Проектирование радиоприемных устройств
Министерство общего и профессионального образования РФ
Уральский государственный технический университет - УПИ
Кафедра РЭИС
Проектирование радиоприемных устройств
Пояснительная записка к курсовому проекту
по дисциплине "Радиоприемные устройства"
вариант №4
Группа: Р-489
Студентка: Брылева А.С.
Преподаватель: Нехорошев В.Д.
Екатеринбург, 2001г.
Оглавление
1.Задание на проектирование... |
3 |
2.Введение.................... |
4 |
3.Выбор структурной схемы..... |
5 |
3.1.Полоса пропускания |
5 |
Выбор первых каскадов...................... |
6 |
Обеспечение избирательности приемника..................... |
6 |
Обеспечение усиления линейного такта......................... |
7 |
Выбор амплитудного детектора..................... |
10 |
Выбор схемы АРУ........................... |
11 |
Выбор УНЧ........................... |
11 |
Расчет элементов субблока...................... |
12 |
Заключение.................... |
16 |
Приложение 1. Электрическая схема......................... |
17 |
Приложение 2. Перечень элементов..................... |
18 |
Библиографический список........................ |
19 |
1. Задание на проектирование
Спроектировать приемник двухполосных одноканальных телефонных амплитудно-модулированых сигналов (режим АЗ).
Настройка приемника плавная и выполняется оператором по принимаемому сигналу. В приемнике должна быть предусмотрена система АРУ. Чувствительность приемника задана в предположении, что единственной помехой является собственный шум приемника. Параметры приемника приведены в следующей таблице.
fc, МГц |
3.6-3.65 |
Частота сигнала |
b |
3*10-5 |
Относительная нестабильность частоты принимаемых сигналов |
F, кГц |
0.15-4.0 |
Частота модуляции |
m |
0.8 |
Коэффициент модуляции АМ сигналов |
g, дБ |
18 |
Отношение сигнал/шум на выходе приемника |
EA, мкВ |
15 |
Чувствительность приемника |
n, % |
12 |
Допустимый коэффициент гармоник |
m, дБ |
6 |
Допустимый коэффициент амплитудно-частотных искажений |
Dfc, кГц |
10 |
Расстройка соседнего канала |
Seск, дБ |
20 |
Ослабление соседнего канала |
Sзк, дБ |
32 |
Ослабление зеркального канала |
Sпч, дБ |
40 |
Ослабление на промежуточной частоте |
А/В, дБ |
40/6 |
Диапазон действия АРУ |
Рвых, Вт |
0.2 |
Выходная мощность приемника |
2.Введение
Радиоприемное устройство (РПрУ)- это комплекс электрических цепей , функциональных узлов и блоков, предназначенных для улавливания распространяющихся в открытом пространстве электромагнитных колебаний искусственного или естественного происхождения в радиочастотном (3*103… 3*1012 Гц) и оптическом (3*1012… 3*1016 Гц) диапазонах и преобразование их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации. Радиоприемные устройства являются важнейшими составными частями всех радиосистем, в том числе радиосвязи, радиовещания и телевидения, относящихся по информационному назначению к классу систем передачи информации из одних пунктов пространства в другие. В зависимости от признаков, положенных в основу, существует ряд различных классификаций РПрУ. По основному функциональному назначению РПрУ делят на профессиональные и вещательные. К профессиональным приемникам (в системах передачи информации) относятся РПрУ связные, телевизионные, телеметрические, телеуправления и др. Вещательные приемники обеспечивают прием программ звукового и телевизионного вещания. Их массовое производство и необходимость относительной дешевизны обуславливают сравнительно простые технические решения. Профессиональные РПрУ отличаются большей сложностью и стоимостью, зачастую соизмеримой со стоимостью предающего оборудования.
Приемники можно классифицировать также по следующим признакам:
а) род работы;
б) характер модуляции принимаемых сигналов;
в) диапазон волн;
г) особенности схем приемников.
а. По роду работы различают радиотелеграфные, радиотелефонные, телевизионные, радиолокационные и радионавигационные приемники, а также приемники неподвижных изображений, сигналов радиотелеуправления и т. д.
б. По характеру модуляции принимаемых сигналов приемники предназначаются для приема сигналов с амплитудной и частотной модуляцией и разновидностями импульсной модуляции (время-импульсная, кодовая импульсная и др.).
