Проектирование радиотехнического устройства (приемник)

Введение

В последнее время на промышленном железнодорожном транспорте более широко применяются (по примеру магистральных дорог) новейшие средства связи и устройства сигнализации, централизации и блокировки, кроме того, разрабатываются и внедряются системы дистанционного управления локомотивами и автоматического управления движением поездов.

В связи с совершенствованием средств связи и появлением легкой транзисторной аппаратуры особенно широко стала применяться двухсторонняя радиосвязь с погрузочными точками и районами, с транспортными единицами и погрузочно-разгрузочными механизмами (кранами, автопогрузчиками и др.). Это способствует улучшению использования транспортных средств, повышению времени полезной работы механизмов, устранению порожних пробегов и уменьшению дальности рейсов подвижного состава. Так же широко применяется управление объектами на расстоянии по радиоканалу связи.

Большое распространение на промышленном транспорте получают различные системы телевидения: передача одного изображения на один экран, передача одного изображения на несколько экранов и прием нескольких изображений на центральном диспетчерском пункте. Для ориентации телевизионной камеры и регулировки объектива применяется дистанционное управление. При необходимости дистанционное управление обеспечивает увеличение изображения объектов. Автоматическая регулировка камер позволяет получать изображение постоянной яркости независимо от изменения условий освещенности транспортных объектов.На железнодорожном транспорте промышленных предприятий начали применяться различные системы дистанционного перевода стрелок. На металлургических заводах, открытых горных разработках (на постоянных путях), машиностроительных заводах, так же, как и на магистральных железных дорогах, во многих странах вводится маршрутно-релейная централизация стрелок - наиболее современная система дистанционного управления стрелочными переводами.

Дистанционное управление (ДУ) — передача управляющего воздействия (сигнала) от оператора к объекту управления, находящемуся на расстоянии, из-за невозможности передать сигнал напрямую, если объект движется, находится на значительном расстоянии или в агрессивной среде и т. п. 

Один из самых ранних образцов устройств для дистанционного управления придумал Никола Тесла в 1898 году. В 1898 году на электро выставке в Медисон-сквер-гарден, он демонстрировал публике радиоуправляемую лодку под названием «телеавтомат»

Системы ДУ различаются прежде всего по типу канала связи:

Механический канал – передача команды по средством механических объектов (рычаги, шестерни и .т.д)

используется там, где объекты удалены друг от друга на сравнительно небольшое расстояние или требуется обеспечить мгновенную неискажённую реакцию, (например, управление летательными аппаратами, автомобилями).

Электрический канал – передача информации на расстояние по средством электрического сигнала, импульса.

• проводной канал — используется там, где нет возможности применить беспроводные каналы, (например, из-за отсутствия прямой видимости, наличия экранировки, соображений секретности и т. д.), либо из соображений стоимости и помехозащищённости. Такой канал используется, главным образом, для управления системами мобильных объектов, оборудованием производственных объектов, лабораторий, или специальных объектов (военного и другого назначения);
• радиоканал — используется, главным образом, для управления подвижными объектами — радиоуправляемыми спортивными моделями и игрушками, оборудованием для чрезвычайных ситуаций (роботы и т. д.), беспилотными летательными аппаратами (БПЛА), военными мобильными объектами; либо в ситуациях, когда передатчик и приемник не могут находиться в зоне прямой видимости (системы освещения или отопления, подъемники гаражных дверей и т. д.);
• ультразвуковой канал — используется редко, для управления мобильными и стационарными объектами на сравнительно небольшом расстоянии;
• инфракрасный канал — используется, как правило, для бытовой электроники.

Дистанционно управление применяется во многих промышленных областях, таких как: авиация, космическая техника, в технике связи, в компьютерной технике, в электроэнергетике в лабораторном оборудование, в военном деле,  в промышленном производстве и строительстве и на железнодорожном транспорте. На железнодорожном транспорте широко применяется метод управления объектами по средством радиоволн. Это очень удобно и значительно упрощает работу и контроль над объектами: рельсовыми стрелками, светофорами, видеокамерами, охранными системами  и т.д.

