Проектирование автогенератора с кварцевым резонатором в контуре

Министерство общего и профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

Кафедра ИИСТ

Пояснительная записка по курсовой работе:

“Разработка и расчет экранированного

автогенератора”

Студент гр.6561:                                                                              Виноградов К.Ю.

Преподаватель:                                                                               Пыко С.М.

             Санкт-Петербург

 TIME @ "д/ММ/гг" д/ММ/гг

Содержание:

 TOC o "1-3"                                                                                                                             GOTOBUTTON _Toc470011825    Расчет схемы автогенератора.                                                                       GOTOBUTTON _Toc470011826    Расчет аппроксимированных параметров транзистора.                                                                                    GOTOBUTTON _Toc470011827    4

2.2.  Расчет параметров колебательной системы                                                                                                        GOTOBUTTON _Toc470011828    4

2.3.  Расчет режима работы транзистора.                                                                                                                       GOTOBUTTON _Toc470011829    5

2.4.  Расчет элементов цепей питания.                                                                                                                           GOTOBUTTON _Toc470011830    6

3.Настройка колебательного контура автогенератора. Выбор катушки индуктивности.                                                                                                               GOTOBUTTON _Toc470011832    Выбор элементов.                                                                                                      GOTOBUTTON _Toc470011834    Размещение элементов на печатной плате.                                          GOTOBUTTON _Toc470011835    Расчет экрана.                                                                                                              GOTOBUTTON _Toc470011836    толщины экрана t.                                                                                                                                           GOTOBUTTON _Toc470011837    9

6.2.  Расчет эффективности реальной составляющей экрана.                                                                              GOTOBUTTON _Toc470011838    10

6.3.  Расчет эффективности идеальной составляющей экрана.                                                                            GOTOBUTTON _Toc470011839    10

6.4. Расчет конечного значения эффективности экранирования.                                                                        GOTOBUTTON _Toc470011840    10

6.5. Дополнительные меры для получения требуемой эффективности экранирования.                               GOTOBUTTON _Toc470011841    11

7. Вывод по проделанной работе.                                                                     GOTOBUTTON _Toc470011842    GOTOBUTTON _Toc470011843    align="left">1. Задание.

Проектирование автогенератора с кварцевым резонатором в контуре.

CН, пкФ

RН, Ом

KЭ, дБ

fкв, МГц

Rкв,Ом

Qкв,тыс

C0, пкФ

4

600

75

4,99992

27,5

91

5,7

Рассчитать электрическую схему транзисторного автогенератора и разработать его конструкцию.

Предложить методику настройки автогенератора.

Конструкция автогенератора должна учитывать наличие электромагнитного экрана, расчитанного на частоты близкие к частоте автогенератора и обеспечивать заданную эффективность подавления помех.

2. Расчет схемы автогенератора.

Рассчитаем колебательную систему автогенератора, работающего на частоте 4,99992 МГц и выполненного на транзисторе ГТ313.

Òàáëèöà 1.1

ГТ313

NPN-переход

Ge

Основные параметры

Fг, МГц

Sгр, А/В

b0

Å, Â

Ñê, ïÔ

Ñêà, ïÔ

rб, Ом

450-1000

0.05

50

-0,25

2,5

1,25

60

Ïðåäåëüíûå ýêñïëóàòàöèîííûå ïàðàìåòðû

÷åêä÷, Â

÷åýáä÷, Â

Iкд, А  

tд, °C

Riд, °С/Вт

Pкд при t°=25°C Bт

12

0,5

0,03

70

500

0,09

Таблица 1.2

Частота

Рекомендуемая PКВ, мВт

Допустимая PКВ. д., мВт

для термоста-тируемых резонаторов

для нетермос-татируемых резонаторов

для термоста-тируемых резонаторов

для нетермос-татируемых резонаторов

Свыше 800 при колебаниях на основной частоте

0,500

1,00

1,00

2,00

2.1.  Расчет аппроксимированных параметров транзистора.

