Автогенератор с буферным каскадом

1

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Автоколебательная система и автогенератор

Варианты решения поставленной задачи

Вариант№1.

Вариант№2

Вариант№3

Выбор и обоснование варианта

Составление принципиальной схемы

Расчет электрической схемы

Расчет автогенератора

Расчет эмитерного повторителя

Заключение

Список использованной литиратуры

ВВЕДЕНИЕ

Электрификация железнодорожного транспорта, рост скоростей движения поездов и наметившееся увеличение грузопотока (особенно за последний 1999 год) приводит к более интенсивному применению средств связи на железнодорожном транспорте. Решение вопроса ускорения оборота вагонов на крупных железнодорожных станциях вызывает необходимость массового использования станционной радиосвязи, применения носимых радиостанций и организации новых видов связи. Расширение областей применения и продолжающееся развитие радиотехники привело к необходимости подготовки качественных специалистов в этой области. Эту задачу помогает решить дисциплина “Каналообразующие устройства автоматики телемеханики и связи”. Главной задачей этой курсовой работы является овладение навыками проектирования каналообразующих устройств, а также повышение уровня подготовки расчетов электронных и электротехнических схем. В нашем конкретном случае необходимо разработать автогенератор гармонических колебаний поэтому необходимо рассмотреть следующие теоретические вопросы.

Задание на проектирование: Разработать автогенератор с буферным каскадом, перестраиваемый в пределах 1 – 1,5 МГц. Назначение – гетеродин в радиоприемнике.

АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И АВТОГЕНЕРАТОР

Автогенератор – это источник электромагнитных колебаний, колебания в котором возбуждаются самопроизвольно, без внешнего воздействия.

Любой автогенератор представляет собой нелинейное устройство, преобразующее энергию питания в энергию колебаний. Независимо от схемы и назначения автогенератор должен иметь источник питания, усилитель и цепь обратной связи, причём обратная связь должна быть положительной.

В качестве усилительных элементов в настоящее время в автогенераторах используются транзисторы или другие аналогичные приборы, а в качестве цепей нагрузки – колебательные цепи с сосредоточенными или распределенными параметрами.

Автогенератор, находящийся в стационарном режиме, представляет собой обычный нелинейный усилитель, для возбуждения которого используются колебания, вырабатываемые в самом генераторе; колебания с выхода подаются на его вход по цепи обратной связи. Если амплитуда и фаза возбуждения отвечают определенным условиям, то в энергетическом отношении автогенератор ведёт себя так же, как и генератор с внешнем возбуждением. Однако генератор с самовозбуждением имеет существенные особенности. Частота и амплитуда автоколебания в стационарном режиме определяются только параметрами самого генератора, между тем, как в генераторе с внешним возбуждением частота и амплитуда колебаний навязываются возбудителем. Кроме того, в случае самовозбуждения большое значение имеет механизм возникновения колебаний при запуске автогенератора.

Все эти особенности можно выявить, рассматривая поведение автогенератора в процессе нарастания колебаний от момента запуска до полного установления стационарного состояния. Можно наметить следующую картину. В момент запуска колебательной цепи автогенератора возникают свободные колебания, обусловленные включением источников питания, замыканием цепей, электрическими флуктуациями и т.д. Благодаря положительной обратной связи эти первоначальные колебания усиливаются, причем на первом этапе, пока амплитуда мала усиление практически линейно и цепь можно рассматривать как линейную. Энергетически процесс нарастания колебаний объясняется тем, что за один период колебания усилитель предает в нагрузку энергию, большую той, которая расходуется в ней за это время. С ростом амплитуд начинает проявляется нелинейность устройства (кривизна вольтамперной характеристики усиленного элемента) и усиление уменьшается. Нарастание амплитуд прекращается, когда усиление уменьшается до уровня, при котором только компенсируется затухание колебаний в нагрузке. При этом, энергия отдаваемая усилителем за один период, оказывается равной энергии, расходуемой за это время в нагрузке.

