Приемник

Введение

Каждое радиоприемное устройство должно обеспечивать требуемое воспроизведение переданного сообщения, будь то звук, текст, изображение. В соответствии с этим назначением определяют основные составные части: антенна – для улавливания сигнала из пространства; само принимающее устройство – для преобразования принятого сигнала, фильтрации сигнала от помех, усиления, детектирования; воспроизводящее устройство – для предоставления полученной информации в доступном виде для человека.

При проектировании приемника следует определить, по какому типу схемы строиться прибор. Существует две группы приемников: прямого усиления и с преобразованием сигнала или супергетеродинные. Приемник прямого усиления содержит радиотракт  (часть приемника от входа до детектора), в котором происходит усиление на РЧ, а в супергетеродинных – в радиотракте помимо усиления происходит и преобразование частоты принятого радиоколебания. Последний тип приемников получил наибольшее распространение, при этом в диапазонах гектометровых и более коротких волн приемники с необходимой в настоящее время селективностью и чувствительностью могут выполняться только по супергетеродинной схеме.

Современные радиоприемные устройства отличаются назначением, видом принимаемых сигналов, параметрами, местами установки и т. д.

1 Анализ технического задания

В данном курсовом проекте необходимо разработать радиоприемное устройство согласно ТЗ.

По ТЗ задан непрерывный диапазон частот от 65,8 МГц до 73 МГц. При этом относительная нестабильность несущей частоты сигнала составляет 10-6.

По ТЗ задана частотная модуляция (ЧМ), которая характеризуется максимальной девиацией частоты. По ТЗ максимальная девиация частоты равна 50 кГц. Диапазон модулирующих частот от 0,1 кГц до 12 кГц.

Чувствительность разрабатываемого приемного устройства по ТЗ составляет 5 мкВ при отношении сигнал/шум на входе 26 дБ. Чувствительность характеризует способность тюнера принимать слабые сигналы.

Динамический диапазон принимаемого сигнала составляет 90 дБ при допустимом уровне частотных искажений на выходе 3 дБ.

Зеркальный канал приема образуется побочным каналом, расположенным симметрично относительно частоты гетеродина на частоте fзк = fг + fп = fс + 2fп. Если эта частота попадает в полосу пропускания преселектора, то происходит наложение спектра полезного сигнала и спектра помехи, т.е. частотная фильтрация помехи от сигнала становится невозможной. По ТЗ ослабление побочного сигнала составляет 60 дБ.

Соседний канал приема – это канал, примыкающий к основному каналу, вследствие недостаточной избирательности тюнера не отфильтрованный преселектором и создающий и создающий в преобразователе частоты сигналы, близкие к промежуточной частоте и входящие в полосу пропускания усилителя промежуточной частоты. По ТЗ ослабление соседнего канала 65 дБ при расстройке соседнего канала 300 кГц.

Номинальная выходная мощность 5 Вт, сопротивление нагрузки 4 Ом.

Допустимый коэффициент нелинейных искажений 0,5 %.

Согластно ТЗ антенна представляет собой штырь длиной 1,2 м. Антенна соединена с приемником фидером, длинна которого 10 м, волновое сопротивление 150 Ом.

2 Расчет структурной схемы

Линей тракт состоит из: входной цепи (ВЦ), усилителя радиочастоты (УРЧ), смесителя (С), гетеродина (Г) и фильтра промежуточной частоты (ФПЧ).

С целью уменьшения габаритов целесообразно тракт смесителя и промежуточной частоты реализовать на интегральных микросхемах. Поэтому выбираем ИС К174ПС1 и К174УР3. В состав К174ПС1 входит смеситель,  а в К174УР3 буферный УПЧ, усилитель ограничитель (ОУ), детектор (Д), усилитель звуковой частоты на на TDA1904 (УЗЧ). Для обеспечения заданной чувствительности и нормальной работы микросхем применим малошумящий УРЧ на транзисторе.

Т.к. заданная нестабильность частоты гетеродина в типовых схемах перестраиваемых генераторов реализуется трудно, то требуется применить пару генераторов: стабильный опорный генератор на кварцевом резонаторе и перестраиваемый генератор. Ввиду сложности и ненадежности схемы и необходимости применения прецизионных элементов, термостатирования контурной системы генератора, более удобно реализовать гетеродин на основе синтезатора частоты, который обеспечивает нестабильность частоты до 10-8.

