Конструкция генератора с фазовой автоподстройкой частоты для диапазонов ОВЧ-УВЧ (стр. 3 из 13)
Несмотря на то, что управляющей величиной в системе ФАПЧ является частота, в фазовом детекторе (ФД) сравниваются не частоты, а фазы напряжений на его входе.
В данном случае принцип работы разрабатываемого устройства можно представить в следующем виде (АН468.757.001Э1).
На транзисторе VТ2 собран генератор, управляемый напряжением (ГУН), на транзисторе VТ1 - выходной каскад с регулируемой выходной мощностью. На микросхеме DD2 собран делитель частоты. Остальные узлы собраны на одной микросхеме DD1, которая содержит четыре логических элемента "исключающее ИЛИ" с инверсией. Генератор образцовой частоты с кварцевой стабилизацией собран на логическом элементе DD1.1, на элементе DD1.2 собран усилитель выходного сигнала делителя частоты, а фазовый детектор (ФД) собран на элементе DD1.3. Питается устройство от аккумуляторной батарей 7.2 В или сетевого блока питания с напряжением 7...15 В.
Питающее напряжение (5 В) всех узлов устройства стабилизировано интегральным стабилизатором напряжения на DА1.
Работает устройство следующим образом. Сигнал ГУН поступает на делитель частоты, а с его выхода после усиления - на ФД. Микросхема DD2 делит частоту ГУН на N, поэтому на один из входов ФД поступает сигнал с частотой f1 = fгун/N. На второй вход поступает сигнал генератора образцовой частоты fог. Выходное напряжение ФД через пропорционально интегрирующий фильтр (ПИФ) R5R7С8, конденсатор С11 и резистор R10 поступает на варикап ГУН VD1 и подстраивает его. Система ФАПЧ работает таким образом, что частота f1 подстраивается под fог и они становятся равными. Таким образом, частота ГУН будет равна fгун = N х fог. В данной конструкции использован делитель частоты с N = 129; fог = 10.0 МГц, а частота ГУН будет равна fгун = 129 х 10 = 1290 МГц.
Таким образом, выходную частоту генератора можно изменять за счет изменения коэффициента деления N или частоты образцового генератора (кварцевого резонатора). Регулировка уровня выходного сигнала осуществляется в пределах от -15 до +5 дБ/мВт за счет изменения тока транзистора VT1 с помощью переменного резистора R16.
5. ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ
Поверочный расчет схемы электрической принципиальной АН468.757.001Э3 заключается в определении параметров пропорционально-интегрирующего фильтра (ПИФ) представленного на рис. 5.1.
Рис. 5.1 - Пропорционально интегрирующий фильтр
Применение фильтра в цепи ФАПЧ изменяет динамические свойства системы. Полином системы (многочлен в знаменателе передаточных функций) определяет порядок, вид аппроксимации и частотный диапазон фильтрации, а член или многочлен в числителе определяет вид фильтрации (нижних, верхних частот или полосовой фильтрации) и коэффициент передачи.
В разрабатываемом генераторе с ФАПЧ используется один ПИФ-фильтр 1-го порядка, показанный на рис. 5.1 (необходимо отметить, что общепринятое название “фильтр” в данном случае является условным; правильнее было бы считать его цепью частотной коррекции).
Пропорционально-интегрирующий фильтр может быть охарактеризован передаточной функцией (5.1):
KФ(p) = Uвых/Uвх = (1 + Ф1)/(1 + Ф), (5.1)
где RоC8 – “физическая” постоянная времени цепи ПИФ;
Ф1 = 2RоC8 – условная постоянная времени;
Rо= R7 + R5;
Если учесть, что KФ = 1, т. е. Uвых = Uвх, в цепи генератора, то получим выражение (5.2) для определение номиналов элементов:
1 = 1+2 (R7+R5)C8/1+(R7+R5)C8.(5.2)
R7 = 200 Ом;
R5 = 10 кОм;
C8 = 30 пФ;
;1 = 1.
Таким образом, видно, что элементы принципиальной схемы выбраны правильно и расчетное значение передаточной функции соответствует теоретическому, обусловленному функциональным назначением ПИФ в схеме устройства.
6. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ
Генератор с ФАПЧ реализован в виде одного функционального узла на печатном монтаже с использованием как поверхностно-монтируемых элементов, так и элементов со штыревыми выводами. Выбор активных элементов производится на основании типов указанных в электрической принципиальной схеме.
Пассивные элементы выбираются с учетом номиналов, указанных в схеме, условий эксплуатации, стандартизации, нормализации, экономической целесообразности, минимизации габаритов, предпочтение отдается элементам поверхностного монтажа (SMD).
Выбор элементов производился по современным отечественным справочникам и каталогам: Платан, Симметрон, Вест-Эл, Компэл и др.
Необходимо учесть, что принципиальная схема была доработана мной с целью обеспечения максимальной автономности и коммутации разрабатываемого устройства.
Так, в качестве ВЧ-гнезда XW1, я применил устанавливаемое на печатную плату штыревое гнездо фирмы АМР 966475 50 Ом.
