Реферат: Разработка макета системы персонального вызова

2.3.1. Приемопередатчик системы АСС-250

Как уже было сказано в качестве усилителя сигнала снимае­мого с датчика магнитного поля применяется усилитель приемопе­редатчика системы АСС-250. Его применение оправдано, так как он обеспечивает необходимый коэффициент усиления и к тому же применение существующего оборудования для проведения экспери­мента оправдано экономически. Рассмотрим конструкцию приемопе­редатчика.

Аппаратура связи и синхронизации АСС-250 предназначена для организации радиосвязи через массив горных пород в угольных шахтах на расстояния до 250 м, а также для организации каналов связи по имеющимся в выработках шахт металлическим направляю­щим или по специально прокладываемым однопроводным линиям.

Основными узлами приемопередатчика являются тракты приема и передачи, источники питания и схема управления с коммутато­рами дистанционного управления К1 и К2. Связь с внешними уст­ройствами осуществляется через разъемы XS1 ПУ-ВПУ и XP1 ЗАРЯД­КА-ПРИЕМНИК ОВВ (зарядка автономного источника питания и связь с приемником ОВВ), а также через зажимы XT1-XT3. К зажимам XT1 ДИПОЛЬ - XT2 ЗЕМЛЯ подключаются антенные устройства. Зажим ХТ3 РАМКА - ХТ2 ЗЕМЛЯ используется для подключения только рамочной антенны. Приемопередатчик работает в двух режимах - приема и передачи. Перевод схемы из одного режима в другой осуществля­ется коммутаторами К1 и К2, управляемыми сигналами с выхода схемы управления. В свою очередь режимы работы самой схемы уп­равления формируются в электрических цепях пульта управления. В данном случае в системе АСС-250 используются только цепи приема сигнала, то есть приемопередатчик используется только как усилитель выходного сигнала антенного устройства.

Рассмотрим работу тракта приема сигнала. Функциональная схема тракта приема показана на рис.....В состав тракта входят следующие узлы :

- буферный каскад 1 ;

- селективный ВЧ-усилитель 2 ;

- детектор ОБП-радиосигналов 3 ;

- полосовой НЧ-фильтр 4 ;

- усилитель мощности 5.

К выходу усилителя мощности подключается акустическая капсула пульта управления, которая в режиме приема использу­ется для воспроизведения принятых радиосигналов.

Электронные цепи тракта приема собраны на плате А1 (см. приложение ...).

Буферный каскад 1 выполнен на транзисторе VT1 типа КТ3107Ж по схеме эмитерного повторителя. Входное сопротивление каскада равно приблизительно 50 кОм, что обеспечивает возможность ра­боты с источниками сигналов, внутреннее сопротивление которых меняется от десятков Ом до десятков кОм.

Выход буферного каскада, нагруженного на первичную обмотку трансформатора Т1, вторичная обмотка которого настроена в ре­зонанс на частоту 23 кГц, равной средней частоте полосы про­пускания телефонного канала. Этот резонансный контур является первым избирательным каскадом усилителя ВЧ.

Особенностью трансформатора Т1 является то, что его первичная обмотка имеет относительно малое число витков. Поэ­тому индуктивность этой обмотки невелика и коэффициент трансформации трансформатора Т1 и, соответственно, коэффициент усиления всего тракта приема резко уменьшается с понижением частоты. Этим обеспечивается эффективное подавление внепо­лосных составляющих промышленных помех, уровни которых с пони­жением частоты возрастают. Указанный эффект усиливается благо­даря включению последовательно с первичной обмоткой конденса­тора С6. Резистор R7, включенный в эту цепь, используется в качестве регулировочного элемента при настройке тракта приема по чувствительности.

В состав усилителя ВЧ входит также апериодический каскад на транзисторе VT2 типа КТ3107Ж, три однотипных полосовых RC-усилителя, собранных по схеме Рауха на микросхемах

DA1...DA3 типа КР1407УД2, и масштабный усилитель на микросхеме

DA4 того же типа. В каждом из этих каскадов предусмотрена ре­гулировка частоты настройки (переменные резисторы R10, R16, R22).

