Занятие Радиопередающие устройства

МУНИЦИПАЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДЕТЕЙ
СТАНЦИЯ ЮНЫХ ТЕХНИКОВ г.Неи и Нейского района
ПЛАН
занятия кружка «Радио»
руководитель Александров В.В.
тема:
РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Дата проведения: 15 января 2009 г.
Цель: Дать детям основные понятия радиопередающих устройств, их
разнообразие, принципы построения РПУ.
Оборудование: Конструктор «Юный радиолюбитель», приемник,
осциллограф, мультиметр, источник питания.
План занятия
Теория:
1. Общие сведения
2. Разновидности передающих устройств
3. Принцип построения передающих устройств
4. Структура современных РПУ
Практическая часть:
5. Самостоятельная сборка модулятора с применением конструктора
«Юный радиолюбитель»
6. Проверка работы модулятора на нагрузку с применением осциллографа
7. Сборка простейшего ВЧ генератора
8. Проверка работы ВЧ генератора на приемник
9. Проверка работы всего РПУ по приемнику
10.Подведение итогов занятия
Теория
Общие сведения
История развития радиопередающих устройств, как и всей
радиотехники, ведет свое начало от работ великого русского ученого
Александра Степановича Попова. Он явился создателем первого
беспроводного телеграфирования. Электромагнитные волны передавались на
большие расстояния.
Первым видом генератора незатухающих колебаний в 1910 году был
дуговой генератор. За сравнительно короткий срок были разработаны
генераторы мощностью до 1500 кВт. Они обеспечивали телеграфную
радиосвязь на расстояниях до 10 тыс. км.
Передавать по радио речь, т.е. осуществлять телефонирование без
проводов, научились значительно позже. Один из первых передатчиков А.С.
Попова представлен на рис.1.
Рис. 1
К – телеграфный ключ
КР – индукционная катушка Румкорфа
Б – батарея питания
ИП – искровой промежуток
А – антенна
2
При пробое искрового промежутка в антенне возникали быстро
затухающие высокочастотные колебания. По этой схеме строились в течение
нескольких лет передатчики русского военно-морского флота.
В 1913 году была открыта возможность генерирования
высокочастотных колебаний электронной лампой.
В настоящее время передающие устройства реализуются на
полупроводниках, хотя мощные передатчики до сих пор работают на лампах.
Разновидности передающих устройств
В быту и на производстве радиопередающие устройства в настоящее
время играют огромную роль и встречаются очень часто.
Слушая песни и передачи по радиоприемникам, мы не задумываемся
над тем, что вещание данных передач ведется с мощного вещательного
передатчика. Программы телевидения мы так же получаем от телевизионных
передатчиков (ретрансляторов), которые разбросаны по большим и малым
городам и селам.
В любительской радиосвязи никак не обойтись без передающего
устройства. Многие схемы передатчиков были придуманы именно
радиолюбителями. Некоторые интересные и оригинальные схемные решения
этих конструкций были применены в промышленных радиопередающих
устройствах.
В кружках авиа-, авто- и судомоделирования часто применяют
радиоуправление этими моделями. Без передающего устройства и здесь не
обойтись.
В настоящее время многие имеют радиотелефоны. В них так же есть
передающее устройство. В системе сотовой связи и в самих сотовых
телефонах тоже есть передающий тракт.
Передатчики есть так же у специальных служб – скорая помощь,
милиция, пожарная служба, служба спасения и т.д. Воинские подразделения
имеют мощную сеть передающих устройств.
Большая часть междугородних и международных телефонных
переговоров ведется по каналам радиорелейных линий, в состав которых
входят сложнейшие передающие устройства.
И это далеко не полный перечень области применения
радиопередающих устройств в нашей жизни.
Из всего перечисленного можно сделать вывод, что современная жизнь
попросту немыслима без передающих устройств.
3
Принцип построения передающих устройств
Рассмотрим простейший вариант построения линии радиотелефонной
связи. Включим в передающую антенну микрофон, а в приемную антенну –
громкоговоритель (головной телефон) – рис.2.
Рис.2
Казалось бы расчет прост – микрофон передает звук на электрический язык и
создает в передающей антенне меняющийся ток, который будет излучать
радиоволны. Они в свою очередь наведут ток в приемной антенне, а
громкоговоритель воспроизведет с его помощью звук, копию звука,
услышанного микрофоном.
