Разработка приёмника супергетеродинного типа - Курсовая работа

Необходимость разбивки рабочего диапазона частот на отдельные поддиапазоны оценивается с помощью коэффициента перекрытия диапазона частот: (2.1) где, f0 max и f0 min - максимальная и минимальная частота принимаемого сигнала. Частотные искажения, обуславливающие неравномерное усиление в полосе пропускания частот, создаются всеми каскадами РПУ. Сначала определяется эквивалентное затухание контуров: (2.16) где, q=3 - коэффициент шунтирования контуров активными элементами d0 - собственное затухание контура =0,01. Определяется эквивалентная добротность контуров ТСН Qэкв по конструктивной добротности контура: (2.21) где ? - коэффициент шунтирования контура активным элементом; Определяются требования по избирательности и ослабление на краях полосы пропускания для согласующих широкополосных контуров: =1,41 раз =1,41 раз При распределении частотных искажений для тракта ПЧ было принято значении 6ДБ.В результате выполнения курсового проекта, студентом был приобретен навык расчета и проектирования супергетеродинного РПУ, а также разработана схема электрическая принципиальная к нему.

В данном курсовом проекте должен быть разработан приемник супергетеродинного типа по полученным техническим данным. Должна быть разработана схема электрическая принципиальная.

При выполнении курсового проекта должны быть приобретены навыки по выбору и обоснованию основных параметров схемы радиоприемника и его элементной базы.

Должен использоваться ПК, это облегчит выполнение работы и поможет приобрести практические навыки по применению средств вычислительной техники на этапе дипломного проекта.

1. Предварительный расчет супергетеродинного РПУ

2.1 Последовательность выполнения расчета

В техническом задании (ТЗ) на проект приведены следующие данные: 1) диапазон частот принимаемых сигналов:65,8 ? 73 МГЦ;

2) вид модуляции: ЧМ: fн ? fb : 3) избирательность РПУ по соседнему каналу: Scek=28 ДБ;

4) избирательность по зеркальному каналу: Se з.к.=22 ДБ;

5) промежуточная частота =10 МГЦ;

6) неравномерность усиления в полосе пропускания (частотные искажения)=11ДБ;

7) нелинейные искажения=7%;

8) эффективность схемы автоматической регулировки усиления (АРУ): вх=26; вых=8.

9) величина выходной мощности =150 МВТ.

10) напряжение питания =6 В.

2.2 Предварительный выбор структурной схемы РПУ

Радиовещательный приемник предназначен для приема программ звукового радиовещания в диапазоне ультракоротких волн (65,8 ? 74; 100 ? 108 МГЦ).

Схема структурная РПУ

2.3 Выбор числа поддиапазонов и элементов настройки

Необходимость разбивки рабочего диапазона частот на отдельные поддиапазоны оценивается с помощью коэффициента перекрытия диапазона частот:

(2.1) где, f0 max и f0 min - максимальная и минимальная частота принимаемого сигнала.

Кд max=1,05…1,1(выбрано из таблицы)

Применяем способ равных интервалов;

Исходные данные для расчета: f0 max=73 МГЦ; f0 min=65,8 МГЦ; Кд max=1,1

Определяется коэффициент перекрытия Кд:

Кд=1,1094

Производится сравнение полученной величины с Кд max, если Кд <Кдмах, то разбивка на поддиапазоны не производится.

При Кд>Кд max определяется необходимое количество ПОДДИАПАЗОНОВN:

(2.2)

Полученное число округляется до большего целого и принимается за число поддиапазонов. Разбиваем на 2 поддиапазона

Определяется разность крайних частот одного поддиапазона пд : пд = пд =

Определяется интервал частот каждого поддиапазона и с учетом запаса, а также коэффициент перекрытия каждого поддиапазона КПДN

I поддиапазон: (2.4)

МГЦ пд) (2.5)

МГЦ

(2.6)

II поддиапазон: (2.7)

МГЦ

(2.8)

МГЦ

(2.9)

Выбор элемента настройки РПУ

Cmin (ПФ) = 7ПФ; Смах (ПФ) = 50ПФ; варикап КВ121А.

