Предварительный расчет и составление структурной схемы приемника. Выбор и обоснование селективных систем и расчет требуемой добротности контуров радиочастотного тракта. Схема и расчет входной цепи. Выбор средств обеспечения усиления линейного тракта.
При низкой оригинальности работы "Разработка и расчет радиоприемного устройства УКВ диапазона с частотной модуляцией", Вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100%
Основными функциями, выполняемыми приемником, являются: - выделение принимаемых сигналов из множества сигналов других радиостанций и помех (фильтрация по частоте); Разработать приемник со следующими параметрами: Назначение приемника Вид модуляции Диапазон частот, МГЦ Чувствительность, МКВ, не менее Избирательность по зеркальному каналу, ДБ, не менее Избирательность по соседнему каналу, ДБ, не менее Диапазон воспроизводимых звуковых частот, Гц, не уже Напряжение источника питания, В Максимальная рабочая температура, ОС Тип антенны УКВ, ВЧ ЧМ 88-108 3 44 33 100-11000 10 45 штырь Выбрать, описать и рассчитать основные элементы для систем автоподстройки частоты (АПЧ). Предлагаемый для курсового проектирования радиовещательный приемник целесообразно выполнять по супергетеродинной схеме с однократным преобразователем частоты, поскольку такая схема построения приемника дает возможность обеспечить достаточно высокие технические показатели приемника без лишнего усложнения его схемной реализации. Совокупность функциональных блоков, от антенны включая детектор, образуя так называемый линейный тракт приемника (ЛТП), и предметом проектирования является проектирование линейного тракта.
Введение
Радиоприемным называется устройство, предназначенное для приема сообщений, передаваемых с помощью электромагнитных волн. Радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника и оконечного устройства. В приемной антенне под действием электромагнитного поля возникают электрические колебания, которые являются входными сигналами для приемника. В качестве оконечного устройства, воспроизводящего или регистрирующего переданные сообщения, используют громкоговоритель, кинескоп, буквопечатающий аппарат, электронно-вычислительные устройства и т.д. Основными функциями, выполняемыми приемником, являются: - выделение принимаемых сигналов из множества сигналов других радиостанций и помех (фильтрация по частоте);
- усиление принимаемых сигналов, мощность которых на входе обычно весьма мала;
- детектирование высокочастотных сигналов для выделения переносимых этими сигналами сообщений;
- обработка принимаемых сигналов с целью уменьшения влияния помех.
Радиоприемники классифицируют по их назначению, диапазону принимаемых частот, виду модуляции и т.д. Различают также приемники ламповые и транзисторные, стационарные и переносные. Во много от тех и других отличаются приемники, устанавливаемые на движущихся объектах, - автомобильные, самолетные, спутниковые и т.д. По характеру источника питания приемники разделяют на сетевые и батарейные.
Техническое задание
Разработать приемник со следующими параметрами: Назначение приемника Вид модуляции Диапазон частот, МГЦ Чувствительность, МКВ, не менее Избирательность по зеркальному каналу, ДБ, не менее Избирательность по соседнему каналу, ДБ, не менее Диапазон воспроизводимых звуковых частот, Гц, не уже Напряжение источника питания, В Максимальная рабочая температура, ОС Тип антенны УКВ, ВЧ ЧМ 88-108 3 44 33 100-11000 10 45 штырь
Рассчитать входную цепь, УРЧ и преобразователь частоты. Выбрать, описать и рассчитать основные элементы для систем автоподстройки частоты (АПЧ).
1. Предварительный расчет и составление структурной схемы приемника
1.1 Состав структурной схемы приемника
Предлагаемый для курсового проектирования радиовещательный приемник целесообразно выполнять по супергетеродинной схеме с однократным преобразователем частоты, поскольку такая схема построения приемника дает возможность обеспечить достаточно высокие технические показатели приемника без лишнего усложнения его схемной реализации.