Все более широкое проникновение маломощных беспроводных устройств, работающих в частотном диапазоне ISM (промышленный, научный и медицинский), в повседневную жизнь (системы безопасности, медицина, промышленность, сельское хозяйство и т.д.) обусловлено тремя основными факторами:

– желанием отказа от фиксированной связи, которая используется для передачи данных на значительные расстояния;

– выделением регулирующими органами различных стран частотных диапазонов ISM;

– появлением различных беспроводных стандартов, которые обеспечивают функциональную совместимость в диапазоне ISM.

В течение длительного времени системы с фиксированной связью обеспечивали надежную среду передачи и высокую скорость при большом сроке службы. Несмотря на многие достоинства, проводные решения вместе с тем имеют ряд ограничений, которые постепенно делают их менее привлекательным по сравнению с беспроводными технологиями. Среди этих ограничений можно назвать следующие.

– География. В зависимости от географических особенностей территории часто возникают сложности при прокладке проводных соединений, особенно в сельской и горной местности;

– Экономичность. Стоимость проводной системы пропорциональна длине используемого провода, т.к. в некоторых случаях необходимо использовать повторители для компенсации падения уровня сигнала. Это означает, что при масштабировании проводной сети требуется более дорогое решение;

– Комфорт. С точки зрения потребителей размещение провода в определенных местах крайне нежелательно и неудобно. Поэтому для потребителя проводная система рассматривается лишь как самая нежелательная альтернатива при построении системы связи.

Эти три главных недостатка проводной передачи объясняют то, что беспроводные технологии постепенно набирают силу.

1. Теоретическая часть
1. Выбор структурной схемы дистанционного управления

Тема моего диплома проектирование радиотехнического устройства  основана на принципе передачи радиосигнала на расстояние и управление объектами, посредством этого сигнала. Далее я приведу выбор структурных схем  приёмников, начиная от простого, состоящего на базе транзисторов, к более сложному, сделанного на основе микросхемы. Существует 3 вида приёмников – приёмник прямого усиления, релаксационные, гетеродинный приёмник и приёмники цифровые. Рассмотрим некоторые из них.

Первое - Радиоприёмник прямого усиления рисунок 1 (герадеаус) состоит из колебательного контура, нескольких каскадов усиления высокой частоты, квадратичного амплитудного детектора, а также нескольких каскадов усиления низкой частоты.

Колебательный контур служит для выделения сигнала требуемой радиостанции. Как правило, частоту настройки колебательного контура изменяют конденсатором переменной ёмкости. К колебательному контуру подключают антенну, иногда и заземление.

Сигнал, выделенный колебательным контуром, поступает на усилитель высокой частоты. Усилитель высокой частоты (УВЧ), как правило, представляет собой несколько каскадов избирательного транзисторного усилителя. С УВЧ сигнал подаётся на диодный или транзисторный детектор, с детектора снимается сигнал звуковой частоты, который усиливается ещё несколькими каскадами усилителя низкой частоты (УНЧ), откуда поступает на динамик или наушники. Ключевой недостаток, он же ключевое достоинство этого вида приемников — близость зеркального канала приема к принимаемому каналу. Практически это соседние каналы, и отфильтровать зеркальный канал приема на низкой частоте достаточно сложно. В ряде применений зеркальный канал фильтровать не надо вовсе, поскольку он почти гарантированно свободен. Такая ситуация наблюдается в УКВ радиовещании, когда при лицензировании частот соседний канал рядом с мощной радиостанцией стараются оставить пустым. Поэтому приемники прямого преобразования для УКВ радиостанций можно вообще не снабжать входным фильтром, а все остальное легко укладывается в одну микросхему без навесных элементов. Именно такие очень дешевые и миниатюрные приемники сейчас встраивают в электронные гаджеты типа сотовых телефонов.

В случае применения приемника прямого преобразования на КВ, например, для любительской радиосвязи, двухполосный прием становится серьёзным недостатком, так как на узких любительских диапазонах очень много помех от соседних станций. Подавить нежелательный канал приема можно, используя фазокомпенсационный метод. Однако при этом приемник сразу лишается своего важнейшего преимущества — простоты устройства и регулировки.