Выбираем варикап Cmin = 8ПФ ,Смах = 50ПФ.

Определяется фактический коэффициент перекрытия поддиапазонов, обеспечиваемый изменением емкости выбранного варикапа или варикапной матрицы:

(2.10) где, Ссх - начальная емкость схемы резонансного контура

Ccx=Cm Cl Cbh (2.11) где, См - емкость монтажа;

CL - собственная емкость катушки индуктивности;

Свн - емкость, вносимая активным элементом 1-го каскада УСЧ на рабочей частоте.

Из таблицы 4 выбираем: См =5ПФ;CL =3ПФ;Свн =21ПФ;

Ccx=5 3 21=29 ПФ

Производится проверка возможности перекрытия каждого из поддиапазонов выбранным элементом настройки РПУ. Для этого необходимо, чтобы Кпдф ?Кпд? N : 1,46?1,35

2.4 Распределение частотных искажений между трактами РПУ

Частотные искажения, обуславливающие неравномерное усиление в полосе пропускания частот, создаются всеми каскадами РПУ.

Основой для распределения частотных искажений являются, как правило, заданные частотные искажения в целом для РПУ.

Выбирается ТСЧ, УПЧ, Предв. УНЧ, Оконеч. УНЧ из таблицы 7, исходя из того что радиовещание приемника происходит в диапазоне частот 65,8-73 МГЦ.

ТСЧ = 0 ДБ; УПЧ = 6 ДБ; Предв. УНЧ = 2 ДБ; Оконеч. УНЧ = 4 ДБ.

2.5 Распределение нелинейных искажений между трактами РПУ

В основном НИ сигнала в РПУ создаются детекторами и каскадами УНЧ, т.е.: Кн общ = Кн дет Кн УНЧ (2.12)

Кн общ = 7%

Кн.дет = 4%

Кн.унч = 3%

2.6 Выбор элементной базы радио-тракта (линейного тракта) РПУ

Выбор активного элемента определяется, прежде всего, диапазоном рабочих частот. Основой для выбора активного элемента в этом случае, является его коэффициент частотного использования:

(2.13) где, fo max - максимальная частота принимаемого сигнала;

fг - граничная частота выбранного активного элемента.

Необходимо, чтобы, а<0,3. а =

Выбираем активный элемент - транзистор КТ 315A, с fг =250 МГЦ, УСЧ-КТ 315; ПЧ (смеситель) - КТ 339A; УПЧ - КТ 339A.

2.7 Расчет полосы пропускания линейного тракта РПУ

Необходимая полоса пропускания определяется реальной шириной спектра принимаемого сигнала ?Fc, допустимой погрешностью сопряжения частоты гетеродина ?fг , т.е. полоса пропускания равна:

(2.14)

Ширина спектра для ЧМ - сигнала определяется:

(2.15) где, FB - верхняя частота модулирующего сигнала;

?fmax =50КГЦ - максимальная девиация частоты ЧМ - сигнала;

?Fc = 2?(50 14) = 128 КГЦ

Fв = 14 КГЦ

?fсопр. = 32 КГЦ

?fг = 0,6? 10-3?73?10 КГЦ

П = 128 32 43,8 = 0,2038 МГЦ

Допустимая погрешность сопряжения контуров для УКВ - диапазона ?fсопр. - 32 КГЦ.

Допустимое отклонение частоты гетеродина для перестраиваемых РПУ: ?fг=0,6? 10-3?f0 max

Расширение полосы пропускания линейного может значительно уменьшается его избирательность. Поэтому для сужения полосы пропускания необходимо снижать нестабильность частоты гетеродина и погрешность сопряжения контуров. Сужение полосы пропускания за счет уменьшения нестабильности гетеродина обеспечивается с помощью автоматической подстройки частоты гетеродина (АПЧГ).