Таким образом, на последнем этапе установления колебаний основную роль играет нелинейность цепи, без учета которой нельзя определить параметры стационарного режима автогенератора. Любой автогенератор высокочастотных колебаний можно представить в виде схемы представленной на рис.1. На этой схеме автогенератор представлен в виде сочетания трёх четырехполюсников: одного нелинейного, безынерционного, и двух линейных. Нелинейный четырехполюсник соответствует усилительному элементу (транзистор, туннельный диод и т.д.), первый из линейных четырехполюсников – колебательной цепи автогенератора, а второй – цепи обратной связи.

Подобное представление справедливо для автогенераторов с внешней обратной связью. Усилительный элемент совместно с избирательным четырехполюсником, обеспечивающим фильтрацию (подавление) высших гармоник, представляет собой обычный нелинейный усилитель, развивающий на выходе гармоничкское напряжение. В общем случае напряжение зависит как от частоты, так и от амплитуды (из-за нелинейности усилительного элемента). Коэффициент усиления этого устройства – K_>у>(iw_>г>,U_>1>).

Рис. 1

Очевидно, что

K_>у>(iw_>г>,U_>1>)=U_>2>/U_>1 >(*)

При фиксированной частоте w_>г> K_>y> является функцией только амплитуды U_>1>.

Коэффициент передачи линейного четырехполюсника обратной связи, который в дальнейшем будем называть просто коэффициентом обратной связи, можно выразить через амплитуды U_>3 >и U_>2>:

K_>oc>(iw)= U_>3>/ U_>2>,

Но напряжение U_>3>, снимаемое с выхода четырехполюсника обратной связи, есть одновременно напряжение U_>1>, действующее на входе усилителя. Следовательно,

K_>oc>(iw)= U_>1>/ U_>2>

Сравнивая это выражение с выражением (*), приходим к выводу, что в стационарном режиме автогенератора (когда только и можно пользоваться методом комплексных амплитуд) коэффициенты K_>у>(iw_>г>,U_>1>) и K_>oc>(iw) являются заимно обратными величинами:

K_>у>(iw_>г>,U_>1>)K_>oc>(iw_>г>)=1.

Представим комплексные функции K_>у>(iw_>г>,U_>1>) и K_>oc>(iw_>г>) в форме

K_>у>(iw_>г>,U_>1>)=К_>у>(w_>г>,U_>1>)е^{iy (w}_>г>⁾ , K_>oc>(iw_>г>)= K_>oc>(w_>г>)е^{i y (w}_>г>⁾.

Тогда последнее равенство распадается на два условия:

K_>у>(iw_>г>,U_>1>)K_>oc>(iw_>г>)=1(**)

(***)

Условие (**) называют условием баланса амплитуд: из него следует, что в стационарном режиме полное усиление на генерируемой частоте при обходе кольца обратной связи равно единице.

Условие (***) называют условием баланса фаз. Из чего следует, что в стационарном режиме автоколебаний полный фазовый сдвиг при обходе кольца ОС равен (или кратен) 2pi. Условие баланса фаз позволяет определить частоту генерируемых колебаний w_>г>.

Существуют мягкий и жёсткий режимы возбуждения колебаний. Режим, когда колебания возникают самопроизвольно, называется мягким. В АГ с мягким возбуждением состояние покоя (состояние с нулевой амплитудой) неустойчиво. Жёстким называется режим, при котором генерация возникает только при наличии внешнего воздействия, создающего колебания с амплитудой, большей некоторого порогового значения.

Отметим одно важное требование, предъявляемое к автогенератору, предназначенному для устройств связи: вырабатываемое им колебание должно быть строго монохроматическим. Любое нарушение монохроматичности, проявляющееся в паразитном изменении амплитуды, частоты или фазы колебания, может служить причиной возникновения помех в канале радиосвязи. Требование монохроматичности включает в себя также и требование стабильности частоты автоколебания.