Зададимся q=700 (a1=0,436; a0=0,253) и определяем

МГц

2.2.  Расчет параметров колебательной системы

Çàäàåìñÿ m=0,1.

Ïàðàìåòð

Îòíîøåíèå åìêîñòåé

Амплитуда первой гармоники IК1 коллекторного тока:

Åìêîñòü êîíäåíñàòîðà â öåïè áàçû

Åìêîñòü êîíòóðà  ïÔ

Åìêîñòü êîíäåíñàòîðà  ïÔ

Íàãðóæåííàÿ äîáðîòíîñòü êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû

Ìîäóëü êîýôôèöèåíòà îáðàòíîé ñâÿçè

Ðåçèñòîð R0  âûáèðàåòñÿ

2.3.  Расчет режима работы транзистора.

Àìïëèòóäà íàïðÿæåíèÿ íà áàçå

Амплитуда напряжения на коллекторе В

Постоянное напряжение на коллекторе

Проверяем условие недонапряженного режима

    

Эквивалентное сопротивление колебательной системы автогенератора

Ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ êîëëåêòîðíîãî òîêà

Ìîùíîñòü ïîòðåáëÿåìàÿ òðàíçèñòîðîì îò èñòî÷íèêà  êîëëåêòîðíîãî ïèòàíèÿ

 ìÂò   

Êîýôôèöèåíò ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ òðàíçèñòîðà

Ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ òîêà áàçû

Íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ íà áàçå

2.4.  Расчет элементов цепей питания.

Ñîïðîòèâëåíèå â öåïè ýìèòòåðà

Èíäóêòèâíîñòü äðîññåëÿ â êîëëåêòîðíîé öåïè âûáèðàåòñÿ èç óñëîâèÿ

Íàïðÿæåíèå èñòî÷íèêà êîëëåêòîðíîãî ïèòàíèÿ

Ðàñ÷åò äåëèòåëÿ áàçèðóåòñÿ íà âûïîëíåíèè äâóõ óñëîâèé: âî-ïåðâûõ, äîëæíî áûòü èñêëþ÷åíî øóíòèðîâàíèå êîëåáàòåëüíîé ñèñòåìû àâòîãåíåðàòîðà äåëèòåëåì è, âî-âòîðûõ, íàïðÿæåíèå ñìåùåíèÿ ìåæäó áàçîé è ýìèòòåðîì òðàíçèñòîðà äîëæíî ñîîòâåòñòâîâàòü ðàñ÷åòíîìó ðàñ÷åòíîìó çíà÷åíèþ. Òàêèì îáðàçîì  Îì è

ãäå Iäåë - òîê ïðîòåêàþùèé ÷åðåç ðåçèñòîð R2 . Äëÿ òîãî ÷òîáû áàçîâûé òîê íå âëèÿë íà âåëè÷èíó íàïðÿæåíèÿ ñìåùåíèÿ , öåëåñîîáðàçíî Iäåë âûáèðàòü èç óñëîâèÿ: Iäåë = (5¸10)Iá0.

Åìêîñòü êîäåíñàòîðà

3.Настройка колебательного контура автогенератора. Выбор катушки индуктивности.

Настройка колебательного контура автогенератора может производиться двумя способами: изменяем емкость или изменением индуктивностей. Наиболее чаще используют подстроечную катушку индуктивности.

В данной схеме автогенератора будет использоваться однослойная цилиндрическая катушка с подстроечником в виде ферритового стержня (сердечника).

В качестве материала каркаса катушки выбран полистерол, так как он обладает удобными  физическими параметрами и широко используется. Провод – медный в изоляции типа ПЭВ, диаметром 0.2 мм (0.15 – 0.30мм).

Индуктивность катушки определяется по формуле:

 где 0.45 – поправочный коэффициент;

             - длина намотки провода;

            D – диаметр катушки (каркаса);

            W – количество витков.