В схему входят следующие функциональные блоки: ВЦ - входная цепь, на которую принимаемый сигнал поступает от внешней или внутренней антенны;
УРЧ - усилитель радиочастоты;
ПЧ - преобразователь частоты, в состав которого входят смеситель (см) и гетеродин (гет) и в котором происходит преобразование принимаемой частоты сигнала в постоянную промежуточную частоту;
УПЧ - усилитель промежуточной частоты, осуществляющий основное усиление сигнала;
ЧД - частотный детектор, перед которым включается амплитудный ограничитель (АО);
УЗЧ - усилитель звуковой частоты;
АПЧ - система автоподстройки частоты.
АС - акустическая система на выходе приемника, в качестве которой может быть громкоговоритель.
Совокупность функциональных блоков, от антенны включая детектор, образуя так называемый линейный тракт приемника (ЛТП), и предметом проектирования является проектирование линейного тракта.
1.2 Расчет полосы пропускания приемника
Полоса пропускания всего высокочастотного тракта приемника Пвч от антенны до детектора должна быть больше ширины спектра сигнала изза возможных отклонений частот и погрешностей сопряжения контуров сигнала и гетеродина, т.е. Пвч>Пс.
При проектировании радиовещательных приемников надо учесть, что рабочие частоты радиовещательных станций имеют очень высокую стабильность, и поэтому отклонения частоты принимаемого сигнала можно не рассматривать и не учитывать. Наилучшее качество приема наблюдается при точной настройке приемника на принимаемую станцию, а именно при совпадении преобразованной в промежуточную частоты сигнала с центральной частотой полосы пропускания тракта промежуточной частоты (ТПЧ). При этом расчете следует учесть возможные отклонения частоты гетеродина, т.е. взять 2?fг.
Таким образом, найдем: П = Пс 2?fг (1)
В случае в ЧМ сигналов полоса частот Пс, занимаемая спектром сигнала, равна
Гц (2) где М - коэффициент частотной модуляции и равен;
(3)
- максимальное отклонение (девиация) частоты;
Fв - верхняя модулирующая частота (100-11000 Гц).
Абсолютную величину отклонения частоты гетеродина ?fг можно рассчитать, основываясь на известных данных по его относительной стабильности частоты. Считается, что транзисторный гетеродин без кварцевой стабилизации и без термостатирования имеет относительную нестабильность частоты
(4) причем в диапазонном приемнике в качестве частоты гетеродина надо брать верхнюю, т.е. максимальную частоту заданного диапазона, плюс промежуточную частоту fг = fг макс = fc fпрчм = 108 •106 10.7*106 = 118.7 МГЦ
Поэтому абсолютные отклонения частоты гетеродина могут быть рассчитаны по формуле: ?fг = fг • ?fг = fг • 10-4 = 118,7 • 102 = 11.87 КГЦ
Таким образом, подставляем найденные значения в (1), получаем: П = Псчм 2?fг = 168,90 2 • 11,87 = 192,64 КГЦ.
При расчете полосы пропускания радиочастотного тракта (преселектора) Прч, следует учесть еще погрешность сопряжения (?fсопр = 300 КГЦ [4]) частот настроек контуров цепей сигнала гетеродина.
1.3. Выбор селективных систем и расчет требуемой добротности контуров радиочастотного тракта
Целью этого этапа проектирования является выбор числа и типа селективных систем всего радиочастотного тракта приемника и расчет их требуемой эквивалентной добротности Qэ, исходя из заданной избирательности приемника по зеркальному каналу Sезк = 44МКВ и обеспечения требуемой полосы пропускания этого тракта Прч при допустимой неравномерности АЧХ. В этом случае надо рассчитать Qэ, исходя из допустимой неравномерности АЧХ в полосе пропускания Qэп, затем исходя из заданной избирательности по зеркальному каналу Qэз, и принять такое значение Qэ, чтобы выполнить оба эти условия, т.е.
Qэп ? Qэ ? Qэз (6)
После проведенного расчета полосы пропускания удобно рассчитать добротность Qэп.