Главное преимущество приёмника прямого усиления — простота конструкции. Кроме того, радиоприёмники прямого усиления (в отличие от супергетеродинных приёмников) отличаются отсутствием паразитных излучений в эфир, что может быть важно, если необходима полная скрытость приёмника. Имеется и ряд других преимуществ, из которых такие как:

• Большой динамический диапазон,
• Широкая полоса воспроизводимых звуковых частот,
• Линейность,
• Отсутствие «зеркальных» и прочих побочных каналов,
• Отсутствие свистов при перенастройке —

привели к тому, что сейчас именно этот тип приёмника закладывается в основу программно-определяемого радио при работе на частотах до десятков МГц, где возможна работа современных доступных АЦП напрямую, без преобразования частоты.

Основной недостаток приёмника прямого усиления — малая селективность (избирательность), то есть малое ослабление сигналов соседних радиостанций по сравнению с сигналом станции, на которую настроен приёмник (к регенеративному приёмнику, являющемуся разновидностью приёмника прямого усиления, это не относится). Поэтому этот тип приёмников удобно использовать только для приёма мощных радиостанций, работающих в длинноволновом или средневолновом диапазоне. Из-за этого недостатка приёмники прямого усиления не производятся промышленностью и в основном используются ныне только в радиолюбительской практике. Улучшить избирательность можно при помощи двухконтурной входной цепи.

Как правило, радиоприёмники этого типа могут принимать только амплитудно-модулированные радиопередачи. Также желательно подключение внешней антенны и заземления, в связи с их невысокой чувствительностью, ограниченной усилением. Повышение чувствительности приёмника прямого усиления путём повышения коэффициента усиления УВЧ выше определённого предела бессмыссленно, т.к. УВЧ может, во-первых, самовозбудиться, а во-вторых, при приёме мощных станций звук будет искажён из-за перегрузки. Избавиться от обоих вышеописанных недостатков можно, добавив в приёмник АРУ.

Далее рассмотрим супергетеродинный радиоприёмник (супергетеродин) — один из типов радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим её усилением. Основное преимущество супергетеродина перед радиоприёмником прямого усиления в том, что наиболее критичные для качества приёма части приёмного тракта (узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор) не должны перестраиваться под разные частоты, что позволяет выполнить их со значительно лучшими характеристиками.

Изначально гетеродином называли радиоприёмник, в котором имелся дополнительный генератор высокой частоты, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала, что повышало чувствительность радиоприёмника. В дальнейшем, после изобретения супергетеродина, гетеродином стали называть этот генератор.

Гетеродин создаёт колебания вспомогательной частоты, которые в блоке смесителя смешиваются с поступающими извне колебаниями высокой частоты. В результате смешения двух частот, входной и гетеродина, образуются ещё две частоты (суммарная и разностная). Разностная частота (при амплитудной модуляции постоянная) используется как промежуточная частота, на которой происходит основное усиление сигнала.

К гетеродинам устанавливаются высокие требования по стабильности частоты и амплитуды, а также спектральной чистоте гармонических колебаний. Чем выше эти требования, тем сложнее конструктивное исполнение гетеродина: стабилизируют напряжение питания, применяют сложные схемы, исключающие влияние внешних факторов на частоту генератора, компоненты со специальными свойствами, гетеродин помещают в термостат, используют системы автоматической подстройки частоты и т. д. Если гетеродин работает на фиксированной частоте, применяют стабилизацию с помощью кварцевого резонатора. В современной радиоаппаратуре в качестве перестраиваемых гетеродинов всё чаще применяют цифровые синтезаторы частоты, которые обладают рядом важных преимуществ.

Рис. 2 Структурная схема супергетеродина с однократным преобразованием частоты

Упрощённая структурная схема супергетеродина с однократным преобразованием частоты показана на рисунке 2. Радиосигнал из антенны подаётся на вход усилителя высокой частоты (в упрощённом варианте он может и отсутствовать), а затем на вход смесителя — специального элемента с двумя входами и одним выходом, осуществляющего операцию преобразования сигнала по частоте. На второй вход смесителя подаётся сигнал с локального маломощного генератора высокой частоты —гетеродина. Колебательный контур гетеродина перестраивается одновременно с входным контуром смесителя (и контурами усилителя ВЧ) — обычно конденсатором переменной ёмкости (КПЕ), реже катушкой переменной индуктивности (вариометром, ферровариометром). Таким образом, на выходе смесителя образуются сигналы с частотой, равной сумме и разности частот гетеродина и принимаемой радиостанции. Разностный сигнал постоянной промежуточной частоты (ПЧ) выделяется с помощью полосового фильтра и усиливается в усилителе ПЧ, после чего поступает на демодулятор, восстанавливающий сигнал низкой (звуковой) частоты.

