 |
Глава II. Обзор направлений и методов проектирования.
|
|
|
|
2.1 Состав и назначение схемы электрической функциональной.
Обобщенная функциональная схема представлена на рис. 2.1. Она состоит из следующих блоков:
1. Блок опорной частоты (БОЧ)
2. Кольцо фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)
3. Блок управления (БУ)
4. Преобразователь выходной (ПВ)
5. Аттенюатор
6. Усилитель мощности (УМЗЧ)
7. Блок индикации
8. Блок питания
Рис. 2.1
Рассмотрим назначение и функции каждого из перечисленных блоков.
Основным блоком, задающим режим работы всего генератора, является блок управления. Его задачей является преобразование напряжения, поступающего с органов управления в параллельный цифровой код, управляющий работой кольца ФАПЧ, с целью получения заданной выходной частоты. К этому же блоку подключен блок цифровой индикации, дающий визуальную информацию о частоте сигнала на выходе генератора.
Кольцо фазовой автоподстройки частоты осуществляет настройку генератора на частоту, заданную блоком управления. На ФАПЧ подается опорный сигнал с БОЧ, который определяет минимально возможный шаг подстройки кольца ФАПЧ. Частота выходного сигнала на выходе ФАПЧ соответствует значению, установленному на блоке индикации.
Блок опорных частот является блоком, определяющим стабильность работы генератора. Его функцией является создание стабильной опорной частоты, воздействующей на блок ФАПЧ для его дальнейшего функционирования.
С выхода блока ФАПЧ сигнал поступает на блок выходного преобразователя. Этот блок осуществляет синтез аналогового синусоидального сигнала из входного цифрового сигнала. Так же в блоке ПВ осуществляется фильтрация синусоидального сигнала для получения как можно более чистой синусоиды на выходе.
|
|
|
Далее находиться блок аттенюатора, который позволяет получить необходимую величину выходного сигнала, которое одновременно отображается на блоке индикации для визуального контроля.
На выходе генератора сигнал заданной частоты проходит через блок усилителя мощности звуковой частоты. Блок УМЗЧ обеспечивает заданную для проектирования величину нелинейных искажений выходного сигнала в размере 0.01% и выходное сопротивление меньше 0.1 Ома.
Кроме перечисленных блоков в состав устройства входит блок питания, обеспечивающий необходимые для работы прибора напряжения постоянного тока.
В целом предлагаемое устройство выполняется в виде лабораторного прибора автономной конструкции с питанием от сети 220В 50Гц. Повышенных требований к частоте сетевого питания не предъявляется. Требования к напряжению сетевого питания: UСЕТИ=180¸220В.
Рассмотрим развернутую функциональную схему, в которой подробно расписаны составляющие каждого из блоков. Она представлена на рис. 2.2. 
Рис. 2.2
В состав блока БОЧ входит опорный генератор и делитель.
В качестве опорного генератора используется типовая схема для такого устройства, частота стабилизирована кварцем на величину 1МГц, которая выбрана исходя из требуемого диапазона выходных частот и наличия серийно выпускаемого кварцевого резонатора на данную частоту.
В нашем генераторе выходной синусоидальный сигнал мы будем формировать в 100 временных квантах. А так как минимальный шаг изменения выходной частоты задан DF=1Гц, то шаг перестройки блока ФАПЧ должен быть равен: DFФАПЧ=DF´NКВ=100Гц. Следовательно, сигнал опорной частоты, поступающей с БОЧ на блок ФАПЧ должен быть: FОП=DFФАПЧ =100Гц.
Получение опорной частоты FОП достигается обработкой частоты кварцевого генератора в блоке делителя частоты, основным элементом которого является делитель на 10.
|
|
|
Сигнал опорной частоты поступает на блок ФАПЧ. В состав которого входит:
- перестраиваемый генератор;
- фазовый детектор;
- делитель переменным коэффициентом деления (ДПКД);
- коммутатор;
- делители на 10.
Основным звеном функциональной схемы, обеспечивающим получение выбранной частоты FХ является перестраиваемый генератор, включенный в кольцо ФАПЧ.
Управляющий сигнал, обеспечивающий перестройку генератора, вырабатывается схемой фазового детектора в процессе сравнения опорной частоты FОП с частотой, получаемой на выходе делителя с переменным коэффициентом деления. Процесс перестройки генератора заканчивается при равенстве фаз сигналов.
В свою очередь коэффициент деления делителя задается с органов управления генератором через формирователь кода. При этом частота сигнала на выходе ДПКД рассчитывается по формуле: FДПКД=FПГ/NДПКД,
где NДПКД- коэффициент деления ДПКД, FПГ- частота перестраиваемого генератора.
Формирование частот заданного диапазона осуществляется следующим образом.
