Устройства генерирования и формирования сигналов (радиопередающие устройства)

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




П.С. ВОВЧЕНКО, Г.А. ДЕГТЯРЬ



УСТРОЙСТВА ГЕНЕРИРОВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ (радиопередающие устройства) ПРАКТИКУМ ДЛЯ СТУДЕНТОВ


Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия







2-е издание, переработанное и дополненное







НОВОСИБИРСК

2013

УДК 621.373.14(075.8)
     В 613




Рецензент канд. техн. наук, доц. В.В. Дуркин


Работа подготовлена на кафедре радиоприемных и радиопередающих устройств для студентов III—V курсов факультета радиотехники и электроники


        Вовченко П.С.

В 613 Устройства генерирования и формирования сигналов (радиопередающие устройства). Практикум для студентов : учеб. пособие / П.С. Вовченко, Г.А. Дегтярь. — 2-е изд-е, перераб. и доп. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2013. — 108 с.
          ISBN 978-5-7782-2229-8
          В пособии представлены указания к выполнению практических занятий, варианты упражнений и заданий, охватывающие различные типы устройств формирования сигналов и функциональных узлов радиопередатчиков, приведены исходные данные для выполнения контрольной работы, перечень рекомендуемой литературы и другие справочные материалы.
          В настоящем практикуме авторы обобщили свой опыт, накопленный за многие годы проведения практических занятий со студентами.
          Пособие будет полезно при выполнении соответствующих выпускных квалификационных работ бакалавров и дипломных проектов.






УДК 621.373.14(075.8)



ISBN 978-5-7782-2229-8

© Вовченко П.С., Дегтярь Г.А., 2009, 2013
               © Новосибирский государственный технический университет, 2009, 2013

        ВВЕДЕНИЕ

   Цель настоящего практикума - помочь студентам в приобретении навыков решения практических задач в области теории и техники устройств генерирования и формирования радиосигналов, обучающимся по образовательным программам, согласно ФГОС-3, подготовки бакалавров по направлению 210400 - Радиотехника и подготовки бакалавров и магистров по направлению 210700 - Инфоком-муникационные технологии и системы связи. Пособие предназначено для более глубокого изучения материала по дисциплинам «Устройства генерирования и формирования сигналов», «Радиопередающие устройства для телерадиовещания» и «Радиопередающие устройства систем мобильной связи», в соответствии с учебными планами образовательной программы.
   Темы занятий, упражнения и задачи, рассматриваемые в данном практикуме, подобраны таким образом, чтобы затронуть основные вопросы расчета различных схем ламповых и транзисторных генераторов с внешним возбуждением (усилители мощности, умножители частоты), автогенераторов и их элементов. Чтобы студенты смогли практически почувствовать точность инженерных методов расчета генераторов, основанных на кусочно-линейной аппроксимации, статических вольт-амперных характеристик электронных ламп и транзисторов, на первом занятии изучается графический метод расчета генератора с внешним возбуждением, признаваемый одним из точных, а на втором и третьем занятиях - инженерный метод расчета. Последующие темы занятий касаются построения принципиальных схем различных генераторов и автогенераторов, расчета схем одноконтурных автогенераторов, генераторов с амплитудной, частотной модуляцией, колебательных систем и автогенераторов СВЧ.

ЗАНЯТИЕ 1


ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА РЕЖИМА ЛАМПОВОГО И ТРАНЗИСТОРНОГО ГЕНЕРАТОРОВ.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВХОДНОГО И ВЫХОДНОГО ТОКОВ ГЕНЕРАТОРНЫХ ЛАМП И ТРАНЗИСТОРОВ
   Цель занятия - ознакомление с графоаналитическим методом расчета режима генератора с внешним возбуждением в режиме усиления мощности. Предполагается, что студенты знают схемы лампового генератора на триоде с общим катодом (на биполярном транзисторе с общим эмиттером), а также амплитудные, фазовые и энергетические соотношения во входной и выходной цепях генератора.
   Следует обратить внимание, что графоаналитический метод расчета режима генератора является одним из точных и применяется при детальном обследовании генератора в самых ответственных случаях. Основывается он на использовании реальных форм импульсов выходного (анодного, коллекторного) и входного (сеточного, базового) токов активного элемента генератора (электронной лампы, транзистора).
   Величина и форма анодного iа (коллекторного iK) и сеточного iс (базового i₆) токов генераторной лампы (транзистора) определяются величиной и фазовыми соотношениями напряжений, действующих на электродах лампы (транзистора):
   для триода iₐ, iс = f (еа, ес);
   для тетрода 4 ,ⁱc = f ⁽еес, ес₂);
   для пентода iₐ, iс = f (еа, ес, ес₂, ес₃);
   для биполярного транзистора: iK, i₆ = f (ек, еб), где еа, ес, ес₂, ес₃, ек, еб - значения мгновенных напряжений на аноде, сетке первой (управляющей), второй (экранирующей), третьей (защит