В современных приёмниках в качестве гетеродина используется цифровой синтезатор частот с кварцевой стабилизацией.

В обычных вещательных приёмниках длинных, средних и коротких волн промежуточная частота, как правило, равна 465 или 455 кГц, в бытовых ультракоротковолновых — 6,5 или 10,7 МГц. В телевизорах используется промежуточная частота 38 МГц.

Преимущества данного приёмника заключаются в :  высокая чувствительность. Супергетеродин позволяет получить большее усиление по сравнению с приёмником прямого усиления за счёт дополнительного усиления на промежуточной частоте, не приводящего к паразитной генерации: положительная обратная связь не возникает из-за того, что в каскадах ВЧ и ПЧ усиливаются разные частоты; высокая избирательность, обусловленная фильтрацией сигнала в канале ПЧ. Фильтр ПЧ можно изготовить со значительно более высокими параметрами, так как его не нужно перестраивать по частоте. Например, широко используют кварцевые, пьезокерамические и электромеханические фильтры сосредоточенной селекции. Они позволяют получить сколь угодно узкую полосу пропускания с очень большим подавлением сигналов за ее пределами; возможность принимать сигналы с модуляцией любого вида, в том числе с амплитудной манипуляцией (радиотелеграф) и однополосной модуляцией.

Также у супергетеродиной системы есть недостатки. Наиболее значительным является наличие так называемого зеркального канала приёма — второй входной частоты, дающей такую же разность с частотой гетеродина, что и рабочая частота. Сигнал, передаваемый на этой частоте, может проходить через фильтры ПЧ вместе с рабочим сигналом.

Помехи от зеркального канала уменьшают двумя путями. Во-первых, применяют более сложные и эффективные входные полосовые фильтры, состоящие из нескольких колебательных контуров. Это усложняет и удорожает конструкцию, так как входной фильтр нужно ещё и перестраивать по частоте, притом согласованно с перестройкой гетеродина. Во-вторых, промежуточную частоту выбирают достаточно высокой по сравнению с частотой приёма. В этом случае зеркальный канал приёма оказывается относительно далеко по частоте от основного, и входной фильтр приёмника может более эффективно его подавить. Иногда ПЧ даже делают намного выше частот приёма (так называемое «преобразование вверх»), и при этом ради упрощения приёмника вообще отказываются от входного полосового фильтра, заменяя его неперестраиваемым фильтром нижних частот. В высококачественных приёмниках часто применяют метод двойного (иногда и тройного) преобразования частоты, причём, если первую ПЧ выбирают высокой по описанным выше соображениям, то вторую делают низкой (сотни, иногда даже десятки килогерц), что позволяет более эффективно подавлять помехи от близких по частоте станций, то есть повысить избирательность приёмника по соседнему каналу. Подобные приёмники, несмотря на достаточно высокую сложность построения и наладки, широко применяются в профессиональной и любительской радисвязи.

Кроме того, в супергетеродине возможен паразитный приём станций, работающих на промежуточной частоте. Его предотвращают экранированием отдельных узлов и приёмника в целом, а также применением на входе фильтра-пробки, настроенного на промежуточную частоту.

В целом супергетеродин требует гораздо большей тщательности в проектировании и наладке, чем приёмник прямого усиления. Приходится применять довольно сложные меры, чтобы обеспечить стабильность частоты гетеродинов, так как от неё сильно зависит качество приёма. Сигнал гетеродина не должен просачиваться в антенну, чтобы приемник сам не становился источником помех. Если в приёмнике больше одного гетеродина, существует опасность, что биения между какими-то из ихгармоник окажутся в полосе звуковых частот и дадут помеху в виде свиста на выходе приёмника. С этим явлением борются, рационально выбирая частоты гетеродинов и тщательно экранируя узлы приёмника друг от друга.

