Получаем выражение для частоты генерации

Оглавление

 

1. Введение

2. Техническое задание на устройство

3. Расчет автогенератора

4. Расчет спектра сигнала на выходе нелинейного преобразователя

5. Расчет развязывающего устройства

6. Расчет электрических фильтров

7. Расчет выходного усилителя

8. Заключение

9. Литература

 

1. Введение

 

Цель работы: в процессе данной работы необходимо спроектировать широко распространенное в аппаратуре связи устройство, вырабатывающее так называемую "сетку частот", то есть несколько гармонических колебаний. Подобное устройство содержит автогенератор, вырабатывающий исходное (задающее) колебание; нелинейный преобразователь, искажающий форму сигнала; набор активных фильтров, выделяющих требуемые гармоники, и масштабирующие усилители предназначенные для согласования входных и выходных сопротивлений устройств, а так же для поддержания необходимого уровня формируемого сигнала. В качестве задающего автогенератора в работе используются схемы на биполярных транзисторах с пассивной лестничной RC-цепью обратной связи. При расчете автогенератора необходимо рассчитать: значения всех элементов схемы, амплитуду стационарного колебания на выходе генератора.

Нелинейный преобразователь строится на основе биполярных, полевых транзисторов или полупроводниковых диодах. Анализ схемы нелинейного преобразователя включает в себя аппроксимацию ВАХ нелинейного элемента и расчет спектрального состава выходного тока и напряжения.

В качестве активных фильтров используются активные полосовые RC-фильтры на основе операционных усилителях с полиномиальной аппроксимацией частотной характеристики полиномами Чебышева. Развязывающие (усилительные) устройства представляют собой масштабирующие усилители на интегральных микросхемах.

 

2. Техническое задание на устройство

 

Технические требования к устройству.

Заданные параметры	Обозначения
Требования к автогенератору
1. Тип автогенератора	Схема 1
2. Тип транзистора	КТ301
3. Частота генерации	fГ=3*10^5 Гц
4. Напряжение питания	Uпит авт=18 В
5. Сопротивление коллекторной цепи	Rк=3 кОм
Требования к нелинейному элементу
1. Тип нелинейного преобразователя	Схема 3
2. Тип нелинейного элемента	2Д104А
3. Напряжение смещения	U0=-3 В
4. Напряжение питания	Uпит=-0.5 В
5. Напряжение на входе	Um= 1.3 В
Требования к электрическим фильтрам
1. Напряжение питания	Uпит Ф=10 В
2. Набор выделяемых частот	1 гармоника
3. Выходное напряжение	Um вых=8 В
4. Ослабление полезных гармоник (неравномерность ослабления в полосе пропускания)	ΔА=0,5 дБ
5. Степень подавления мешающих гармоник (ослабления в полосе пропускания)	Аmin=36 дБ
Требования к развязывающим и усилительным устройствам
1. Напряжение питания	Uпит ус=10 В

 

3. Расчет автогенератора

 

Рассчитаем RC-автогенератор на биполярных транзисторах 2Т658А, схема 1.

Частота генерации f_Г=20 кГц

Напряжение питания U_{пит авт}=30 В

Сопротивление нагрузки в коллекторной цепи R_к=1,5 кОм

 

Схема 1

 

В стационарном режиме работы автогенератора на частоте генерации  должны выполняться условия баланса амплитуд и баланса фаз:

 

 

где  - модули передаточных функций ;

 - аргументы этих передаточных функций.

Для данной схемы

 

 

Отсюда видно, что , следовательно, для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы цепь обратной связи вносила сдвиг фаз, равный .

Рис 4

По проходной характеристике определяют положение рабочей точки. Зададимся значением U_бэ0 = 0,5В - это середина линейного участка проходной ВАХ

Тогда по входной ВАХ транзистора определяют в рабочей точке

 

=

 

Коэффициент усиления транзистора по току

 

Зная , можно рассчитать сопротивление  составного транзистора:

 

 

Из ряда номинальных значений резистор

Из условия  выберем значение .

Определим амплитуду стационарного колебания на выходе генератора. Для этого построим колебательную характеристику .

Значение средней крутизны для разных значений U_бэ определим по методу 3-х ординат по формуле:

 

 

U1(бэ). В	0,05	0,1	0,15	0,2
Iк мАx. мА	3	3,8	4,2	4,2
Iк мин. мА	1,5	1,1	0,6	0
Sср. мА/В	15	13,5	12	10,5

 

По этой таблице построим колебательную характеристику Рис. 5.

