При низкой оригинальности работы "Радиоприемник автомобильный ГОСТ 17692-89 первой группы сложности", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
4.5 Проверка обеспечения требуемого усиления сигнала
Список литературы
Техническое задание
Тип приемника: Радиоприемник автомобильный ГОСТ 17692-89, 1 группа сложности
Диапазон рабочих частот: 3.95 - 8.1 МГЦ
Вид модуляции: АМ
Чувствительность: 30МКВ
Селективность по соседнему каналу: 60 ДБ
Селективность по зеркальному каналу: 30 ДБ
Селективность по каналу прямого прохождения: 30 ДБ
Отношение сигнал - шум на входе детектора: 12 ДБ
Диапазон воспроизводимых частот: 300 - 3000 Гц
Эффективность АРУ ( Uвых/Uвх): 10
Глубина модуляции: 30%
Коэффициент гармоник: 5%
Напряжение источника питания: 14 В
Введение
Автомобильные радиоприемники достаточно сложные устройства, к которым предъявляются повышенные требования по сравнению со стационарными приемниками, в связи с эксплуатацией их в условиях транспортировки в автомобиле, тряски, перепады температур, влажности.
Особенностью радиоприема в автомобиле является существенное изменение условий приема при перемещении автомобиля, обусловленное изменением уровня полезного входного сигнала. Эти особенности требуют использования эффективной системы (АРУ).
К автомобильным приемникам предъявляется ряд специфических требований: элементы управления должны незначительно выступать из панели, в конструкции должны отсутствовать острые углы; попадая в различные климатические условия, приемник должен выдерживать значительные перепады температур, влажности, а также вибрацию и тряску. Воздействие климатических и механических факторов предъявляет высокие требования к механической прочности и электрической надежности автомобильных приемников.
Особенностью автомобильной радиоприемной аппаратуры является также то, что водитель не может постоянно отвлекаться на ее управление. В связи с этим в современной радиоаппаратуре самое широкое применение получают электронное и микропроцессорное управление, цифровая индикация режимов работы и др.
Выбор типа автомобильного приемника, трактор преобразования и усиления промежуточной частоты зависит от технического задания и предъявляемых требований к устройству радиоприемного устройства.
1.
Выбор предварительной структурной схемы приемника
Начальным выбором структурной схемы радиоприемника будет следующая, представленная ниже, далее, в процессе расчета структурной схемы, она будет уточнена и дополнена, по необходимости дополнительными узлами радиотракта. Структурная схема приемника супергетеродинного типа:
2. Обоснование структурной схемы
Технические показатели приемника, такие как чувствительность, при заданном коэффициенте различимости на входе детектора обеспечиваются при условии, что внешние помехи, создаваемые в антенне и другие источники воздействия сравниваются на входе приемника с собственными шумами, пересчитанными ко входу.
Источниками собственных шумов являются в основном активные элементы (транзисторы).
2.1 Выбор промежуточной частоты
Выбор связан с выполнением ряда противоречивых требований. С одной стороны, при малой легче обеспечить более высокий устойчивый коэффициент усиления УПЧ, а следовательно, чувствительность приемника. С другой стороны, при большей легче обеспечить требую избирательность выходной цепи и УРЧ по зеркальному каналу, поскольку, чем больше , тем дальше отстоит зеркальный канал от основного. Кроме того ПЧ должна выбираться вне диапазона частот настройки приемника, в связи с тем, чтобы обеспечить требуемую избирательность РТ по побочному каналу приема с частотой и не совпадала с частотами мощных передающих станций. Промежуточная частота должна быть как минимум в 5-10 раз больше полосы пропускания УПЧ для того, чтобы можно было считать этот усилитель узкополосными во столько же раз превышать максимальную частоту модуляции аналоговых радиосигналов для того, чтобы не было существенных искажений при детектировании. В целях применения унифицированных фильтров ПЧ должна иметь унифицированную величину. Учитывая все вышеизложенное, номиналы стандартизированы.
