Реферат: Расчет элементов и узлов аппаратуры связи

Уральский технический институт связии информатики (филиал)

Сибирского государственногоуниверситета телекоммуникаций и информатики

(УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ»)

Курсовая работа

по дисциплине: «Основы теории цепей»

на тему: «Расчет элементов и узловаппаратуры связи»

 

 

 

 

 

 

Екаренинбург 2010 г.

Содержание

1. Расчетавтогенератора

2. Расчет спектрасигнала на выходе нелинейного преобразователя

3. Расчетэлектрических фильтров

4. Расчет выходногоусилителя

Список литературы

1. Расчетавтогенератора

 

Исходные данные:

Рассчитать RC-генератор, выполненный по схеме №1(рис.3.1, а [1]) на биполярном транзисторе КТ301Б;

Частота генерации fг = 4 кГц;

Напряжение питания Uпит авт = 12 В;

Сопротивление вколлекторной цепи Rк = 2 кОм

/>

Рис. 1 — Схема генератора

В стационарном режимеработы автогенератора на частоте генерации />, должны выполняться условиябаланса амплитуд и баланса фаз:

/> 

/>

где />,/> — модули передаточныхфункций />, />

/>, /> - аргументы этих передаточныхфункций.

Для заданной схемы

/>

Из этой формулы видно,что />,значит для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы цепь обратной связивносила сдвиг фаз, равный />. Это будет выполняться приравенстве нулю мнимой части знаменателя выражения /> из табл. 3.1:

/>

Отсюда получаем выражениедля частоты генерации:

/>

Теперь можно записать,что:

/>

/>

Рис. 2 — Входнаяхарактеристика транзистора КТ301Б

Найдем значениясопротивлений /> и />, входящих в формулы расчета /> и />.

Входное сопротивление /> составноготранзистора:

/>

Где/> — коэффициент усилениятранзистора по току (VT1);

/> - выходное сопротивлениетранзистора VT2/

Для определения /> и /> нужно выбратьрабочую точку транзистора.

Для этого вначаленеобходимо построить проходную характеристику транзистора /> - зависимостьдействующего значения тока в выходной цепи от входного напряжения />. В своюочередь, исходными для построения проходной характеристики являются:

— входная характеристикатранзистора /> (рис.2);

— выходные характеристикитранзистора />.

Эти и подобные имхарактеристики для разных типов транзисторов являются справочным материалом иприведены в пособии [1] в разделе 3, табл. 3.2.

На семействе выходныххарактеристик транзистора КТ301Б проводится нагрузочная прямая через точки скоординатам и /> /> и />//>0.

По точкам пересечениянагрузочной прямой с выходными характеристиками строится промежуточнаяхарактеристика /> (рис. 3). Для этих целей удобносоставить таблицу:

/> мкА

50 100 150 200 250 300

/> мА

1,0 2,0 3,0 4,0 4,9 4,9

Затем, используяполученную зависимость (рис. 3) и входную характеристику /> (рис. 4), определяемтребуемую зависимость /> (рис. 3).

Все данные, необходимыедля построения характеристики, сведены в таблицу:

/> В

0,3 0,5 0,6 0,65 0,70 0,76 0, 82

/> мА

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,30

/> мА

1,0 2,0 3,0 4,0 4,9 4,9

/>

Рис. 3 — Промежуточнаяхарактеристика

/>

Рис. 4 — Проходнаяхарактеристика

По проходнойхарактеристике определяем положение рабочей точки. Зададимся значением />В – этосередина линейного участка проходной ВАХ.

Тогда по входной ВАХтранзистора определяем в рабочей точке:

/> кОм

Коэффициент усилениятранзистора по току:

/>

Зная /> и />, можно рассчитатьсопротивление /> составного транзистора

/> кОм

Из условия /> следовало бы выбратьзначение /> кОм.

Но эту величинунеобходимо уточнить при дальнейшем расчете.

Определим теперьамплитуду стационарного колебания на выходе генератора. Для этого построимколебательную характеристику />.

Значения средней крутизныдля разных значений /> можно определить по методу 3-хординат по формуле:

/>

Снова удобно оформить всерасчеты в виде таблицы:

/>В

0,010 0,04 0,1 0,15 0,2

/>мА

3,50 3,90 4,5 4,52 4,52

/> мА

2,80 2,40 1,65 1,10 0,80

/> мА/В

35,0 18,75 14,25 11,40 10,05

На основании этой таблицыстроится колебательная характеристика />.

Она приведена на рис. 5.

/>

Рис. 5 — Колебательнаяхарактеристика

Для того, чтобы поколебательной характеристике определить стационарное действующее значение />, необходимопредварительно рассчитать значение средней крутизны в стационарном режиме />.