Для определения по колебательной характеристике стационарного действующего значения U_бэ необходимо рассчитать значение средней крутизны в стационарном режиме . Известно, что .

 

Но из баланса амплитуд

 

.

 

Рис 5

 

Тогда

 

 

Определим значение  для рассчитанных значений R_н и R

 

 

Для этого значения  средняя стационарная крутизна  располагается ниже колебательной характеристики, и поэтому в схеме будет происходить генерация колебаний.

Используем колебательную характеристику и ее значение средней крутизны в стационарном режиме, найдем действующее значение напряжения . Оно равно . Тогда напряжение на выходе генератора в стационарном режиме найдем из соотношения:

 

 

Определим значение емкости в цепи обратной связи. Из выражения для частоты  найдем

 

 

Емкость C_Р разделительного конденсатора выберем из условия . Возьмем С_Р=0,1 нФ

Определим значение сопротивления R_б, задающего рабочую точку U_бэ0, I_бэ0. Рассчитаем по формуле:

 

 

Выберем резистор с номиналом R_б=5,6 кОм.

 

R кОм	Rк кОм	Rб кОм	C пФ	C р нФ
30	1,5	5,6	47	0,1

 

4. Расчет спектра сигнала выходе нелинейного преобразователя

Оглавление

 

1. Введение

2. Техническое задание на устройство

3. Расчет автогенератора

4. Расчет спектра сигнала на выходе нелинейного преобразователя

5. Расчет развязывающего устройства

6. Расчет электрических фильтров

7. Расчет выходного усилителя

8. Заключение

9. Литература

 

1. Введение

 

Цель работы: в процессе данной работы необходимо спроектировать широко распространенное в аппаратуре связи устройство, вырабатывающее так называемую "сетку частот", то есть несколько гармонических колебаний. Подобное устройство содержит автогенератор, вырабатывающий исходное (задающее) колебание; нелинейный преобразователь, искажающий форму сигнала; набор активных фильтров, выделяющих требуемые гармоники, и масштабирующие усилители предназначенные для согласования входных и выходных сопротивлений устройств, а так же для поддержания необходимого уровня формируемого сигнала. В качестве задающего автогенератора в работе используются схемы на биполярных транзисторах с пассивной лестничной RC-цепью обратной связи. При расчете автогенератора необходимо рассчитать: значения всех элементов схемы, амплитуду стационарного колебания на выходе генератора.

Нелинейный преобразователь строится на основе биполярных, полевых транзисторов или полупроводниковых диодах. Анализ схемы нелинейного преобразователя включает в себя аппроксимацию ВАХ нелинейного элемента и расчет спектрального состава выходного тока и напряжения.

В качестве активных фильтров используются активные полосовые RC-фильтры на основе операционных усилителях с полиномиальной аппроксимацией частотной характеристики полиномами Чебышева. Развязывающие (усилительные) устройства представляют собой масштабирующие усилители на интегральных микросхемах.

 

2. Техническое задание на устройство

 

Технические требования к устройству.

Заданные параметры	Обозначения
Требования к автогенератору
1. Тип автогенератора	Схема 1
2. Тип транзистора	КТ301
3. Частота генерации	fГ=3*10^5 Гц
4. Напряжение питания	Uпит авт=18 В
5. Сопротивление коллекторной цепи	Rк=3 кОм
Требования к нелинейному элементу
1. Тип нелинейного преобразователя	Схема 3
2. Тип нелинейного элемента	2Д104А
3. Напряжение смещения	U0=-3 В
4. Напряжение питания	Uпит=-0.5 В
5. Напряжение на входе	Um= 1.3 В
Требования к электрическим фильтрам
1. Напряжение питания	Uпит Ф=10 В
2. Набор выделяемых частот	1 гармоника
3. Выходное напряжение	Um вых=8 В
4. Ослабление полезных гармоник (неравномерность ослабления в полосе пропускания)	ΔА=0,5 дБ
5. Степень подавления мешающих гармоник (ослабления в полосе пропускания)	Аmin=36 дБ
Требования к развязывающим и усилительным устройствам
1. Напряжение питания	Uпит ус=10 В

 

3. Расчет автогенератора

 

Рассчитаем RC-автогенератор на биполярных транзисторах 2Т658А, схема 1.