4

ной) пентодной, коллекторе и базе соответственно; f означает общую функцию указанных напряжений. В случае тетродов, пентодов справедливо для тока второй сетки:
г'с2 — f (еа , ес, ес2, есЗ ⁾ .

   Зависимости (*) обычно представляют семейством статических вольт-амперных характеристик токов лампы, транзистора.
   В генераторе изменение токов электродов лампы, транзистора происходит по закону динамических характеристик, под которыми понимают геометрическое место точек на семействе статических вольт-амперных характеристик, соответствующих мгновенным значениям тока электрода в зависимости от значений мгновенных напряжений на электродах лампы, транзистора.
   В большинстве схем генераторов ес₂ = Ес₂ = const; есЗ = ЕсЗ = const, а нагрузка в выходной цепи лампы, транзистора является чисто активной. В этом случае динамические характеристики строятся с использованием выражений:

    а⁾ еа = Еа - Umа соф t⁾; е = Ек - (:.„,. cos⁽rot⁾;
    б⁾ е = Uₘccos⁽® t⁾+Е; е = Um₆ cos⁽ro t⁾+Е,

(i.i)

определяющих мгновенное напряжение на аноде еа (коллекторе ек), сетке первой ес (базе еб), и статических вольт-амперных характеристик анодного (коллекторного) и сеточного (базового) токов лампы (транзистора).
    В выражениях (1.1) Еа, Ек - соответственно напряжение источника анодного, коллекторного питания; Uₘₐ, UₘK - соответственно амплитуда переменного напряжения на нагрузке между анодом и катодом лампы, коллектором и эмиттером транзистора; Uₘс, Uₘ₆ - амплитуда напряжения возбуждения, действующая между сеткой-катодом, базой-эмиттером соответственно; Ес, Е₆ - напряжение смещения лампы, транзистора (его величина со знаком). Если на сетке (базе) потенциал относительно катода (эмиттера) выше (положительное смещение), то в (1.1, б) Ес, Е₆ должен быть со знаком «+», а не «-»; со - круговая частота электрических колебаний, вырабатываемых генератором.
    Выражения (1.1) справедливы для генератора - усилителя мощности (напряжения). Подобные выражения справедливы и для умножителя частоты (этот вопрос рассматривается в учебном курсе).

5

    На рис. 1.1 показаны возможные схемы лампового (на триоде) и транзисторного (на биполярном транзисторе) генераторов с внешним возбуждением, усилителей по схеме с общим катодом и общим эмиттером соответственно.


Рис. 1.1

   При известных напряжениях Еа, Рк, Ес, Еб, Uₘ, Uₘ, Uₘₑ, Uₘ₆, задавшись значениями текущей фазы a>t от 0 до 2л через определенный интервал A cot, на основании (1.1) определяют значения мгновен

6

ных напряжений на электродах лампы, транзистора. Каждой паре значений напряжений еа, ес и ек, е. соответствуют величины мгновенных токов iа, iс и iK, i₆, определяемые статическими вольт-амперными характеристиками тока электрода.
   Результаты расчетов сводятся в табл. 1.1. Обозначения в табл. 1.1 приведены для случая лампы; для транзистора все будет аналогично применительно к соответствующему электроду: анод-коллектор, сетка-база. Поэтому в дальнейшем все обозначения даются применительно к лампе.

