КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

  им. А.Н. ТУПОЛЕВА

________________________________________________________________ 

ФАКУЛЬТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И  ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ 

Кафедра радиоэлектронных и  квантовых устройств 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 

по  дисциплине: «Устройства приёма и обработки сигналов» 

на  тему: «Автомобильный приёмник УКВ-Е диапазона»

Задание №29 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент группы 

                                                                              Руководитель: доцент кафедры РЭКУ                              
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                          Казань 2009

 

                                                                         Содержание 
 

                                                                                                                               стр.

               
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Задание №29 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Введение 

    Радиоприемное устройство является неотъемлемой частью любой радиотехнической системы. В  настоящее время для радиоприемных  устройств характерным является большое их разнообразие, определяемое различием радиотехнических систем, в состав которых они входят. Несмотря на такое многообразие, все радиоприемные  устройства связывает общность построения структурной схемы. Радиоприемное  устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника и оконечного устройства, предназначенного для воспроизведения  сигналов.

    Отличительной особенностью супергетеродинного приемника, рассматриваемого в данной работе, является то, что независимо от частоты  принимаемого сигнала промежуточная  частота фиксирована и величину ее выбирают так, чтобы обеспечить требуемые  усиление и избирательность.

    Все супергетеродинные приемники состоят  из трех основных частей: линейного  тракта, демодулятора и устройств  регулировок (управления). В состав линейного трака входят: входная  цепь, усилитель радиочастоты, смеситель  и гетеродин - преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты.

    Достоинства:

• улучшается избирательность по соседнему каналу;
• упрощается перестройка частоты приемника;
• при перестройке не изменяются основные характеристики приемника;

    Недостатком супергетеродинных приемников является наличие побочных каналов приема. Достоинство супергетеродина –  неизменность промежуточной частоты.

         Сигнал, принятый антенной, через фильтрующие входные цепи и УРЧ, поступает на преобразователь. Выходной сигнал преобразователя является модулированным колебанием с несущей частотой, равной промежуточной частоте приемника. Основное усиление приемника и его частотная избирательность обеспечиваются узкополосным усилителем УПЧ.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Предварительный расчет приемника. 

       На  первых этапах проектирования необходимо выбрать структурную схему радиоприемного устройства.

       Любой супергетеродинный приемник (РПУ) состоит  из трех функциональных частей:

• линейного тракта
• демодулятора
• устройство регулировок

                                     Рис.1 Структурная схема супергетеродинного приемника. 

       В состав линейного тракта (Рис.1) входят:

• ВЦ - входная цепь
• УРЧ - усилитель радиочастоты (может и не входить)
• С - смеситель
• Г - гетеродин
• УПЧ - усилитель промежуточной частоты.

       ВЦ  и УРЧ обеспечивают усиление сигнала  по мощности и избирательность по зеркальному каналу. Смеситель и  гетеродин позволяют перенести  спектр сигнала с частоты несущего колебания на промежуточную частоту: .

       УПЧ обеспечивает заданную чувствительность радиоприемника и избирательность  по соседнему каналу приемника. 
 

1.1.Расчет полосы пропускания приемника 

      ,

      - ширина спектра сигнала

     – нестабильность и неточность настроек приемника

     - доплеровское смещение частоты сигналов, принимаемых от передатчика, который перемещается относительно приемника с радиальной скоростью

    

   - нестабильность частот сигнала,

   - нестабильность частот гетеродина,

   - неточность настроек частоты сигнала,

  - неточность настройки частот гетеродина

Зададимся нестабильностью  частоты сигнал

 

    Пусть

        Выберем значение промежуточной  частоты. Она не должна находиться  в диапазоне принимаемых частот  приемника. Пусть  [табл.2.1, 2]

      = 104 МГц – 10 МГц = 94 МГц

      – нестабильность частот  гетеродина.

      – неточность настройки частот гетеродина

      –неточность настройки  частоты гетеродина

    

      

    

      – доплеровское смещение частоты сигналов, принимаемых от передатчика, который перемещается относительно приемника с радиальной скоростью .

    Т. к. приемник автомобильный, то

    С – скорость распространения радиоволн

    

         

 Полоса пропускания линейного тракта приёмника должна быть не шире диапазона частот , т.е . Так как наш ответ удовлетворяет условию, то решения выполнены верно.

1.2. Расчет допустимого коэффициента шума.