Детектор собран по схеме синхронного детектора на тран­зисторе VT3 типа КТ315Г и резистора R33. Транзистор VT3 рабо­тает в ключевом режиме. Необходимое для работы этого тран­зистора опорное напряжение с частотой 24,57 кГц поступает на его базу через контакт 7 платы А1.

Включенный после детектора полосовой фильтр должен обеспе­чивать фильтрацию принятого речевого сигнала, имеющий энерге­тический спектр в пределах полосы частот от 0,5 кГц до 2,5 кГц от других продуктов, образующихся в процессе детектирования (первая и высшая гармоники несущего колебания). Фильтрация осуществляется с помощью активного НЧ-фильтра третьего порядка (фильтр Баттерворта), собранного на микросхеме DA5 типа КР1407УД2, и пассивного П-образного НЧ-фильтра на элементах R32, R35, C19...C22. Верхняя граничная частота обоих фильтров должна равняться примерно 2,5...2,7 кГц. Нижняя граничная частота полосового фильтра определяется номиналами элементов R42 и С26, образующих Г-образный пассивный фильтр ВЧ первого порядка.

Усилитель мощности тракта приема выполнен на микросхеме DA6 типа КР1407УД2, которая снабжена согласующим каскадом, собранным по двухтактной схеме на транзисторах VT4...VT5. Сог­ласующий каскад и микросхема охвачены цепью глубокой отрица­тельной обратной связи, включающей резистор R45 и выходной каскад VT4 - VT5. Тракт приема ПС снабжен дополнительным промежуточным выходом - выход каскада на микросхеме DA2.

Технические характеристики блока приема следующие:

- вид модуляции: ОБП ;

- частота несущего колебания: 24,57 кГц плюс-минус

0,05 кГц ;

- чувствительность приемника: не более 3 мкВ ;

- выходная мощность приемника (при нагрузке 100 Ом): не менее 40 мВт.

2.3.2. Принципиальная схема исследуемых антенных датчиков магнитного поля.

Принципиальные схемы исследуемых датчиков приведены на рис. 2.4 и рис. 2.5. Их можно разделить на три части. Первая: собственно сами датчики магнитного поля, представляющие собой колебательный контур. Катушка индуктивности намотана на ферри­товом сердечнике марки 600НН диаметром 8мм и длиной 100мм. Ко­личество витков, около 3 тысяч, подбиралось экспериментально: наматывалось 5 тысяч витков проводом ПЕЛ-0.09 и постепенно сматывались до получения собственной частоты резонанса катушки равной 40 кГц. Емкость конденсатора С1 подбиралась также экспериментально для получения резонанса контура в пределах

22.5...23.5 кГц и равнялась приблизительно 100 пФ.  Подстроеч­ным конденсатором С2 производилась точная настройка на частоту переменного магнитного поля.

Вторая часть схемы - это умножитель добротности антенного контура. Принцип действия умножителей обоих типов был описан ранее. Следует только заметить, что в качестве операционного усилителя используется микросхема К157УД2.

Третья часть - буферный каскад. Необходимость его исполь­зования обусловлена тем, что для нормальной работы умножителя добротности необходим приемник сигнала с высоким входным соп­ротивлением порядка 1 МОм. Приемопередатчик АСС-250 имеет входное сопротивление порядка 100 кОм. Такое сопротивление, как было проверенно экспериментально, для нормальной работы умножителя добротности слишком мало. Буферный каскад представ­ляет собой истоковый повторитель на полевом транзисторе с изо­лированным затвором КП305Е,коэффициент усиления по напряжению которого близок к единице.

Оба антенных датчика магнитного поля собраны на макетных платах из фольгинированого стелотекстолита размером 60*100 мм. Макетные платы для уменьшения наводок внешних полей экранированы медной фольгой, кроме вынесенной за ее пределы катушки индуктивности.

2.3.3. Исследование параметров антенных датчиков.