Формируется четыре диапазона:
| № | Диапазон частот | Выход |
| 1МГц-2МГц 999.9кГц-100кГц 99.9кГц-10кГц 9999Гц-2000Гц | Выход ПГ Выход первого делителя Выход второго делителя Выход третьего делителя |
Принцип образования поддиапазонов обусловлен количеством декад в формируемом генераторе диапазоне частот, а так же необходимостью упрощения схемы.
Коммутатор выполняет роль связующего звена между задающей и исполняющей частями схемы. В его функции входит выработка управляющего сигнала, определяющего режим работы ДПКД. Кроме того, он производит подключение сигнала с заданным блоком управления поддиапазона частот на блок преобразователя выходного сигнала и управление блоком фильтров нижних частот.
Блоком, задающим режим работы коммутатора и ДПКД является блок управления, в состав которого входят: формирователь кода деления, органы управления.
Формирователь кода деления выполняет функцию преобразователя установочных сигналов, органов управления генератора в параллельный четырехразрядный код.
Управляющий код вырабатывается отдельно для каждого из поддиапазонов, и в конечном счете приводит к перестройке ДПКД, перестраиваемого генератора, и включению определенной ступени делителей с постоянным коэффициентом деления, что и формирует предварительный сигнал, соответствующий заданному органами управления.
|
|
|
Формирование выходного синусоидального сигнала осуществляется блоком формирования синусоиды, в состав которого входят: синтезатор синусоиды и блок фильтров нижних частот.
Синтезатор синусоиды осуществляет формирование ступенчатого сигнала, максимально приближенного к синусоидальному, но не отвечающего требованиям по искажениям. Формирование каждого периода сигнала происходит по 100 отсчетам входного сигнала. Таким образом с выхода синтезатора синусоиды снимается сигнал, с частотой, в 100 раз меньше частоты входного сигнала, FВЫХ=FВХ/100.
Далее сигнал с выхода синтезатора синусоиды поступает на блок фильтров нижних частот, в котором ступенчатый сигнал сглаживается, максимально приближаясь к виду идеального синусоидального сигнала.
В таком виде сигнал поступает на блок аттенюатора, состоящий из: аттенюатора и преобразователя напряжение-код.
Аттенюатор позволяет изменить амплитуду выходного сигнала в пределах от UMIN=0, до UMAX=1В. С выхода аттенюатора сигнал идет в двух направлениях. Первое: сигнал поступает на преобразователь напряжение-код, который формирует цифровой код, поступающий на блок индикации, позволяющий визуально контролировать величину выходного напряжения. Второе направление: выходной сигнал с аттенюатора поступает на заключающую ступень процесса формирования сигнала заданного диапазона напряжения и требуемого коэффициента нелинейных искажений. Такой ступенью является блок усиления мощности звуковой частоты, производящий усиление выходного сигнала по мощности, обеспечение коэффициента нелинейных искажений выходного сигнала в пределах до 0.01% и выходного сопротивления менее 0.1 Ома.
Одной из основных частей данного генератора является блок индикации. Он позволяет визуальный контроль параметров выходного сигнала (частота и напряжение).
Для обеспечения работы генератора в заданном режиме в состав устройства входит блок питания, обеспечивающий создание необходимых напряжений постоянного тока, защиту схем генератора от бросков сетевого напряжения и наводок паразитных сигналов в схемы генератора по цепям питания. Блок питания должен иметь защиту от короткого замыкания нагрузки.
|
|
|
2.2 Состав и назначение схемы электрической принципиальной.
Генератор СВЧ построен по однопетлевой схеме с кварцевой стабилизацией частоты задающего генератора на транзисторе VT2, вырабатывающего колебания с частотой 1,8 ГГц. Задающий генератор построен по схеме с общим коллектором и последовательным колебательным контуром в цепи базы генераторного транзистора. Резонансный контур состоит из двух СВЧ варикапов VD3,VD4 и полосковой линии W3, обладающей свойствами индуктивности.
Синусоидальные колебания, вырабатываемые задающим генератором и генератором перестраиваемой частоты (ГПЧ) на транзисторе VT1 (отличается от задающего генератора тем, что рассчитан на диапазон частот 1,8...3,5 ГГц), усиливаются трехкаскадными СВЧ усилителями на транзисторах VT3-VT8 до величины 3..5 мВт и поступают на входы двойного балансного смесителя (ДБС) на диодах VD6-VD9. В качестве согласующих цепей на гетеродинном входе ДБС используются коаксиальные линии W12, W14 и W16 с волновым сопротивлением 50 Ом. Согласование сигнального входа осуществляется симметричными линиями W13 и W15 с таким же волновым сопротивлением.