Для этого надо распределить общую допустимую неравномерность АЧХ 14 ДБ [4] по блокам приемника и задаться допустимой неравномерностью АЧХ в полосе радиочастотного тракта.
Как правило, в преселекторе используются два одиночных контура: один во входной цепи и один в УРЧ. Если эти контуры одинаковые, то их добротность рассчитывается по формуле: (7) где ? = 1,1 в относительных единицах (разах) fн = 88 МГЦ нижняя частота заданного диапазона.
Имея ввиду, что микросхемы и биполярные транзисторы имеют малое входное сопротивление и при подключении к контуру они существенно (в 1,5-2 раза) снижают его собственную добротность. Поэтому значение Qэз не должно быть большим и должно лежать в пределах Qэз = 50 - 80.
Поэтому применим 2 одиночных одинаковых контура в преселекторе, при этом требуемая эквивалентная добротность определяется по формуле: (8) где у - относительная частотная расстройка
Sезк = 44 ДБ =1044/20 = 158,489 раз По формуле (8): Тогда для выполнения условия (6) Qэ принимаю равным Qэ = 35.
1.4 Выбор и расчет селективных систем тракта промежуточной частоты
Целью данного раздела проектирования является определение типа и числа резонансных систем тракта промежуточной частоты (ТПЧ). И для того, чтобы это обеспечить применяют фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), называемые также фильтрами сосредоточенной избирательности (ФСИ).
Расчет ТПЧ начнем с ФСС.
Выбор и расчет ФСС
В приемниках разных групп сложности, имеющих как средние, так и высокие качественные показатели, применяются многозвенные ФСС на LC-элементах. Схема включения такого многоконтурного фильтра приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Возможная схема ФСС
В этой схеме каждый контур фильтра с учетом элементов связи настроен на среднюю частоту полосы пропускания, т.е. на промежуточную частоту fпр.
Для получения качественно возможного коэффициента прямоугольности АЧХ используют фильтры с характеристиками Чебышева. Однако, с целью уменьшения всплесков АЧХ в полосе пропускания и уменьшения нелинейности ФЧХ используем ФСС с максимально гладкой АЧХ, т.е. с характеристикой Баттерворта [4]: ? (?) = n, (9) где v - параметр, определяющий ?п - неравномерность АЧХ на краях полосы пропускания;
n - число контуров ФСС.
? = ?f / П - обобщенная расстройка; (10)
?fск = 300 КГЦ [4], ППЧ чм = 150 КГЦ [7, c. 24]
Тогда по (10): ? = 2 • 300 / 150 = 4
Допустимую неравномерность 14 ДБ в диапазоне УКВ всего тракта по звуковому давлению диапазона воспроизводимых частот следует распределить таким образом, чтобы на тракт промежуточной частоты приходилась неравномерность АЧХ в полосе пропускания не более 6 ДБ, поэтому возьмем ?п = 3 ДБ = 1,41 (разах). Неравномерность АЧХ на краях полосы пропускания равна [1]: ?п = => v = ?п2 -1= 1,412-1=0,9881 ? 1, Для приемников ЧМ расстройку соседнего канала принимаем равной ?fск = ±300 КГЦ. [4]
Переведем заданную селективность из ДБ в разы: Seck = 33 ДБ =1033/20 = 44,668
Необходимое число контуров, при неравномерности АЧХ в полосе ?п = 3 ДБ, при v =1 и ? > 1, находим: n ? lg Seck /lg ? = lg 44,668 /lg 4 = 2,74 ? 3
Выбираем 3 контура.
ПФ можно реализовать, если [3, c. 213]: (11) fпр = 10,7•106 Гц,
Конструктивное затухание:
Нормированные значения затуханий [3]: (12)
Выберем Д< 0.5 = 0,2
Тогда Д1= А - (n - 1)•Д = 2 - (3 - 1)• 0,2 = 1,6 где А=2, при n =3 [3, c. 213].