            Отсюда количество витков:

                      

Зададимся диаметром D = 5 мм.

Так как ферритовый стержень влияет на индуктивность катушки, для расчета числа витков возьмем L меньше на 10¸20% (LK =3,47мкГн; Þ

 L = 3 ìêÃí)

 ñâÿçè ñ òåì, ÷òî âëèÿíèå ýêðàíà íà èíäóêòèâíîñòü íåçíà÷èòåëüíî, â äàííîé ðàáîòå èì ìîæíî ïðèíåáðå÷ü.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå îíî ìîæåò áûòü êîìïåíñèðîâàíî ïðè íàñòðîéêå.

Подставляя значения в формулу находим количество витков W=63 витка.

4. Выбор элементов.

Поз.

обозна-чение

Наименование

Кол.

Примечание

Конденсаторы

К10-17  ОЖО.460.172  ТУ

С1

 К10-17-1Б-М47-332пФ±10%-В

1

С2

 К10-17-2А-М47-2383пФ±10%-В

1

Сэ

 К10-17-2А-М75-1376пФ±10%-В

1

Скв

 КТ4-25-М750-5/25пФ±10%-В-ОЖО.460.135 ТУ

1

Подстроечный

Резисторы С2-23  ОЖО.467.081  ТУ

R0

 C2-23-0,125Вт-5,6кОм±10%-A-B-B

1

R1

 C2-23-0,125Вт-20кОм±10%-A-B-B

1

R2

 C2-23-0,125Вт-9,1кОм±10%-A-B-B

1

R3

 C2-23-0,125Вт-402Ом±5%-A-B-B

1

Rэ

 C2-23-0,125Вт-931Ом±5%-A-B-B

1

Rн

 C2-23-0,125Вт-604Ом±5%-A-B-B

1

Lдр

 Дроссель ДМ-0,1-365мкГн±5%  ГИО.477.005  ТУ

1

Lк

 Дроссель ДМ-0,1-3,47мкГн±5%  ГИО.477.005  ТУ

1

Подстроечный

5. Размещение элементов на печатной плате.

6. Расчет экрана.

При расчетах будем считать, что экран изготовлен из меди (магнитная проницаемость меди m = 1, относительная проводимость меди sотн = 1). Экран условно разбивается на две составляющие: реальный сплошной экран (SP) и идеальный сплошной экран с отверстиями (Sи). Обоснование толщины экрана и параметров отверстий будет приведено ниже.

6.1. Расчет толщины экрана t.

Так как расчетные формулы для дальнего и ближнего элекрического поля идентичны, будем оговаривать вид поля (ближнее/дальнее) по мере надобности.

Коэффициент экранирования равен:  где Кпогл. – коэффициент поглащения экраном: ; Котр. – коэффициент отражения экраном: Км.отр. – коэффициент многослойного отражения экрана (

           

Подставив в формулу  данное значение коэффициента экранирования найдем минимальное значение толщины экрана:

, откуда t > 0.123ìì.

Примем толщину экрана t = 0.8мм. Данное значение вполне удовлетворяет предполагаемым требованиям жесткости и составляет реальную пропорцию с размерами печатной платы.

6.2.  Расчет эффективности реальной составляющей экрана.

В соответствии с формулой (1) коэффициент экранирования реального экрана равен: Кэ.Р.=101.2 дБ. Отсюда находим эффективность экранирования реальным экраном:

6.3.  Расчет эффективности идеальной составляющей экрана.

Утечка поля через круглое отверстие определяется формулой:

где x - диаметр отверстия;  r – расстояние от источника помехи до экрана;             - падающая волна.

Эффективность экранирования идеальным экраном с отверстиями определяется по формуле: i – номер отверстия.

В разрабатываемом экране нам понадобится 4 отверстия:

1.    Отверстие для настройки колебательного контура автогенератора.                Примем x1 = 0,003 м.