ВАРИАНТЫ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ

Для решения поставленной задачи прежде всего необходимо выдвинуть ряд требований к проектируемому устройству. Так как проектируемый автогенератор относится к классу гетеродинов, то он должен обладать относительно стабильной частотой генерации. Но, нередко за стабильность приходится “доплачивать”. На основе этих критериев я постараюсь предложить различные альтернативные принципиальные схемы автогенераторов.

Вариант 1

Данный вариант обладает высокой стабильностью частоты т.к. он основан на кварцевой стабилизации. Кварцевая стабилизация является наиболее эффективным способом повышения частоты генераторов. Она основана на применении в схемах кварцевых пластинок с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Если к пластине кварца приложить переменное напряжение, то она испытывает периодические механические деформации, т.е. сжимается и разжимается, что в свою очередь приводит к появлению электрических зарядов на её гранях. В результате в цепи (между входными зажимами) течёт переменный ток. Этот ток имеет две составляющие I_>c>_> >и I_>кв>. Реактивный ток I_>c> протекает через ёмкость. Образованную металлическими пластинами кварцедержателя. Ток кварца I_>кв> обусловлен наличием пьезоэффекта.

Величина тока кварца зависит от частоты приложенного напряжения. Когда частота подведенного напряжения совпадает с собственной частотой механических колебаний кварца, наступает резонанс, при котором амплитуда колебаний будет максимальной. Пьезоэлектрический ток будет максимальным, а его фаза совпадет с фазой приложенного напряжения. Поэтому вблизи резонансных частот кварцевую пластину можно представить в виде последовательного контура с сосредоточенными постоянными L_>k> C_>k> r_>k> и параллельно подключенной к нему емкости кварцедержателя С_>0>. Практически статическая ёмкость кварцедержателя С_>0 >в сотни раз больше эквивалентной ёмкости кварца C_>k>, поэтому собственная частота кварца как последовательного контура близка к собственной частоте эквивалентного параллельного контура.

Поскольку С_>к><<С_>0>, то частота параллельного резонанса отличается от частоты последовательного резонанса незначительно. Относительный разброс частот составляет

Добротность кварцевого резонатора достигает больших значений (порядка 10⁵).

Рис. 2

Рис. 3

Электрические параметры кварцевого резонатора определяются геометрическими размерами, типом среза пластин и видом колебаний. Для различных типов среза значение собственной частоты кварца колеблется в пределах f_>0>=1,6/d – 3,6/d МГц, где d – толщина среза пластины (в мм).

Вариант 2

Данный генератор является LC-автогенератором, который обладает достаточно стабильной частотой генерации. Представленный автогенератор является аввтогенератором с мягким возбуждением колебаний, т.е. для его работы достаточно лишь включить источник питания.

Под действием различных дестабилизирующих факторов частота колебаний с течением времени изменяется сложным образом. Относительная стабильность данного АГ частоты /_>0> которого 10^-2…10^-3.

Энергия колебаний передаётся из выходной цепи транзистора в колебательную систему при условии, что управляющее током коллектора колебательное напряжение u_>БЭ >(t) имеет определённый фазовый сдвиг относительно напряжения u_>кэ>(t) между коллектором и эмиттером. Передача напряжения с выхода на вход обеспечивается цепью обратной связи. Чаще всего применяют схему с ёмкостной обратной связью.

В базовую или эмиттерную цепь транзистора включается корректирующая цепочка для устранения фазового сдвига между i_>к>(t) и u_>у>(t). Для реализации поставленной задачи будем использовать транзисторный автогенератор с ёмкостной обратной связью и дополнительной ёмкостью в индуктивной ветви (С3), которая необходима для развязки по постоянному току цепей питания и смещения.

Колебательная система образована в схеме элементами L,С_>1>,С_>2>,С_>3>. Цепочка R_>кор>’_> >С_>кор>’  корректирующая, R _>см > сопротивление автосмещения, С_>бл1> и С_>бл2 > блокировочные ёмкости, R_>бл> блокировочное сопротивление. С_>св> обеспечивает оптимальное сопротивление нагрузки на выходных электродах транзистора и препятствует прохождению в нагрузку постоянного тока источника питания. Фиксированное смещение осуществляется путём подачи на базу транзистора части напряжения Е_>пит> через резисторный делитель R_>1 >и R_>2>.

