Реферат: Применение программного комплекса Electronics Workbench для разработки радиоэлектронных устройств

Аннотация

В дипломной работе рассматривается анализ радиоэлектронных схем, а также возможность их моделирования современными компьютерными методами, а именно при помощи программного комплекса Electronics Workbench. 5.0С.

Electronics Workbench. 5.0С представляет собой программный продукт, позволяющий производить моделирование, тестирование, разработку и отладку электрических цепей.

Для работы программного комплекса необходим IBM – совместимый компьютер с процессором I486 и выше.

Electronics Workbench имеет достаточно простой интерфейс пользователя и прост в обращении.

Еlectronics Workbench содержит в себе достаточно большое количество моделей радиоэлектронных устройств, а также позволяет создавать пользователю свои модели.

В программном комплексе предусмотрена работа не только с «идеальными» элементами, но и с «реальными». Есть возможность имитации различного вида шумов и помех, что позволяет разработчику максимально приблизить модель к реальной.

Также Еlectronics Workbench позволяет проводить анализы электрических цепей, выполнение которых при стандартном подходе является достаточно трудоемким процессом.

1 Анализ и обзор моделей радиоэлектронных устройств на примере автогенераторов

1.1 Автогенераторы

Автогенератор - это источник электромагнитных колебаний, колебания в котором возбуждаются самопроизвольно без внешнего воздействия. Поэтому автогенераторы, в отличие от генераторов с внешним возбуждением (усилителей мощности), часто называют генераторами с самовозбуждением.

В радиопередатчиках автогенераторы применяются в основном в качестве каскадов, задающих несущую частоту колебаний. Такие генераторы входят в состав возбудителя передатчика и называются задающими. Главное требование, предъявляемое к ним, - высокая стабильность частоты. В некоторых типах передатчиков (особенно в диапазоне СВЧ) автогенераторы могут быть выходными каскадами. Требования к таким генераторам аналогичны требованиям к усилителям мощности - обеспечивать высокую выходную мощность и КПД. В настоящей главе основное внимание уделено задающим генераторам; тем не менее изложенные здесь теоретические сведения будут полезны и при изучении мощных генераторов выходных каскадов передатчиков.

1.2 Общие сведения об автогенераторах

Задающие генераторы проектируют таким образом, чтобы в них возбуждались гармонические колебания. Основным элементом генератора гармонических колебаний является резонатор, главное свойство которого - колебательный характер переходного процесса. Простейший резонатор - это колебательный контур. Если в колебательный контур ввести энергию, то при достаточно высокой его добротности (Q >> 1) возникают колебания тока, затухающие со временем. Уменьшение амплитуды колебаний объясняется потерями мощности в контуре /4/. Таким образом, для создания автогенератора гармонических колебаний необходимо использовать резонатор с достаточно высокой добротностью и компенсировать потери.

Для выполнения последнего условия достаточно периодически добавлять в резонатор порции электромагнитной энергии синхронно с возбуждаемыми колебаниями. Источником энергии может служить постоянное электрическое поле; для преобразования его энергии в энергию колебаний требуется активный элемент (АЭ). Структурная схема автогенератора изображена на рисунке 1.1. Обратная связь здесь нужна для синхронизации работы АЭ колебаниями, существующими в резонаторе.

В качестве резонаторов в диапазоне высоких частот применяют LC -контуры, кварцевые пластины; на СВЧ - отрезки линий с распределенными параметрами, диэлектрические шайбы, ферритовые сферы и др. Активными элементами могут быть биполярные и полевые транзисторы, а также генераторные диоды - туннельные, лавиннопролетные, диоды Ганна и др.

Рисунок 1.1 – Структурная схема автогенератора

Механизм работы автогенератора состоит в следующем. При включении источника энергии в резонаторе возникает переходный колебательный процесс, воздействующий на АЭ. Последний преобразует энергию источника в энергию колебаний и передает ее в резонатор. Если мощность, отдаваемая активным элементом, превышает мощность, потребляемую резонатором и нагрузкой, т. е. выполняется условие самовозбуждения, то амплитуда колебаний увеличивается. По мере роста амплитуды проявляется нелинейность АЭ, в результате рост отдаваемой мощности замедляется и при некоторой амплитуде колебаний отдаваемая мощность оказывается равной потребляемой мощности. Если этот энергетический баланс устойчив к малым отклонениям, то в автогенераторе устанавливается стационарный режим колебаний /4/.

Автогенераторы существенно отличаются от других каскадов радиопередатчиков тем, что частота и амплитуда колебаний здесь определяются не внешним источником, а параметрами собственной колебательной системы и активного элемента.

1.3 Транзисторные и диодные автогенераторы

В зависимости от типа АЭ различают транзисторные и диодные автогенераторы. Идея создания транзисторного автогенератора основана на том, чтобы обеспечить режим транзистора приблизительно такой же, как и в усилителе мощности. При этом на вход транзистора подаются колебания не от внешнего источника, а из собственного резонатора через цепь обратной связи.

Диодные автогенераторы обеспечивают стационарные колебания за счет специфических процессов в генераторных диодах, обратная связь здесь осуществляется автоматически без применения специальных элементов.

Н
а рисунке 1.2, а изображен вариант схемы транзисторного автогенератора. Активный элемент (биполярный или полевой транзистор) представлен в обобщенном виде, он имеет три электрода: И - исток, К - коллектор, У - управляющий электрод. Резонатор, образованный элементами L, C, R, подключен к выходным электродам АЭ, часть энергии колебаний с помощью трансформаторной обратной связи поступает на управляющий электрод.

а) б)

Рисунок 1.2 – Принципиальная электрическая и эквивалентная схемы транзисторного автогенератора

На рисунке 1.2, б показана эквивалентная схема автогенератора, полученная из принципиальной схемы путем замены активного элемента с элементами цепи обратной связи генератором тока, который управляется напряжением на резонаторе. Векторная диаграмма токов, соответствующая схеме на рисунке 1.2, б изображена на рисунке 1.3, а, где I_C1, I_L1, I_R1 - амплитуды первых гармоник токов ветвей эквивалентной схемы резонатора; I_а1, U_a1 - амплитуды первых гармоник выходного тока и напряжения АЭ.

Фазовый угол (_a между колебаниями первых гармоник тока i_a(t) и напряжения u_a(t) зависит от фазовых сдвигов в АЭ и цепи обратной связи. Если /2<_a<3