ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский технический университет связи и информатики
____________________________________________________________________
_
Кафедра радиооборудования и схемотехники
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ №20
ИЗУЧЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ РАДИОСТАНЦИИ «ТАИС РМ-45»
Москва 2019
План УМД на 2019/20 уч.г.
Лабораторный практикум №20
ИЗУЧЕНИЕ И ИСПЫТАНИЯ РАДИОСТАНЦИИ «ТАИС РМ-45»
Составители:
Бузуева Н.М., ассистент, Комаров С.Н., старший преподаватель,
при участии заведующего лабораторией О.А. Разина.
Ил. 10, список лит. 3 назв.
Рецензент: Иванюшкин Р.Ю., к.т.н., доцент
Утверждено на заседании кафедры РОС 30 августа 2019 г.. Протокол № 1.
2
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.Ознакомиться с назначением радиосвязи в Си-Би диапазоне 27 МГц.
2.Изучить основы ЧМ модуляции.
3.Изучить схему, конструкцию и принцип работы радиостанции “ТАИС РМ-45”.
4.Приобрести навыки работы с радиостанцией.
5.Освоить методику проверки технического состояния и параметров передатчика радиостанции.
6.Освоить методику проведения основных измерений и снятия частотных и амплитудных характеристик.
ЗАДАНИЕ НА ПОДГОТОВКУ И ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
ПРИ ДОМАШНЕЙ ПОДГОТОВКЕ:
1.Изучить основные параметры, методы получения ЧМ колебаний и основы построения структурных схем передатчиков ЧМ.
2.Изучить основные параметры, схему и конструкцию радиостанции.
При изучении основных параметров схемы и конструкции радиостанции, следует обратить внимание на следующее:
-принцип разбиения структурной схемы на отдельные блоки;
-функциональное назначение каждого блока радиостанции;
-взаимосвязь между блоками;
-схемотехническое решение развязки приемника и передатчика, работающих на одну антенну;
-назначение и реализация автоматической регулировки мощности (АРМ).
-принцип компоновки, экранирования блоков и осуществления питания узлов радиостанции.
3. Нарисовать структурную схему передатчика, показав на принципиальной схеме каскады, входящие в те или иные функциональные узлы.
ПРИ РАБОТЕ В ЛАБОРАТОРИИ:
4. Определить основные параметры передатчика радиостанции:
3.1.Мощность, потребляемую радиостанцией от источника питания в режимах ПРИЕМ и ПЕРЕДАЧА, мощность РЧ колебаний на нагрузке, КПД радиостанции и усилителя мощности в режиме ПЕРЕДАЧА;
3.2.Определить чувствительность модуляционного входа передатчика;
3.3.Снять амплитудную динамическую модуляционную характеристику передатчика, частотную динамическую модуляционную характеристику, определить максимальную девиацию частоты.
4. Оформить отчет и защитить работу.
3
Описание структурной схемы передатчика радиостанции ТАИС РМ-45.
Технические характеристики радиостанции ТАИС РМ-45.
Мощность передатчика — до 10 Вт:
выходная мощность в режиме АМ — до 8 Вт, выходная мощность в режиме ЧМ — до 10 Вт
Рабочий диапазон — СВ 27 МГц (26,975 МГц - 27,855 МГц) Количество каналов — 450 Вид модуляции — АМ, ЧМ
Внеполосные излучения передатчика — минус 55 дБ Максимальный потребляемый ток — 3,5 А Питание — 12В (10,8 – 13,8 В)
Выходное сопротивление передатчика — 50 Ом Чувствительность приемника — 0,5 мкВ (АМ); 0,15 мкВ (ЧМ) Уровень фона приемника — < минус 40 дБ Избирательность приемника — > 70 дБ Выходная мощность приемника — 1,5 Вт
Промежуточная частота приемника — 10,695 МГц - ПЧ1, 455кГц - ПЧ2 Диапазон рабочих температур – от -20° С...+55° С
Структурная схема передатчика приведена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема передатчика
Обозначения блоков на структурной схеме:
ФВЧ — фильтр верхних частот с частотой среза 200 Гц, МУ — микрофонный усилитель, ГУН — генератор, управляемый напряжением, БУ1, БУ2 — буферный усилитель, ЦС — цепь согласования,
ФНЧ — фильтр нижних частот с частотой среза 4500 Гц, ДК — дифференциальный каскад.