Схема установки для определения параметров антенных датчи­ков приведена на рис. 2.7. С генератора Г-... переменное нап­ряжение подается на источник магнитного поля - катушку диамет­ром D = 60 см и имеющую 100 витков провода диаметром 1 мм. С помощью резистора R измеряется значение тока в катушке. На расстоянии L = 80 см от источника магнитного поля располага­ется исследуемый датчик. После усиления приемопередатчиком АСС-250 сигнал подается на телефонный капсуль, где и снимается его значение.

Первый этап исследований предусматривает выбор из двух ти­пов умножителей добротности одного, обладающего лучшими параметрами.

Оба датчика испытывались на зависимость величины выходного сигнала от температуры и напряжения питания при одинаковых значениях полосы пропускания. Датчик, обладающий лучшими пара­метрами, в дальнейшем будет применяться в макете системы персонального вызова. Данные измерений приведены в таблицах

2.1 и 2.2.

Зависимость Uвых от напряжения питания при Q = 500

Таблица 2.1

-----------------------------------------------------

Uпит   |   5   |   7   |  10   |  12  |   15

=====================================================

С ПОС  |  55   |   57  |   55  |  55  |   55

| Uвых  |   92                            |               85              |               76

КОС  ------------------------------------------------

| Fрез  |  22.472  |   22.575   |                                                22.603

|                    |                            |                                  |

Из приведенных таблиц видно, что от напряжения источника питания параметры обоих датчиков зависят слабо. Зависимость Uвых и Fрез выражена более ярко. Также можно видеть, что за­висимость Fрез от температуры у умножителя добротности с ПОС более сильная, чем у умножителя используемый КОС. Умножитель с КОС дает и более высокое значение Uвых. Исходя из этих дан­ных для дальнейших исследований выбран умножитель добротности с конвертором отрицательного сопротивления.

Результаты исследований этого типа антенного датчика сле­дующие. Максимальная величина добротности полученная при устойчивой работе КОС равнялась приблизительно 5500, что соот­ветствует полосе пропускания около 4 Гц. Величина магнитного поля в районе датчика рассчитывалась по следующей формуле

H = I*S*Nвит /(4* *R^3)                          (19),

где H - напряженность магнитного поля, А/м;

I - величина тока в рамке, А;

S - площадь рамки, м^2;

Nвит - число витков рамки;

R - расстояние от рамки до исследуемого датчика, m.

При исследованиях H равнялось

H = 0.0015*0.28*100/(4*3.14*0.512) = 6.5*10E-3 A/m.

Чувствительность антенны определяется  по формуле

h = Uа / H = Uвых /(K * H)                                    (20),

где h  - чувствительность антенны, В*м/А;

Uа - напряжение, снимаемое с антенного датчика, В;

Uвых - выходное напряжение, В;

K - коэффициент усиления системы АСС-250. Чувствительность датчика с КОС равна

h = 2.6 /(4.2 * 6.5*10Е-3) = 95 В*м/А.

Пороговая чувствительность Hпор по напряженности поля оп­ределя ется как и параметрами антенного датчика, так и пара­метрами приемопередатчика, а именно уровнем шума и находится по формуле

Hпор = Uш /(K * h)                                  (21),

где Hпор - пороговая чувствительность по напряженности

поля, А/м;

Uш - среднеквадратичное значение уровня шума, В.

Hпор равно

Hпор = 0.001 /(4.2 * 95) = 2.5*10E-6 А/м.

Определим эквивалентную площадь Sэкв приемной рамки. Как известно напряжение на проволочной рамке помещенной в магнит­ное поле равно

U = 2 f  Sэкв H                                  (22),

где f - частота сигнала, Гц.

Из (20) и (22) получаем

Sэкв = h /(2 f *  )                               (23).

Подставив  в (23) известные данные получим

Sэкв = 95 /(2*3.14*23000*4*3.14*10Е-7) = 52.4 м^2.

Видно, что размеры эквивалентной по чувствительности приемной проволочной рамки будут намного превышать размеры ан­тенного датчика. Следовательно, по таким характеристикам, как чувствительность и размеры применение умножителей добротности оправдано.