Далее рассмотрим структурную схему цифрового приёмника.

Рис. 3 Структурная схема цифрового приёмника

АТП – аналоговый тракт приемника

БДК – блок дискретизации и квантования

ЦТП – цифровой тракт приемника

БОЧ - блок опорных частот

БР - блок регулировок

ЦАП – цифроаналоговый преобразователь

     Аналоговый тракт приемника выполняет предварительную селекцию и усиление принимаемых сигналов. Его структура и характеристики определяются видом сигнала, уровнем и характеристиками помех, требованиями к качеству приема.

     Наиболее полно используются преимущества цифровой обработки, если дискретизация и квантование сигнала осуществляются на радиочастоте. В этом случае АТП представляет перестраиваемый преселектор. Но более высокие требования предъявляются при этом к частоте дискретизации и разрядности АЦП, а также к блоку ЦТП.

     Усиление АТП выбирается таким образом, чтобы собственные шумы приемника на входе БДК превышали шумы квантования. Следует обратить внимание на то, что при достаточно высокой частоте дискретизации уровень сигнала на входе БДК может быть меньше шага квантования. Необходимо лишь, чтобы эффективное значение напряжения смеси сигнала и помех на входе АЦП превышало шаг квантования.

     Блок дискретизации и квантования представляет собой сложное устройство. Входное аналоговое колебание подвергается в нем двум операциям: дискретизации по времени и квантованию по уровню.

     Дискретизатор реализуется в виде устройства выборки и хранения (УВХ), состоящего из аналогового ключа (АК) и накопительного элемента (НЭ). Для представления отсчетов сигнала в цифровой форме применяют АЦП. Общий вид БДК  представлен на рисунке 4.

Рис. 4 Структурная схема блока дискретизации и квантования

                       Импульсы U1 – стробирующие, U2 – стирающие.

     Задачей УВХ является определение мгновенного значения напряжения в момент взятия отсчета и его фиксация на время, необходимое для преобразования аналогового значения в цифровую форму. После УВХ сохраняется счетное множество отсчетов колебания. Квантование в АЦП позволяет каждый непрерывный отсчет заменить цифровым значением, представляемым в унитарном или двоичном коде.

     Цифровой тракт приемника осуществляет основную селекцию сигналов и их демодуляцию. Кроме цифровых фильтров и демодуляторов ЦТП может содержать устройства подавления или компенсации помех, трансмультиплексоры для обработки многоканальных сигналов, цифровые обнаружители и измерители параметров сигналов, цифровые спектроанализаторы и другие устройства выделения информации из принятого сигнала. К ЦТП можно также отнести цифровые системы синхронизации, фазовой и частотной автоподстройки, регулировки усиления, системы обеспечения отказоустойчивости и т.д.

     Блок опорных частот вырабатывает колебания, необходимые для преобразования частот в приемнике и синхронизации его схем.

     Блок регулировок БР содержит все необходимые для управления приемником устройства: блок управления частотой настройки, блок регулировки усиления и чувствительности, блок управления видами работ ( при смене вида сигнала ) и т.д.

     Цифровой приемник часто имеет как цифровой выход, так и аналоговый. Для получения аналогового выхода сигнала используется цифроаналоговый преобразователь ЦАП.

     Исходя из выше приведённых схем, я делаю вывод что, цифровой приёмник более намного лучше и даёт больше возможностей, по сравнению со своими предшественниками. Идеальное качество, как и в любом цифровом вещании, можно сказать — неограниченные возможности по качеству.  Из плюсов следует отметить настоящую многоканальность (так как не надо делить частоты) — работу сотен каналов, которые не будут мешать друг другу. Главное преимущество, по-моему, — это микроскопические габариты цифрового радиоприемника, тем самым минимизировать размер полученного устройства, а это важно.

    Далее  я приведу принципиальные схемы на основе цифрового элемента.