 

       Определив необходимую полосу линейного тракта, нужно перейти к выбору первых каскадов приемника обеспечивающих требуемую чувствительность. Этот параметр характеризуется допустимым коэффициентом  шума .

Допустимый коэффициент  шума:

 , где  

 - отношение сигнал/шум,

- постоянная Больцмана,

- стандартная температура приемника,

- шумовая температура антенны, которая находится из графика, изображенного на Рис.2.(при f_c = 104 МГц).

Р_А- номинальная мощность сигнала, отдаваемая антенной согласованному с ней приемнику

П_ш - шумовая полоса линейного тракта( ). 

 

Рис.2 График зависимости  температуры антенны  приёмника от частоты. 

       Подсчитаем  допустимый коэффициент шума приемника:

     

Вычислим  ожидаемый коэффициент шума приемника, для этого воспользуемся формулой :

        , где:

       N_вц, N_увч, N_пч, N_упч – коэффициенты шума входной цепи, УРЧ, преобразователя частоты и УПЧ соответственно;

       K_Рвц, K_Рурч, K_рпч – коэффициенты передачи мощности входной цепи, УРЧ и преобразователя частоты;

Во входной  цепи используем внутриемкостную связь  с антенной и транзистором:

,

В УРЧ  используем схему на транзисторе  с общим эмиттером:

,

      Для транзистора КТ340А: ,

В преобразователе  частоты используем схему на транзисторе  с общим эмиттером: 

,

     Для транзистора КТ316А: ,

- коэффициент шума широкополосного  усилителя промежуточной частоты

    

     , где

     - коэффициент передачи мощности антенного фидера.

Так как  то выбранная схема удовлетворяет по коэффициенту шума 
 

1.3. Выбор средств обеспечения усиления линейного тракта. 

    Преселектор обеспечивает ослабление зеркального  канала и частично ослабление соседнего  канала.

Рис.3 Нормированные частотные  характеристики преселекторов  для больших обобщенных растроек.

    Выбираем  схему преселектора №3.

                               

Рис. 4 Структурная схема  линейного тракта. 

    Для выбранного преселектора вычисляем  обобщенную растройку для краев  полосы пропускании приемника.

    

 

Рис.5. Нормированные частотные характеристики преселекторов для малых обобщенных растроек.

    Ослабление, создаваемое преселектором:

                                                        

    Ослабление, которое можно допустить в  контурах УПЧ

                                             

    Определяем  обобщенные расстройки для соседнего  канала

      

      по заданию.

    

    Из  рис. 5 (1.7б Сиверс) находим ослабление создаваемое преселектором.

                                                   

Определяем ослабление соседнего канала , требуемое от УПЧ

                              

- полное ослабление соседнего  канала, требуемое в приемнике.

Для обеспечения  избирательности по соседнему каналу будем использовать УПЧ с ФСИ.

Для работы детектора  в линейном режиме обычно берут  напряжения на входе детектора  .(Трофимов, стр.27)

Распределим коэффициент  усиления преселектора:

Коэффициент усиления, который нужно получить от УПЧ:

 

                                         2. Расчет входной цепи приемника. 

    Для входной цепи используем схему с индуктивной связью с антенной и транзистором. (Рис.4.7 Сиверс)

                                               

                            Рис. 6. Схема входной цепи с индуктивной связью с антенной и транзистором

Для радиовещательных приемников перестройка приемника  должна осуществляться блоками конденсаторов  переменной емкости.

Для настройки  контуров используется один поддиапазон.

Найдем коэффициент  перекрытия по частоте всего диапазона:

     

Выбираем блок переменных конденсаторов.

(Рекомендуется  за исходную брать минимальную  частоту диапазона = 88,1 МГц)

УКВ-Е диапазон, = 88,1 МГц, (табл. 2.9 Екимов, Павлов)

  пФ,  двухсекционный блок конденсаторов КПЕ-3

Ориентировочные емкости монтажа и катушек  УКВ:

,

 собственная емкость катушки контура.

Проверим данное соотношение, _{суммарная паразитная емкость}

 пФ

 (1,18(210пФ+8пФ)/(7пФ+8пФ)

1.39 ≤ 14.5, неравенство  выполняется, значит применение  этого элемента настройки возможно.

