Радиотехнические цепи и сигналы

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЦЕЛЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ……………………………………………3

2. СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ  РАБОТЫ…………….…………………..3

3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ……………………………………………….….6

4. ЗАДАНИЕ…………….…………………………………………………...7

5. РАСЧЕТ…………………………………………………………………...8

5.1. Аналитическое выражение для АМ-сигнала в общем виде…….....8

5.2. Спектральный состав АМ-сигнала……………………………...…..8

5.3. Расчет АЧХ и ФЧХ УРЧ……………………………………………10

5.4. Расчет ослабления помехи по зеркальному каналу……………….12

5.5. Аппроксимация ВАХ транзистора смесителя ПЧ………………...12

5.6. Определение крутизны преобразования ПЧ………………………14

5.7. Расчет и построение АЧХ и ФЧХ  фильтра ПЧ…………………..15

5.8. Анализ искажения сигнала в полосовом фильтре ПЧ……………16

5.9. Аппроксимация ВАХ транзистора гетеродина……………………17

5.10. Определение глубины обратной связи в гетеродине……………18

5.11. Расчет и построение кривой установления стационарной                    амплитуды напряжения гетеродина…………………………….19

5.12. Аппроксимация  ВАХ транзистора оконечного каскада УПЧ….20

5.13. Расчет и построение колебательной характеристики оконечного каскада УПЧ……………………………………………………...21

5.14. Расчет КПД оконечного каскада УПЧ…………………………...22

5.15. Выбор параметров и расчет характеристики АД……………..….22

5.16. Синтез ФНЧ в виде активного RC-фильтра……………...………24

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………….26

Список литературы…………………………………………………………26

 

 

 

 

 

 

 

1. ЦЕЛЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Изучить основные закономерности прохождения  детерминированных сигналов через  линейные, нелинейные и параметрические  радиотехнические цепи.

Овладеть методами спектрального анализа сигналов.

Овладеть методами аппроксимации характеристик безынерционных нелинейных элементов.

Овладеть методом расчета стационарного режима автогенератора.

Овладеть на примере преобразователя частоты методом расчета характеристик резистивных параметрических цепей.

Ознакомиться с методами синтеза  фильтров нижних частот и их реализации на базе активных фильтров с операционными  усилителями.

Повторить основные положения курса  и использовать их для решения  задачи анализа прохождения сигналов через каскады типового радиотехнического тракта.

Овладеть методами расчета на ЭВМ  характеристик типовых радиотехнических устройств или типовых входных  воздействиях.

 

2. СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ 

В работе проводится анализ типового радиотехнического тракта, составляющего основу супергетеродинного приемника. Структурная схема такого тракта приведена на рис.1

рис.1

 

На вход подается АМ-сигнал с модуляцией одним тоном:

 

где А₀ – амплитуда несущего колебания, М – коэффициент модуляции, f₀ и φ₀ – частота и начальная фаза несущего колебания, F_m и φ_m - частота и начальная фаза модулирующего колебания.

УРЧ выполняется на биполярном транзисторе  по схеме усилителя с общим  эмиттером с нагрузкой в виде колебательного контура с неполным включением в цепь коллектора - рис.2.

рис.2

Режим работы транзистора - линейный с рабочей точкой в середине ВАХ  i_к(U_бэ).

Смеситель ПЧ выполняется на полевом  транзисторе по схеме, представленной на рис. 3

рис.3

На смеситель подается сигнал с  выхода УРЧ и сигнал

 

с выхода гетеродина. Здесь А_r и f_r – амплитуда и частота напряжения гетеродина. Режим работы транзистора – нелинейный с рабочей точкой на нижнем сгибе ВАХ i_с(U_зи). Колебательный контур настроен на промежуточную частоту

Рабочий режим устанавливается  с помощью постоянного напряжения на затворе U_з. Напряжение гетеродина подается с его контура на исток транзистора.

Гетеродин выполняется по схеме  автогенератора на биполярном транзисторе  с трансформаторной обратной связью рис.4.

рис.4.

 

Автогенератор имеет мягкий режим возбуждения, реализуемый выбором смещения U₀ в цепи базы на середине ВАХ i_к(U_бэ).

Оконечный каскад УПЧ выполняется  в виде нелинейного резонансного усилителя по схеме аналогичной  УРЧ. Режим работы транзистора –  нелинейный с рабочей точкой на нижнем ВАХ i_к(U_бэ).

Детектор выполняется по схеме  диодного амплитудного детектора рис.5.