Несмотря на простоту и привлекательность такой системы, на
практике она неприменима. И вот одна из причин. Чтобы передающая
антенна эффективно излучала электромагнитные волны, эта антенна
должна быть как можно выше, во всех случаях ее высота должна быть
соизмерима с длиной волны λ. Это требование связано с самим механизмом
излучения: трудно представить себе, чтобы громкоговоритель размером с
булавочную головку эффективно излучал звук. Хорошо, если высота антенны
равна половине λ, неплохо, если четверть. Можно смириться даже с тем, что
высота антенны составляет несколько процентов от длины волны, хотя при
этом мощность излучения составит чрезвычайно малую часть мощности
переменного тока в передающей антенне. Теперь подсчитаем: даже на
средней звуковой частоте 1000 Гц длина волны оказывается
λ = 3 * 108 = 300 км
и, если смириться с тем, что высота антенны составляет всего 1 % от λ (это
очень плохо, но пусть хоть так), то понадобится антенна высотой 3 км.
Построить такую высокую антенну непросто. А ведь нужно еще излучать и
более низкие частоты, для которых антенну пришлось бы делать намного
выше.
А вот другой серьезный недостаток: если одновременно будет работать
несколько таких систем радиосвязи и в приемную антенну попадут все
сигналы, то разделить их будет невозможно, слушатель получит
невообразимую смесь голосов и мелодий. Представим себе такую картину: в
зале, где много людей, все будут говорить, петь в полный голос. Что можно
разобрать в таком хаосе звуков?
4
Выход такой: создавать радиоволны нужно с помощью токов высокой
частоты, а каждому передатчику разрешать работать только на одной,
именно за ним закрепленной частоте. Во-первых, это позволит в приемнике с
помощью резонансных фильтров отделять сигнал нужной станции от всех
остальных. А во-вторых, для эффективного излучения высокочастотному
току понадобятся уже сравнительно небольшие антенны. Так, например,
частоте 150 кГц, одной из самых низких высоких частот, применяемых для
радиовещания, соответствует длина волны 2 км. Высота антенны, если
принять для нее 10% от длины волны, составит 200 м. А инженеры уже
давно умеют строить передающие антенны высотой в несколько сот метров.
Правда,
использование
высокочастотных
токов
в
линии
беспроволочной связи создает новые проблемы — на передатчике нужно както записать информацию в высокочастотном токе, а в приемнике нужно эту
информацию извлечь.
Включив в передающую антенну телеграфный ключ, а в приемную —
приемный телеграфный аппарат, можно создать линию беспроволочной
радиотелеграфной связи (рис. 3).
Рис. 3
Чтобы записать в высокочастотном токе речь или музыку и таким
образом заставить радиоволны переносить эту информацию к приемнику,
можно просто включить угольный микрофон в антенну. Так же, как его
включали в цепь постоянного тока. Под действием звуковых волн
сопротивление микрофона меняется, а значит, будет меняться и амплитуда
высокочастотного тока, как в свое время менялся ток в линии телефонной
связи. Этот процесс называется амплитудной модуляцией. Высокочастотный
ток, модулированный по амплитуде, излучает модулированные радиоволны их интенсивность тоже меняется, повторяя все изменения звукового давления
перед микрофоном. Модулированные радиоволны наводят в приемной
антенне модулированный высокочастотный ток, а довольно простой
5
электронный блок (детектор) позволяет расшифровать этот ток и получить
переменный ток низкой частоты, точную копию звука (рис. 4).
Рис. 4
Амплитудная модуляция, сокращенно АМ, - это лишь один из способов
зашифровывания информации в высокочастотном токе (рис. 5).
Рис. 5
Другой распространенный способ - частотная модуляция ЧМ. Здесь
амплитуда высокочастотного тока остается неизменной, а под влиянием
микрофона в сравнительно небольших пределах меняется сама частота
переменного тока (рис. 6).
Рис. 6
6
Сделать это несложно: генератор высокочастотного тока в передатчике
- это всегда ламповый или транзисторный генератор, частоту которого
определяют параметры колебательного контура. Существуют несложные
схемы, которые под действием микрофонного тока в небольших пределах
меняют емкость контура и таким образом осуществляют частотную
модуляцию.
Передатчики многоканальных линий радиосвязи часто работают в
импульсном режиме, это позволяет использовать много разных способов
модуляции. Например, менять амплитуду импульса (амплитудно-импульсная
модуляция, АИМ), ширину импульса (широтно-импульсная модуляция,
ШИМ), время его появления (фазово-импульсная модуляция, ФИМ) или
отображать изменения микрофонного тока в различных комбинациях
импульсов (импульсно-кодовая модуляция, ИКМ). Естественно, что для всех
этих способов модуляции существуют свои способы детектирования
информации из модулированного сигнала.
Структурная упрощенная схема передающего устройства выглядит
следующим образом (рис. 7).