Затухание эквивалентного контура  0.02

Максимально допустимая емкость ВЦ:

 пФ

Вычислим индуктивность  контура:

 нГн

Находим индуктивность  связи с антенной:

- минимальная емкость антенны

- коэффициент удлинения антенны,  с ростом которого падает коэффициент  передачи ВЦ, но растет его  равномерность по диапазону 

Определим коэффициент  связи с антенной и коэффициент  включения входной цепи к входу  УРЧ для получения требуемой  избирательности по зеркальному  каналу так, чтобы на крайних частотах диапазона были равны суммы затуханий, вносимых антенной и входом УРЧ.

,

где

 

Вычисляем коэффициент  связи с антенной, обеспечивающий допустимую растройку контура ВЦ. При этом полагаем, что антенна и вх. ёмкость УРЧ вносят одинаковую растройку, причем суммарная расстройка не превышает половины полосы пропускания. Полагаем также, что при регулировке мы компенсируем среднее изменение L по диапазону. Тогда некомпенсированным остается лишь влияние случайных отклонений Cа при эксплуатации. Для этого берем допустимую растройку контура антенной:

Сравниваем  и выбираем из условий: , , , где - конструктивно выполнимый коэффициент связи, равный 0,5÷0,6 для катушек с универсальной намоткой и 0,4÷0,5 для катушек с однослойной намоткой. Итак, , ,. Выбираем коэффициент связи .

Выбираем  индуктивность связи так, чтобы  она совместно с ёмкостью образовывала контур, настроенный на частоту выше при верхней настройке гетеродина:

 

Вычисляем коэффициент связи между катушками  L и , необходимый для получения , определенного ранее

Находим емкость  подстроечного конденсатора:

пФ

Определяем коэффициент  передачи ВЦ дляи :

 где  - частота настройки входной цепи.

                                           3.Расчет усилителя радиочастоты.

 

                                       Рис.7 Схема однокаскадного УРЧ на дискретных элементах

L_k2 и C_k2 служат резонансной нагрузкой УРЧ; емкости С_р1, С_р2 разделяют по постоянному току рассматриваемый каскад от предыдущего и последующего. Резистор R_э осуществляет термостабилизацию каскада, создавая отрицательную обратную связь по постоянному току, С_Э- устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Резистор R_ф и конденсатор С_ф образуют развязывающий фильтр. Делитель R_д1 и R_д2 обеспечивают подачу прямого смещения на эмиттерный переход транзистора, т.е. обеспечивает выбранный режим УРЧ по постоянному току. Через блокировочный конденсатор С_б напряжение сигнала подается непосредственно на эмиттерный переход транзистора, минуя делитель. 

Расчет  элементов, обеспечивающих режим УРЧ.

В качестве активного  элемента выбираем транзистор КТ340А , где  - граничная частота крутизны характеристики в схеме с ОЭ, при которой падает до уровня 0,7 от своего низкочастотного значения, а - максимальная частота принимаемых сигналов.

З50МГц ≥ 312 МГц, условие выполняется.

Справочные данные транзистора КТ 340 А n-p-n типа:

                                                                                                                                                                                    Таблица 1.

 

Определяем  изменение обратного тока коллектора:

Находим тепловое смещение напряжения базы:

Рассчитываем  необходимую нестабильность коллекторного  тока:

Вычисляем сопротивление  резисторов:

 Рассчитаем  емкости конденсаторов: 
 

  требуемый коэффициент  устойчивости,

Выбираем трехсекционный блок конденсаторов  пФ,  

Выбираем коэффициент  подключения контура к транзистору: 
 
 
 
 
 

Резонансный коэффициент  усиления каскада УРЧ на макс. частоте: 
 

Определяем устойчивый коэффициент усиления, при .

 
 

Вычисляем емкость  подстроечного конденсатора: 

1/() = 1/((2) = 10 пФ – минимальная емкость контура каскада

- минимальная емкость  конденсатора настройки 

Определяем  коэффициент шума при настройке  входного контура на частоту f₀:

При оптимальном  согласовании, подбирая m_1вх и m_2вх можно снизить коэффициент шума до величины:

 

                                              4. Расчет преобразователя частоты.

 
 

               

                                      Рис.8  Схема преобразователя частоты на дискретных элементах

        Выберем транзисторный преобразователь частоты с внешним гетеродином. В таком преобразователе сигнал от входной цепи поступает к базе биполярного транзистора смесителя, включенного по схеме с ОЭ. При таком включении входная проводимость смесителя для напряжения сигнала получается меньшей, чем в схеме с ОБ. В качестве активного элемента используем транзистор КТ 316А n-p-n типа.

Справочные данные транзистора КТ 316А n-p-n типа:

                                                                                                                                                                                    Таблица 2.