Таблица 1.1

<ot, рад.      е.,В            ес,В      iа,А iс,А
или град.                                         
    0     еamin = Е. - '' Стах =    + Е. /та  /ть 
                                                  
                                                  
   2л                                             

   Отмечая значения мгновенных токов на статических вольт-амперных характеристиках соответствующего электрода и соединяя найденные точки плавной линией, получаем динамические характеристики.
   Используя данные табл. 1.1, можно построить импульсы анодного (коллекторного), сеточного (базового) токов от ы t .По импульсам посредством графического интегрирования определяют постоянные и нужные гармонические составляющие токов соответственно: ./.,₀,/с₀ и /а.1, /а2, ..., /on ; /с1’ /с2, ..., /с п •
   При графоаналитическом расчете весь период 2л разбивают на т 2 . „                2л:
интервалов шириной ДО = —. т
   Обычно принимают т = 18; 36; 72, т. е. разбивают на интервалы ДО = 20°; 10°; 5° . Чем больше т, тем выше точность.
   Составляющие токов определяются по формулам:

1 т
J* =-У и;
т к₌1 ‘

                                                                                     1 т
Jс0 =-У iе.СР₁.; т к₌1                   ‘

7

^ т                       т
Ja1 =— Е Za.0Pᵢ. COS⁽® Д Jd ⁼— E Zc.cPᵢCOS(® ₜ); C¹-²)
             m"                      m%

Ja n = — jE zWₜ cos⁽ n ю t ⁾; Jа ₙ = — £zcos⁽ not ), m ₖ=1      "       "        m ₖ₌i "        "
где i ,,„ , i - среднее значение соответственно анодного и сеточного •       с.
тока в к-м интервале (рис. 1.2); сЩ.р - среднее значение фазы cot тока в к-м интервале:

   Для удобства вычислений по формулам (1.2) следует составить табл. 1.2*.
   Определив составляющие токов, при известных значениях напряжений можно найти все основные энергетические характеристики режима генератора: потребляемую мощность от источника анодного (коллекторного) питания Р₀ = Еₐ Jₐ₀; полезную (колебательную мощ




ность) Р~ = 2- Uₘₐ Jₐ₁ (если генератор работает в режиме умножителя




     Таблица составлена в предположении, что определяются постоянные и первые гармонические составляющие токов. Если определяются составляющие более высоких порядков, то таблицу следует дополнить данными: cos(no>tcₚₛ), zₐcₚₛ cos(nrotcₚₛ) ИТ.Д.

8

Таблица 1.2

к  C0S(®V) w 4.cpt C0S(®V ) w io.cpk C0S(®V)
1                                           
2                                           
                                            
п                                           
                                            
т                                           

частоты, то Р~ = 2- Uₘа Jап); мощность, рассеиваемую на аноде лампы (коллекторе транзистора), Ра = Ро - Р_; коэффициент полезного дейст

вия по анодной (коллекторной) цепи ца = Р_ / Ро; мощность возбужде

ния Рв₀₃б = -Uₘ!:Jс₁; мощность, затрачиваемую в цепи источника смещения, Рс₀ = |£J Jс₀; мощность, рассеиваемую на сетке (базе). Рс = Ртз- - Рс₀; необходимое сопротивление нагрузки R = Uₘ IJа₁ (в случае умножителя частоты R = Uₘₐ / .R), коэффициент усиления Р
генератора по мощности КР = ——, и т. д.
Р
    При работе лампы (транзистора) на чисто активную нагрузку импульсы токов оказываются симметричными относительно о? = 0 (рис. 1.3). В этом случае составляющие тока определяются по формулам:

                     2 m/2           /| m/2
Jао = -Е?a.cPᵢ. ; Jа1 = -Еia.cPᵢ. <М-фр, );
                     m k=1           m k=1

/] m/2
Jаn = —Е Za.oPᵢ. COS⁽п&^>, m k=1

и т. д. аналогично для любого электрода.

9

Рис. 1.3

   Чтобы завершить теоретическое рассмотрение графоаналитического метода расчета режима генератора, отметим, что на практике с целью повышения точности расчетов при построении реальных импульсов токов следует задаваться не значениями текущей фазы a>t, а дискретными значениями напряжения еc на первой сетке (на базе еб), для которых имеются статические вольт-амперные характеристики в системе координат iа, еа (iK, ек в случае транзистора). При этом, задавшись значением еc из соотношения (1.1,6), определяют

е - Е c c

cos( cot) =

U . ’
  тс

а затем из (1.1, а) определяют еа и по характеристикам находят значение токов. При этом табл. 1.1 удобно представить в виде табл. 1.3.
Таблица 1.3

ес,В cos( (0/ ) со/, рад. еа,В К, А 4, А
                или град.               
                                        
                                        
                                        
                                        

10