1.2 Выбор принципиальной схемы

    Описание принципиальной схемы приемника прямого усиления на микросхеме КР174УН23. Принципиальная схема приемника показана на рисунке 5. Прием ведется на магнитную антенну W1. представляющую собой ферритовый стержень диаметром 8 мм, на котором расположены две катушки : L1 — контурная катушка входного контура L1 С1, и L2 — катушка связи. Настройка на станцию производится переменным конденсатором С1.

     Выделенный контуром магнитной антенны сигнал поступает через катушку связи L2 на вход одного из усилителей микросхемы (вывод 1) через разделительный конденсатор СЗ.

     Усиленный ВЧ сигнал с выхода первого усилителя микросхемы (вывод 8) через конденсатор С8 поступает на детектор на диодах VD1 и VD2, выполненный по схеме с удвоением напряжения В детекторе работают кремниевые диоды, имеющие относительно высокое падение напряжения в прямом направлении. что приводит к понижению чувствительности детектора и повышению искажений при детектировании Чтобы уменьшить искажения и повысить чувствительность детектора и приемника в целом, на диоды через резистор R1 подается прямое напряжение смещения

    Рис. 5     Принципиальная схема приемника прямого усиления на микросхеме КР174УН23

 С выхода детектора напряжение 34 поступает на регулятор громкости R3, и далее, через конденсатор С5 34 напряжение поступает на вход второго усилителя микросхемы (вывод 4). Сигнал усиливается, и с выхода этого усилителя (вывод 5) через разделительный конденсатор С7 поступает на громкоговоритель В1.

     Питается приемник от источника напряжением 4.5 В ('плоская батарейка".

     Большинство деталей приемника смонтированы на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.

      Для намотки магнитной антенны используется ферритовый стержень диаметром 8 мм и длиной 100 мм из феррита 400НН. Катушки намотаны проводом ПЭВ 0.12 витков к витку.

     L1 содержит 300 витков, a L2 — 40 витков. Катушки наматывают в один слой на каркасе, склеенном из плотной бумаги.

     Диоды КД521 можно заменить на КД503, КД510 Если использовать германиевые диоды типа Д9 или ГД507 резистор R1 исключается. Постоянные резисторы на мощность 0.125 или 0,25 ВТ типа С2-33, ВС или МЛТ. Переменный резистор СПЗ на 0,125 ВТ. объединенный с выключателем питания. Оксидные конденсаторы типа К50-35 или аналогичные импортные Остальные типа К10-17. КМ. KJ1C Переменный конденсатор от радиоприемника "Юность" на емкость 7-180 Пф Можно использовать любой другой малогабаритный переменный конденсатор, например на 5-240 Пф, но при этом число витков L1 нужно уменьшить до 250.

Далее рассмотрим  приёмник супергетеродинного типы на основе микросхемы.

      Микросхема К174ХА2 содержит все узлы типового супергетеродинного приемника (кроме детектора и усилителя звуковой частоты), на основе которых можно создать гетеродинный приемник. Так, апериодический усилитель радиочастоты (УРЧ) с возможностью регулировки усиления, смеситель и гетеродин, образующие преобразователь частоты, в нашем приемнике использован по прямому назначению. Что касается четырехкаскадного усилителя промежуточной частоты (УПЧ). то он выполняет функции усилителя звуковой частоты. В чем, кстати, также предусмотрена возможность регулировки усиления, но в нашей приемнике она не задействована. 
      Следующий важный вопрос: какой из любительских диапазонов выбрать для первого приемника начинающего коротковолновика? Очевидно, тот, на котором работает много русскоязычных коротковолновиков и наблюдателю на первых порах не потребуется знания английского языка, принятого для международного обмена. Ответ однозначен - диапазон 160 метров. Это типично "ночной" диапазон, где днем из-за сильного поглощения радиоволн в нижних слоях ионосферы можно никого и не услышать. Зато ночью с большой громкостью проходят станции европейской части России, Украины, Белоруссии, Прибалтика, а при известном терпении и хорошей антенне можно услышать всю Европу и всю Сибирь. В дальнейшем, изменив данные всего двух контуров приемника, его можно перестроить на любительские диапазоны 80, 40 и даже 20 метров. Это было проверено экспериментально: на всех диапазонах приемник показал неплохие результаты.