в. По диапазону волн приемники разделяются на длинноволновые, средневолновые, коротковолновые и ультракоротковолновые. Ультракоротковолновые приемники в свою очередь делятся на приемники метровых, дециметровых и сантиметровых волн. Приемники могут предназначаться для работы в одном или (чаще) в нескольких диапазонах, например, в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн.
г. По особенностям схем приемников различают приемники: прямого усиления, суперрегенеративные и супергетеродинные с одинарным и двойным преобразованием частоты.
Несмотря на такое многообразие, все радиоприемные устройства связывает общность построения структурной схемы. Это позволяет в основу изучения радиоприемных устройств положить раздельное рассмотрение блоков, входящих в состав любого радиоприемного устройства независимо от его назначения.
3.Эскизный расчет
Структурная схема приемника
Все гетеродинные приемники состоят из трех основных частей: линейного тракта, демодулятора и устройств регулировок (управления). Линейный тракт одинаков для приемников различных типов. Он состоит из входной цепи (ВЦ), усилителя радиочастоты (УРЧ), смесителя (С) и гетеродина (Г) преобразователя частоты , а также усилителя промежуточной частоты (УПЧ).
Радиоприемное устройство может быть представлено следующей структурной схемой:
Назначение отдельных узлов
в которой определяется
1.Преобразование
2 Выделение колебаний с
3. Детектирование принятого
4. Ослабление мешающего действия
помех, спектр которых частично
или полностью перекрывает
5. Усиление принятого сигнала с целью обеспечения нормальной работы исполнительного устройства, воспроизводящего принятое сообщение, и вспомогательных схем защиты от помех.
Особенностью структурной схемы приемников с амплитудной модуляцией является то, что в качестве демодулятора применяется амплитудный детектор (АД), за которым обычно следует усилитель низкой частоты (УНЧ) приемника. Приемник по необходимости снабжается устройствами частотной автоподстройки частоты гетеродина, состоящим из различителя (РЧАП) и управителя (УЧАП), и авторегулировки усиления (АРУ). Типовая структурная схема приемника непрерывных сигналов с АМ приведена на рис.2
При выборе схемы линейного тракта следует учитывать необходимую полосу, которая существенно влияет на показатели всех каскадов и элементов приемника.
Полоса пропускания линейного тракта приемника
Полосу пропускания линейного тракта приемника рассчитаем по следующей формуле:
Где
- ширина спектра радиочастот принимаемого сигнал
Fmax = 3кГц - максимальная частота спектра управляющих сигналов
- полоса учитывающая нестабильность и неточность настроек приемника
Будем считать, что и приемник и передатчик неподвижны, тогда величину доплеровской добавки Dfд можно приравнять к нулю.
Выберем однокаскадный транзисторный гетеродин без кварцевой стабилизации с относительной нестабильностью частоты dfг/fг = 10-4
Выбор первых каскадов
Определив необходимую полосу линейного тракта, нужно перейти к выбору первых каскадов приемника, обеспечивающих требуемую чувствительность.
Вычислим допустимый коэффициент шума приемника:
Обеспечение избирательности приемника
В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется в основном ослаблениями зеркального и соседних каналов. В приемниках с одинарным преобразованием частоты ослабление зеркального канала обеспечивает преселектор, ослабление соседнего канала- в основном УПЧ и частично преселектор. Промежуточная частота должна лежать вне диапазона принимаемых частот fc и обеспечивать:
- заданную избирательность по зеркальному каналу
- заданную избирательность по соседнему каналу
- заданную полосу пропускания линейного тракта
- возможность применения контуров с реализуемой добротностью
- устойчивое детектирование радиоимпульсов и хорошую фильтрацию сигналов промежуточной частоты при детектировании
- требуемое усиление и устойчивость работы УПЧ
- малый коэффициент шума в приемниках.
Сначала, определим значение промежуточной частоты fп, для этого по графикам по заданному значению ослабления зеркального канала SeЗК=32 дБ найдем обобщенную расстройку
ξЗК=11 дБ зеркального канала и переведем полученное значение из дБ в разы : ξЗК=3.54 раз
По следующей формуле рассчитаем значение промежуточной частоты:
Ближайшая стандартизированная промежуточная частота fпр=465 кГц, дальнейшие расчеты будем вести, используя данную промежуточную частоту.
