Проектирование канала технологической железнодорожной радиосвязи аналогового типа с частотной модуляцией

Рисунок 8  – Схема автогенератора

На рисунке 6 представлена схема  автогенератора, работающего в режиме частотной модуляции полезным сигналом и сигналом автоподстройки частоты от синтезатора. В основе  АГ заложена схема  трехточечного генератора Клаппа с колебательным контуром третьего вида. Все автогенераторы в проекте выполняются на транзисторе  ГТ311Е, параметры которого приведены в Приложении 1. Рабочая частота АГ определяется вариантом задания. В качестве шины питания в схеме предлагается использовать шину  c напряжением E_K02 = + 12 В для питания всех делителей напряжения, а для  коллектора активного элемента напряжение Е_К01 от этой шины подаётся через ограничивающее сопротивление R_ОГР.

 

 

7.1 Расчёт режима по постоянному току

 

Порядок расчёта следующий:

1) Температурное изменение обратного  тока коллектора

                                               (7.1)

2) Тепловое смещение напряжения  базы

                                                                                     (7.2)

3) Температурное изменение прямого  тока коллектора

                                                 (7.3)

4) Сопротивление резистора в  эмиттерной цепи

                                              (7.4)

где r₁₁ = 1/g_11Э – активная часть входного сопротивления транзистора (g_11Э = 0,0135)

5) Напряжение коллекторного питания

                                                  (7.5)

Напряжение коллекторного питания  меньше половины максимального напряжения коллектор – эмиттер Е_к0=6В.

6) Сопротивления делителя напряжения  R₁  и  R₂

                                                          (7.6)

                                                        (7.7)

  

 

7) Блокировочная ёмкость  С_Э

                                                    (7.8)

8) Ограничивающее сопротивление  в цепи питания коллектора

                                                  (7.9)

Выбираем номинальные значения сопротивлений и емкостей:

            Выберем сопротивления по номинальному ряду: R₁ = 20 кОм, R₁ = 18 кОм

Выберем емкость по номинальному ряду: С_Э = 270пФ.

Выберем сопротивление по номинальному ряду: R_ОГР = 1300 Ом.

 

7.2 Энергетический расчёт автогенератора

 

Энергетический расчёт начинается с выбора угла отсечки коллекторного тока, который для автогенераторов выбирается  в пределах θ = 60 ÷  90⁰.

1) Пусть θ = 70⁰, тогда в соответствии с таблицей коэффициентов Берга в Приложении 2 можно установить следующие значения:

         

                        

                                                (7.10)

2) Амплитуда импульса коллекторного  ток, соответствующего напряжению U_K0 = 5 В и току I_K0 = 5 мА

                                                     (7.11)

3) Определяются коэффициенты положительной  обратной связи., соответствующие работе АЭ в предельных режимах: К_i –по току I_{К МАКС}; К_U –по напряжению U_{ЭБ  МАКС}; К_Р – по мощности транзистора Р_{К МАКС.}  Эти формулы имеют вид(S=0,1 А²/Вт, Р_{К МАКС}=0,15Вт)_:

                                       (7.12)

                                  (7.13)

                                      (7.14)

4) Рабочее значение коэффициента  обратной связи должно быть  меньше наименьшей из этих  величин

                                             (7.15)

5) Рассчитываются  энергетические  параметры  для  статической  крутизны S=0,1 См транзистора ГТ311Е при U_K0 = 5 B:

а) нормирующее напряжение базы

                                                                               (7.16)

б) напряжение возбуждения

                                                             (7.17)

в) переменное напряжение коллектор  – эмиттер

                                                      (7.18)

г)  ток первой гармоники коллектора

                                                     (7.19)

д) напряжение базового смещения

                                      (7.20)

е) пиковое обратное напряжение базы

                                            (7.21)

ж) мощность, отдаваемая в нагрузку

                                        (7.22)

з) мощность, потребляемая от источника  питания

                                                                            (7.23)

и) коэффициент полезного действия автогенератора

                                                                                (7.24)

к) мощность, рассеиваемая коллектором

                                                                 (7.25)

л) эквивалентное сопротивление  генератора

                                                          (7.26)

 

7.3 Расчёт колебательного контура

 

Перед  началом расчёта  колебательного контура,  представленного на рисунке  8, необходимо задать его основные параметры. Для лучшей стабильности частоты целесообразно выбирать контур с высокой добротностью (Q = 80 ÷ 100)  и большим характеристическим сопротивлением ρ. Кроме того рекомендуется выбрать реактивное сопротивление емкости С₂ в предела Х_С2 = – (5 ÷ 10) Ом. Обычно на частотах до 150 МГц удаётся реализовать указанную добротность и ρ=200 ÷ 400 Ом. Установим  Q_ХХ = 80 ρ = 350 Ом, а величину Х₂ = – 8 Ом. Произведём расчёт параметров контура в следующем порядке.