Из рисунка 7.10 [3] определяем при Д=0,2 нормированные значения коэффициентов связи: К12=1,8; К23=0,87; К34=0,6; К450,48; К56=0,35; К67=0,88.
Абсолютные значения коэффициентов связи и затухания [3]: ki,i 1=Ki,i 1*П / fпр, d1=Д1*П / fпр. (13)
1.5 Выбор средств обеспечения усиления линейного тракта приемника
В линейном тракте приемника ЧМ требуется обеспечить необходимое усиление полезного сигнала.
В приемнике ЧМ сигналов при применении отдельного диодного амплитудного детектора амплитуда сигнала, подводимого ко входу детектора имеет величину порядка 0,2 - 0,4 В, т.е. Uвх.д =0,3 В.
Амплитуда сигнала на входе приемника при задании чувствительности по напряженности поля Е в точке приема определяется соотношением [4]: Uвх.пр-ка=Е•hд• , (15) где hд - действующая высота (длина) приемной антенны, для штыревых антенн диапазона УКВ можно принять значение hд ? 0,1?0,2 м, hд = 0,15 м.
Uвх.пр-ка=3 * 10-6 •v2= 4,24 МКВ.
При этом требуемый коэффициент усиления рассчитываем по формуле: Котр = Uвх.д / Uвх.пр-ка = 0,3• 106 /4,24 = 70,71 •103 (16)
Проверим, достигается ли в линейном тракте приемника требуемое усиление принимаемого сигнала. Для этого рассчитаем общий коэффициент усиления линейного тракта как произведение коэффициентов усиления его отдельных каскадов [4], т.е.
Ко = КВЦ * КУРЧ * КПЧ * КФСС * КУПЧ, Обычно Квц = 0,5-0,7
КУРЧ =3-10
КПЧ = 1
КФСС =0,5-0,7
КУПЧ = 103 - 105
Ко = 0,5 • 4 • 1 • 0,5 • 105 = 105
Надо выполнить условие: Ко > Котр., т.е. 105 > 7 • 104 выполняется.
2. Входные цепи
2.1 Схема и расчет входной цепи
В диапазоне УКВ используются электрически настроенные (диполи) и ненастроенные штыревые телескопические антенны, и связь входного контура с антенной - трансформаторная или внешнеемкостная.
Приближенная эквивалентная схема штыревой антенны представляет собой ЭДС Еа, влюченный последовательно с емкостью Са, приведена на рис. 3.
Эквивалентная емкость штыревой антенны СА имеет малую величину, порядка нескольких пикофарад. Емкость СА зависит от длины штыря антенны приемника в может быть определена по следующей приближенной формуле: СА ? 10 • l (17) где l - длина штыря в метрах.
При отсутствии заземления корпуса приемника емкость штыревой антенны несколько увеличивается и в зависимости от размеров корпуса приемника может иметь значения от 3 до 10 ПФ.
Действующая высота штыревой антенны приближенно равна длине штыря l, т.е. hд ? l = 0,15 м
ЭДС ЕА равна [4]:
ЕА = Е * hд ? Е * l = 3 • 0,15 = 0,45, (18) где Е - напряженность поля.
Рис. 4 Эквивалентная схема штыревой антенны в диапазоне УКВ
Выполним расчет входной цепи с внешнеемкостной связью по схеме:
Рис. 5 Схема входной цепи с внешнеемкостной связью с антенной и внутриемкостной связью с транзистором
Для настройки контура входной цепи используем секцию блока конденсаторов.