Применим микросхему 1508ПЛ11А. Эта микросхема уже содержит в себе опорный генератор и имеет следующие технические параметры:

- диапазон частот VCO: 10 – 550 МГц;

- напряжение питания: 2,7 – 5,5 В (номинальное напряжение 5 В);

- потребляемый ток при f = 200 МГц: 5 мА;

- чувствительность по входу VCO: 0,5 В;

- коэффициент деления: 640 – 236535;

- уровень помех: низкий.

Назначение выводов микросхемы приведены в таблице 1.

Таблица 1 – назначение выводов микросхемы 1508ПЛ11А

Блок-схема микросхемы 1508ПЛ11А приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – блок-схема микросхемы 1508ПЛ11А.

Код загрузки в микросхему является 19-ти разрядным. Вход каждого бита сопровождается тактовым импульсом по входу CLOCK. Ввод загрузочного кода (коэффициента деления) завершается импульсом DATA TRANSFER, после чего микросхема начинает делить входные частоты в соответствии с введенными коэффициентами деления по основному и опорному каналам.

При верхней  настройке  гетеродина  диапазон  его  частот будет  равен     76,5 – 83,7 МГц. При этом выберем шаг частоты равный 10 кГц. Для этого выбираем кварцевый резонатор на 5 МГц и коэффициент деления опорного канала равный 5 (первые три бита загрузки 110). Коэффициент деления опорного канала будет изменяться от 7650 до 8370. Это соответствует коду загрузки (биты от 4 до 9) от 0001110111100010 до 0010000010110010.

2.1 Выбор средств обеспечения избирательности по зеркальному каналу

По ТЗ нам дано ослабление по зеркальному каналу 60 дБ.

Выбираем схему: одноконтурная ВЦ, одноконтурный УРЧ на БТ.

Рассчитаем промежуточную частоту:

,

где dэр – эквивалент затухания контуров, выбираем dэр = 0,015;

ξзк – расстройка зеркального канала (ξзк = 30 дБ, ξзк = 31,6);

fc – средняя частота сигнала (fc = 73 МГц).

.

По формуле обобщенная настройка зеркального канала равна (при верхней частоте гетеродина):

ξзк = 4 fп / fc ((fc + fп) / (fc + 2fп)) / dэр;

ξзк = 4∙8,65∙106 / 73∙106 ((8,65∙106 + 73∙106)/( 2∙8,65∙106 + 73∙106))/0,015 = 28,6;

ξзк = 20 lg (28,6) = 29,13 дБ.

При таком значении расстройки зеркального канала схема с двумя контурами (в ВЦ и УРЧ) схема обеспечивает параметр технического задания с запасом ≈ 60 дБ.

2.2 Расчет полосы пропускания

Полоса пропускания определяется по формуле:

П = Пс + Пз + 2∆fд;

где Пс – полоса принимаемого сигнала;

Пз – запас полосы на нестабильность частот передатчика и приемника, а так же неточную настройку приемника;

∆fд – доплеровское смещение частоты.

∆fд = 0;

Пс = 2Fmax (1+mч + √mч),

где mч – индекс модуляции;

mч = ∆fmax ч / Fmax;

∆fmax ч - максимальная девиация частоты сигнала;

Fmax – верхняя модулирующая частота;

mч = 50 / 12 = 4,17;

Пс = 2∙12∙103 (1+4,17+√4,17) = 173,09 кГц.

Учтем нестабильность частоты передатчика и гетеродина. Запас полосы на нестабильность:

Пз = 2√((bcfc)2+(bгfг)2),

где bc, bг – относительная нестабильность и гетеродина;

fг – частота гетеродина.

Для обеспечения избирательности по зеркальному каналу выбрали промежуточную частоту fп = 8,65 МГц.

fг = fс + fп,

fг = 73∙106+8,65∙106 = 81,65 МГц;

Пз = 2√((10-6∙73∙106)2+(10-8∙81,65∙106)2) = 0,146 кГц.

Полоса пропускания приемника:

П = 173,09 + 0,146 = 173,24 кГц.

2.3 Выбор средств обеспечения избирательности по соседнему каналу

Рассчитаем частотные искажения в додетекторном тракте.