В случае АМ номинал ПЧ по ГОСТУ выбирается из следующего ряда: 0.070, 0.076, 0.465, 0.468, 1.840, 2.900, 10.700, 24.975 МГЦ
Выберем частоту 0.465 МГЦ, как соответствующую вышеизложенным требованиям.
3. Проектирование и разработка структурной схемы приемника
5. - шумовая полоса, определяема для АМ, как , где Fв - верхняя частота воспроизводимого сигнала, Гц; Fн - нижняя частота воспроизводимого сигнала, Гц.
6. Ra - сопротивление антенны, равное 50 Ом, в случае настроенной антенны
Подставляем расчетные значения в формулу: (4)
3.2 Расчет реального коэффициента шума приемника
Расчет реального коэффициента шума производиться по формуле: (5)
- коэффициент шума входной цепи, где - коэффициент передачи по мощности входной цепи, равный при согласовании 0.5, тогда
- коэффициент шума ПРЧ
- коэффициент передачи по мощности УПЧ рассчитываются исходя из выбранного транзистора.
Транзистор выбираем из условия: , где - частота по крутизне
Таким транзистором является КТ3102ВМ: - граничная частота коэффициента передачи, МГЦ;
- емкость коллекторного перехода, =6 ПФ;
- постоянная по времени цепи обратной связи, = 100 пс.
- ток коллектора при изменении , =1 МА;
= 2 - коэффициент, показывающий на технологию изготовления транзистора
- коэффициент передачи тока, = 200..500, в расчетах используется среднее геометрическое данных значений: ;
Так как транзистор работает в отличном от измерений режиме необходимо пересчитать это значение с учетом режима по формуле:
А - рабочий ток коллектора ток, при котором проводились измерения
- мощность, рассеиваемая на коллекторе, = 250 МВТ.
Далее определим граничную частоту крутизны характеристики в схеме с ОЭ : (6)
- активное сопротивление эмиттерного перехода, вычисляется по формуле:
Ом
Вычислим активное сопротивление базы по формуле: Ом
Подставим найденные значения в формулу (6): Гц
Проверим выполнение условия : Гц
Зная данную частоту, проверим условия: условия выполняются, следовательно, транзистор выбран правильно.
Теперь необходимо рассчитать коэффициент усиления по мощности по формуле: (7) где Y21 - проводимость прямой передачи, рассчитываемая по следующей формуле:
(8)
Входящие в нее величины следующие: h21e - коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ h11b- входное сопротивление транзистора, рассчитывается по формуле:
Подставляем полученные значения в формулу (8): А/В
Подставляем известные нам значения в формулу (9): Подставляем полученные значения по формулам (8) и (9) в формулу (7): Осталось найти коэффициент шума ПРЧ:
где Ntp - коэффициент шума транзистора, равный для КТ3102ВМ, 10
Получаем следующие соотношения: Расчетные соотношения подставляем в формулу (5) для коэффициента шума: Проверяем условие : условие выполняется, можно переходить к расчету цепей радиотракта.
3.3 Расчет избирательных цепей преселектора
Основная функция преселектора состоящая в данном случае только из ВЦ, подавление зеркального канала при заданном уровне линейных искажений.
Пусть преселектор реализован в виде одиночного колебательного контура.
1. Расчет из условия подавления зеркального канала (ЗК): Вычислим частоту зеркального канала: Гц где - промежуточная частота, равная 465 КГЦ
Добротность колебательного контура рассчитывается по следующей формуле:
(10) где y - обобщенная расстройка, определяемая по следующей формуле
- селективность по зеркальному каналу, равная в соответствии с техническим заданием 30 ДБ, ее необходимо пересчитать разы: (раз)
Подставляем необходимые составляющие в формулу (10): , что выше технически реализуемой добротности, равной 80, поэтому перейдем к варианту с УРЧ, тогда подавление ЗК разделим поровну между ВЦ и УРЧ. Формулы примут вид:
Подставляем числовые значения и получаем следующее значение добротности: , что технически реализуемо.
2. Расчет из условия требуемой неравномерности АЧХ
На тракт ВЦ и УРЧ выделяемая неравномерность составляет 3ДБ, вычислим соответствующие добротности.