Так как П/fп³ 2.82*dэ=0,014, и предъявляются достаточно высокие требования к избирательности по соседнему каналу, то рационально применить фильтр сосредоточенной избирательности (ФСИ) на промежуточной частоте, так как в этих условиях ФСИ может дать лучшую избирательность, чем УПЧ с распределенной избирательностью (УПЧ-Р). Также добавочным преимуществом ФСИ является сосредоточение средств избирательности перед усилителем, что уменьшает опасность дискретных помех. Наконец, частотная характеристика ФСИ меньше зависит от изменения параметров транзисторов, чем характеристика УПЧ-Р.
Используя нормированные
Обеспечение усиления линейного тракта.
Выбор средств обеспечения усиления линейного тракта можно начать с определения коэффициента усиления преселектора (ВЦ и УРЧ). В транзисторных приемниках коэффициент усиления преселектора можно найти из выражения:
Где Ковц - коэффициент передачи входной цепи, Ко - коэффициент усиления одного каскада УРЧ, n- число каскадов УРЧ.
Рассчитаем коэффициент передачи входной цепи в трех точках диапазона: в начале (fcmax), в середине и конце (fcmin) соответственно:
Для вычисления коэффициента усиления каскада УРЧ сначала рассчитаем устойчивый коэффициент усиления. Поскольку тип транзистора УРЧ не задан, выбираем транзистор ГТ308А, который удовлетворяет условию fY21 ³ fc max. Поэтому параметры транзистора можно считать независимыми от частоты в данном поддиапазоне.
Паспортные данные транзистора ГТ308А:
Определим Y- параметры транзистора, необходимые для вычисления устойчивого коэффициента усиления.
входное сопротивление транзисторов с схеме с ОБ
- активные сопротивления эмитерного перехода и базы
- граничная частота крутизны характеристики с ОЭ.
Устойчивый коэффициент усиления вычислим по следующей формуле:
Далее вычислим коэффициент усиления Ко УРЧ в трех точках диапазона (начале, середине и конце соответственно):
Найдем коэффициент усиления преселектора, взяв при этом минимальные значения Ковц и Ко
Копс=Ковц*Ко Копс=24,77
Требуемый коэффициент усиления по напряжению УПЧ и преобразователя частоты с транзисторным смесителем равен:
Усилители промежуточной частоты, используемые в радиоприемных устройствах, можно классифицировать по ряду признаков.
По величине относительной ширины полосы пропускания их подразделяют на узкополосные и широкополосные. УПЧ с относительной полосой пропускания, не превышающей 0,05, условно считают узкополосными, а с большей относительной полосой - широкополосными.
По характеру распределения избирательности в каскадах различают УПЧ с распределенной и сосредоточенной избирательностью. В УПЧ с распределенной избирательностью функции усиления и избирательности обеспечиваются в каждом каскаде. При этом резонансные контуры, создающие требуемую избирательность, одновременно определяют также и усиление тракта.
Равномерное распределение избирательности вдоль тракта приводит к тому, что каждый каскад имеет в среднем невысокую избирательность, поэтому воздействию помех мешающих станций подвергается не только 1-й каскад усиления, но и последующие каскады. В результате возможно появление перекрестных искажений в нескольких каскадах усиления, что снижает помехоустойчивость приёмника. Это является одним из существенных недостатков данного метода конструирования.
В усилителях с сосредоточенной избирательностью необходимая избирательность обычно создается системой, включенной между преобразователем и УПЧ или после 1-го каскада УПЧ, а требуемое усиление — последующими за ним апериодическими или слабо избирательными каскадами. Системой избирательности могут быть многозвенные LС-фильтры, а также пьезоэлектрические или кварцевые фильтры, отличающиеся высоким коэффициентом прямоугольности частотной характеристики.
По числу резонансных контуров в каждом каскаде усилители с распределенной избирательностью подразделяют на одноконтурные и двухконтурные. В одноконтурных усилителях все контуры могут быть настроены на номинальную промежуточную частоту (настроенный УПЧ) или иметь соответствующую расстройку (УПЧ с попарно расстроенными каскадами или с каскадами, настроенными на три частоты). В двухконтурных усилителях избирательность обеспечивается полосовым фильтром, образованным системой двух связанных контуров. В ряде случаев находят применение усилители с чередующимися одноконтурными и двухконтурными каскадами (смешанная схема).