Обобщенная расстройка для краев полосы пропускания приемника:

ξпр = П/fcdэр;

ξпр = 173,24∙103/73∙106∙0,015 = 0,158.

По графику рисунка 1.7 б [1] определяем, что ослабление, создаваемое преселектором, практически равно нулю Sс пр = 0,1 дБ.

Обобщенная расстройка соседнего канала:

ξскр = ξпр∙2∆fск/П;

ξскр = 0,158∙300∙103/173,24∙103 = 0,27;

По графикам [1] находим ослабление соседнего канала в преселекторе:

Sе скр ≤ 0,1 дБ.

Ослабление соседнего канала, требуемое от фильтров промежуточной частоты:

Sе сип = Sе ск – Sе скр ;

Sе сип = 65 – 0,1 ≈ 65 дБ.

2.4 Выбор фильтра промежуточной частоты

В имеющихся справочных данных  есть сведения о фильтрах с центральной частотой 10,7 МГц и полосой пропускания 180 кГц.

По таблице выбираем фильтр ПФ3П4-575:

- средняя частота 10,7 МГц;

- полоса пропускания по уровню 6 дБ – 150 кГц;

- ослабление соседнего канала 80 дБ, т.е. при полосе частот 150 кГц;

- номинальное входное сопротивление и сопротивление нагрузки на выходе 3,3 кОм.

Из параметров фильтра видно, что этот фильтр полностью подходит под параметры ТЗ.

В качестве антенны приемника используется штырь длиной 1,2 м, который согласуется с фидером длиной 10 м и волновым сопротивлением 150 Ом.

Выбираем кабель РК-150-6-14 со следующими параметрами:

- волновое сопротивление 150±6 Ом;

- внешний диаметр 9,0 мм;

- внутренний диаметр 7,3 мм;

- затухание 0,12 дБ на частоте 100 МГц.

Рассчитав затухание в кабеле, на частоте 73 МГц, и умножив его на длину, мы сможем определить величину потерь в фидере (дБ).

,

где df1 – затухание на частоте 100 МГц;

f2/f1 – отношение частот, на которой хотим определить затухание, и частоты известной (73 МГц и 100 МГц соответственно).

.

Величина потерь в кабеле:

Кп = 0,103∙10 = 1,03 дБ (1,126).

3 Расчет каскадов линейного тракта

3.1 Расчет входной цепи

Наиболее распространенной входной цепью является цепь с трансформаторной связью. Она имеет наибольший коэффициент передачи ввиду сильной связи антенны с контуром и применяется на частотах до 150 МГц.

Исходные данные для расчета:

- средняя частота настройки: 69,4 МГц;

- волновое сопротивление фидера: 150 Ом;

- тип фидера: несимметричный;

- эквивалентное затухание контура: dэр = 0,015;

- входные параметры УРЧ: Rвх = 1,8 кОм, Свх = 5 пФ.

Расчет входной цепи [1]:

3.1.1 Из таблицы 4.4 выбираем полную емкость схемы Ссх = 20 пФ.

3.1.2 Из таблицы 4.5 выбираем собственное затухание контура d = 0,005.

3.1.3 Вычисляем коэффициент включения фидера mа и входа УРЧ mвх для согласования при заданном dэр:

;

;

;

.

3.1.4 Рассчитываем емкость контура:

Ск = Ссх – СL – m2вх∙(СL + Cвх);

СL ≈ 3 пФ – паразитная емкость катушки контура;

Ск = 20 – 3 – 0,1982∙(3+5) = 16,7 пФ.

3.1.5 Находим индуктивность контура:

,

где L измерена в мкГн, Ссх – в пФ, f0 – в МГц.

.

3.1.6 Определяем индуктивность катушки связи с антенной:

LсвА = Wф/ω0;

LсвА = 150/436,053∙106 = 0,344 мкГн.

3.1.7 Определим индуктивность катушки связи с УРЧ

Выбираем индуктивность связи так, чтобы она совместно с емкостью Ссх образовывала контур, настроенный на частоту выше f0max + fп при верхней настройке гетеродина:

;

.

Выберем LсвВХ = 14 мкГн.

3.1.8 Вычислим коэффициент связи

;

.

3.1.9 Рассчитываем коэффициент передачи напряжения с учетом затухания в фидере

;

.

В связи с применением синтезатора частоты перестройка входной цепи, гетеродина и контура УРЧ механически осуществляться не может, поэтому необходимо выбрать варикапы.

