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 4,9Затем, 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 10,05На 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 6077,069Тогда 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 5,1Аналогичным 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 5,1Элементы третьего звена
/>, кОм
/>, кОм
/>, кОм
/>, кОм
/>, кОм
/>, нФ
/>, нФ
2,5 2,5 1,2 5,1 150 5,1 5,1Схема 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 26,64. 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.