Рис. 4

Вариант 3

Особенностью этого варианта является использование туннельного диода. Как видно на схеме отсутствует ёмкость контура, т.к. в качестве неё используется собственная ёмкость диода. Сопротивление rk – собственные активные потери контура. Данный автогенератор является АГ с внутренней обратной связью. Это связанно с особенностью вольтамперной характеристикой туннельного диода. Условие самовозбуждения этого генератора выполняется в весьма широком частотном диапозоне.

Рис. 5

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВАРИАНТА

Из предложенных вариантов я считаю что наиболее рациональым будет использование варианта№2. Хоть LC-генератор и не обладает такой высокой стабильностью как кварцевый он обладает достаточно низкой стоимостью, что тоже является немаловажным фактором, особенно при массовом монтаже.

Составление принципиальной схемы

В соответствии с заданием проектируемый автогенератор должен иметь буферный каскад. Буферные каскады используются для согласования параметров различных функциональных блоков в готовом устройстве. В качестве такого каскада я считаю целесообразным использовать эмитерный повторитель в силу его основных достоинств, а именно: высокое входное и низкое выходное сопротивление, повторение фазы входного сигнала на выходе, простота составления электрической схемы и её расчёта. Буферный каскад включается непосредственно после АГ и обеспечивает ему постоянную во времени нагрузку, Одновременно ослабляя влияние его на работу последующих каскадов.

Рис. 6

По заданию нам необходимо получить регулировку частоты автогенератора в заданных пределах. Этого можно добиться использованием специальных регулируемых конденсатров С1, С3 а также индуктивности L.

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

Расчет автогенератора

Обычно расчёт автогенератора происходит в три стадии. Первая стадия заключается в расчете режима работы транзистора, т.е. его выборе и проверке стабильности его работы на заданной частоте. Вторая стадия заключается в электрическом расчете схемы. Третья стадия – энергетический расчёт, т.е. определение мощности генерируемых колебаний и мощностей в цепях генератора, а также определение КПД. Методики приведенных расчетов взяты из литературы [2,5,6].

Таким образом нам необходимо найти R_>к>, Е_>см>, Р_>1> и КПД. Выберем транзистор, определим параметры корректирующей цепи и рассчитаем режим работы транзистора.

Для увеличения стабильности частоты в задающем АГ выбирают транзисторы малой мощности. Чтобы фазовый сдвиг между колебаниями i_>k>(t),u_>б>(t) можно было устранить с помощью корректирующей цепочки, следует выбирать транзистор, граничная частота которого больше, чем заданная частота колебаний f_>нес >= 1,5 МГц. Выбираем транзистор малой мощности КТ 331Г-1 с граничной частотой f_>т >= 400 МГц, со следующими паспортными данными:

барьерные ёмкости коллекторного и эмиттерного переходов С_>к >= 5 пФ, С_>э>_> >= 8 пФ

постоянная времени цепи внутренней обратной связи _>ос>=120 пс

допустимые напряжения и токи U_>отс >= 0.6 В, U_>кб>_{> доп} >= 15 В, i_{>к доп} >= 0,02 А, U_{>б доп}>_> >= 3 В

допустимая мощность Р_>доп >= 15мВт

крутизна линии граничных режимов на выходных статических ВАХ транзистора S_>гр >= 20 мА/В

коэффициент усиления тока В = 40.

f_>>_> >= f_>t>_> >/В = 10 МГц; f_>>_> >= f_>t>_> >+ f_>>_> >= 11,5 МГц. Активная часть коллекторной ёмкости С_>ка>=2 пФ и сопротивление потерь в базе r_>б >= _>ос>/С_>ка>= 60 Ом.

R_>кор>, R_>з> - сопротивления, корректирующие частотные свойства транзистора в открытом и закрытом состояниях. R_>кор> должно быть меньше R_>з>, от этого зависит эффективность применения корректирующих цепей , иначе следует выбрать другой транзистор.