Емкость контура равна 16,7 пФ, а за вычетом средней емкости параллельно включенного подстроечного конденсатора 0,4/4 пФ, она будет примерно 15 пФ.

Выберем варикапы типа КВ132А с основными параметрами:

- коэффициент перекрытия при Uобр от 4 до 30 В: не менее 3,5;

- добротность: 300;

- максимальное обратное напряжение: 12 В;

- изменение емкости: 24 – 40 пФ (определено по графику);

- напряжение при емкости 30 пФ ≈ 4 В (определено по графику).

Таким образом, максимальное напряжение, вырабатываемое синтезатором частоты (5 В), обеспечивает с запасом перекрытие по диапазону (при встречном включении варикапов).

3.2 Расчет усилителя радио частоты

Выбираем схему однокаскадного транзисторного усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером.

Выбираем транзистор с fгр ≥ 3f0max. Выбираем ГТ313Б. Справочные данные: Еп = 9 В; Uкэ = 5 В; Iк = 5 мА; Iкбо = 2 мкА; диапазон рабочих температур (+10 – +70)◦С; fгр = 450 МГц; g11 = 6∙10-3 См.

3.2.1 Определим изменение обратного тока коллектора

∆Iкбо = Iкбо∙20,2Т;

Т = Тmax – Т0;

∆Iкбо = 2∙10-6∙20,2(343 - 283) = 8,2∙10-6 А.

3.2.2 Найдем тепловое смещение напряжения базы

∆Uэб = γ (Тmax – Тmin),

где γ = 1,8 мВ/К;

∆Uэб = 1,8 (343 – 283) = 108 мВ.

3.2.3 Вычислим необходимую нестабильность коллекторного тока

∆ Iк = Iк (Тmax – Тmin)/ Т0;

∆ Iк = 5∙10-3 (343 – 283)/ 293 = 1мА.

3.2.4 Вычислим сопротивление резисторов

Rэ = (∆Uэб + (10…20) ∆Iкбо / g11) / ∆ Iк;

Rэ = (108∙10-3 + 20∙ 8,2∙10-6 / 6∙10-3) / 1∙10-3 = 135,3 Ом;

Rф = ((Еп – Uкэ)/ Iк) – Rэ;

Rф = ((9 – 5)/ 5∙10-3) – 135,3 = 664,7 Ом;

Rд2 = (10…20) Еп / g11 Rэ Iк;

Rд2 = 10∙9 / 6∙10-3 ∙135,3 ∙ 5∙10-3 = 22,17 кОм;

Rд1 = (10…20) Еп / g11 (Еп – Rэ Iк);

Rд1 = 10∙9 / 6∙10-3 (9 – 135,3∙5∙10-3) = 1,8 кОм.

Из номинального ряда сопротивлений выбираем:

Rэ = 130 Ом;

Rф = 620 Ом;

Rд2 = 22 кОм;

Rд1 = 1,8 кОм.

3.2.5 Рассчитываем емкости конденсаторов

Cэ = 500/ω0Rэ;

Cэ = 500/458,67∙106∙135,3 = 8 нФ;

Cф = 50/ω0Rф;

Cф = 50/458,67∙106∙664,7 = 16,4 нФ.

Из номинального ряда выбираем:

Cэ = 8,2 пФ;

Cф = 16 пФ.

3.2.6 Расчет контурной системы

Т.к. УРЧ – это резонансный усилитель, то рассчитаем контур на выходе

Индуктивность контурной катушки на минимальной частоте:

L = 1/( ω02Сэ);

L = 1/(413,434∙8∙10-9) = 0,7∙10-9 Гн.

Исходя из условий Lсв = 10%L, индуктивность катушки связи равна:

Lсв = 0,1∙0,7∙10-9 = 0,07∙10-9 Гн.

3.3 На выходе УРЧ напряжение с учетом коэффициента передачи входной цепи и коэффициента усиления УРЧ будет 66,4 мкВ. На выходе смесителя (коэффициент передачи ИМС К174ПС1 равен 14 дБ) напряжение будет 1,524 мВ, что достаточно для работы ИМС К174УР3 (напряжение ограничения 100 мкВ). Выходное напряжение 60 мВ демодулятора усиливается ИМС М5160, имеющей выходную мощность 7,5 Вт при напряжении питания 12 В и коэффициент усиления 62 дБ (требуется лишь 40,42).