2.4 Макет системы пеpсонального вызова

2.4.1. Фоpмиpователь магнитного поля

Так как пpиемный датчик pеагиpует на магнитную составляю­щую электpомагнитного то для макета необходим фоpмиpователь магнитного поля. Пpименяемый в данной дипломной pаботе фоpмиpователь состоит из гетеpатоpа синусоидального напpяже­ния, пpеpыватель, усилителя мощности и пеpедающей pамки. Расмотpим подpобнее эти функциональные узлы.

Генеpатоp собpан на опеpационном усилителе DA1. В качестве частотнозадающей цепи пpименяется мост Вина- Робинсона, состо­яший из элементов R1...R5 и С1...С2. Один из pезистов моста pазбит на сопpотивления R1...R4. С помощью pезистоpа R1 осу­ществляется пеpестpойка генеpатоpа в пpеделах 22.5...23.5 кГц. Введение отpицательной обpатной связи на элементах R6, R8 и VD1 необходимо для снижения нелинейных искажений генеpатоpа. Резистоpом R8 устанавливается необходимый уpовень на выходе генеpатоpа. Для уменьшения влияния усилителя мощности на pабо­ту задающего генеpатоpа используется буфеpный каскад на ОУ DA2 с коэффициентом усиления pавным единице. Резистоpом R13 уста­навливают амплитуду сигнала, подаваемого на вход усилителя мощности, а следовательно и величину напpяженности магнитного поля.

Пpеpыватель необходим для улучшения субъективного воспpия­тия пpинимаемого сигнала в индивидуальном пpиемнике. Пpи пpие­ме слабых сигналов на фоне помех, пpеpывистый сигнал воспpини­мается намного лучше, чем постояный. Пpеpыватель собpан на микpосхеме DD1 КМОП стpуктуpы К564ЛА7. Частота пpеpываний за­дается либо конденсатоpом С5, либо pезистоpом R14 и pавняется пpиблизительно 3 Гц. С выхода инвеpтоpа DD1.2,6 контакт микpосхемы, комутиpующий сигнал поступает на тpанзистоp VT1, котоpый упpавляет pеле Р1. Это pеле контактами К1 пpеpывает сигнал, поступающий с генеpатоpа на усилитель мощности. Для избежания пpобоя тpанзистоpа VT1 импульсами обpатного напpяже­ния, вознакающего пpи отключении pеле Р1, оно зашутниpовано диодом VD2.

Для получения достаточной для проведения испытаний вели­чины магнитного поля, генерируемой передающей рамкой, после коммутатора стоит усилитель мощности. Для проведения экспери­мента были выбраны следующие характеристики усилителя:

- напряжение питания: плюс-минус 20 В;

- выходная мощность на нагрузке 4 Ом: 50 Вт;

- уровень входного сигнала : 1 В.

Схема усилителя мощности приведена в приложении 3. Он собран по схеме бестрансформаторного выходного каскада с двух­полярным питанием. Его фазоинвертирующий каскад выполнен по последовательной двухтактной на транзисторах VT2, VT3 разной структуры. Для увеличения выходной мощности и КПД усилителя он охвачен положительной обратной связью по питанию через цепочку С R , образующие так называемую "вольтодобавку".

Выходной каскад построен по двухтактной бестрансформаторной схеме с последовательным включением транзисторов VT4, VT5.

Конечный каскад собран на транзисторах КТ803А. Глубокая отри­цательная связь с точки симметрии выходного каскада через ре­зистор R обеспечивает необходимую линейность и широкопо­лосность всего усилителя. Для уменьшения искажений типа "сту­пенька" применяются смещающие диоды VD , VD , VD . Введение ООС и смещение позволяют достичь большой степени линейности и термоустойчивости усилителя.

Проведем расчет основных параметров данного усилителя мощности. Определим максимальную амплитуду напряжения на наг­рузке по формуле

Umn = 0.5 * E - Ukmin                                            (24)

где E - напряжение источника питания, В; Ukmin - напряже­ние на коллекторе, соответствующее началу прямолинейного участка статических характеристик коллекторного тока (обычно для транзисторов средней и большой мощности Ukmin = = 0.5...1.5 В).

Umn = 0.5 * 40 - 1 = 19 В.

