы транзистора.
Àìïëèòóäà
íàïðÿæåíèÿ íà áàçå
Â
Амплитуда
напряжения на коллекторе
В
Постоянное
напряжение на коллекторе
В
Проверяем условие недонапряженного режима
В
Эквивалентное сопротивление колебательной системы автогенератора
Îì
Ïîñòîÿííàÿ
ñîñòàâëÿþùàÿ êîëëåêòîðíîãî òîêà
ìÀ
Ìîùíîñòü
ïîòðåáëÿåìàÿ òðàíçèñòîðîì îò èñòî÷íèêà
êîëëåêòîðíîãî ïèòàíèÿ
ìÂò
Ïîñêîëüêó âñÿ ìîùíîñòü, îòäàâàåìàÿ
òðàíçèñòîðîì, ðàññååâàåòñÿ íà êâàðöåâîì
ðåçîíàòîðå,
ìÂò
.
Êîýôôèöèåíò
ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ òðàíçèñòîðà
Ïîñòîÿííàÿ
ñîñòàâëÿþùàÿ òîêà áàçû
ìÀ
Íàïðÿæåíèå
ñìåùåíèÿ íà áàçå
Â
2.4. Расчет элементов цепей питания.
Ñîïðîòèâëåíèå
â öåïè ýìèòòåðà
Îì
Èíäóêòèâíîñòü
äðîññåëÿ â êîëëåêòîðíîé öåïè âûáèðàåòñÿ
èç óñëîâèÿ
,
òîãäà
=
ìêÃí
Íàïðÿæåíèå
èñòî÷íèêà êîëëåêòîðíîãî ïèòàíèÿ
=
Â
Ðàñ÷åò
äåëèòåëÿ áàçèðóåòñÿ íà âûïîëíåíèè äâóõ
óñëîâèé: âî-ïåðâûõ, äîëæíî áûòü èñêëþ÷åíî
øóíòèðîâàíèå êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû
àâòîãåíåðàòîðà äåëèòåëåì è, âî-âòîðûõ,
íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ ìåæäó áàçîé è
ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà äîëæíî
ñîîòâåòñòâîâàòü ðàñ÷åòíîìó ðàñ÷åòíîìó
çíà÷åíèþ. Òàêèì îáðàçîì
Îì è
ìÀ
ãäå
I>äåë>
- òîê ïðîòåêàþùèé ÷åðåç ðåçèñòîð R>2
>.
Äëÿ òîãî ÷òîáû áàçîâûé òîê íå âëèÿë íà
âåëè÷èíó íàïðÿæåíèÿ ñìåùåíèÿ ,
öåëåñîîáðàçíî I>äåë>
âûáèðàòü èç óñëîâèÿ: I>äåë>
= (5¸10)I>á0>.
=
Îì
Îì
Åìêîñòü
êîäåíñàòîðà
ïÔ
3.Настройка колебательного контура автогенератора. Выбор катушки индуктивности.
Настройка колебательного контура автогенератора может производиться двумя способами: изменяем емкость или изменением индуктивностей. Наиболее чаще используют подстроечную катушку индуктивности.
В данной схеме автогенератора будет использоваться однослойная цилиндрическая катушка с подстроечником в виде ферритового стержня (сердечника).
В качестве материала каркаса катушки выбран полистерол, так как он обладает удобными физическими параметрами и широко используется. Провод – медный в изоляции типа ПЭВ, диаметром 0.2 мм (0.15 – 0.30мм).
Индуктивность катушки определяется по формуле:
где 0.45 – поправочный
коэффициент;
- äëèíà íàìîòêè ïðîâîäà;
D – äèàìåòð êàòóøêè (êàðêàñà);
W – êîëè÷åñòâî âèòêîâ.
Отсюда количество витков:
Зададимся диаметром D = 5 ìì.
=
30 мм.
Так как ферритовый стержень влияет на индуктивность катушки, для расчета числа витков возьмем L ìåíüøå íà 10¸20% (L>K >=3,47ìêÃí; Þ
L = 3 ìêÃí)
 ñâÿçè ñ òåì, ÷òî âëèÿíèå ýêðàíà íà èíäóêòèâíîñòü íåçíà÷èòåëüíî, â äàííîé ðàáîòå èì ìîæíî ïðèíåáðå÷ü.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå îíî ìîæåò áûòü êîìïåíñèðîâàíî ïðè íàñòðîéêå.
Подставляя значения в формулу находим количество витков W=63 витка.