2.8 Проектирование тракта сигнальной частоты ТСЧ

Основные требования, предъявляемые к ТСЧ: - диапазон рабочих частот f0 min … f0 max: fo min …f0 max- 65,8-73 МГЦ;

- избирательность по зеркальному каналу Se з.к.: Se з ю.- 22 дб

- избирательность по помехе, с частотой равной промежуточной частоте Sеп.ч.:Sв. п.ч.- 28 дб

- неравномерность АЧХ в пределах заданной полосы пропускания, АЧХ- 11ДБ

Определение требуемого количества одиночных контуров ТСЧ и их эквивалентного затухания.

Сначала определяется эквивалентное затухание контуров:

(2.16) где, q=3 - коэффициент шунтирования контуров активными элементами d0 - собственное затухание контура =0,01.

Затем ориентировочно определяется необходимое число одиночных контуров исходя из заданной величины избирательности, ориентируясь на типовую величину затухания сигнала зеркальной частоты, обеспечиваемого одиночным контуром Sk и примерно равного 22ДБ.

(2.17)

? 0,88

Полученное значение nсч округляется до большего целого числа и определяется фактическое ослабление сигнала в ТСЧ на границе полосы пропускания РПУ:

(2.18)

Полученное фактическое значение Мсч сравнивают со значением, приведенным в п. 3.4., (ТСЧ). Оно должно быть меньше или равно.

Определение типа и числа избирательных систем ТСЧ.

По ориентировочному числу одиночных контуров nсч вычисляется максимально допустимое значение добротности контуров, обеспечивающее заданное ослабление на краях пропускания для ТСЧ

(2.19) где, П - полоса пропускания;

f0 min - минимальная частота полосы пропускания;

nc.ч - число одиночных контуров;

Мсч - фактическое ослабление сигнала в ТСЧ.

Определяется необходимая добротность контуров Qn, обеспечивающая заданную избирательность по зеркальному каналу Sез.к.: при применении одиночных контуров в ВЦ и УСЧ с индуктивной связью:

(2.20) где, fз.к.max - зеркальная частота: ;

fпр - промежуточная частота РПУ (или первая промежуточная частота fпр1 РПУ с двойным преобразованием частоты).

Определяется эквивалентная добротность контуров ТСН Qэкв по конструктивной добротности контура:

(2.21) где ? - коэффициент шунтирования контура активным элементом;

Qk - конструктивная добротность контура.

Принятое значение добротности Q должно удовлетворять условию Q?Qэкв.

В результате расчетов по п.п.2.8.2.1; 2.8.2.2. и 2.8.2.3 добротность контур Q необходимо принять равной или немного большей Qи, но не больше Qn.

; . Q = 35 (2.22)

Избирательность по промежуточной частоте Sепр. определяется на минимальной частоте принимаемого сигнала или на частотах близких к :

(2.23)

Выбор структурной схемы ТСЧ производят по результатам произведенного расчета.

Связь ВЦ с антенной высшей - первой группы сложности - трансформаторная. УСЧ в ЧМ тракте обычно используют по схеме с общей базой.

ВЦ - перестраиваемый колебательный контур;

УСЧ - тип активного элемента биполярного транзистора КТ 315

К- перестраиваемый колебательный контур;

2.9 Проектирование тракта промежуточной частоты

Основные требования, предъявляемые к тракту промежуточной частоты: значения промежуточных частот FПРЧМ= 10,7 МГЦ, избирательность по соседнему каналу Sec.к. = 22дб.

При выборе избирательной системы тракта ПЧ учитываются следующее: 1) одиночный колебательный контур обеспечивает избирательность по соседнему каналу порядка 5 ... 6 ДБ, пъезофильтр - до 40 ДБ.

Количество требуемых систем с запасом определяется по формуле:

(2.24) где, Sec.к - заданное значение избирательности по соседнему каналу;

Sck1 - значение избирательности выбранной избирательной системы.

2) В усилителях промежуточной частоты (УПЧ) с распределенной избирательностью каждый каскад усиления (обычно с ДПФ) вносит определенный вклад, как в усиление сигнала, так и в избирательность. В УПЧ с разделением функций требуемая селективность осуществляется в преобразовательной ступени тракта ПЧ с помощью ФСС, а усиление - последующими каскадами - апериодическими или широкополосными. Второй вариант предпочтительнее, т.к. обеспечивает лучшую избирательность и повышает устойчивость работы тракта. Поскольку основная избирательность осуществляется в преобразовательной ступени, избирательность последующих каскадов при расчете структурной схемы не учитывается.