Крутизна переходной характеристики транзистора с коррекцией S^к = 1/R^/_>кор >= 1/10 = 0,1 А/В. Чтобы мгновенные значения напряжения и тока коллектора не превышали допустимых значений u_{>К ДОП}>_> >и i_{>К ДОП}>_>, >выбираем i_>k>_> >_>max>_> >= 0,8i_>k>_{> доп}>_> >= 0,820 = 16 мА; i_>k>_> >_>max>_> > максимальное значение импульса коллекторного тока;

Величина k_>ос>=U^к_>бэ>/U_>к1> отражает относительное шунтирующее влияние на резонатор входной и выходной проводимостей транзистора. Наибольшая стабильность частоты в транзисторном АГ получается при k_>ос>=1…3. Примем k_>ос>=1.

При выборе угла отсечки следует учесть необходимый запас по самовозбуждению Sk_>ос>=(3…5)G_>К>, а также условие баланса активных мощностей С_>К>() = G_>А>(U_>А1>); G_>А >= G_>0 >_>1>()  из этих трёх условий следует, что в стационарном режиме колебаний _>1>()  0.2…0.3. выбираем = 60⁰.

Тогда _>0>=0,218, _>1>=0,391, _>0>=0,109, Cos  = 0,5.

Рассчитаем основные параметры генератора:

I_>k>_>1 >= _>1>i_>k>_> >_>max>_> >= 0,39116 = 6,3 мА; I_>k>_>0 >= _>0>i_>k>_> >_>max>_> >= 0,21816 = 3,5мА, I_>К1>,I_>К0 > амплитуда первой гармоники и постоянная составляющая коллекторного тока.

U^к_>б1>,U_>к1 > амплитуды первой гармоники напряжения на базе и коллекторе транзистора с коррекцией.

R_>к> сопротивление нагрузки транзистора.

P_>1 >= 0.5I_>K>_>1>U_> >_>K>_>1>_> >= 0,5  6,3 мА  0,32 В = 1,01 мВт ;

Po = I_>K>_>0>U_>K>_>0>_> >=3,5 мА  4,5 В=15,75 мВт

P_>pac>_> >= Po-P_>1>= 15,75  1,01 = 14,74 мВт < P_{> доп}> = 15 мВт

Р_>1>,Р_>0>,Р_>рас > колебательная, потребляемая и рассеиваемая в транзисторе мощности.

 = P_>1>/Po = 0,064 = 6,4% электронный КПД;

Е_>см> = U_>ост > U^k_>б1>cos  = 0,6  0,320,5 = 0,44 В,

где U_>отс > напряжение отсечки на переходной ВАХ транзистора.

Е_>см> U^к_>б1> < 3 В;

 = U_>k>_>1>/U_>k>_>0 > 0,07; _>гр>=1 i_>k>_> >_>max>_> >/(S_>гр>U_>k>_>0>) = 0,82 ,

где   напряжённость режима, _>гр> напряжённость граничного режима

 < 0,5_>гр > условие получения недонапряжённого режима при относительно слабой зависимости барьерной ёмкости С_>к> от U_>к> для увеличения стабильности частоты.

На частоте 1,5 МГц оптимальным значением индуктивности контура будет L=10 мкГн с добротностью 125. Считаем, что Q_>0 > Q_>L>, так как потери в индуктивности намного больше потерь в ёмкости. Вычислим параметры элементов резонатора.

 =_>р>L = 6,28 1,510 = 94,2 (Ом)

С_>>=1/²_>р>L=1/(41,5²10⁸)=1,11 (нФ);

R_>р>= Q_>0 >= 94,2 125=11775 (Ом);

= 0,0042462

С^I_>2>=C_>>/р=1,11 Ф/0.0042462 = 26 нФ;

С_>1 >= С^I_>2 >/ k_>ос >=25 нФ;

С_>3 >= (1/С_>>-1/С_>1>-1/С^I_>2>)^-1 =(1/1,11 - 1/25 - 1/25)^-1= 1,21 пФ;

Где С_>>_> >_> >суммарная ёмкость контура; р  коэффициент включения контура в выходную цепь транзистора; R_>р>_> > резонансное сопротивление контура при его полном включении;   характеристическое сопротивление.