По режиму работы каскадов УПЧ различают усилители в режиме максимального усиления и в режиме фиксированного усиления. Первый режим применяют тогда, когда внутренняя обратная связь не оказывает заметного влияния на характеристики УПЧ и когда возможное избыточное усиление не превышает допустимой нормы. Второй режим используют, когда величина коэффициента усиления ограничена либо из соображений устойчивости, либо из-за недопустимости большого избыточного усиления.
По способу включения транзисторов УПЧ можно классифицировать на усилители с общим эмиттером и с каскодным соединением двух транзисторов. Основным способом включения транзисторов в УПЧ является схема с ОЭ, обладающая большими усилительными возможностями, чем схема с ОБ, из-за большей величины входного сопротивления. Однако в УПЧ с ОЭ не всегда удается обеспечить устойчивую работу из-за влияния внутренней обратной связи. Практически это означает, что рассчитанный коэффициент усиления одного каскада превышает устойчивый коэффициент усиления.
В этом случае применяют различные способы повышения устойчивости. Если коэффициент усиления каскада незначительно (не более чем в 2 раза) превышает устойчивый, обычно используют пассивный способ, заключающийся в уменьшении коэффициента усиления каскада до устойчивого. В противном случае целесообразно увеличить коэффициент устойчивого усиления, применяя каскодное включение транзисторов.
Помимо транзисторов и колебательных контуров схемы каскадов УПЧ включают в себя дополнительные элементы, предназначенные для обеспечения режима питания транзисторов, их температурной стабилизации, устранения цепей паразитной связи, обеспечения междукаскадных соединений и т. п.
Рис 4 Принципиальная схема одного двухконтурного каскада УПЧ.
Выбор амплитудного детектора
Детекторы приемников непрерывных АМ сигналов можно реализовать на полупроводниковых диодах или транзисторах Диодные детекторы обладают малыми нелинейными искажениями. В линейном режиме, который обеспечивается при сигнале, большем 0,5—1,0В, их коэффициент гармоник меньше 1%.
Транзисторные детекторы имеют значительно большие нелинейные искажения Поэтому , где уменьшение массы, габаритных размеров и потребления питания весьма важно, можно применять транзисторные детекторы. Если же важны малые нелинейные искажения, то рационально брать диодные детекторы.
Рис5: Схемы амплитудного детектора а) последовательный детектор б) параллельный детектор |
Диодные полупроводниковые детекторы могут иметь как последовательные , так и параллельные схемы включения. Предпочтительны последовательные детекторы, имеющие относительно большое входное сопротивление.
Параллельные детекторы применяют лишь тогда, когда контур последнего каскада УПЧ находится под напряжением питания и сигнал на детектор передается через разделительный конденсатор. Обычно диодные полупроводниковые детекторы работают в режиме линейного детектирования при входном напряжении сигналов Uдвх = 0,5...1 В.
В данном случае возможно использование как транзисторного, так и диодного детектора, поскольку оба детектора удовлетворяют требованию ТЗ по коэффициенту гармоник. Возьмем схему последовательного диодного детектора.
Выбор схемы АРУ
Схема регулировки усиления может быть простой или с задержкой. Наиболее часто используется схема с задержкой, так как при такой схеме при малых амплитудах входного сигнала (меньше чувствительности приемника) система АРУ не работает и, следовательно, чувствительность приемника не снижается. Кроме того, может применяться схема усиленной АРУ. Для этого сигнал промежуточной частоты усиливается дополнительным каскадом УПЧ до детектора АРУ или| с помощью усилителя постоянного тока усиливается напряжение добавочного смещения после детектора АРУ.
Эффективность действия АРУ оценивается коэффициентом предполагаемого изменения напряжения сигнала на входе приемника
а также коэффициентом изменения напряжения на входе детекторного каскада
где Uвх мах —максимальная амплитуда входного сигнала;
Uвх мin —амплитуда входного сигнала, соответствующая чувствительности приемника;
Uвых мах и Uвых мin —соответствующие амплитуды выходных напря-
женин детекторного каскада.
Если заданное значение A не превышает 60 дб (1000 раз) и B не менее 12 дб (4 раза), то можно применять неусиленную схему АРУ. При больших значениях A и меньших B необходимо предусмотреть в схеме приемника каскад усиленной АРУ.
Выбор УНЧ
Поскольку приемники непрерывных сигналов с АМ обычно служат для приема телефонных сигналов, УНЧ являются усилителями звуковых частот. В качестве УНЧ я использовала
ИМС К174УН5 по стандартной схеме включения.