Порядок расчета тракта ПЧ с применением пъезофильтра: Для согласования фильтра с преобразователем частоты; необходимо применить широкополосный согласующий контур, который имеет собственные избирательность и ослабление на краях полосы пропускания.

Основные параметры выбранного по таблицам фильтра: Пьезокерамический фильтр: ПФ1П-0495

1. Средняя полоса пропускания, МГЦ-

2. Полоса пропускания, КГЦ-

3. Селективность

4. Затухание в полосе пропускания, ДБ, не более 10

5. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания не более 3 ДБ

6. Входное сопротивление источника сигнала 330Ом

7. Входное сопротивление со стороны нагрузки 330Ом

Определяются требования по избирательности и ослабление на краях полосы пропускания для согласующих широкополосных контуров:

=1,41 раз

=1,41 раз При распределении частотных искажений для тракта ПЧ было принято значении 6ДБ. Для ПКФ значение частотных искажений принимаются: . Следовательно, для контура смесителя значение частотных искажений будет 3 ДБ.

Допустимая добротность контура равна: (7.2)

Определяем добротность контура , обеспечивающую заданную избирательность по соседнему каналу со знаком в 1 ДБ, т.е. 3 ДБ.

(7.3)

Определяем конструктивную эквивалентную добротность контура с учетом коэффициента шунтирования контура активным элементом.

(7.4) где: - конструктивная добротность контура.

Из условия и выбираем добротность контура смесителя : (7.5)

Выбираем = 50.

Определяем действительное ослабление сигнала на краях полосы пропускания контура смесителя: (7.6)

Определяем действительное значение избирательности по соседнему каналу, которое обеспечивает контур смесителя: (7.7)

Расчет коэффициента искажений и избирательности по соседнему каналу тракта ПЧ. Частотные искажения тракта ПЧ равны: (7.8)

Избирательность по соседнему каналу равна: (7.9)

Результат расчета соответствует заданому. Определяются рассчитанные суммарные значения избирательности и ослабления на краях полосы пропускания тракта ПЧ.

2.10 Расчет коэффициента усиления и числа каскадов линейного тракта РПУ

Коэффициент усиления линейного тракта РПУ (до детектора) при приеме на наружную антенну:

(2.29) где, Uвхд - напряжение промежуточной части на входе детектора, Еа - чувствительность со входа приемника, Из таблицы 12 Uвх.д = 0,6В

Ea = МКВ•м где, Еат.з. - заданная чувствительность

Для УКВ - диапазона ae=2,5 … 3,5; ae - коэффициент запаса.

Таким образом:

(2.30)

Клм =

При работе РПУ на магнитную антенну (МА):

(2.31)

где, Um.вых - амплитуда напряжения на входе первого каскада РПУ

где, Ен - заданная напряженность поля в точке приема, МВ/м;

hд - действующая высота МА в метрах;

Qэкв - эквивалентная добротность контура входной цепи, взятая на поддиапазона. m2 - коэффициент включения входного транзистора УСЧ в контур ВЦ.

(2.32)

где, - максимальная частота поддиапазона, МГЦ;

Rвх - входное сопротивление транзистора или ИС первого каскада РПУ (для схемы с 0Э Rвх = 0,5...1 КОМ; для схемы с ОБ Rвх = 0,1...0,5 КОМ)

- минимальная эквивалентная емкость контура МА, ПФ;

Qk - конструктивная добротность контура МА, принимаемая=200...300.

Примечание: при применении во входном каскаде (УСЧ или ПЧ, если УСЧ отсутствует) полевых транзисторов или ИС с входным каскадом на полевом транзисторе коэффициент можно принять равным 1.

Напряжение на входе детектора Uвх.д определяется группой сложности приемника, видом детектора и типом активного элемента (диод, ИС).