Чтобы сопротивление нагрузки R^I_>Н>, пересчитанное к выходным электродам транзистора, не снижало заметно добротности контура, примем R^I_>Н > 3R_>k>_> > 150 Ом. Добротность последовательной цепочки С_>св>R_>н>

Отсюда ёмкость связи С_>св>=1/R_>Н>Q = 20,7 пФ

С^I_>СВ >= С_>СВ>/(1+1/Q²) = 20,7 пФ/(1+1/0,8464) = 45,15 пФ;

C_>2>=C^I_>2>-C^I_>СВ >= 1300 пФ – 45,15 пФ = 1254,85 пФ

Проверка:



условие должно выполняться для исключения шунтирования сопротивлениями R_>1>,R_>2> колебательный контур.

R_>см >=3R_>ист>/В= 125 Ом

R_>1 >= R_>ист>Е_>ПИТ >/U_>б >= 16689 /1.027=15 кОм

R_>2 >= R_>1>U_>б >/(Е_>П >-U_>б>) = 15 кОм 1.027 /(9  1.027 )=1.93 кОм

С_{>БЛ 2} >= 10 /_>р>R_>СМ>_> >=1350 пФ

R_>БЛ >= 5R_>К >= 250 Ом.

Выбираем 1/_>р>С_{>БЛ 1} >= 1 Ом, тогда С_{>БЛ 1} >= 20 нФ

С_>БЛ>,R_>БЛ> блокировочные элементы. Сопротивление ёмкости С_>БЛ> на _>р> должно быть по возможности малым, много меньше внутреннего сопротивления источника питания.

Расчет эмитерного повторителя

В схеме используется транзистор ГТ308А, параметры которого следующие:

предельная частота f_>T>_> >= 120МГц

коэффициент усиления по току _>0>=40, =0.4,

сопротивление базы r_>б>=50 Ом,

С_>Э>=22 пФ,

мощность рассеяния Р_>КД >= 0.1 Вт (при Т = 70^о),

напряжение u_>КБ >= 28 В,

напряжение u_>ЭБ >= 3 В,

i_>КД>_> >= 120 мА,

U_>бэ0> = 0,45 В.

I_>э0> = 510^-4 А,

I_>б >= 10^-3 А.

По второму закону Кирхгофа: E = Ri_>б>_>0> + R_>н>_> >+ U_>бэ0.> U_>бэ0> = 0,45 В. I_>э0> = 10^-4 А. При нагрузке R_>н> = 1кОм последними двумя составляющими в уравнении можно пренебречь. Тогда R = E/I_>б0 >= 9/(12010^-6) = 75кОм. Разделительная ёмкость на входе ЭП рассчитывается исходя из того, что на самой низкой частоте сопротивление 1/(C_>p>) должно быть меньше входного сопротивления R_>ВХ. >Практически достаточно такого условия: 1/(C_>p>)  0,1 R_>ВХ.>

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения были освоены основные этапы проектирования каналообразующих устройств в системах автоматики телемеханики и связи на железнодорожном транспорте. Также были повышены навыки по схемотехническому расчету и электронным устройствам.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. М.: Высш. школа, 1989.

Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учебник для ВУЗов /под ред. Уткина. М.: Радио и связь, 1994.

Радиосвязь на железнодорожном транспорте: Учебник для ВУЗов/под ред. П.Н. Рамлау М.: Транспорт, 1983.

Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для ВУЗов, М.: Радио и связь, 1986.

Бодиловский В.Г. Полупроводниковые приборы в устройствах автоматики телемеханики и связи, М:. Транспорт, 1985.

Грановская Р.А. Расчет каскадов радиопередающих устройств, М.: Издательство МАИ, 1993

Справочник по полупроводниковым транзисторам, М.: Связь, 1981.