ИМС К174УН5 представляет собой усилитель мощности низкой частоты с РВЫХ=2Вт при RH=4Oм. Состоит из входного каскада, согласующего каскада, каскада усилителя мощности и выходного каскада. Входной каскад выполняется по схеме дифференциального усилителя с несимметричным выходом. ИМС необходимо применение дополнительных теплоотводов.
Электрические параметры ИМС К174УН5 при 25±10оС и UИ.П.НОМ=12В.
- Ток потребления IПОТ при UВХ=12В £30мА;
- Коэффициент усиления по напряжению КU, при UВХ=10мВ, = 80¸120;
Нестабильность коэффициент
- Коэффициент гармоник КГ при РВЫХ=2Вт и
- f=1кГц £ 1;
- RВХ при f=1кГц, UВХ=1В ³ 10кОм;
- Полоса воспроизведения частот Df при UВХ=10мВ, = 0,03¸20кГц;
- РВЫХ при КГ£ 1 и f=1кГц ³ 2Вт.
Предельные эксплуатационные
- Un £ 13,2B;
- UBX £ 1,5B;
- Uсинхр. вх. £ 5,5В;
- IH ампл £ 1,45А;
- RH ³ 3,2Oм;
- Ткристалла £ 125оС.
Рис 6 принципиальная схема включения 174УН5
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
Преобразователь частоты состоит из смесителя, к которому подводится принимаемый сигнал, и гетеродина, напряжение которого периодически изменяет параметры смесителя. На выходе смесителя выделяется сигнал преобразованной частоты. В ПЧ с внешним гетеродином функции последнего выполняет отдельный электронный прибор. В данном случае используем ПЧ с внешним гетеродином, т.к. он рекомендован [2].
В таком ПЧ сигнал Uс от входной цепи и последнего каскада УРЧ поступает к базе биполярного транзистора смесителя, включенного с ОЭ. Напряжение гетеродина Uг поступает в цепь эмиттера смесителя и по отношению к гетеродину смеситель оказывается включенным по схеме с ОБ.
В цепь коллектора смесителя включают фильтры (резонансный контур). С помощью резисторов R1 и R2 подается напряжение отрицательного смещения на базу транзистора. Цепь R4, С2 служит для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры. R3 используется для подачи напряжения гетеродина в цепь эмиттера. С3 не пропускает постоянную составляющую тока эмиттера в цепь гетеродина. Схема ПЧ с внешним гетеродином приведена на рис.5.
Гетеродин приемника формирует вспомогательное гармоническое напряжение, необходимое для преобразования частоты.
Простейшие гетеродины представляют собой однокаскадные генераторы с самовозбуждением на транзисторах. Такие гетеродины находят применение в радио- и телевизионных приемниках, а также в некоторых профессиональных устройствах, в которых не требуется высокая точность настройки. К группе простейших гетеродинов могут быть отнесены клистронные гетеродины, а также гетеродины на туннельных диодах. Но главным недостатком таких гетеродинов является низкая стабильность частоты.
Практическое применение находят генераторы с трансформаторной, автотрансформаторной и емкостной и обратной связью. В данном приемнике применим автогенератор с трансформаторной связью, изображенный на рис.6.
Рис.7. Схема ПЧ с внешним гетеродином.
Рис.8. Гетеродин с трансформаторной связью.
Расчет элементов субблока.
Рассчитаем преселектор.
Преселектор состоит из входной цеп и и усилителя радиочастоты .Входная цепь соединяет антенну с 1-м каскадом приемника.
Расчет входной цепи:
Рассчитаем одноконтурную ВЦ с внешнеемкостной связью и с ненастроенной антенной.
Схема входной цепи следующая:
Расчет двухконтурного УРЧ.
Заключение
В ходе данного
Библиографический список
- Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А.П. Сиверcа. Учебное пособие для вузов. М.,"Сов.радио". 1976
- Проектирование радиоприемных устройств.: Методические указания / В.И. Лузин, Н.П. Никитин. Свердловск: УПИ, 1990
- Радиоприемные устройства. Под ред. В.И. Сифорова. Учебник для вузов. М.,"Сов.радио". 1974
- Буланов Ю.А., Усов С.Н. Усилители и радиоприемные устройства. Изд 2-е, переработ и доп. Учебник для радиотехнических специализированных техникумов. М.,"Высшая школа", 1971