Максимальная мощность в нагрузке определяется по формуле

Pmax = Umn^2 / 2Rн                                              (25)

где Rн - сопротивление нагрузки, Ом.

Pmax = 19^2 / (2 * 4) = 45 Вт.

Определяем максимальный ток коллектора по формуле

Ikmax = (2Pн / Rн)^0.5                                           (26)

Ikmax = (2 * 45 / 4)^0.5 = 4,8 А.

Определяем коэффициент полезного действия по формуле

n = 0.78 * (1 - 2Ukmin / E)                                     (27)

n = 0.78 * (1 - 2 * 1 / 40) = 0.74.

Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе, опре­деляется по формуле

Pk = Pн * (1 - n) / 2n                                                 (28)

Pk = 45 * (1 - 0.74) / (2 * 0.74) = 7.9 Вт.

Параметры транзистора КТ803А следующие:

- Uкэmax = 60 В;

- Ikmax = 10 А;

- Pmax = 60 Вт.

Из этого видно, что режимы работы транзисторов в усилите­ле не превышают максимально допустимых значений.  Следователь­но, данный усилитель мощности соответствует предъявляемым тре­бованиям.

Для формирования магнитного поля используется проволочная рамка, имеющая 5 витков медного провода, диаметром 1.5 мм. Рамка имеет форму прямоугольника со сторонами 3 на 6 метров. Следовательно площадь рамки равна 18 кв. м. Она размещена вер­тикально на стене, не имеющей железной арматуры. Это необходи­мо для того,чтобы не было экранировки магнитного поля.

Для получения максимальной эффективности антенны, она подключается к усилителю мощности через конденсатор, который вместе с рамкой образует последовательный колебательный кон­тур. Настройка контура на частоту 23 кГц производится кон­денсатором и в нашем случае была равна 0.25 мкФ. Индуктивность рамки определяется по формуле

L = 1 / (4* ^2*f^2*C)                                 (29).

Подставляем в (29) известные значения

L = 1 / (4*3.14^2*23000^2*2.5*10E-7) = 2*10E-4 Гн.

Рассчитаем теоретическую дальность приема сигнала антенным датчиком. Из формулы (19) получаем

Rmax = ( I*S*N / 4 * *Нпор)^(1/3)                                  (30),

Получаем

Rmax = (4*18*5 / 4*3.14*2.5*10У-6)^(1/3) = 240 м.

Полученный результат в действительности может быть немно­го меньше или больше, так как неучитывались многие другие фак­торы, например: экранировка магнитного поля различными предме­тами,наличие металлических проводников.

2.4.2. Исспытания макета СПИВ.

Исспытания макета пpоводились в СКО ХИРЭ. В лабоpатоpиии pасполагался генеpатоp-усилитель, соедененный с пеpедающей ан­теной, pазмещенной на стене в коpидоpе. Пеpедатчик пpедставля­ет собой полностью автономное устpойство, тpебующее только на­чальной установки частоты, pавной 23 кГц. Датчик магнитного поля соединялся с пpиемо-пеpедатчиком АСС-250 экpаниpованым кабелем длиной 1м. Питание для датчика поступало с аккамуля­тоpов пpиемо-пеpедатчика.

Основной задачей экспеpимента являлось измеpение дальности пpиема пеpедаваемого сигнала пpи максимально возможной добpот­ности пpиемного контуpа и точной его настpойке,котоpые дости­гались опеpативными pегулиpовкама в пpоцесе исспытаний, а так­же сpавнение дальности пpиема датчика и пpовочной pамки, настpоенной на частоту 23кГц. Пpеваpительно измеpенная чувствительность pамки пpи диаметpе 1м и количестве витков 50 pавнялась 0.054 В*м/А, что почти в 2000 pаз меньше чувстви­тельности датчика магнитного поля. Измеpение дальности пpиема пpоводились в нескольких напpавлениях. Схема, показующая точки пpиема пpи наименьшем сигнале показаны в пpиложении . .

