Радиопередатчик ISM диапазона

 

Содержание

Введение 3

Задание к курсовому проекту 6

1 Описание блок-схемы передатчика 7

2 Расчет кварцевого автогенератора 9

3 Расчет коэффициентов ДФКД и ДПКД 16

4 Расчет параметров фазового детектора 18

5 Расчет параметров фильтра низких частот 20

6  Расчёт параметров генератора управляемого напряжением 22

7  Расчёт схемы амплитудного модулятора 27

7.1 Расчет амплитудного модулятора 28

7.2 Расчёт цепи питания. 31

7.3 Расчёт согласующей цепи 33

7.4 Расчёт входной согласующей цепи 33

7.5 Расчёт выходной цепи согласования 34

8  Усилитель мощности 35

8.1 Расчет усилителя мощности на биполярном транзисторе 36

8.2 Расчёт цепей питания. 39

8.3 Расчёт согласующих цепей 41

8.4 Расчёт входной согласующей цепи 41

8.5 Расчёт выходной цепи согласования 42

8  Расчет полосового фильтра 44

Заключение. 46

Список использованной литературы: 47

Приложение А 48

Приложение Б 49

 

 

Введение

Радиопередающим называется устройство, предназначенное для  выполнения двух основных функций - генерации  электромагнитных колебаний и их модуляции в соответствии с передаваемым сообщением.[1]

Радиопередающие устройства находят широкое применение в  различных областях, телевидение, все  виды радиосвязи, радиовещание, телеметрии.[2]

В последние несколько лет технологии высокочастотных схем развиваются стремительными темпами, что привело к появлению большого числа новых беспроводных систем. Большинство из них (например, системы беспроводной телефонии, Bluetooth и WLAN 802.11b) функционируют, как и микроволновые печи, в нелицензируемом диапазоне УВЧ 2,4 ГГц. Из-за насыщенного трафика в этом диапазоне и связанных с этим вопросов совместимости возрос интерес к диапазонам ISM (industrial, scientific, medical), расположенным на более низких частотах — 433 и 868 МГц в Европе, а так же от 902 до 928 МГц в США.[3]

Интегральная схема ADF7020 — это полнофункциональный полупроводниковый  радиотрансивер, изготавливаемый по технологии КМОП 0,25 мкм. Он способен работать в европейских ISM-диапазонах 433 и 868 МГц (регламентируются стандартом ETSI EN300 220-1) и североамериканском диапазоне 902–928 МГц (регламентируется нормами FCC Part 15). Для функционирования ADF7020 достаточно небольшого количества внешних компонентов. Микросхема обладает большой степенью гибкости, что позволяет пользователю конфигурировать ее с учетом требований конкретного приложения. Например, имеется возможность выбора из нескольких форматов модуляции — частотной манипуляции (FSK), гауссовой частотной манипуляции (GFSK), амплитудной манипуляции (ASK и OOK). Пользователь также может варьировать соотношение между чувствительностью и избирательностью, что весьма полезно для систем, в которых предъявляются жесткие требования к линейности. Максимальная скорость передачи данных ADF7020 составляет 200 кбит/с; родственная микросхема ADF7025 имеет еще большую скорость передачи — 384 кбит/с.[4]

Уникальная комбинация трансивера диапазона ISM ADF7020 и процессора Blackfin ADSPBF531 дает превосходные показатели качества радиоканала при очень  привлекательной цене. Подобная схема  обладает очевидной гибкостью и  может применяться в самых  разнообразных цифровых системах беспроводной передачи данных в диапазоне ISM. Дальнейшего  усовершенствования показанной схемы  можно будет достичь с микросхемами ВЧ-трансиверов ADF702x следующего поколения  и при использовании дополнительных программных модулей кодирования  канала и источника.[5]

Задание к курсовому проекту

Рассчитаем  передатчик со следующими исходными  данными:

1. Выходная мощность P_вых = 15Вт;
2. Основная гармоника = 916МГц;
3. Диапазон перестройки от до ;
4. Диапазон частот модулирующего сигнала от до ;
5. Входное напряжение U_вх = 0.1В.

 

 

 

 

 

          1 Описание блок-схемы передатчика

Условно передатчик можно представить  в виде блок-схемы на (рис.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 –  блок-схема передатчика.

Обозначения блоков:

              КА – кварцевый автогенератор.

              ДФКД – делитель с фиксированным  коэффициентом деления.