3.4 Выбор схемы гетеродина

Рассчитаем контур гетеродина:

Минимальная емкость конденсатора для перестройки контура для данного диапазона равна 3 пФ, а максимальная – 10 пФ.

Индуктивность контурной катушки на минимальной частоте:

L = 1/( ω02Сэ);

L = 1/(413,434∙10∙10-12) = 0,585 мкГн.

Исходя из условий Lсв = 10%L, индуктивность катушки связи равна:

Lсв = 0,1∙0,585∙10-6 = 0,0585 мкГн.

При выборе гетеродина воспользуемся следующим перечнем критерий:

- обеспечение необходимого значения рабочей частоты, а так же перестройка в заданном диапазоне (этот критерий обеспечивается подбором контурной системы LC; регулировка частоты осуществляется управлением варикапами (КВ109Д));

- стабильность частоты генерируемых колебаний (этот параметр (10-8) осуществляется синтезатором частоты);

- обеспечение необходимой амплитуды выходного напряжения и ее постоянство (амплитуду выходного напряжения можно обеспечить, задав режим работы активного элемента, а именно: определив принцип возбуждения (мягкий, жесткий), напряжение питания, напряжение отсечки, угол отсечки, коэффициент связи контурных систем, выходное сопротивление контурной системы и коэффициент демпферирования контурной системы гетеродина и входной контурной системы смесителя);

- минимальный уровень гармоник в выходном сигнале (этот параметр можно обеспечить высокой добротностью контурной системы, а так же применив схемные решения: установить угол отсечки 90◦ – это поможет избавиться от третьей гармоники в выходном сигнале; еще более эффективный метод – это организация двухтактной системы гетеродина, что может полностью избавить от всех четных гармоник).

Напряжение питание выбрано равным 9 В.

4 Выбор и обоснование источника питания

В состав каждого приемного устройства входит источник питания, который в общем случае вырабатывает одно или несколько значений постоянного напряжения.

По ТЗ задан способ электропитания – автомобильная бортовая сеть +12 В. Нам потребуется три значения питающих напряжений: 12 В, 9 В и 5 В.

Выходные напряжения 9 В и 5 В будем стабилизировать. Смеситель и УРЧ питаются напряжением 9В, а синтезатор и демодулятор – 5 В. При этом напряжение 5 В стабилизируется дважды.

Выберем интегральные стабилизаторы серии КР142: КР142ЕН8А и КР142ЕН5А. Выходные токи этих микросхем 1,5 А и 3 А соответственно. Выходные напряжения соответственно 9±0,27 В и 5±0,1 В. Токи потерь составляют не более 10 мА. Ввиду небольших потребляемых токов каскадами радиочастоты микросхемы работают в облегченном режиме.

Выбор конденсаторов фильтра и значений их емкостей в пояснениях не нуждаются.

В данном курсовом проекте был разработан автомобильный радиовещательный приемник, удовлетворяющий всем требованиям технического задания.

Схема усилителя радиочастоты построена на высокочастотном транзисторе КТ315Б, смеситель и гетеродин – на микросхеме ТА8164Р, демодулятор – на К174УР3, оконечный УНЧ – на ИМС TDA1904. Синтез частоты выполнили с помощью синтезатора 1508ПЛ11А. В стабилизаторе применили интегральные микросхемы серии К142.

С целью дальнейшего совершенствования данного устройства возможна частичная (отдельных блоков) или полная интеграция всего тюнера на подложку одной микросхемы – это обеспечит максимальную стабильность работы, понадобится минимум внешних элементов, упростится настройка устройства, и тем самым повысится технологичность изготовления аппаратуры.

Параметры разработанного изделия следующие:

Список используемой литературы

1 Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А.П. Сиверса. Учебное пособие для ВУЗов. – М.: «Советское радио», 1976.

2 Проектирование радиоприемных устройств. В.А. Екимов, К.М. Павлов. Учебное пособие для ВУЗов. – М.: «Советское радио», 1979.

3 Белорусов В.Д. Радиочастотные кабели, провода и шнуры: Справочник. – М.: МЭИ, 1993.

4 Бобров Н. В. Расчет радиоприемников. – М.: Радио и связь, 1981.