2.    Отверстие для подвода питания (изоляция ПВХ). Примем x2 = 0,0015 м

3.    Отверстие для подвода выходного сигнала (изоляция ПВХ).                      Примем x3 = 0,0015 м.

4.    Отверстие для подвода нулевого провода (изоляция ПВХ). Примем x4 = 0,0015 м

5.    Отверстие для настройки Скв. Примем x5 = 0,003 м.

           

Расстояние от источника помехи до экрана рассчитаем по формуле:  где l - длина волны: r = 0.009м.

Формула  примет вид: Отсюда Sи = 53,4.

6.4. Расчет конечного значения эффективности экранирования.

Конечное значение эффективности экранирования рассчитывается по формуле:

 но справедливо условие:

Так как Sи < Sp, òî коэффициент экранирования нашего экрана:  Кэ.и.= 34 дБ.

При уменьшении значения r, ñîãëàñíî ôîðìóëå (3), ýôôåêòèâíîñòü ýêðàíèðîâàíèÿ òàêæå áóäåò óìåíüøàòüñÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, â áëèæíåé çîíå  экран будет не эффективен.           Рассмотрим эффективность экранирования в дальней зоне

Значение эффективности экранирования реального экрана останется прежним (Sp=114815,36).

Найдем минимальное значение r, ïðè êîòîðîì çíà÷åíèå ýôôåêòèâíîñòè ýêðàíèðîâàíèÿ ñòàíîâèòñÿ óäîâëåòâîðèòåëüíûì.

Ïðèíÿâ Êи равным заданному значению (65 дБ), иç ôîðìóëû (3) ìû èìååì:

Íà÷èíàÿ ñ ïîëó÷åííîãî çíà÷åíèÿ è äàëåå, çíà÷åíèå ýôôåêòèâíîñòè ýêðàíèðîâàíèÿ ñòàíîâèòñÿ óäîâëåòâîðèòåëüíûì.

6.5. Дополнительные меры для получения требуемой эффективности экранирования.

Для того, чтобы экран был эффективен как в дальней, так и в ближней зоне, мы будем использовать волноводы. Влияние волновода на эффективность экранирования описывается следующей формулой:                                     

где t – длина трубки волновода, d – диаметр волновода.

Рассмотрим влияние волноводов на эффективность экранирования для

где Кэ.и0. берем из пункта 4 равным 34 дБ;

Приняв для всех отверстий нашего экрана t = 1.5 мм и при условии что d=x с помощью формулы находим: Кэ.волн.=112 дБ, Sи.волн.=398107. Следовательно, из формулы (5), коэффициент экранирования идеальным экраном Кэ.и.=146 дБ. Эффективность экранирования идеальным экраном Sи= 19952699. Так как Sи.>Sр., то коэффициент экранирования в итоге будет равен:

Кэ.=20lgSp.=101,2 дБ. Полученный результат удовлетворяет заданному требованию (Кэ>Кэ.зад.=65 дБ).

7. Вывод по проделанной работе.

Произведена разработка автогенератора с кварцевым резонатором в контуре, размещается на печатной плате размерами 5´5 см. Автогенератор снабжен медным экраном толщиной 0.8 мм с пятью отверстиями: три отверстия диаметром 1.5 мм, предназначенные для проводов питания, выхода и земли, и два диаметром 3 мм. Отверстия в свою очередь снабжены волноводами, что позволяет добиться нужной эффективности экранирования. В конструкции автогенератора предусмотрена настройка колебательного контура. Для удобства доступа к подстроечной катушке индуктивности в экране предусмотрено отверстие диаметром 3 мм.

К сожалению использована старая элементная база.

8.Литература.

1 Князев А.Д. и др.

“Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычеслительной аппаратуры с учетом элекромагнитной совместимости”, Москва, “Радио и связь” 1989г, 224 стр.

2 Митрофанов А.В. и др.

“Радиопередающие устройства” Ленинград, ЛЭТИ, 1983г, 64 стр.

3 Пыко С.М.

 Конспект лекций, 1999г.