Известно, что />. С другойстороны, из баланса амплитуд />. Отсюда:

/>

Определяем значение /> длярассчитанных значений /> и />

/>

Среднее значение крутизныравно:

/> мА/В

Используя колебательнуюхарактеристику и зная значение средней крутизны в стационарном режиме /> мА/В,определяем стационарное действующее значение напряжения />. Оно равно />В. Тогданапряжение на выходе генератора в стационарном режиме можно найти изсоотношения:

/>В

Определим теперь значениеемкости в цепи обратной связи. Из выражения для частоты /> найдем:

/>нФ

Емкость /> разделительногоконденсатора выбирается из условия />>>C или />. Возьмем />нФ.

Осталось определитьтолько значение сопротивления />, задающего рабочую точку />, />. Рассчитаемего по формуле:

/>Мом

Выбираем резистор сноминалом />МОм

На этом расчет RC-генератора можно считатьзаконченным.

2. Расчет спектрасигнала на выходе нелинейного преобразователя

 

Требуется рассчитатьспектр тока и напряжения на выходе нелинейного преобразователя.

Исходные данные:

напряжение на выходе />В;

напряжение смещения />В;

величина сопротивления />Ом.

/>

Рис. 6 — Схеманелинейного преобразователя

Поскольку />=1,4 B, a />/>= 1,125 B

Поскольку амплитуданапряжения на выходе генератора не совпадает с заданной амплитудой напряженияна выходе нелинейного преобразователя, то между ним и генератором следуетвключить масштабный усилитель, усилие которого выбирается из условиясогласования указанных напряжений. Для усиления сигнала можно использоватьсхему рис. 7 в табл. 3.7.

/>

Рис. 7 — Схема делителянапряжения

Ее передаточная функция:

/>

/>, />

Задавая />кОм, получаем />Ом

Напряжение, подаваемое навход нелинейного преобразователя, имеет вид />, В. Используя проходную ВАХтранзистора, графически определим вид тока на выходе нелинейногопреобразователя (рис. 8).

/>

Рис. 8

Для расчета спектра токаи напряжения на выходе нелинейного преобразователя необходимо сделатьаппроксимацию ВАХ. Амплитуда входного сигнала достаточно велика, поэтомувыбираем кусочно-линейную аппроксимацию:

/>

По ВАХ определяем />В.

Для расчета крутизны S выбираем любую точку на прямой,аппроксимирующей ВАХ. Например, u=0,81B, i=6 мА, тогда:

/> мА/В

Рассчитываем угол отсечки:

/>рад

Затем вычисляем функции Берга:

/> /> /> />

Постоянная составляющая иамплитуды гармоник спектра тока />рассчитываются по формуле:

/> />

Ограничиваясь третьейгармоникой, имеем:

/> мА, />мА, />мА, />мА

Напряжение на выходенелинейного преобразователя при наличии разделительного конденсатора, непропускающего постоянную составляющую />.

Амплитуды гармониквыходного напряжения:

/>мВ, />/> мВ, /> мВ

изображены на рис. 9 ирис. 10.

/>

Рис. 9 — Спектр тока

/>

Рис. 10 — Спектрнапряжения

3. Расчетэлектрических фильтров

 

Номер гармоники,выделяемой полосовым фильтром, n=3;

Выходное напряжениефильтра, Umвых=2 В;

Ослабление в полосепропускания, Amin=30 дБ;

Неравномерностьослабления в полосе пропускания (ослабление полезных гармоник) />дБ;

Напряжение питанияоперационного усилителя Гпит.ф=6 В.

Решение

Частота генерируемыхколебаний равна f=4 кГц. Частотатретьей гармоники равна f0=12 кГц.

Полагаем порядок фильтраравным nф=3 и по рис.2.11 и рис. 2.12. [1] определяемнормированную частоту, соответствующую границе ПЭН НЧ-прототипа.

По рис. 2.11 для Amin=29 дБ и />дБ определяем D=32.

По рис. 2.12 для D=32 и nф=3 определяем />

Определяем граничныечастоты ПЭП и ПЭН

/>рад/с

Так как />, то задавшись />кГц или />рад/с, найдем />:

/>рад/с

Учитывая соотношение />, определим

/>рад/с

Решая совместно систему

/>рад/с

/>рад/с

Получаем:

/>=72764 рад/с

/>=78048 рад/с

Таким образом, граничныечастоты:

/>кГц (/>рад/с)

/>кГц (/>рад/с)

/>кГц (/>рад/с)

/>кГц (/>рад/с)

Пользуясь табл. 3.5,находим полюсы передаточной функции НЧ-прототипа: />; />.