1) емкость С₂

                                                    (7.27)

2) Реактивное сопротивление ёмкости  С₁

                                                         (7.28)

3) Ёмкость  С₁

                                                                             (7.29)

Выберем емкость по номинальному ряду: С₁ = 8,2 пФ.

4) Коэффициент включения нагрузки  со стороны ёмкости  С₁

                                                             (7.30)

5) Сопротивление реактивности  Х₃

                                                                        (7.31)

6) Индуктивность  L₃ определяется из характеристического сопротивления колебательного контура

                                                        (7.32)

.

7) Реактивное сопротивление ёмкости   С₃

                                                                         (7.33)

 

Рисунок 9 – Колебательный контур трехточки Клаппа

8) Ёмкость  С₃

                                                  (7.34)

 

Выберем номинальные значения, для  рассчитанных элементов:

Выберем емкость по номинальному ряду: С₁ = 8,2 пФ.

Выберем емкость по номинальному ряду: С₂ = 130 пФ.

Выберем индуктивность по номинальному ряду: L₃ = 360 нГн

Выберем емкость по номинальному ряду: С₃ = 4,7 пФ.

 

9) Проводимость нагрузки автогенератора  G_Н обуславливается величиной входного сопротивления буферного усилителя, но оптимальное значение этой проводимости, гарантирующее максимум подводимой к нагрузке мощности, определяется эквивалентным сопротивлением генератора R_ЭКВ, собственным сопротивлением колебательного контура G_K, а также суммарной активной межэлектродной проводимостью транзистора G_KЭБ, распределённой между реактивностями контура. Все эти проводимости определяются в следующем порядке:

а) собственная проводимость контура  G_K

                                                           (7.35)

б) межэлектродная проводимость может  быть рассчитана по формуле, приведённой в [6]

                                        (7.36)

однако её величина обычно не выходит за пределы  G_КЭБ = (1 ÷ 10), мкСм, поэтому можно принять G_КЭБ = 5· 10^-6 См;

в) оптимальная проводимость нагрузки автогенератора

                                             (7.37)

10) Мощность автогенератора, подводимая  к оптимальной нагрузке

                                                       (7.38)

11) Оптимальное сопротивление нагрузки

                                                            (7.39)

 

7.4 Расчёт режима частотной модуляции

 

В проекте должен быть реализован прямой метод получения частотной  модуляции сигнала автогенератора путём включения в его колебательный  контур  нелинейной  ёмкости  VD₁  (VD₂)  варикапа (КВ123),  как показано  на  рисунке 6.  На катод варикапа подведено напряжение обратного смещения с делителя  R₁, R₂ (R₃, R₄), равное  U_B0 = + 4 B, а через разделительный конденсатор С_Р1 и дроссель  L₁ (C_P2, L₂) подаётся напряжение звуковой частоты с подмодулятора передатчика.  Второй варикап  VD₂ смещается сигналом автоподстройки частоты с синтезатора. На рисунке 8  приведена эквивалентная схема контура автогенератора совместно с ёмкостью варикапа.  Выбранный тип варикапа КВ123 при напряжении смещения  U_В0 обеспечивает величину постоянной ёмкости С_В0 ≈ 17 пФ и величину нелинейных искажений К_г = 0,05(5%) при коэффициенте нелинейности вольт-фарадной  характеристики  ВФХ  ν = 0,5 [5,6 ].  Расчёт основных параметров модуляционного режима может быть выполнен в следующем порядке.

 

Рисунок 10 – Часть схемы контура с варикапом

1) Амплитуда модулирующего напряжения

                                                             (7.40)

2) Диапазон изменения ёмкости  варикапа

                                                                                  (7.41)

3) Высокочастотная составляющая  напряжения на варикапе

                                                       (7.42)

4) Коэффициент включения варикапа

                                                          (7.43)

5) Коэффициент вклада варикапа  в суммарную ёмкость

                                                             (7.44)