Для начала необходимо перевести значение неравномерности в разы: Вычисляем добротность по формуле: (11) где fmin - минимальная частота сигнала, Гц
Пс - полоса, занимаемая сигналом при АМ, рассчитывается: Гц
Подставляем значения (11): Выбираем добротность из условий
Принимаем =55
Исходя из вышеприведенных вычислений и рекомендаций, схема преселектора примет следующий вид:
Производить перерасчет реального коэффициента шума не требуется так, шум, вносимый каскадом УРЧ меньше приблизительно в два раза шума ПРЧ, поэтому ощутимого вклада в коэффициент шума не произойдет.
1.Для заданного значения чувствительности приемника найдем требуемый коэффициент усиления радиотракта по формуле: (12)
Где: - амплитуда на входе детектора, = 0.5 В;
- чувствительность приемника, = 30МКВ.
Подставляем значения в (12) и вычисляем: 2. Определим необходимое число каскадов УПЧ
Из эмпирических сведений известно среднее значение коэффициентов усиления узлов радиотракта: (резисторный каскад);
(одиночный колебательный контур);
(для связных колебательных контура).
Оконечный каскад должен быть резонансного типа с одиночным колебательным контуром: .
Определим коэффициент, реализуемый в тракте ПЧ, по формуле: (13)
Вычислим необходимое количество каскадов УПЧ, так как каскады УПЧ построены на ОКК (одиночный колебательный контур), то усиление примем равное 10, тогда: , то есть необходимо применить 2 каскада УПЧ.
3.6 Окончательная структурная схема
4. Расчет отдельных узлов радиотракта
4.1 Расчет параметров ВЦ
Входная цепь должна обеспечивать ряд технических показателей: 1.Обеспечивать прием сигнала в заданном рабочем диапазоне.
2.Обеспечивать постоянство коэффициента передачи в диапазоне принимаемых частот.
3.Подавление зеркального канала.
Перестройка контура ВЦ может обеспечиваться с применением варикапов или конденсаторов переменной емкости.
Проведем расчет блока конденсаторов переменной емкости: Вычислим коэффициент перекрытия по диапазону по формуле:
Для проверки дальнейшего условия нам потребуется квадрат коэффициента, вычислим его: В первом приближении выбираем блок КПЕ - 3 с твердым диэлектриком, вычисляем его коэффициент перекрытия:
Проверяем условие : , то есть условие выполняется, выбираем блок КПЕ-3 с твердым диэлектриком.
Переходим к дальнейшему расчету коэффициентов включения фидера антенны и входа УРЧ к ВЦ.
Коэффициент включения антенны вычисляем по формуле: (14) где dэ - эквивалентное затухание контура, вычисляется:
Ccx - полная емкость схемы для данного диапазона выбирается из таблицы 4.4 и равна: , Ом - волновое сопротивление фидера, выбирается равным сопротивлению антенны.
Подставляем значения в (14): Таким образом коэффициент включения антенный во входной контур равен: Рассчитаем коэффициент включения входа УРЧ: (15) где dэ - эквивалентное затухание контура ВЦ d - собственное затухание контура, выбирается из таблицы 4.5, и данном случае равно: - входное сопротивление УРЧ, рассчитывается по следующей формуле: (16), где g11 - входная проводимость УРЧ
Рассчитаем ее по формуле: (17) h21e - коэффициент передачи по току в схеме ОЭ h11b - величина входного сопротивления транзистора при коротком замыкании на выходе
Коэффициенты вычисляются:
Подставим значения в формулу (17): См
Теперь подставляем в (16): Ом
Теперь найденные числовые значения подставим в (15): Таким образом, коэффициент включения входа УРЧ равен: Рассчитаем емкость контура по формуле: (18) где CL - паразитная емкость катушки индуктивности, равная 3 ПФ
См - емкость монтажа, равная 5 ПФ
Свх - входная емкость транзистора, равная для КТ3102ВМ 9ПФ
Подставляем в (18): Ф
По ГОСТ выбираем два параллельно включенных конденсатора емкостью 4.7 ПФ.