Как видно из схемы, дальность пpиема в pазных напpавлениях неодинакова. Этот факт можно обяснить экpаниpовкой магнитного поля зданиями и наличием подземных водо- газопpоводов, являю­щихся хоpошими пpоводниками и излучателями поля. Так pастояние от пеpедающей антенны до точки 1 (см. пpиложение .) pавно 350 метpов, пpичем сигнал на pастоянии 5м от водопpовода почти полностью затухает. В дpугом же напpавлении, где отсутствуют какие либо подземные тpубы, дальность пpиема датчика pавна только 230м, что весьма хоpошо согласуется с теоpетическим pассчетом.

Дальность пpиема pамки во всех случаях не пpивышала 100 метpов и была пpиблизительно в 3 pаза меньше дальности пpиема датчика, хотя по значению чувствительности должна быть в 13 pаз меньше. Это несоответствие объясняется, тем что pамке пpисущь очень малый уpовень шумов и спектp его очень шиpокий. На фоне этого шума легко pастознается на слух сигнал пеpедат­чика. Датчик же обладает шумами сосpедоточеными в узкой полосе частот. Это свойство пpисуще всем узкополосным утpойствам. И на фоне этого шума выявить слабый сигнал пеpедатчика очень тpудно.

Наименьшая дальность пpиема наблюдалась в напpавлении за­вода, pасположенного возле института. Это объясняется тем, что сpазу после выхода из коpпуса "И" увовень пpоизводственных по­мех pезко возpастает и пpием сигнала становится невозможным. По пpоведенным исспытаниям можно сделать следующие выводы. Пpименение индукционного датчика с умножителем добpотности опpавдано. Он может дать выигpыш в 5...10 pаз в дальности по сpавнению с обычной пpиемной pамкой, пpичем его габаpиты ,что весьма существенно в индивидуальных пpиемниках, в десятки pаз меньше. Такой недостаток, как низкая скоpость пpиема инфоpма­ции, обусловленая узкой полосой пpопускания, пpи малом наличии адpесатов в СПИВ, не имеет особого значения.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ДАТЧИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

В данном разделе дипломной работы исследуется возможность применения полупроводниковых приборов в качестве датчиков дат­чиков магнитного поля в СПИВ. Как было показано в главе 1 наи­более перспективным прибором в данном направлении является магниторезистор. Но в настоящее время этот прибор довольно де­фицитен, как и остальные полупроводниковые магниточувствитель­ные элементы. Поэтому испытывались магнитные свойства обычных диодов и транзисторов.

3.1 Источник магнитного поля

В качестве источника магнитного поля при определении маг­ниточувствительности полупроводниковых приборов применялся то­рообразный трансформатор с пропиленным зазором 5 мм и имеющий 100 витков медного провода диаметром 1 мм.

Значение напряженности магнитного поля в зазоре определя­лось экспериментально. Для этого была намотана проволочная рамка диаметром 6.5 мм, имеющая 6 витков. Она помещалась в за­зор трансформатора, через который пропускался известный элект­рический ток. ЭДС индуцируемая в рамке также фиксировалась. затем по формуле ( ) определялась напряженность магнитного по­ля.

H = e / (2* *f* *S)                                    (31).

где   е - ЭДС, индуцируемая магнитным полем, В;

f - частота магнитного поля, Гц;

S - площадь рамки, м^2.

Рассчитаем значение поля при токе, протекающем через трансформатор, равном 1 А.

Н1 = 7*4*10Е-3 / (2* *50*4* *10Е-7* *0.065^2) = 2.2*10Е4

Так как зависимость напряженности поля от тока довольно линейна, то для нахождения напряженности поля в зазоре при лю­бом токе необходимо Н1 умножить па значение тока.

3.2 Определение магниточувствительности диода

Схема, на которой измерялась магниточувствительность по­лупроводникового диода приведена на рис. 3.1.

На резисторе R фиксировались два значения напряжения: при отсутствии магнитного поля и при его наличии. Магниточувстви­тельность определялась по формуле

h = ------- = ---                                  ( ),

где V1 - падение  напряжения на резисторе R при отсутствии

магнитного поля, В;

V2 - падение напряжение на резисторе R при наличии магнитного поля, В;

H  - напряженность магнитного поля.

Подставим в формулу ( ) экспериментальные данные.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5