рис.5

ФНЧ имеет порядок n=2, выполняется по схеме активного RC-фильтра на ОУ (рис.6)

рис.6

3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 

     […] – округление до целого числа.

амплитуда АМ сигнала:

мкВ

частота несущей:

МГц,

частота модулирующего  АМ колебания:

 кГц,

коэффициент модуляции  АМ-сигнала:

начальная фаза несущего АМ-колебания:

 рад,

начальная фаза модулирующего АМ-колебания:

 рад,

амплитуда напряжения гетеродина:

 В,

частота гетеродина:

 МГц,

добротность контуров УРЧ, гетеродина, ПЧ и УПЧ:

ПП приборы, используемые в каскадах тракта:

УРЧ – КТ315 А-Е

смеситель ПЧ – КП303 А-Г

гетеродин – КТ315

оконечный каскад УПЧ –  КТ315 А-Б

АД – КД502 А-Г

 

4. ЗАДАНИЕ

1. Записать аналитическое выражение для мгновенных значений входного сигнала и зарисовать осциллограмму этого колебания.

2. Построить АЧС и  ФЧС входного сигнала.

3. Рассчитать и построить  АЧХ и ФЧХ УРЧ.

4. Рассчитать ослабление  помехи по зеркальному каналу (для центральной частоты спектра помехи), обеспечиваемое УРЧ.

5. Аппроксимировать (с использованием  степенной аппроксимации) ВАХ  транзистора смесителя ПЧ.

6. Определить крутизну  преобразования ПЧ.

7. Рассчитать и построить АЧХ и ФЧХ  фильтра ПЧ.

8. Проанализировать искажение сигнала в полосовом фильтре ПЧ.

9. Аппроксимировать (с использованием степенной аппроксимации) ВАХ транзистора гетеродина.

10. Определить глубину  обратной связи в гетеродине, необходимую для обеспечения  заданной амплитуды напряжения  автоколебаний.

11. Рассчитать и построить кривую установления стационарной амплитуды напряжения гетеродина.

12. Аппроксимировать (с использованием кусочно-линейной аппроксимации) ВАХ транзистора оконечного каскада УПЧ.

13. Рассчитать и построить колебательную характеристику оконечного каскада УПЧ.

14. Рассчитать КПД оконечного каскада УПЧ.

15. Выбрать параметры и рассчитать  характеристики АД.

16. Синтезировать ФНЧ в виде  активного RC-фильтра с операционным усилителем в качестве элемента, рассчитать и построить АЧХ ФНЧ, рассчитать ослабление сигнала на фиксированной частоте вне полосы прозрачности фильтра.

 

5. РАСЧЕТ

5.1. Аналитическое выражение для АМ-сигнала в общем виде:

 

подставим наши значения в эту формулу  и построим осциллограмму на двух периодах модулирующего колебания в Mathcad (рис.7)

В    Гц      Гц

 рад   рад     

рис.7

 

5.2. Спектральный состав АМ-сигнала:

 

Спектральный состав АМ-сигнала  определяется выражением:

 

подставив наши данные, получим:

 

можно построить АЧС (рис.8) и ФЧС  (рис.9) сигнала, имеющие три составляющие: несущую, верхнюю и нижнюю боковую частоты.

5.3. Расчет АЧХ и ФЧХ УРЧ:

            для расчета зададим

 Гн,

Входное сопротивление рассчитываем из входной ВАХ транзистора КТ315 (рис.10)

 Зададим рабочую точку в U_бэ0 = 0.5 В, тогда:

Ом

Крутизну рассчитываем графически из проходной ВАХ КТ315 (рис.11)

Рассчитываем и строим АЧХ (рис.12) и ФЧХ (рис.13) в Mathcad:

В Гц      Гн    Ом       А/В

резонансное сопротивление контура:

       Ом

резонансный коэффициент усиления:

     

     

рис.12

рис.13

5.4. Расчет ослабления помехи  по зеркальному каналу.

 

Частота зеркального канала:

Гц    Гц    Гц

Гц

 для расчета коэффициент  ослабления из предыдущего задания  берем:

 

где K_z – коэффициент усиления на зеркальном канале (97 МГц) – из графика.

Коэффициент ослабления:

dB

 

 

 

 

5.5. Аппроксимация (с использованием степенной аппроксимации) ВАХ транзистора смесителя ПЧ.