Параметры антенны САМАХ = 10 ПФ и CAMIN = 3 ПФ, RA = 300 Ом
Эквивалентное затухание контура входной цепи dэр = 0,022, собственное затухание контура d=0.01 тогда находим наибольшую емкость связи с антенной ССВА?f, при которой разброс емкости антенны вызывает допустимую расстройку входного контура приемника, полагая, что расстройки, обусловленные разбросом емкостей антенны и входа УРЧ, одинаковы [5]: (21)
Выбираем емкость связи из условия
Ссв A ? 0.89 ПФ
Выбираем ССВА = 0,87 ПФ
Рассчитываем коээфициент включения контура ко входу УРЧ, при котором обеспечивается требуемая избирательность по зеркальному каналу: (22)
Параметры 1-го активного элемента Rвх =1КОМ и Свх =15ПФ (транзистор КТ368)
Рассчитываем емкость связи, необходимую для получения мвхзк:
Ссв.вх ? (23)
Ссв.вх ? ПФ
Определяем емкость подстроечного конденсатора:
Определяем коэффициент передачи входной цепи для крайних частот поддиапазона (f = 88 -108МГЦ) по формуле
, (24) где мвх = (Ск Сп См) /(Ск Сп См Ссв вх Свх) (25)
Для нижней частоты: Для верхней частоты диапазона по формулам 24 и25: Таким образом, сочетание внешнеемкостной связи с антенной и внутриемкостной связи со входом УРЧ обеспечивает малое изменение коэффициента передачи входной цепи по диапазону.
3. Электронная перестройка контуров
Для электронной перестройки частоты в радиовещательного приемника АМ тракта применим варикапную матрицу КВС - 111А из двух варикапов.
Для варикапов КВС - 120 усредненная зависимость емкости напряжения следующая: С = Снач • ((Uнач ?нач)/ (u ?нач))0,43, (26) где Снач = 33ПФ при управляющем начальном напряжении Uнач = 4В ?нач - контактная разность потенциалов p-nерехода, ?нач = 0,85 В u - текущее значение управляющего напряжения. (от 0 до 30 В)
С при u =0 = 33 • ((4 0,85)/ (0 0,85))0,43 = 69,78 ПФ
Основные параметры варактора КВС - 111А [4, табл 4.1]
Сном.мин=27ПФ, Сном.макс=39 ПФ, Q= 200, Іобр.макс= 1 МКА, Uобр.макс =30 В, режим измерения: Сном: U = 4 В, f = 1МГЦ, Q: f = 50 МГЦ, U = 4B
4. Усилитель радиочастоты
Сделаем в приемнике на транзисторах резонансный УРЧ, так как при этом достигается улучшение избирательности по зеркальному и другим побочным каналам приема. В УРЧ используем биполярные транзисторы по схеме с общей базой, так как она имеет меньшую проходную емкость и обеспечивает в связи с этим больший устойчивый коэффициент усиления. В диапазоне УКВ контур УРЧ делается перестраиваемым по диапазону.
В супергетеродинных приемниках высокого класса и в приемниках прямого усиления с числом перестраиваемых контуров более одного целесообразно применять каскодные усилители (рис. 6). [7, c. 44] Устойчивый коэффициент усиления такого усилителя с транзисторами, имеющими высокую граничную частоту, при рациональном выполнении монтажа очень велик, что достигается благодаря малой проходной емкости каскада ОБ. Такие усилители хорошо работают в диапазоне УКВ. Так как коэффициент усиления первого транзистора по напряжению равен 1, то напряжение питания между его эмиттером и коллектором можно выбрать небольшим (1 - 2 В), обеспечив тем самым запас по питанию второго транзистора, и избежать ограничения в его коллекторной цепи при значительных амплитудах сигнала па выходе. Температурная стабилизация осуществляется включением в цепь эмиттера резистора R3.
Рисунок 6.
Расчет УРЧ при известных параметрах используемого транзистора сводится к определению коэффициентов включения и элементов транзистора с контуром и к расчету коэффициентов усиления.
Коэффициент подключения р1 и р2 транзисторов к контуру УРЧ вычисляем по формулам [4]: р1 = , (30) р2 = , (31) где Rвых - выходное сопротивление транзистора, нагрузкой которого является данный контур;
Rвх - входное сопротивление следующего усилительного прибора - транзистора;
Qэ, Qk - эквивалентная и конструктивная добротности контура.