Вычисляем индуктивность контура: МКГ
По ГОСТУ выбираем L=6.8 МКГ.
Вычислим индуктивность связи: Гн
По ГОСТУ выбираем L=1.3 МКГ.
Для снижения паразитной емкости между и коэффициент связи между ними, обеспечивая согласование, должен быть наименьшим. Вычисляем минимальный коэффициент связи, при котором обеспечивается согласование:
Рассчитаем коэффициент передачи по напряжению ВЦ: (19) где Lф -коэффициент передачи фидера, определяемый по рисунку 4.16 по произведению : - затухание в фидере, ДБ/м
- длина фидера, м
Примем м, (для кабеля РК 50-7-58), тогда произведение равно: (согласно графику)
K0c вычисляем по формуле:
Подставляем расчетные данные в (19):
4.2 Расчет параметров УРЧ
Для облегчения операции регулировки усиления, применяют автоматическую регулировку усиления (АРУ).
Найдем необходимое количество каскадов АРУ: , где Dapy - эффективность системы АРУ, Крег - коэффициент усиления без регулировки, Крег = 10.
Из расчета видно, что необходим один каскад охваченный АРУ, для большей эффективности регулирования, необходимо подавать сигнал АРУ в каскад с наименьшим током покоя, таковым является УРЧ.
Рассчитаем элементы, обеспечивающие режим УРЧ. При схеме питания от одного источника, которая обеспечивает термостабилизацию режима по постоянному току и параметров транзисторов в пределах = 253 К до = 353 К
Определим изменение обратного тока коллектора, при этом учтем что транзистор кремниевый: (20) где Ikb0=15 НА - обратный ток коллектора
T0 = 293К - стандартная комнатная температура
Подставляя в (20), находим: А Вычисляем тепловое смещение базы: В, где
Рассчитываем необходимую нестабильность коллекторного тока: А Вычисляем сопротивления резисторов: (21)
Подставляем рассчитанные соотношения в (21): Ом
Выбираем по ГОСТУ Rэ=13 КОМ
(22) где Еп - напряжение питания, равное для автомобильных приемников 14В
Uкэ - напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке, принимаем равным 5 В
Подставляем значения в (22): Ом
Выбираем в соответствии с ГОСТОМ Rф=4.3 КОМ.
Подставляем числовые значения: Ом
По ГОСТУ Rд2=75 КОМ.
Ом
По ГОСТУ Rд1=68 КОМ.
Подсчитываем емкости конденсаторов:
Ф
Выбираем значение емкости согласно ГОСТ Сб=Сэ=1НФ.
Ф
Из стандартного ряда E24 выбираем значение Сф=330ПФ.
Произведем расчет резонансного коэффициента усиления УРЧ по формуле: (23) где m и n - коэффициенты включения транзистора и следующего каскада в контур УРЧ соответственно, вычисляются по формулам: и где dэ - эквивалентное затухание контура dk - затухание контура вне схемы
- характеристическое сопротивление контура, вычисляется по формуле: Ом
- выходное сопротивление транзистора, вычисляемое по формуле: (24) где g22 - выходная проводимость транзистора
Определим g22 по формуле: См
Подставим найденное значение в (24): Ом
Определим , вычисляемое по формуле: (25) где g11ПРЧ - входная проводимость каскада ПРЧ
Для g11ПРЧ существует формула: , где присутствует известное нам значение входной проводимости g11, так как используемые нами транзисторы КТ3102ВМ, то: См
Находим См
Подставляем в (25): Ом
Теперь нам известны все необходимые данные для расчета коэффициентов включения: , так 2.587>1, следовательно примем m=1, коэффициент включения транзистора УРЧ в контур - коэффициент включение входа ПРЧ в контур
Перейдем к расчету крутизны транзистора: , статическое значение крутизны
Подставим вычисленные выше данные: А/В
Необходимо пересчитать значение в соответствие с рабочей частотой: А/В
Рассчитаем сопротивление контура: (26)
где Goэ определяется следующим образом: См
Тогда подставляем в (26): Ом
Подставим все искомые данные в (23): Вычислим по формуле:
Не выполняется условие , необходимо уменьшить коэффициенты включения: Примем
Тогда изменяться эквивалентные параметры: Ом
А коэффициенты усиления примут следующие значения:
Теперь необходимое условие выполнятся .