Для отыскания полюсовпередаточной функции ПФ, воспользуемся соотношением:

/>

Полученные значения полюсовудобно представить в виде таблицы:

Номер сомножителя Полюсы Н(р) полосового фильтра

/>

/>/>

1,2

3,5

4,6

-1305,64

-630,72

-674,92

75348

-72848

77953

/>

/>

/>

/>

Передаточная функция ПФможет быть записана в виде произведения трёх сомножителей второго порядка:

/>

Коэффициенты при />в знаменателяхмножителей />,а свободные члены />. Их значения сведем в таблицу:

Номер сомножителя Значения коэффициентов

/>

/>

/>

1 4169,6 2611 5679,130 2 4169,6 1261 5307,248 3 4169,6 1350 6077,069

Тогда передаточнаяфункция искомого ПФ запишется:

/>

Для реализации полученнойпередаточной функции необходимо выбрать тип звеньев, для чего найдем в началедобротности полюсов соответствующих сомножителей, используя соотношение:

/>

В результате расчетовполучим />, /> и />

Из таблицы 3.6 выбираемдля реализации всех сомножителей схему 3. Для определения элементов звена,соответствующего первому сомножителю />, составим систему уравнений:

/>

/>

/>

Зададимся />Ф

Кроме того, выберем />. Здесь /> — частотаполюса, определяемая для данного сомножителя, как

/>рад/с

Итак,

/>Ом

Решая системуотносительно элементов />, />, /> получим:

/>Ом, />Ом, />Ом.

Элементы первого звена

/>, кОм

/>, кОм

/>, кОм

/>, кОм

/>, кОм

/>, нФ

/>, нФ

2,7 2,7 4,3 1,6 75 5,1 5,1

Аналогичным образомнаходим элементы второго и третьего звена.

Данные сведем в таблицы:

Элементы второго звена

/>, кОм

/>, кОм

/>, кОм

/>, кОм

/>, кОм

/>, нФ

/>, нФ

2,7 2,7 1,2 6,2 160 5,1 5,1

Элементы третьего звена

/>, кОм

/>, кОм

/>, кОм

/>, кОм

/>, кОм

/>, нФ

/>, нФ

2,5 2,5 1,2 5,1 150 5,1 5,1

Схема полосового фильтраприведена на рис. 9.

Для расчета АЧХ иослабления фильтра в выражении /> осуществим замену />, тогда /> запишется:

/>

/>

Ослабление фильтрасвязано с АЧХ выражением:

/>

Найдем частоты ПЭП, прикоторых А и АЧХ принимают максимальные значения. Из таблицы 3.8 дляхарактеристик НЧ-прототипа имеем />; />; />; />.

Для нахождениясоответствующих частот характеристики ПФ воспользуемся соотношениями:

/>

/>

При

/> рад/с

/>

/> рад/с

/> рад/с

/>

/> рад/с

/> рад/с

/>

/> рад/с

/> рад/с

/> рад/с

/> рад/с

Результаты расчетов АЧХ иослабления отдельных звеньев и всего фильтра удобно свести в таблицу:

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>

/>, рад/с

69528 72764 73106,8 74050,6 75360 76692,6 77682,7 78048 81680

/>, кГц

11,07 11,58 11,64 11,79 12,00 12,21 12,36 12,42 13,00

/>

0,335 0,707 0,791 1,123 1,597 1,123 0,791 0,708 0,335

/>

0,603 3,276 3,065 1,548 0,819 0,549 0,441 0,412 0,249

/>

0,233 0,385 0,412 0,513 0,765 1,447 2,863 3,060 0,563

/>, дБ

9,488 3,007 2,032 -1,004 -4,066 -1,004 2,032 3,005 9,486

/>, дБ

4,401 -10,306 -9,727 -3,796 1,738 5,210 7,105 7,708 12,079

/>, дБ

12,669 8,297 7,693 5,799 2,327 -3,207 -9,136 -9,715 4,986

/> фильтр

0,047 0,891 1,000 0,891 1,000 0,891 1,000 0,891 0,047

/> дБ

26,6 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0 0,0 1,0 26,6

4. Расчет выходногоусилителя

 

Пусть требуемое выходноенапряжение устройства выделения третьей гармоники равно (рис. 11):

/>В

Из предыдущих расчетовопределена амплитуда напряжения третьей гармоники:

/>мВ

Тогда амплитуданапряжения на выходе фильтра будет равна:

/>мВ

Требуемый коэффициентусиления равен:

/>

Выбираем схему

/>

Рис. 11 — Схема усилителя

Полагая />кОм находим:

/>кОм.

Список литературы

1.  Б.И. Крук, О.Б Журавлева, М.И.Сметанина Расчет элементов узлов аппаратуры связи: методические указания ккурсовой работе. Новосибирск, 1997. – 44 с.

2.  В.П. Бакалов, А.А. Игнатов, Б.И. КрукОсновы теории электрических цепей и электроники: Учебник для высших учебныхзаведений. – М.: Радио и связь, 1989. — 525 с.

3.  С.И. Баскаков Радиотехнические цепи исигналы. — М.: Высшая школа, 1988. — 448 с.

4.  И.П. Степаненко. Основы теориитранзисторов и транзисторных схем. — М.: Энергия, 1983. – 542 с.

5.  Расчет и проектирование линейныханалоговых ARC – устройств; Пособие по курсовому идипломному проектированию.: Под ред.А.А. Ланнэ. — Л., 1980.