4
Описание структурной схемы передающего тракта.
Высокочастотные колебания формируются в подстраиваемом ГУНе, затем поступают в буферные усилители 1 и 2. Буферный усилитель снижает влияние последующих каскадов на генератор (ГУН). Сигнал с буферного усилителя 1 поступает в интегральную микросхему (СМХ838Е1), которая в данном случае выполняет автоподстройку частоты (ФАПЧ) и подает управляющее напряжение на подстраивающий варикап; сигнал же со второго буферного усилителя после фильтрации в полосовом фильтре поступает в тракт усиления, состоящий из нескольких усилителей и цепей согласования.
Амплитудная модуляция (AM) в этой схеме выполняется в оконечном каскаде по стоку транзистора аналогично анодной (коллекторной) модуляции, а именно: низкочастотный сигнал (в данном случае голос) поступает через микрофон, фильтр верхних частот пропускает только сигнал свыше 200 Гц на микрофонный усилитель, затем ФНЧ пропускает сигнал с частотой, меньше 4500 Гц (сигнал ограничивают для уменьшения занимаемой полосы в эфире), после чего низкочастотный сигнал поступает на дифференциальный каскад усиления, который в купе с регулятором позволяет усилить этот сигнал с высокой степенью линейности и подать в качестве питающего напряжения на оконечный каскад для амплитудной модуляции. Таким образом, амплитудный модулятор передатчика представляет собой регулируемый компенсационный стабилизатор напряжения (аналогичный по схемотехнике ИС 142ЕН1), где в качестве опорного напряжения используется модулирующий сигнал.
При применении частотной (FM) модуляции она производится прямо в автогенераторе (ГУН): низкочастотный информационный сигнал поступает после ФВЧ и микрофонного усилителя в качестве управляющего напряжения на модулирующий варикап, что позволяет произвести частотную модуляцию прямо в ГУНе; далее усиливается в тракте усиления уже частотномодулированный сигнал, вплоть до оконечного каскада, в котором никакая модуляция в этом случае не производится.
После усиления мощности высокочастотный модулированный сигнал проходит фильтрацию в тройной П-контуре (П-контур и фильтр гармоник) для очистки его от высших гармоник и поступает на антенну.
5
Рис.2. Принципиальная схема передатчика
6
Описание принципиальной схемы передатчика радиостанции ТАИС РМ45.
Передатчик, принципиальная схема которого приведена на рис.2, позволяет работать в эфире как частотной, так и амплитудной модуляцией. Режим модуляции производится переключением органов управления радиостанцией.
Речевой сигнал с динамического микрофона (X2, контакт 2), через фильтр ВЧ наводок 2L15, 2C1 приходит на плату передатчика (контакт 24). Далее, через дополнительный ВЧ фильтр 2R1, 2C4 поступает на фильтр верхних частот 2C3, 2R3, определяющий нижнюю частоту модуляции 200 Гц. Конденсатор 2C11 дополнительно шунтирует ВЧ наводки на провод микрофона и совместно с конденсатором 1C1 образуют ФНЧ с частотой среза 430 кГц, что заведомо ниже, чем рабочая частота радиостанции. Резистор 2R3, 2R4 и 2R1 задают нужный коэффициент усиления предварительного микрофонного усилителя: k = 2R4 / (2R3 + 2R1) = 330 / (8,2 + 0,33) = 39.