              ФД – фазовый дискриминатор.

              ФНЧ – фильтр нижних частот.

              ДПКД – делитель с постоянным  коэффициентом деления.

              ГУН – генератор, управляемый  напряжением.

              АМ – амплитудный модулятор.

              УМ – усилитель мощности.

              ПФ – полосовой фильтр.

 

 

2 Расчет кварцевого автогенератора

Стабилизация частоты обеспечивается применением в схеме кварцевого резонатора – пластины кварца с  двумя металлическими контактами. Пьезоэлектрические пластины, используемые в качестве электромеханических колебательных систем, изготовлены из кристаллического кварца. Следует знать, что пьезоэлектрическим эффектом обладает только низкотемпературный кварц. Такой кварц химически устойчив, не растворяется в кислотах (за исключением плавиковой) и отличается высокой твердостью 7 единиц при 10-балльной шкале. Если кварцевую пластину поместить между двумя металлическими пластинами-электродами, закрепить держателем и подключить к электродам переменную разность потенциалов, то посредством пьезоэлектрического эффекта в кристалле возникнут колебания.

Кварцевый резонатор  можно представить в виде эквивалентной  схемы (рис.2).

Цепочка L_кв, C_кв, R_кв характеризует пьезоэлектрические свойства пластины. С₀ – паразитная емкость, обусловлена протеканием через пластину тока смещения.

Рисунок 2 – эквивалентная схема кварцевого резонатора.

Параметры эквивалентной  схемы кварцевого резонатора: L_кв=0,01…10 Гн, C_кв=0,001…0,1 пФ, R_кв=1…100 Ом, C₀=5…50 пФ.

Рассчитаем принципиальную электрическую  схему кварцевого автогенератора на биполярном транзисторе, представленную на (рис.3).

Рисунок 3 – принципиальная электрическая схема кварцевого автогенератора.

Колебательная система здесь образована кварцевой  пластиной ZQ1, играющей роль индуктивности, и конденсаторами С1, С2. Резисторы R1, R2 образуют делитель напряжения для подачи постоянного смещения на базу, Rсм – резистор автосмещения. Резисторы R1, R2 и Rсм наряду с высокой стабильностью сопротивления должны обладать и небольшим температурным коэффициентом. Конденсаторы Сбл1 и Cбл2 – блокировочные. Источник питания Еп блокируется от токов высокой частоты емкостью Сбл1 и Rбл. Биполярный транзистор VT1 используется в качестве активного элемента, позволяет обеспечить высокую стабильность частоты. Конденсатор Ссв обеспечивает оптимальное сопротивление нагрузки на выходных электродах транзистора и препятствует прохождению в нагрузку постоянного тока источника питания.

 

 

 

 

 

 

Расчет кварцевого резонатора

Зададимся значениями эквивалентной схемы  кварцевого резонатора:

Lкв=0,04 Гн, Cкв=0,022 пФ, Rкв=60 Ом, Co=10 пФ.

Исходя из заданных значений рассчитаем основные параметры кварца.

Добротность:

 

 

Частота последовательного резонанса:

 

 

Частота параллельного резонанса:

 

 

Частотный интервал:

 

 

Выбираем транзистор КТ315А1 с параметрами:

Iкдоп=100мА, Uкдоп=40В, Uбдоп=6В, Pдоп=150мВт, В=20, Ск=7пФ, Сэ=2,5пФ, f_г=250МГц, t_ос=500пс, Sгр=0,015А/В, Uотс=0,6В.

 

Для кварцевого генератора имеем:

 

 

 

 

Выбираем угол отсечки Q = 60^о:

 

 

 

 

 

 

 

 

Частота генерации: f_г=10 МГц

Обобщённая  расстройка находится по формуле:

 

На практике

Выбираем , в результате получим:

 

 

Определяем ёмкость колебательной  системы:

 

 

 

 

 

 

 

So – крутизна транзистора на низкой частоте:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для дальнейшего расчёта воспользуемся уравнением баланса амплитуд:

 

 

 

Крутизна  транзистора по 1-ой гармонике:

 

 

 

 

 

 

 

 

Т.к. М >1, следовательно, баланс амплитуд выполняется.