Минимальное допустимое напряжение Uвх.д (в вольтах) на входе амплитудного и частотного детекторов указано в таблице 14. Выбран частотный дискриминатор Uвх.д=0,6В. Для выбора числа каскадов линейного тракта радиовещательных приемников можно воспользоваться таблицей 15 в случае применения в каскадах активных элементов на биполярных транзисторах. Пользуясь этой таблицей необходимо определить число каскадов с коэффициентом передачи Квц, Кусч, Кпч и ш так, чтобы

(2.33)

0.5

125 где, n - число каскадов.

Для усилителя промежуточной частоты необходимо определить устойчивый коэффициент усиления:

(2.34)

Ку =6.3 где, Ск - емкость коллекторного перехода транзистора;

Y21 - крутизна характеристики транзистора, выбранного для УПЧ.

где, а - коэффициент частотного использования (см. 2.8.) при а<0,3 можно считать

Если в справочнике данные о транзисторе взяты в h параметрах (как правило), то Y21 можно пересчитать:

(2.35)

Y21 =

Необходимое условие: При невыполнении этого условия количество каскадов УПЧ следует увеличить, уменьшив коэффициент усиления каждого.

2.11 Выбор схем детектора и расчет его выходного напряжения

Выбор схемы детектора ЧМ - сигнала.

При детектировании ЧМ - сигналов применяются частотные дискриминаторы (ЧД), дробный детектор (ДД) и детектор совпадений.

При приеме непрерывных ЧМ сигналов используется ЧД со связанными, одинаково настроенными контурами, ДД и детектор совпадений. Для приема частотно-модулированных ЧТ и ДЧТ сигналов, в приемниках многоканальных спутниковых и радиорелейных линий используют ЧД с взаимно расстроенными контурами.

(2.36)

50 х 5 х 0,909=0,227В

UВХЧД =

где, Uвх.УНЧ - чувствительность УНЧ радиоприемника;

m - глубина амплитудной модуляции;

Кдел - коэффициент деления делителя нагрузки детектора (вводится при Rвх.УНЧ100КОМ, Кдел.=1)

Рассчитанная величина Uвхд, должна находиться в допустимых пределах ±20% с рекомендуемой в таблице 16.

Минимальные - допустимые напряжения на входе амплитудного и частотного детекторов UД, МВ.

Элементная база, используемая в схемах детекторов.

Детекторы ЧМ сигналов а) диоды Д2, Д9, Д18, Д20, КД503, КД514, КД521, ГД507, ГД508. б) многофункциональные ИС К174ХУРЗ, К174ХА6, К2УС242, в которые входит схема ЧМ - сигналов.

К2ДС241, 2ДС351 - детектор ЧМ - сигналов.

Выбор схемы детекторов

В радиовещательных приемниках амплитудно-модулированных сигналов обычно используют диодный детектор последовательного типа с разделенной нагрузкой. В качестве детектора АРУ используют детектор основного канала; в приемниках высшей и 1-ой группы сложности применяют отдельный детектор, обычно параллельного типа.

Выходы АМ, ЧМ- детекторов на ИС, как правило, согласуют со входом УЗЧ через эмиттерный повторитель.

2.12 Проектирование тракта ЗЧ радиовещательных приемников

Выбор громкоговорителя. Исходными данными для выбора типа и числа громкоговорителей являются: а) номинальная выходная мощность тракта Рст. б) диапазон воспроизводимых частот Fmin … Fmax в) неправомерность частотной характеристики МУЗЧ (дб). г) среднее звуковое давление при заданной номинальной мощности и диапазоне звуковых частот ?ор .