Конденсатор 2C7, в обратной связи, не оказывает влияния на звуковой сигнал, его задача – обеспечение устойчивости микрофонного усилителя и дополнительная фильтрация ВЧ наводок.
Развязывающий усилитель. Низкочастотный звуковой сигнал с микрофонного усилителя (вывод 20 микросхемы 2DA1), с полосой 200 – 4500 Гц, для получения частотной модуляции (сигнал MFM) через ФНЧ: 2R13, 2С17, с частотой среза 8,8 кГц (выше верхней частоты модуляции), подается на базу эмиттерного повторителя на транзисторе 2VT5, нагрузкой которого является делитель напряжения на резисторах 2R17, 2R19 и потенциометра 2RV1, который устанавливает максимальный уровень девиации. Сложная схема нагрузки эмиттерного повторителя выбрана для компенсации нелинейности его выхода на разных полуволнах модулирующего напряжения и для снижения реакции на эмиттерный переход напряжения на разделительном конденсаторе 2C21.
Цепь модулирующего напряжения варикапа. Далее, через переходную цепочку 2С21 и 2R24 сигнал поступает на анод модулирующего варикапа 2VD4. Конденсатор 2C21 является разделительным по постоянной составляющей выхода эмиттерного повторителя и цепью смещения варикапа 2VD4. Резистор 2R24 обеспечивает нулевой потенциал по постоянному току на аноде варикапа, пропуская через себя обратный ток p-n перехода. Конденсатор 2C30 обеспечивает нулевой потенциал анода варикапа 2VD4 по ВЧ.
Цепь смещения модулирующего варикапа расположена в его катоде.
Резистор 2R26 является разделительным, он пропускает через себя обратный ток p-n перехода варикапа и вместе с блокировочным конденсатором 2C23 образует фильтр нижних частот с частотой среза 0,05 Гц, который блокирует прохождение в цепь смещения любых переменных составляющих, кроме постоянного тока. Источником напряжения смещения для варикапов модуляции 2VD4 и перестройки 2VD2, 2VD3 является аналоговый выход управляющей цепи синтезатора (провод 2 в линии групповой связи). Резистор
7
2R23 совместно с конденсатором 2C23 образуют фильтр нижних частот с частотой среза 11 Гц (ниже нижней частоты модуляции) для того, чтобы в сигнал модуляции не попадали бы колебания управляющего напряжения синтезатора при подстройке рабочей частоты передатчика.
Частотный модулятор. Катод модулирующего варикапа 2VD4 через конденсатор внешнеемкостной связи 2C29 соединен с горячей точкой колебательного контура автогенератора, благодаря чему и происходит узкополосная частотная модуляция.
Варикапы, перестраивающие ГУН 2VD2, 2VD3 для обеспечения широкого диапазона перестройки включены непосредственно в горячую точку контура задающего генератора, параллельно контурной катушке 2L9. По ВЧ они включены встречно-последовательно, для компенсации нелинейных эффектов на емкости p-n перехода при изменении на ней ВЧ напряжения. По постоянному току варикапы включены согласно-параллельно и на них подается напряжение управления от синтезатора через П-фильтр нижних частот 2C25, 2R22, 2C24 с частотой среза в обе стороны 3600 Гц и через разделительный резистор 2R21, который пропускает через себя к варикапам потенциал управления, но в обратную сторону, для ВЧ потенциала с конденсатором фильтра 2С24 образует ФНЧ с частотой среза 0,3 Гц.
Стоит обратить внимание, что управляющее напряжение одновременно подается на перестраивающие варикапы и на модулирующий. Таким образом, по мере перестройки по частоте смещается рабочая точка по вольт-фарадной характеристике модулирующего варикапа, чем достигается постоянство девиации в полосе рабочих частот.