 

Степенная аппроксимация задается выражением:

 

 

где u₀ – начальное смещение, a₀, a₁, a₂, a₃ – коэффициенты, определяемые методом узловых точек. На рабочем участке ВАХ (проходная ВАХ транзистора КП303Е), шириной 2A_g в окрестности u₀ выбираются равномерно расставленные значения u_к – узлы аппроксимации. По ВАХ определяются i_k(u_k) - (рис.14).

U0=1.5	к = 1	к = 2	к = 3	к = 4
Uk (в)	0.5	1.17	1.84	2.5
Ik (мА)	10.6	7.5	4.8	2.5

 

Получаем систему уравнений, решая  которую методом Гаусса в  Mathcad находим коэффициенты a₀, a₁, a₂, a₃:

      

                                   

  

 

 

5.6. Определение крутизны преобразования  ПЧ.

 

Крутизна преобразования ПЧ определяется выражением:

   

А/В

 

 

5.7. Расчет и построение АЧХ и ФЧХ фильтра ПЧ.

 

Оконечный каскад УПЧ выполняется  в виде нелинейного резонансного усилителя, по схеме, аналогичной УРЧ (рис.2).

Крутизну и входное сопротивление  транзистора берем такими же, как и при расчете УРЧ.

Индуктивность и параметр контура  K_b:

Гн,

контур настроен на резонансную  частоту равную промежуточной частоте: МГц

Гц             Гн

  

Ом    А/В   Ом

    

      

рис.15

рис.16

 

5.8. Анализ искажения сигнала  в полосовом фильтре ПЧ.

 

Сигнал на выходе полосового фильтра  ПЧ, при воздействии на его вход АМ-сигнала, прошедшего УРЧ, записывается:

где:

- коэффициент усиления УРЧ,

 

- коэффициент усиления УПЧ,

 

  - обобщенная расстройка фильтра  на верхней     боковой  полосе, где

 

     - эквивалентная добротность  контура ПЧ,

 

- фазовый сдвиг огибающей АМ-сигнала  на выходе фильтра.

Для оценки искажений построим на одном графике не полные сигналы, а их огибающие, т.е. модулирующие колебания до и после фильтра ПЧ:

рис.17

Из графика видно, что после  полосового фильтра ПЧ уменьшается коэффициент модуляции и появляется задержка модулирующего колебания θ_Fm.

5.9. Аппроксимация (с использованием степенной аппроксимации) ВАХ транзистора гетеродина.

 

Для аппроксимации ВАХ транзистора гетеродина выбираем рабочую точку в середине линейного участка ВАХ, чем обеспечивается мягкий режим возбуждения автогенератора (рис.18):

 

U0=0.5В	к = 1	к = 2	к = 3	к = 4
Uk (в)	0.2	0.4	0.6	0.8
Ik (мА)	28	34	44	60

 

 Аппроксимируем тем же методом,  что и  ВАХ транзистора смесителя ПЧ.

     

                                     

 

 

           

 

5.10. Определение глубины обратной  связи в гетеродине, необходимой для обеспечения заданной амплитуды напряжения автоколебаний.

 

Для расчета стационарного режима автогенератора на основе данных аппроксимации  ВАХ транзистора гетеродина строим на одном графике кривую зависимости  крутизны ВАХ от напряжения на входе транзистора и линию обратной связи (рис.19).

Гц        

Ом   Ом

 – эквивалентная добротность  контура гетеродина,

  - коэффициент взаимоиндукции  контура гетеродина,

     - линия обратной связи

рис.19

Графически определяем стационарную амплитуду колебаний по точке пересечения этих двух линий: В

 

5.11. Расчет и построение кривой  установления стационарной амплитуды  напряжения гетеродина.

 

Построим кривую при расчетном значении Q_i, которое примем равным Q_э в УРЧ, и при в два раза превышающим его, для оценки влияния добротности контура на быстроту установления колебаний в автогенераторе (рис.20).

 Гц   

   

 

 

 

 

   

рис.20

Из графика видно, что при  более высоком значении добротности  колебания в автогенераторе устанавливаются быстрее и с более высокой амплитудой.

 

5.12. Аппроксимация (с использованием  кусочно-линейной аппроксимации)  ВАХ транзистора оконечного каскада  УПЧ.

 

Для кусочно-линейной аппроксимации  возьмем переходную ВАХ транзистора  УПЧ – КТ315 и зададим следующие параметры:

  В – начальное смещение,

 В – начальное напряжение  наклонного участка аппроксимирующей  функции,