Создание частотного радиодальномера с цифровым анализатором спектра сигнала биений

Аннотация.

В данном дипломном проекте рассматривалась возможность создания частотно радиодальномера с цифровым анализатором спектра сигнала биений.

1.Введение

3.1.     Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены развитием радиоэлектроники. В настоящее время невозможно найти какую – либо отрасль промышленности, в которой не использовались бы радиоэлектронные устройства или же целые радиоэлектронные комплексы. Причем тенденция такова, что доля информационных устройств и устройств автоматики постоянно увеличивается. Радиоэлектронные устройства и комплексы способны помочь человеку во многих случаях как в быту, таки на работе, а в некоторых и заменить его. В данном дипломном проекте рассматривается радиоэлектронное устройство способное измерять небольшие расстояния    (120 м) с достаточно высокой точностью.

Эту конкретную задачу можно решить с помощью частотно - модулированного радиодальномера с непрерывным излучением. Первоначально частотные дальномеры использовались в радионавигации – для измерения высоты полёта самолётов при их посадке. В настоящее время области применения частотных дальномеров существенно расширились. Они применяются в системах автоматической стыковки аппаратов, в различных системах управления производственными процессами, при контроле уровней жидких, вязких и сыпучих веществ. Во всех этих случаях необходимо измерять расстояния с ошибкой, не превышающей несколько сантиметров и даже миллиметров.

2. Технико – экономическое обоснование.

Повышение экономической эффективности производства является наиболее сложной и наиболее важной задачей. Необходимо стремится достичь наибольшей эффективности при наименьших трудовых затратах, материальных  и финансовых ресурсов. Большое значение имеет указания качества продукции, надёжности, долговечности,  возможности эксплуатации в экстремальных условиях и других направлениях повышения эффективности производства.

    В настоящее время существенно возросли потребности в бесконтактных измерениях расстояний, также возросли требования к точности их измерений.

Решение задачи измерения расстояния с помощью частотного дальномера связано с возникновением так называемой дискретной ошибки, снижение которой требует значительного увеличения девиаций частоты.

    Известны методы сглаживания дискретной ошибки не связанные с увеличением девиации. Решение задачи сглаживания у большинства методов сопровождается усложнением наиболее дорого стоящей СВЧ – части частотного дальномера.

    В данной работе исследуется возможность применения в частотном дальномере метода сглаживания не связанного с усложнением его СВЧ – части, что является его основным достоинством.

    Обработка сигнала биения легко реализуется на серийной элементной базе.

    Снижение стоимости частотного дальномера, может иметь большое значение для развития многих отраслей народного хозяйства.

3.Cоставление   технических       условий    и

их   обоснование

    Составление технических условий выполнено с использованием ГОСТ 2.114-7 [22], определяющего общие правила составления технических условий на разрабатываемую аппаратуру.

    Настоящие технические условия распространяются на частотный дальномер, предназначенный для измерения расстояния до объекта.

Технические требования.

1.  Рабочая частота – 10ГГц

2.  Погрешность измерения 1

3.  Диапазон измеряемых дальностей 1...20м

4.  Источник питания – сеть переменного тока 220в

5.  Частота модуляции – 100Гц

6.  Диаметр антенны – 30см

7.  Условия работы – лабораторные.

4. Теоретическая часть

    Дальномеры с частотно-модулированным сигналом обладают так называемой дискретной ошибкой, обусловленной конечным значением девиаций частоты передатчика. Для простейшего частотного дальномера (рис.4.1), в случае симметричного пилообразного закона частотной модуляции (рис.4.2а), она связана с ошибкой подсчёта числа импульсов (рис.4.2г) счётчиком импульсов СИ за период модуляции  излучаемого сигнала. Величина  дискретной ошибки в один импульс при полосе качания  (2) 1ГГц составляет 7.5 см.

    Среди известных методов подавления дискретной ошибки можно выделить несколько направлений. Далее рассматриваются два из них

    Одним из способов подавления дискретной ошибки связан с многократным гетеродированием принятого сигнала. Вариант функциональной схемы такого частотного дальномера изображён на рис.4.3.

    Передатчик излучает частотно - модулированный сигнал, одной частотой:

где      - несущая частота,

-  девиация частоты,

-  частота модуляции.

    Тогда отражённый сигнал:

,

где       -   задержка прихода отражённого сигнала от расстояния  относительно излучаемого.

                                              рис.4.2.

 Прямой сигнал перед смешиванием с отражённым преобразуется, в нём  при неизменной девиации частоты значительно понижается несущая частота: 

,

где   -   частота вырабатываемая генератором Г1.

Это напряжение вместе с отражённым сигналом подаётся на смеситель См2. Полосовой фильтр Ф2 настроен на частоту  (это первая промежуточная частота):

,

.

Далее следует смеситель См4, на него подаётся сигнал с выхода фильтра Ф2 и через фильтр Ф3 от смесителя См3 с частотой  сигнал  . В результате воздействия напряжений  и  в смесителе См4 возникаю комбинационные частоты.  Фильтр Ф4 настроен на одну из них – на  (это вторая промежуточная частота,). При этом девиация частоты остаётся неизменной по абсолютной величине. Таким же образом действуют последующие ступени понижения частоты. В результате усилителем ПЧ выделяется и усиливается сигнал, несущая которого  , а девиация частоты равна  .

    Частота последнего n-го гетеродина стабилизируется кварцем, т.к. только его ошибки из-за нестабильности частоты могут повлиять на результаты измерений  девиации частоты. Нестабильности предшествующих гетеродинов компенсируются и не влияют на результат. После УПЧ следует ограничитель ОГР, затем частотный дискриминатор ЧД и фильтр настроенный на частоту модуляции .

    Амплитуда выходного переменного напряжения пропорциональна измеряемой дальности.

    Достоинством этой схемы является отсутствие ошибки, связанной с дискретностью отсчёта расстояния.

    Необходимость многократного гетеродинирования обусловлена трудностью фильтрации комбинационных частот, если промежуточная частота будет недостаточно велика.

    Еще одним из способов подавления дискретной ошибки является способ с применением  дополнительной медленной модуляции частоты  передатчика. Достоинство этого способа в том, что эффективное сглаживание дискретности достигается при минимальном объеме сверхвысокочастотного тракта.

    Точность измерения зависит от величины медленной девиации и от отношения частот медленной и быстрой модуляций,  теоретическая оценка ошибки дальномера и оптимизация его параметров решается ниже.

    Вариант функциональной схемы частотного дальномера с дополнительной медленной фазовой модуляцией [2] представлен на рис.4.4.