Задающий генератор передатчика (ГУН) выполнен на транзисторе 2VT7 по схеме генератора Клаппа: емкостная трехточка с последовательной емкостью в индуктивной ветви. Параллельный колебательный контур автогенератора образован следующими последовательно соединенными элементами:
-контурная индуктивность – катушка 2L9 (для стабильности L помещена в экран);
-последовательная (клапповская) емкость – конденсатор 2C32;
-емкость обратной связи база-эмиттер – конденсатор 2C34;
-емкость нагрузки выходной цепи АГ, коллектор-эмиттер – конденсатор
2C33.
Схема автогенератора выполнена с заземленным по ВЧ коллектором через блокировочный конденсатор 2C38.
Элементы схемы стабилизации режима автогенератора. Питается автогенератор от напряжения + 5 вольт (провод +5V_TX в линии групповой связи) через П-фильтр питания 2C38, 2R41, 2С50, предотвращающий попадание ВЧ сигналов как от автогенератора в цепь питания, так и из цепи питания в автогенератор. Частота среза фильтра в обоих направлениях 660 кГц, что заведомо ниже (в 40 раз), чем любые высокие частоты, присутствующие в тракте формирования несущей передатчика. Цепь начального смещения рабочей точки транзистора дополнительно защищена фильтром нижних частот 2R32, 2C35 с частотой среза 19 Гц, заведомо ниже нижней частоты модуляции.
8
Это сделано для того, чтобы при работе в режиме АМ возможные колебания напряжения питания в такт с модуляцией, не вызвали бы паразитную частотную модуляцию за счет изменения режима транзистора автогенератора 2VT7. Стандартный базовый делитель напряжения, задающий рабочую точку транзистора в режиме самовозбуждения: 2R28, 2R31. Поскольку эти резисторы одинаковы, то напряжение на базе приблизительно равно половине напряжения на коллекторе, то есть, около 2,5 вольта. Соответственно, ток эмиттера транзистора при самовозбуждении составит (2,5 – 0,6) / 0,82 = 2,3 мА. Оптимальный режим автогенератора на маломощном транзисторе! Поскольку по постоянному току транзистор автогенератора включен по схеме с общим коллектором, то его нагрузка расположена в цепи эмиттера, это 2R33 – те самые 0,82 килоома, что в знаменателе формулы двумя строчками выше.
Буферный каскад. Для подачи ВЧ сигнала с ГУН на ДПКД синтезатора применен линейный резистивный усилитель на транзисторе 2VT8. Смещение на базу берется через разделительный, антипаразитный резистор 2R39. Этим обеспечивается синхронное изменение режима буферного каскада при переходе автогенератора из режима возбуждения в стационарный режим. То есть, по мере нарастания амплитуды колебаний, смещение на транзистор буферного каскада уменьшается и он автоматически переходит из режима класса А в режим С. Каскад выполнен по схеме с общим эмиттером с эмиттерной стабилизацией режима по постоянному току. Цепь эмиттера состоит из стабилизирующего резистора 2R40 и корректирующего конденсатора 2C42, обеспечивающего подъем АЧХ каскада в области верхних рабочих частот автогенератора. Коллекторной нагрузкой каскада является резистор 2R45. Блокировку холодного вывода нагрузки на землю обеспечивает конденсатор 2C48. Питание каскада осуществляется от источника +5 вольт через П-фильтр нижних частот 2C48, 2R46, 2C50, предотвращающий попадание ВЧ сигналов как из коллекторной цепи в цепь питания, так и из цепи питания в коллекторную цепь буферного каскада. Частота среза фильтра в любую сторону 169 кГц, что заведомо ниже (в 160 раз), чем рабочая частота тракта формирования несущей. Такое большое соотношение рабочей частоты и частоты среза фильтра питания буферного каскада необходимо для обеспечения стабильности фронтов импульсов при преобразовании синусоидального сигнала с выхода буферного каскада в прямоугольный сигнал для подачи его в ДПКД и далее в фазовый детектор синтезатора. Этим обеспечивается минимум фазовых шумов и, как следствие, чистота спектра ВЧ сигнала передатчика.