Рис. 7
ГВЧ – это генератор высокой частоты, который стабилизирован
кварцевым резонатором. При применении кварцевого резонатора в
генераторе добиваются очень высокой стабильности в работе. Отклонение от
заданной частоты составляет тысячные доли процента.
С ГВЧ сигнал поступает на преобразователь частоты (Пр.Ч.). В
преобразователе частоты происходит либо умножение частоты, либо
деление, или просто усиление. Все будет зависеть от несущей частоты,
которая выделяется в антенне. Дело в том, что кварцевые резонаторы на
очень высокие частоты делать трудно, да и стабильность частоты у них
намного ниже. Поэтому применяют резонаторы с частотой в несколько раз
ниже несущей частоты, а затем ее умножают до заданной (при высокой
несущей частоте).
7
При низкой частоте несущей сигнала, наоборот применяют кварцевые
резонаторы с более высокой частотой, а затем ее делят до нужной несущей
частоты. Это объясняется тем, что при делении частоты, делится и ее
погрешность. Для примера возьмем несущую частоту f=10 МГц. Кварцевый
резонатор возьмем на 100 МГц, у которого уход частоты от номинальной
пусть будет 1000 Гц. Тогда, при делении на 10 частоты кварцевого
резонатора (т.е. до f=10 МГц), погрешность так же поделится на 10 и уход
частоты от номинальной составит всего 100 Гц.
При средних частотах несущей, частота генератора только усиливается,
а преобразований с ней никаких не происходит.
8
Практическая часть
Самостоятельная сборка модулятора с применением конструктора «Юный
радиолюбитель»
С помощью конструктора «Юный радиолюбитель» дети собирают
модулятор для радиопередающего устройства. Кружковцы делятся на группы
по 3 человека. Каждой группе дается возможность самостоятельно собрать
модулятор по нескольким предложенным схемам.
После каждой сборки модулятор испытывается.
Самостоятельная сборка устройства по предложенной схеме, а не по
таблице (в таблице даются точки соединения; например: точку 19 соединить
с точкой 97 – и т.д.), дает возможность осмысленно собирать устройство, а не
просто соединять предложенные точки конструктора. Данный способ сборки
устройств резко повышает интерес детей.
Проверка работы модулятора на нагрузку с применением осциллографа
После каждой сборки модулятора проводится его испытание на нагрузку.
К нагрузке подключается осциллограф, а на вход подается синусоидальный
сигнал с генератора. По сигналу на нагрузке можно оценить качество
модулятора и правильность сборки.
После того, как все дети попробуют собрать и испытать свои
конструкции, выбирается одна из самых удачных. Эта конструкция
модулятора будет использована для полной сборки РПУ.
Сборка простейшего ВЧ генератора
Пока первые группы собирают и проверяют конструкции модуляторов,
одна группа кружковцев собирает ВЧ генератор на 27 МГц по предложенной
схеме. Конструкция ВЧ генератора выбрана с условием небольшого
выходного уровня излучения ВЧ колебаний, чтобы не создавать помех в
эфире. Сборка производится навесным монтажом на небольшой макетной
плате.
Проверка работы ВЧ генератора на приемник
После сборки ВЧ генератора производится проверка правильности его
монтажа. После этого подается питание на схему и проверяется ток
потребления конструкции. Затем включается приемник и прослушивается
несущая частота генератора. В качестве приемника используется небольшая
карманная радиостанция на 27 МГц в режиме приема с отключенной
системой шумопонижения.
9
Проверка работы всего РПУ по приемнику
Когда модулятор и ВЧ генератор будут собраны и проверены по
отдельности, производится их включение в общую схему РПУ.
Подключается небольшая антенна и подается питание в устройство. После
того, как будет услышан сигнал несущей генератора на приемнике, подается
сигнал 1 кГц с НЧ генератора на вход модулятора. Если в приемнике будет
слышен этот сигнал, то можно сделать вывод, что радиопередающее
устройство собрано правильно.
Подведение итогов занятия
После проведения практической части занятия подводятся итоги всего
занятия на усвоение пройденного материала. Обсуждаются ошибки, которые
были в процессе сборки и проверки конструкций, их сложность, доступность.
Каждому даются тестовые вопросы, на которые он должен ответить. Если
кружковец затрудняется ответить на какой либо из вопросов, то придется
еще раз подробнее его осветить. По ответам детей можно судить, как был
усвоен данный материал, а по количеству правильных ответов можно
предположить полноту самого материала.
В конце занятия проводится опрос мнений детей по ведению занятия, его
объемности, интересности, сложности и усвоения материала. Кружковцы
обмениваются своими впечатлениями о проведенном занятии.
10