 

 

 

 

Если , тогда:

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт электрического режима работы транзистора

 

1. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока:

 

 

 

2. Постоянная составляющая Iко:

 

 

 

3. Амплитуда первой гармоники напряжения на базе:

 

 

 

4. Амплитуда первой гармоники напряжения на коллекторе:

 

 

 

5. Сопротивление нагрузки транзистора:

 

 

 

6. Колебательная мощность:

 

 

 

7. Потребляемая мощность:

 

 

 

 

8. Рассеиваемая в транзисторе мощность:

 

 

 

 

 

9. Электронный КПД:

 

 

10.  Напряжение смещения:

 

 

 

 

 

11.  Напряжённость режима:

 

 

 

12.  Напряжённость граничного режима:

 

 

 

 

Расчёт ёмкости связи с нагрузкой  Ссв

 

Нагрузкой является входное сопротивление  следующего каскада. Т.к. следующим  каскадом является каскад с ОК, то Rн=10 кОм, тогда Xсл=Rн/10=1 кОм.

 

 

 

 

 

 

Расчёт цепи смещения

 

 

 

 

 

 

 

 

            

 

 

 

 

 

 

Расчёт цепи питания

 

Выбираем 1/w_р×С_бл1=0,1 Ом, тогда:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Расчет коэффициентов ДФКД и ДПКД

 

Для получения сетки частот используют различные системы синтеза частоты (ССЧ), в том числе и на основе колец импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАП). Полезным продуктом ССЧ является выходное колебание. Поэтому к основным техническим характеристикам ССЧ относят уровень дискретных побочных спектральных составляющих (ДПСС) и значение фазового шума в выходном колебании при различных отстройках от несущего (выходного) колебания.

 

  

                  F_xtal                            F_ref

 

 

 

 

F_out

Рисунок 4 –  блок-схема синтезатора частоты.

Если  частоты, а соответственно и фазы ГУН и КА отличаются, то на выходе ФД формируется сигнал ошибки, низкочастотная составляющая которого выделяется в ФНЧ и подстраивает ГУН, т.о., чтобы устранить образовавшуюся ошибку, т.е. в нормальном режиме работы частоты КА и ГУН совпадают.

ФАПЧ работает в следующих режимах:

1. – режим захвата (синхронизма);
2. – равны в среднем за некоторый промежуток времени – режим квазиудержания. Тогда, когда в схеме не выполнено требование по устойчивости и она самовозбуждается. При этом сигнал на выходе ФНЧ носит периодический характер.
3. – режим биений – возникает, когда ГУН не может перестроиться на .

С режимами работы ФАПЧ связаны понятия полосы захвата и  полосы удержания. Полоса захвата – диапазон расстроек, в котором режим синхронизма возникает всегда. Полоса удержания – диапазон расстроек КА и ГУН, в котором возможен режим синхронизма. В общем случае ПЗ<ПУ.

Если система  находится в режиме синхронизма, то частоты на входах импульсно-фазового детектора ИФД равны и равны  частоте сравнения . При этом, т.к. перед поступлением на ИФД делится на некоторое число N в делителе с переменным коэффициентом деления ДПКД, то:

.

Т.к. предварительно разделена в делителе с фиксированным коэффициентом деления ДФКД с R, то:

 

Изменяя коэффициент  деления N через единицу, мы получим изменение :

 

 

Т.е. минимальный шаг в СЧ равен . Выбираем шаг перестройки, равный 200 кГц, тогда N=4500 и, следовательно, R=50.

В случае если частоты на входах ФД отличаются, то мы находимся в зоне полосы захвата, на выходе ФД – сигнал ошибки, постоянная составляющая которого выделяется в ФНЧ, подстраивая ГУН таким образом, чтобы частоты сравнялись, и возник синхронизм.

Т.е., используя  данную схему, мы получаем эквивалент некоторого перестраиваемого генератора с шагом перестройки , который имеет долговременную нестабильность, равную нестабильности КА, в качестве которого либо кварцевый генератор, либо атомный стандарт частоты.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет параметров фазового детектора

Для выделения сигнала ошибки из фазового детектора (ФД), необходимо сравнить фазы опорного и входного (с выхода ГУН) сигналов. Сигнал ошибки проходит далее через фильтр низких частот и используется в качестве привода для генератора, управляемого напряжением (ГУН), обеспечивающего отрицательную обратную связь. Если выходная частота отклоняется от опорной, то сигнал ошибки увеличивается, воздействуя на ГУН в сторону уменьшения ошибки. В состоянии равновесия выходной сигнал фиксируется на частоте опорного.