Домашнее задание: выведите соотношения и рассчитайте ток покоя транзистора 2VT8 и напряжения на его коллекторе и эмиттере с инженерной точностью (до ± 10%).
Второй буферный каскад на транзисторе 2VT9 служит для усиления и подачи сигнала задающего генератора в тракт формирования несущей передатчика. В нем, как и в первом, применена автоматическая регулировка режима транзистора в зависимости от амплитуды колебаний автогенератора. Резистор смещения 2R38 отводит через себя и через резистор нагрузки автогенератора 2R33 обратный ток коллектора транзистора и одновременно
9
задает потенциал +1,9 вольта за вычетом падения напряжения на резисторе 2R38 от тока базы 2VT9. Ток эмиттера 2VT9 можно определить через ток базы и β из уравнения (по справочнику для КТ660 βmin = 110):
UR33 – Iб R38 = Uбэ + R44 Iб (β + 1) или в числах: 1,9 - Iб 27 = 0,7 + 0,027 Iб (110 + 1)
Отсюда: Iб = 1,2 / (27 + 0,027 * 111) = 0,04 мА, и соответственно, Iэ = 0,04 * 111 = 4,4 мА.
Таким образом, по готовой схеме и второму закону Кирхгофа легко рассчитать режимы всех элементов.
Полосовой фильтр. Нагрузкой второго буферного каскада является полосовой фильтр 2C47, 2L10, 2L11, 2C51, 2L12, 2C56, 2C57. Связь транзистора 2VT9 с первым параллельным контуром (2C47, левая катушка 2L10) фильтра – кондуктивная. Связь первого контура со вторым индуктивная через катушку связи (правая катушка 2L10). Второй контур последовательный 2C51, 2L11, плюс индуктивность двух катушек связи. Катушки связи параллельных контуров имеют малую индуктивность и их можно не учитывать при расчете последовательного контура. Второй последовательный контур имеет внутриемкостную связь, через емкостной делитель 2C56, 2C57, со следующим каскадом усиления на транзисторе 2VT10. Частичное включение транзисторов 2VT9 и 2VT10 в параллельные контура полосового фильтра обеспечивает высокую нагруженную добротность контуров и высокую крутизну скатов за пределами полосы пропускания. Однако, фильтры с высокой нагруженной добротностью контуров имеют значительное затухание в полосе пропускания и требуют после себя дополнительного каскада усиления сигнала. Поэтому их ставят на малом уровне сигнала. В нашем случае сразу после буферного каскада.
Домашнее задание для самоподготовки: Нарисуйте и обоснуйте форму АЧХ фильтра 2C47, 2L10, 2L11, 2C51, 2L12, 2C56, 2C57.
После полосового фильтра потерю уровня сигнала восполняет резистивный каскад на транзисторе 2VT10. Он собран по схеме с общим эмиттером и с коллекторной стабилизацией начального тока. Нагрузкой каскада является резистор 2R53, а блокировочным конденсатором для холодного конца нагрузки 2C63. Коллекторная схема стабилизации включает в себя резистор обратной связи 2R50 и резистор фильтра питания 2R54, выполняющий двойную функцию. Резистор 2R48 является резистором утечки для обратного тока коллекторного перехода транзистора 2VT10. Обращаю внимание, что резисторы 2R48 и 2R50 не являются делителем напряжения в цепи базы, и при похожести схемы, выполняют, тем не менее, другие функции. Соответственно функциям и выбраны их номиналы. Делитель в цепи базы в данной схеме образуется резистором обратной связи 2R50 и переходом базаэмиттер транзистора, который зашунтирован резистором утечки обратного тока коллектора большого сопротивления (12 килоом). Резистор 2R50, имеющий еще большее сопротивление (47 килоом), при любых изменениях эквивалентного сопротивления перехода база-эмиттер, обеспечивает относительно постоянный ток базы транзистора, то есть, схема стабилизации в
10