В результате преобразования на выходе двойного балансного смесителя появляется разностная частота fпч =fс-f гет =(1,8...3,5 ГГц)-1,8 ГГц=0..1,7 ГГц, однако реально используется диапазон промежуточных частот 10...1700 МГц. Промежуточная частота с выхода двойного балансного смесителя поступает на вход фильтра нижних частот (ФНЧ) на полосковых линиях W17,W18,W19,W20,W21, имеющего частоту среза 1,75 ГГц и предотвращающего поступление на выход генератора СВЧ частот от ГПЧ и задающего генератора. На транзисторе VT10 собран предварительный усилитель промежуточных частотах, обеспечивающий согласование выходного сопротивления ФНЧ с входным сопротивлением управляемого аттенюатора на диодах VD11,VD12,VD13, а также для компенсации потерь при преобразовании. Работой аттенюатора управляет дифференциальный усилитель выполненный на операционном усилителе DA3. Сигнал на него поступает с детектора на диодах VD14,VD15. В зависимости от уровня сигнала изменяется проводимость диодов аттенюатора. Подстроечным резистором R78 можно регулировать напряжение на выходе аттенюатора. Сигнал с выхода аттенюатора поступает на вход широкополосного усилителя на транзисторах VT12,VT13,VT14. В данном усилителе согласование в столь широкой полосе частот достигается применением во входных и выходных цепях усилителяпараллельной и последовательной обратной связей.
|
|
|
Для повышения стабильности частоты на выходе генератора СВЧ частота задающего генератора стабилизирована системой фазовой автоподстройки частоты. Частота задающего генератора с выхода связанной линии W1 поступает на вход счетчика DD1, обеспечивающего деление частоты на 4. Устранение самовозбуждения микросхемы DD1 обеспечивается наличием начального смещения, подаваемого на вход (вывод 6) через резистор R2. На счетчике DD2 выполнен делитель частоты с коэффициентом деления 20, который задается соответствующим включением входов V1 и V2. Счетчики DD3 и DD4 имеют коэффициенты деления 10. Таким образом, общий коэффициент деления частоты задающего генератора составляет:
Кдел=Кд1·Кд2·Кд3·Кд4=4·20·10·10=8000
Где Кд1–Кд4 – коэффициенты деления счетчиков DD1–DD4.
Импульсы поделенной на 8000 частоты задающего генератора поступают через преобразователь уровней на микросхеме DD5 и транзисторе VT9 на вход С2 микросхемы DD6, на которой выполнен частотно-фазовый детектор. На другой вход С1 поступают импульсы поделенной на 40 опорной частоты (9 МГц) от кварцевого генератора. Частотно- фазовый детектор осуществляет фазовое детектирование частоты, равной частоте задающего генератора деленной на 8000.
Рассмотрим работу системы ФАПЧ в случае, когда частота импульсов на входе С2 (DD6) ниже частоты импульсов на входе С1 (DD6), то на выводе 5 (DD6) появляется серия положительных импульсов, которая после интегрирования цепочкой R47R53C58 и инвертирования операционным усилителем DA1 приводит к появлению на его выходе отрицательного сигнала разбаланса. Сигнал разбаланса, усиленный инвертирующим усилителем DA2, поступает на варикапы VD3 и VD4, уменьшая их емкость и соответственно увеличивая частоту генерации. В том же случае, когда частота импульсов на входе С2 (DD6) выше частоты импульсов на входе С1 (DD6), то на выводе 9 (DD6) появляется серия положительных импульсов, которая после интегрирования цепочкой R46R52C57 приводит к появлению на выходе операционного усилителя DA1 положительного сигнала разбаланса. Сигнал разбаланса, усиленный инвертирующим усилителем DA2, поступает на варикапы VD3 и VD4, увеличивает их емкость и соответственно уменьшает частоту генерации. Таким образом замыкается петля фазовой автоподстройки частоты. Питание устройства осуществляется от стабилизированного источника.
2.3 Выбор и обоснование технических параметров элементной базы для поверхностного монтажа.
| Наименование и тип элемента | Количество, шт. | Диапазон температур, °С | Влажность, % |
| Резистор, микрочип 0805 | -55° +125°С | 95% | |
| Конденсатор, микрочип 0805 | -30…85 oC | 93% | |
| DD1, Микроконтро-лер AT90S1200 | -65…+150°С | 93% | |
| DA1, Стабилизатор КР1171СП2. | -20..+70oC | 93% | |
| Индуктивности ДМ-0,1-100 мкГн-10% L1…L4 | -60…100 oC | 85% | |
| Однослойная катушка L5,L6 | -60…100 oC | 85% | |
| ДМ-0,1-100 мкГн-10% L7…L16 | -60 до +100°С | 85% | |
| Транзисторы 2N6701 | -55 to +150 oC | 93% | |
| Диодs 1N4148 NXP Semiconductors | -65 до +200 oC | 93% | |
| Линия передачи выполненная печатным способом W1…W11;W17…W21 | -60…+155 oC | 98% | |
| РК 50-1-23 W12,W16- 10,5мм;W14-13мм | -60…+155 oC | 98% | |
| РД 50-1-21 W13-17,5мм; W16-10мм | -60…+200 oC | 98% | |
| Кварцевый резонатор ZQ1 РК-374 9МГц | -40...+70°С | 93% |
|
|
|