Частота генерации f_Г=20 кГц

Напряжение питания U_{пит авт}=30 В

Сопротивление нагрузки в коллекторной цепи R_к=1,5 кОм

 

Схема 1

 

В стационарном режиме работы автогенератора на частоте генерации  должны выполняться условия баланса амплитуд и баланса фаз:

 

 

где  - модули передаточных функций ;

 - аргументы этих передаточных функций.

Для данной схемы

 

 

Отсюда видно, что , следовательно, для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы цепь обратной связи вносила сдвиг фаз, равный .

Получаем выражение для частоты генерации

 

 

и коэффициент передачи цепи обратной связи на частоте генерации

 

 

Входное сопротивление R_н составного транзистора

 

 

где  - коэффициент усиления транзистора по току (для VT1);

 - входное сопротивление транзистора VT2

Для определения  нужно выбрать рабочую точку транзистора.

Для этого вначале строим проходную характеристику транзистора I_к=F(U_бэ) зависимость действующего значения тока в выходной цепи от входного напряжения U_бэ.

Исходными данными для построения проходной характеристики являются:

– входная характеристика транзистора I_б=F(U_бэ) (Рис. 1)

– выходная характеристика транзистора I_к=F(U_кэ) (Рис. 2)

На семействе выходных характеристик транзистора Кт301 (Рис. 1) проводим нагрузочную прямую через точки с координатами (0, U_пит)и (U_пит / R_к, 0)

По точкам пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками строим промежуточную характеристику I_к=F(I_б) (рис 3)

 

Рис 1

 

Рис 2

 

∆I_б = 25 мкА

 

Iб. mА	0	0,025	0,05	0,075	0,1	0,125
Iк.mА	0,1	1,1	2,05	3	3,9	4,2

 

Рис 3

Используя полученную зависимость (Рис. 3) и входную характеристику I_б=F(U_бэ) (Рис. 1), определяем требуемую зависимость I_к=F(U_бэ) (Рис. 4)

 

Uбэ, В	0.3	0.4	0.5	0.55	0.61	0,63
Iб. mА	0	0,025	0,05	0,075	0,1	0,125
Iк. mА	0,1	1,1	2,05	3	3,9	4,2

 

Рис 4

По проходной характеристике определяют положение рабочей точки. Зададимся значением U_бэ0 = 0,5В - это середина линейного участка проходной ВАХ

Тогда по входной ВАХ транзистора определяют в рабочей точке

 

=

 

Коэффициент усиления транзистора по току

 

Зная , можно рассчитать сопротивление  составного транзистора:

 

 

Из ряда номинальных значений резистор

Из условия  выберем значение .

Определим амплитуду стационарного колебания на выходе генератора. Для этого построим колебательную характеристику .

Значение средней крутизны для разных значений U_бэ определим по методу 3-х ординат по формуле:

 

 

U1(бэ). В	0,05	0,1	0,15	0,2
Iк мАx. мА	3	3,8	4,2	4,2
Iк мин. мА	1,5	1,1	0,6	0
Sср. мА/В	15	13,5	12	10,5

 

По этой таблице построим колебательную характеристику Рис. 5.

Для определения по колебательной характеристике стационарного действующего значения U_бэ необходимо рассчитать значение средней крутизны в стационарном режиме . Известно, что .

 

Но из баланса амплитуд

 

.

 

Рис 5

 

Тогда

 

 

Определим значение  для рассчитанных значений R_н и R

 

 

Для этого значения  средняя стационарная крутизна  располагается ниже колебательной характеристики, и поэтому в схеме будет происходить генерация колебаний.

Используем колебательную характеристику и ее значение средней крутизны в стационарном режиме, найдем действующее значение напряжения . Оно равно . Тогда напряжение на выходе генератора в стационарном режиме найдем из соотношения:

 

 

Определим значение емкости в цепи обратной связи. Из выражения для частоты  найдем

 

 

Емкость C_Р разделительного конденсатора выберем из условия . Возьмем С_Р=0,1 нФ

Определим значение сопротивления R_б, задающего рабочую точку U_бэ0, I_бэ0. Рассчитаем по формуле:

 

 

Выберем резистор с номиналом R_б=5,6 кОм.

 

R кОм	Rк кОм	Rб кОм	C пФ	C р нФ
30	1,5	5,6	47	0,1

 

4. Расчет спектра сигнала выходе нелинейного преобразователя