4.3 Расчет параметров ПРЧ
В преобразователе будем использовать тот же транзистор, что и в УРЧ КТ3102ВМ, потому что он удовлетворяет необходимым требованиям, также, исходя из большей унификации, и в дальнейших расчетах будем использовать КТ3102ВМ.
Данный транзистор обладает следующими параметрами: - граничная частота коэффициента передачи, МГЦ;
- емкость коллекторного перехода, =6 ПФ;
- постоянная по времени цепи обратной связи, = 100 пс.
- ток коллектора при изменении , =1 МА;
= 2 - коэффициент, показывающий на технологию изготовления транзистора
- коэффициент передачи тока, = 200..500, в расчетах используется среднее геометрическое данных значений: ;
Так как транзистор работает в отличном от измерений режиме необходимо пересчитать это значение с учетом режима по формуле:
А - рабочий ток коллектора ток, при котором проводились измерения
- мощность, рассеиваемая на коллекторе, = 250 МВТ.
Далее определим граничную частоту крутизны характеристики в схеме с ОЭ : (27)
- активное сопротивление эмиттерного перехода, вычисляется по формуле: Ом
Вычислим активное сопротивление базы по формуле: Ом
Подставим найденные значения в формулу (27): Гц
Зная fs, проверим выполнение условия : условие выполнено. Транзистор выбран правильно для работы в ПРЧ.
Произведем расчет на промежуточной частоте:
Далее рассчитаем Y - параметры КТ3102ВМ на промежуточной частоте. Расчет выполняем по таблице 3.1. Проводимость прямой передачи:
(28)
Так как все необходимые числовые данные посчитаны выше, то воспользуемся ими. Подставляем их в (28):
Учтем, что транзистор работает не в усилительном каскаде, а в каскаде преобразователя частоты, следовательно, имеем:
Проводимость обратной передачи:
Учтем свойства ПРЧ:
Выходная проводимость:
Входная проводимость:
Учтем свойство преобразователя:
Рассчитаем активные входную и выходную проводимости каскада ПРЧ, которые потребуются для дальнейших вычислений: Входная проводимость вычислена в пункте 4.2: См
Выходная проводимость определяется по формуле: См
Учтем, что транзистор работает в каскаде преобразователя частоты: См
Проведем расчет элементов избирательного контура в нагрузке ПРЧ: Вычислим индуктивность контурной катушки по формуле: МКГН
По ГОСТ выбираем L=1.1МГН
Емкость конденсатора контура определим по формуле:
(29) где С22 - выходная емкость, определяемая по формуле: Ф
Подставляем ее в (29): Ф
По ГОСТ выбираем Скон=91ПФ.
Определим коэффициент включения транзистора ПРЧ в контур: (30) где d - затухание контура ПРЧ, вычисляемое из условия: Выбирая электромеханический фильтр ЭМПФ-5-465-6 с характеристиками: Средняя частота полосы пропускания f0, КГЦ - 465
Ширина полосы пропускания на уровне 3ДБ, КГЦ - 5.6 - 6.4
Затухание на частоте f0 10 КГЦ, ДБ - свыше 56
Вносимое затухание в полосе пропускания Lf, ДБ - менее 8.5
Номинальное значение характеристических сопротивление: Выходного, КОМ - 10
Входного, КОМ - 1
Гц
Находим: Гц
Вычислим затухание контура по формуле:
Ом
- характеристическое сопротивление контура.
- затухание ненагруженного контура
Подставляем все значения в (30): Принимаем
Рассчитаем коэффициент включения электромеханического фильтра в контур:
Принимаем , так как расчетный больше 1.
Рассчитаем коэффициент усиления преобразователя частоты по формуле (23), где все параметра для транзистора, работающего в каскаде преобразователя частоты: Рассчитаем по формуле: , где См.