Трехпозиционный движковый переключатель Switronic-SK-23D06, установленный на плате, одновременно с включением устройства, управляет режимами его питания – через штыревую клемму 301-02-113 коммутируется аккумуляторная батарея – а через штыревое гнездо 3,5 мм подключается внешний блок питания.
В устройстве можно применить детали: транзисторы – КТ3132-А, транзисторы с нормированным уровнем шума на частоте 2-6 ГГц для применения в СВЧ малошумящих усилителях в диапазоне частот 1-7.2 ГГц.
Микросхема делителя частоты MotorollaMC120LVAD поверхностно-монтируемая, о чем свидетельствует суффикс D, ее можно применить и другого производителя, при этом она должна работать на требуемой частоте и иметь необходимый коэффициент деления.
Микросхема DD1 – MotorollaMC74H86D, поверхностно-монтируемая.
Микросхема DА1 – 78L05, КР1158ЕН5А или аналогичная с корпусом ТО-92, напряжение стабилизации 5 В.
Варикап КВ132, штыревой монтаж.
Переменный резистор R16 – Murata-SMD-PVG3A-10 кОм, мощность рассеяния 0,25Вт
Постоянные резисторы R1-R15– той же фирмы, серия RK73, мощность 0,125 Вт, в соответствии с принципиальной схемой, типоразмер 0805.
Подстроечный конденсатор С3 – Murata-SMD-TZVY2R200-4,5...20 пФ, напряжение питания 6,3 В.
Полярный конденсатор С10 – той же фирмы, 47 мкФ, 6 В, типоразмер В.
Индуктивность L1 – Murata-LQP18M, экранирована, работает в заданном диапазоне частот.
Остальные конденсаторы – той же фирмы, серия GRM, 6,3 В, в соответствии с принципиальной схемой, типоразмер 0805.
Батарея GB1, аккумуляторная, GPBatteries, 1700мАч, 7,2 В.
Все элементы имеют рабочую температуру в пределах заданной ТЗ.
Все элементы размещены на печатной плате из двусторонне фольги-рованного стеклотекстолита СФ-2-35-1,5.
Сторона под деталями оставлена металлизированной и используется в качестве заземляющего провода. Она соединена с заземляющим проводом на другой стороне. Лицевая сторона платы в местах, свободных от ЭРЭ и проводников так же металлизирована заземляющим проводом. Таким образом можно избавится от ряда паразитных наводок на ВЧ-тракт.
7. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТОРСКОГО РЕШЕНИЯ
Генератор в большой степени отвечает предъявленным к нему требованиям технического задания и разработанным ТТТ. Расхождения наблюдаются в требованиях полной унификации и стандартизации используемой элементной базы и несущих конструкций.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Для коммутации с внешними приборами и устройствами использовались широко распространенные в настоящее время разъемы.
Устройство выполнено на одной двухсторонней печатной плате с использованием технологии поверхностного монтажа, что позволило снизить массогабаритные и экономические характеристики изделия. Для изготовления печатных плат данного устройства выбран двухсторонний фольгированный диэлектрик, выпускаемый в виде листов СФ2-35-1,5 ГОСТ 10316-78.
Метод изготовления печатных плат - комбинированный.
Сущность комбинированного метода заключается в получении ПП из фольгированного диэлектрика с металлизацией отверстий. Достоинством этого метода является возможность получения печатных плат с более насыщенным монтажом, повышенной точностью и надежностью.
Поверхностно-монтируемые изделия (ПМИ) установлены с одной стороны платы в соответствии с РД107.460000.019-90. Стандарт разработан с учетом обеспечения возможности механизации и автоматизации технологических процессов сборки изделия. Печатная плата со стороны установки ПМИ должна быть покрыта защитной маской, кроме мест пайки.
Центры отверстий и контактных площадок должны располагаться в узлах координатной сетки. По краям печатной платы и вокруг монтажных отверстий необходимо оставлять свободные зоны, в которых не должно быть проводников и элементов. Контактные площадки рекомендуется применять прямоугольной формы. Ширина печатного проводника должна быть не более 0,4 мм; расстояние между двумя соседними проводниками не менее 0,3 мм.
Для пайки ЭРЭ выбран мягкий припой ПОС-61 – припой оловянно-свинцовый, содержит 61 % олова, 39% – свинца, температура пайки около 200 º С.
При разработке данного устройства приняты меры для уменьшения паразитных связей и наводок.
Блок является безопасной конструкцией при эксплуатации и ремонте. Малые напряжения питания исключают поражения электрическим током.
РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ
Из-за своей высокой сложности ремонт должен производится только в специализированных мастерских при снятии крышки, хорошо обученным персоналом и при наличии специализированного оборудования.
Быстрота разборки и сборки обеспечивается использованием винтов в качестве закрепляющих элементов. Доступ к элементам схем, требующим замены в процессе эксплуатации, осуществляется при снятии крышки с корпуса. Так как в в устройстве используется печатный монтаж ЭРЭ, то для их замены необходимо демонтировать плату и отпаять нуждающийся в замене элемент. Печатная плата генератора закреплена в корпусе 4 винтами М2.