4. Выбор элементов.
|
Поз. обозна-чение |
Наименование |
Кол. |
Примечание |
|
Конденсаторы |
|||
|
К10-17 ОЖО.460.172 ТУ |
|||
|
С1 |
К10-17-1Б-М47-332пФ±10%-В |
1 |
|
|
С2 |
К10-17-2А-М47-2383пФ±10%-В |
1 |
|
|
Сэ |
К10-17-2А-М75-1376пФ±10%-В |
1 |
|
|
Скв |
КТ4-25-М750-5/25пФ±10%-В-ОЖО.460.135 ТУ |
1 |
Подстроечный |
|
Резисторы С2-23 ОЖО.467.081 ТУ |
|||
|
R0 |
C2-23-0,125Вт-5,6кОм±10%-A-B-B |
1 |
|
|
R1 |
C2-23-0,125Вт-20кОм±10%-A-B-B |
1 |
|
|
R2 |
C2-23-0,125Вт-9,1кОм±10%-A-B-B |
1 |
|
|
R3 |
C2-23-0,125Вт-402Ом±5%-A-B-B |
1 |
|
|
Rэ |
C2-23-0,125Вт-931Ом±5%-A-B-B |
1 |
|
|
Rн |
C2-23-0,125Вт-604Ом±5%-A-B-B |
1 |
|
|
Lдр |
Дроссель ДМ-0,1-365мкГн±5% ГИО.477.005 ТУ |
1 |
|
|
Lк |
Дроссель ДМ-0,1-3,47мкГн±5% ГИО.477.005 ТУ |
1 |
Подстроечный |
5. Размещение элементов на печатной плате.
6. Ðàñ÷åò ýêðàíà.
При расчетах будем считать, что экран изготовлен из меди (магнитная проницаемость меди m = 1, относительная проводимость меди s>отн> = 1). Экран условно разбивается на две составляющие: реальный сплошной экран (S>P>) è èäåàëüíûé ñïëîøíîé ýêðàí ñ îòâåðñòèÿìè (S>è>). Обоснование толщины экрана и параметров отверстий будет приведено ниже.
6.1. Ðàñ÷åò òîëùèíû ýêðàíà t.
Так как расчетные формулы для дальнего и ближнего элекрического поля идентичны, будем оговаривать вид поля (ближнее/äàëüíåå) ïî ìåðå íàäîáíîñòè.
Коэффициент
экранирования равен:
где
К>погл.>
– коэффициент поглащения экраном:
;
Ê>отр.>
– коэффициент отражения экраном:
;
Ê>м.отр.>
– коэффициент многослойного отражения
экрана (
).
Подставив в формулу данное значение коэффициента экранирования найдем минимальное значение толщины экрана:
,
откуда
t >
0.123ìì.
Примем толщину экрана t = 0.8ìì. Данное значение вполне удовлетворяет предполагаемым требованиям жесткости и составляет реальную пропорцию с размерами печатной платы.
6.2. Ðàñ÷åò ýôôåêòèâíîñòè ðåàëüíîé ñîñòàâëÿþùåé ýêðàíà.
В
соответствии с формулой (1) коэффициент
экранирования реального экрана равен:
Кэ.>Р.>=101.2
дБ.
Отсюда находим эффективность экранирования
реальным экраном:
6.3. Ðàñ÷åò ýôôåêòèâíîñòè èäåàëüíîé ñîñòàâëÿþùåé ýêðàíà.
Утечка
поля через круглое отверстие определяется
формулой:
,
где
x
- диаметр отверстия; r
– ðàññòîÿíèå
îò èñòî÷íèêà ïîìåõè äî ýêðàíà;
- падающая волна.
Эффективность
экранирования идеальным экраном с
отверстиями определяется по формуле:
где
i
– íîìåð îòâåðñòèÿ.
В разрабатываемом экране нам понадобится 4 отверстия:
Отверстие для настройки колебательного контура автогенератора. Примем x>1 >= 0,003 м.
Отверстие для подвода питания (изоляция ПВХ). Примем x>2 >= 0,0015 м
Отверстие для подвода выходного сигнала (изоляция ПВХ). Примем x>3 >= 0,0015 м.
Отверстие для подвода нулевого провода (изоляция ПВХ). Примем x>4 >= 0,0015 м
Отверстие для настройки Скв. Примем x>5 >= 0,003 м.
Расстояние
от источника помехи до экрана рассчитаем
по формуле:
где l
- длина волны:
.
Следовательно,
r =
0.009ì.
Формула
примет вид:
;
Îòñþäà
S>è>
= 53,4.