В диапазоне УКВ широко применяется транзистор типа КТ368 с параметрами [4]: g11 = 1,35 МСМ, b11 = 5,5 МСМ, g12 = 0,0150 МСМ, b12 = 0,590 МСМ, g21 =36 МСМ, b21 = -11,2 МСМ, g22 = 0,84 МСМ, b22 = 0,940 МСМ, f = 100 МГЦ
Из предыдущих расчетов ?к =105,13 Ом, Qэ = 35, Qk = 142,667;
Rвых = R22 = 1/g22 = 1/0,84*10-3 = 1,19 КОМ;-
Rвх = R11 = 1/g11 = 1/1,35*10-3 = 0,74 КОМ;
р1 = =0,449;
р2 = =0,354
Резонансный коэффициент усиления УРЧ Ко равен: Ко = р1 * р2 * S * Rэ, где S - крутизна на рабочей частоте, S = g21 = 36 МСМ;
УРЧ на транзисторе необходимо проверить на устойчивость, для чего его резонансный коэффициент усиления надо сравнить с устойчивым Коу, равным [4]: Коу = 0,45 * (¦Y21¦/ ¦Y12¦), где¦Y21¦=
¦Y12¦=
Должны получить выполнение условия Ко ? Коу. Как видим условие выполняется.
5. Преобразователь частоты
В диапазоне УКВ широкое распространение вследствие простоты получила схема преобразователя с совмещенным гетеродином. Транзисторный смеситель обычно строится по схеме с общим эммитером для сигнала, т.е. напряжение подается на базу транзистора (рис. 7)
Реальная, электрическая схема цепи АПЧ (без ЧД). соответствующая ее структуре на рис8, представлена на рис. 9. откуда видно, что в качестве ее управителя частотой (УЧ) используется подключенный к одноконтурной резонансной цепи гетеродина варикап В. К нему всегда приложено постоянное запирающее напряжение Еро, значение которого значительно превышает максимально возможное значение амплитуда действующего на нем сигнала в связи с чем его можно рассматривать только в качестве конденсатора переменной емкости Св, однозначно обусловленной величиной подводимого к нему регулирующего напряжения Ер.
Рис. 8.
Требуемая (исходная) резонансная частота гетеродина fг устанавливается при отсутствии регулировка значением Св=Сво, имеющем место при Ер= Ер0. С изменением регулирующего напряжения Ер, когда появляется его приращение ?Ер = Ер - Еро изменяется и значение Св = Сок, что приводит к изменению резонансной частоты гетеродина fг и, следовательно, обеспечивает его подстройку.
Рис. 9.
Содержащийся в схеме рис. 9 дроссель Д устраняет влияние конденсатора (обычно большой емкости) фильтра Сф на настройку резонансной цепи гетеродина. Для устранения же влияния на нее самого дросселя его индуктивность Lд должна заметно превышать значение индуктивности резонансной цепи гетеродина fг, практически достаточно иметь LD = (5…10) Lг.
Как известно, значение его емкости Ср нужно выбрать таким образом, чтобы его сопротивление на частоте гетеродина fг оказалось практически равным нулю.
Буга Н.Н., Фалько А.И. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов - М.: Радио и связь, 1996.
Калихман С.Г., Левин Я.М. Радиоприемники на полупроводниковых приборах. Теория и расчет. - М.: Связь, 1979.
Методические указания по выполнению курсового проекта.
Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А.П. Сиверса. Учебное пособие для вузов. М., «Сов. радио», 1976.
Справочник по учебному проектированию приемно-усилительных устройств / М.К. Белкин, В.Т. Белинский и др. - 2-е изд. - В.ш., 1988.
Справочник радиолюбителя-конструктора. - 3-е изд., переработанное и дополненное. - М.: Радио и Связь, 1983. - 560 с. (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1043).
Размещено на
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