При выборе громкоговорителя должны быть обеспечены следующие условия: а) Ргр?2 Рн где, Ргр - суммарная мощность громкоговорителей, на которые нагружен усилитель мощности тракта 3Ч УМЗЧ. б) Мгр?Мас (ДБ) где; Мгр - неравномерность АЧХ громкоговорителя

Мас - неравномерность АЧХ акустической системы

(2.38)

Мас =11 5-(10.9 1)=4,1 дб где, Мпрк - заданная неравномерность АЧХ приемника в целом (11дб)

Мл.т - неравномерность АЧХ линейного тракта (10.9дб)

Мдет - частотные искажения детектора (1дб) для РПУ средних и высших групп сложности (3, 2, 1 и 0 группы)

Музч =(5дб) в) Fгр.min<Fmin, Fгр.max?Fmax

10Гц14КГЦ

Выбор типа и количества каскадов УЗЧ.

Применяем безтрансформаторную двухтактную схему последовательного типа, позволяющую обеспечить дальнейшее повышение КПД и устойчивости, расширение АЧХ, уменьшения нелинейных искажений и фона. супергетеродинный радиоприемный устройство детектор

Активные элементы оконечного каскада следует выбирать исходя из условий: (2.39)

(2.40)

Uкэ ? 0.4 Uкэ 25В

Рдоп ? ; Рдоп = =180МВТ где, Uкэ.доп., Рдоп. - допустимые напряжения и мощность рассеивания на коллекторе транзистора при нормальной температуре;

тдоп.=800С - наибольшая допустимая температура p-n перехода;

тср.мах=500С - наибольшая температура окружающей среды в ОС. для определения количества каскадов УЗЧ необходимо рассчитать коэффициент передачи УЗЧ по мощности

(2.41)

Крзч =

Рвх.ЗЧ = 15МВТ где, - минимальная величина мощности на входе усилителя, который обеспечивает получение номинальной выходной мощности аос=10…100 - коэффициент запаса, учитывающий введшие ООС тембровые регулировки и разбросы параметров усилителя.

Исходя из рассчитанного по формуле 2.40 Крзч, определяют число каскадов УЗЧ, принимая коэффициент усиления мощности оконечного КАСКАДАКР0 равным 30…100, остальных каскадов (по схеме с ОЭ) - Кп равным 30...300, т.к.

(2.42)

25 = 30n n = 0.8 ? 1

Рекомендуемые активные элементы для УЗЧ. К каскадам предварительного усиления применяем транзистор КТ 3102 ( n-p-n)

2.13 Выбор схемы АРУ

Исходными данными для расчета АРУ являются: - относительное изменение уровня сигнала на входе РПУ в ДБ: (2.43)

- соответствующее изменение уровня сигнала на выходе РПУ в ДБ

(2.44)

- чувствительность РПУ - Еа (МКВ/м или МВ/м)

По заданным величинам “a” и ”b”определяется необходимое изменение коэффициента усиления регулируемого каскада: (2.45)

Выбирается число регулируемых каскадов исходя из того, что один каскад позволяет получить глубину регулировки от 15 до 25 ДБ: (2.46) np.k.= =0.9 ?1

Определяется требуемое напряжение управления, снимаемое с выхода детектора АРУ: (2.47)

?Еупр =350МВ

При применении простейших схем детектора АРУ (последовательной или параллельной), имеющий малый угол отсечки, его коэффициент передачи близок к единице. Поэтому: (2.48)

В качестве детектора АРУ применяем ИС: К1ДА191

В результате выполнения курсового проекта, студентом был приобретен навык расчета и проектирования супергетеродинного РПУ, а также разработана схема электрическая принципиальная к нему. Также изучена документация к элементам приемника и их характеристики.

1. Белкин М.К., Белинский В.Т., Мазор Ю.Л., Терещук В.М. Справочник по учебному проектированию приемно-усилительных устройств. Киев, «Высшая школа»,1988.

2. Екимов В.Д., Павлов К.М. Проектирование радиоприемных устройств. Москва, «Связь», 1970.

3. Лавриненко В.Ю. справочник по полупроводниковым приборам. Киев, «Техника», 1980.

4. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник под редакцией Горюнова Н.Н. Москва, «Энергоатомиздат», 1985.

5. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и ИС. Под редакцией Горюнова Н.Н. Москва, «Энергия», 1976.

6. Интегральные микросхемы. Справочник под редакцией Тарабарина В.В. Москва, «Энергоатомиздат»,1986.

Размещено на