6.4. Ðàñ÷åò êîíå÷íîãî çíà÷åíèÿ ýôôåêòèâíîñòè ýêðàíèðîâàíèÿ.
Конечное значение эффективности экранирования рассчитывается по формуле:
но
справедливо условие:
Так как S>è> < S>p>, òî êîýôôèöèåíò ýêðàíèðîâàíèÿ íàøåãî ýêðàíà: К>э.и.>= 34 дБ.
При
уменьшении значения r,
ñîãëàñíî ôîðìóëå (3), ýôôåêòèâíîñòü
ýêðàíèðîâàíèÿ òàêæå áóäåò óìåíüøàòüñÿ.
Ñëåäîâàòåëüíî, â áëèæíåé çîíå
ýêðàí
áóäåò íå ýôôåêòèâåí. Рассмотрим
эффективность экранирования в дальней
зоне
.
Значение эффективности экранирования реального экрана останется прежним (S>p>=114815,36).
Найдем минимальное значение r, ïðè êîòîðîì çíà÷åíèå ýôôåêòèâíîñòè ýêðàíèðîâàíèÿ ñòàíîâèòñÿ óäîâëåòâîðèòåëüíûì.
Ïðèíÿâ
Ê>è>
равным заданному значению (65 дБ),
иç
ôîðìóëû (3) ìû èìååì:
.
Íà÷èíàÿ ñ ïîëó÷åííîãî çíà÷åíèÿ è äàëåå, çíà÷åíèå ýôôåêòèâíîñòè ýêðàíèðîâàíèÿ ñòàíîâèòñÿ óäîâëåòâîðèòåëüíûì.
6.5. Дополнительные меры для получения требуемой эффективности экранирования.
Для
того, чтобы экран был эффективен как в
дальней, так и в ближней зоне, мы будем
использовать волноводы. Влияние волновода
на эффективность экранирования
описывается следующей формулой:
где t – длина трубки волновода, d – диаметр волновода.
Рассмотрим
влияние волноводов на эффективность
экранирования для
.
Отсюда коэффициент экранирования
идеальным экраном будет равен:
где
К>э.и0.>
берем из пункта 4 равным 34 дБ;
Приняв для всех отверстий нашего экрана t = 1.5 мм и при условии что d=x с помощью формулы находим: К>э.волн.>=112 дБ, S>и.волн.>=398107. Следовательно, из формулы (5), коэффициент экранирования идеальным экраном К>э.и.>=146 дБ. Эффективность экранирования идеальным экраном S>и>= 19952699. Так как S>и.>>S>р.>, то коэффициент экранирования в итоге будет равен:
К>э.>=20lgS>p.>=101,2 дБ. Полученный результат удовлетворяет заданному требованию (К>э>>К>э.зад.>=65 дБ).
7. Вывод по проделанной работе.
Произведена разработка автогенератора с кварцевым резонатором в контуре, размещается на печатной плате размерами 5´5 см. Автогенератор снабжен медным экраном толщиной 0.8 мм с пятью отверстиями: три отверстия диаметром 1.5 мм, предназначенные для проводов питания, выхода и земли, и два диаметром 3 мм. Отверстия в свою очередь снабжены волноводами, что позволяет добиться нужной эффективности экранирования. В конструкции автогенератора предусмотрена настройка колебательного контура. Для удобства доступа к подстроечной катушке индуктивности в экране предусмотрено отверстие диаметром 3 мм.
К сожалению использована старая элементная база.
8.Литература.
1 Князев А.Д. и др.
“Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычеслительной аппаратуры с учетом элекромагнитной совместимости”, Москва, “Радио и связь” 1989г, 224 стр.
2 Митрофанов А.В. и др.
“Радиопередающие устройства” Ленинград, ЛЭТИ, 1983г, 64 стр.
3 Пыко С.М.
Конспект лекций, 1999г.
Вариант 46
Проетирование автогенератора с кварцевым резонатором
|
C>Н>, пкФ |
R>Н>, Ом |
K>Э>, дБ |
f>кв>, МГц |
R>кв>,Ом |
Q>кв>,тыс |
C>0>, пкФ |
|
4 |
600 |
75 |
4,99992 |
27,5 |
91 |
5,7 |
Рассчитать электрическую схему транзисторного автогенератора и разработать его конструкцию.
Предложить методику настройки автогенератора.
Конструкция автогенератора должна учитывать наличие электромагнитного экрана, расчитанного на частоты близкие к частоте автогенератора и обеспечивать заданную эффективность подавления помех.