Вычисляем эквивалентное сопротивление контура: Ом
Подставляем расчетные значения в формулу (23): Проверим на устойчивость по формуле: Каскад устойчив, выполняется условие .
4.4 Расчет параметров УПЧ
Для каскада УПЧ выбираем тот же транзистор КТ3102ВМ, который имеет следующие параметры при работе в каскадах УПЧ: - граничная частота коэффициента передачи, МГЦ;
- емкость коллекторного перехода, =6 ПФ;
- постоянная по времени цепи обратной связи, = 100 пс.
- ток коллектора при изменении , =1 МА;
= 2 - коэффициент, показывающий на технологию изготовления транзистора
- коэффициент передачи тока, = 200..500, в расчетах используется среднее геометрическое данных значений: ;
Так как транзистор работает в отличном от измерений режиме необходимо пересчитать это значение с учетом режима по формуле:
А - рабочий ток коллектора ток, при котором проводились измерения
- мощность, рассеиваемая на коллекторе, = 250 МВТ.
Далее определим граничную частоту крутизны характеристики в схеме с ОЭ : (31)
- активное сопротивление эмиттерного перехода, вычисляется по формуле: Ом
Вычислим активное сопротивление базы по формуле: Ом
Подставим найденные значения в формулу (31): Гц
Проверим выполнение условия : Гц
Зная данную частоту, проверим условия: условия выполняются, следовательно, транзистор выбран правильно.
Определим - входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе, рассчитываемое по формуле: Ом
Рассчитаем необходимые нам Y - параметры: S - крутизна транзистора, рассчитывается по следующей формуле: А/В
Пересчитаем крутизну с учетом рабочей частоты: А/В
Далее вычислим входную и выходную активные проводимости по следующим формулам: См
- входная проводимость транзистора.
См
- выходная проводимость транзистора.
Рассчитаем входное сопротивление по формуле: (32)
Подставляем рассчитанную проводимость в (32): Ом
- входное сопротивление каскада УПЧ
Выходное сопротивление рассчитываем по формуле: (33)
Подставляем в (33) рассчитанную проводимость g22: Ом - выходное сопротивление каскада УПЧ
Нагрузкой каскада УПЧ служит тот же контур, что и в преобразователе частоты, так как требуемая селективность в нашей схеме достигается с помощью электромеханического фильтра.
Контур обладает следующими параметрами: Индуктивность контура: МКГН
По ГОСТ выбираем L=1.1МГН
Емкость конденсатора контура определим по формуле: (34) где С22 - выходная емкость, определяемая по формуле: Ф
Подставляем ее в (34): Ф
По ГОСТ выбираем Скон=75ПФ.
Гц
Затухание контура:
Ом - характеристическое сопротивление контура.
- затухание ненагруженного контура
Далее вычисляем коэффициенты включения:
Так полученный коэффициент включения больше 1, следовательно, принимаем .
Коэффициент включения входа следующего УПЧ:
Вычислим эквивалентное сопротивление нагруженного контура, определяемое по формуле: (35) где
Можно видеть, что условие , следовательно, необходимо изменить коэффициенты включения. При значениях получаем следующий коэффициент усиления: , что удовлетворяет вышеописанному условию.
Нами было рассчитано, что требуется два каскада промежуточной частоты, так они предполагаются идентичными, то расчет УПЧ2 не требуется.
4.5 Проверка обеспечения требуемого усиления сигнала
По итогам расчетов получим реальные значения коэффициентов усиления: 1. Коэффициент передачи входной цепи ;
2. Коэффициент передачи усилителя радиочастоты ;
3. Коэффициент передачи преобразователя радиочастоты ;
4. Коэффициент передачи преобразователя радиочастоты .
Найдем общий коэффициент усиления приемника:
с двумя УПЧ. с одним УПЧ.
Так как коэффициент усиления радиотракта с одним УПЧ больше требуемого, то есть выполняется условие , то можно отказаться от второго каскада УПЧ.
Список литературы
1. А.П. Сиверс - Проектирование радиоприемных устройств - М.: Советское радио, 1976.
