Радиовещательный приёмник ЧМ сигналов

Содержание

 

Введение..................................................................................................................2

Исходные данные................................................................................................3

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

1.1 Анализ исходных данных................................................................................ 4

1.2 Выбор типа структурной  схемы.......................................................................10

1.3 Расчет полосы пропускания  преселектора......................................................12

1.4 Расчёт числа контуров  преселектора...............................................................12

1.5 Определение избирательности  системы тракта промежуточной  частоты..12

1.6 Выбор ИМС........................................................................................................12

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ  ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРИЁМНИКА

2.1 Расчёт входных цепей. .....................................................................................11

2.2 Расчёт УРЧ.........................................................................................................15

2.3 Расчёт цепи питания  УРЧ. ..............................................................................16

2.4. Расчёт ПЧ. .......................................................................................................19

2.5 Расчёт частотного  детектора...........................................................................21

Спецификация.........................................................................................................23

Литература.........................................................................................................27

Приложение 1. Схема электрическая  принципиальная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

 

В курсовом проекте необходимо спроектировать радиовещательный приёмник ЧМ сигналов.

Радиоприемное устройство обеспечивает воспроизведение  передаваемого сообщения при  воздействии на него радиоволн, поступающих  от радиопередающего устройства. Сообщение  воспроизводится в РПУ на основе той информации, которая заключена  в модулированном колебании, поэтому  в РПУ осуществляется преобразование принятого колебания. Современное  РПУ должно обеспечить прием нужного  сигнала на фоне колебаний от всевозможных посторонних источников.

На первом этапе проектирования необходимо произвести выбор и расчет структурной схемы, удовлетворяющей техническому заданию. Далее необходимо произвести предварительный  расчет структурной схемы, который  включает в себя следующие задачи: определение необходимых избирательных  цепей, выбор элементов настройки, выбор принципиальных схем узлов  приемника, а также выбор схем регулировок. Дальнейшая задача состоит  в электрическом расчете входных  цепей (ВЦ), усилителя радиочастоты (УРЧ), преобразователя частоты (ПЧ). Усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и частотного детектора.

На заключительном этапе необходимо представить полную принципиальную схему приёмника  со спецификацией на рассчитанные элементы.

Исходные данные.

 

 

Диапазон  принимаемых частот fmin - fmax (МГц) = 65,8-74,0

Чувствительность РПУ Е (mВ/м) = 0,007

Избирательность по зеркальному каналу Sе.зк (дБ) = 46

Избирательность по соседнему каналу Sе.ск (дБ) = 25

Полоса  пропускания УПЧ на уровне d=6дБ 180кГц

Напряжение  источника питания Е (В)= 8

Максимальная  рабочая температура Тmax °С=50

Тип антенны  в УКВ диапазоне- диполь

Дополнительные  параметры:

Минимальная рабочая температура Тmin °С= -20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ.

 

 

1.1 Анализ исходных  данных.

 

По курсовому  заданию необходимо разработать  радиовещательный приемник ЧМ сигналов. Анализ данных показывает, что проектированию подлежит супергетеродинный приемник с изменяемой частотой (ЧМ). Стандарты на модулированный ЧМ сигнал:

• верхняя модулирующая частота F_в=12,5 кГц
• пиковая девиация Df=75 кГц
• расстройка по соседнему каналу ±250 кГц
• отношение сигнал/шум равно 26дб
• величина неравномерности тракта преселектора d=1 дб

Параметры избирательности предполагают, что они измерены односигнальными  методами, когда уровни входных сигналов недостаточны для того, чтобы вызвать  нелинейные эффекты. Задание не включает в себя избирательность на промежуточной  частоте. В соответствии с техническими условиями на радиовещательные приемники  она должна составлять не менее 40 дБ.

1.2 Выбор типа  структурной схемы.

 

При проектировании приемников с использованием  аналоговых интегральных микросхем (АИМС) применяется  функционально-узловой метод, заключающийся  в том, что структурная схема  приемника составляется из функциональных узлов, выполняющих законченные  операции. Эти функциональные узлы реализуются типовыми конструктивно  оформленными АИМС с использованием дополнительных навесных элементов.

В настоящее  время существует несколько типов  структуры приемников, и наибольшее применение получили приемники супергетеродинного типа.

Радиотракт  супергетеродинного приемника должен содержать следующие функциональные узлы: входная цепь; усилитель радиочастоты; преобразователь частоты; усилитель  промежуточной частоты; детектор.

Входная цепь представляет собой частотно-селективную  электрическую цепь, которая служит для передачи принятого антенной сигнала на вход первого усилительного  каскада (усилителя радиочастоты) и  для обеспечения избирательности  по соседнему каналу. Для фильтрации сигнала во входную цепь включаются колебательные контуры (чаще всего  один контур), настроенные на несущую  частоту принимаемого сигнала.

Усилители радиочастоты обеспечивают усиление сигнала и  дальнейшую его фильтрацию от помех. Нагрузкой усилителя радиочастоты служат колебательные контуры, настроенные, как и входные цепи, на несущую  частоту принимаемого сигнала.

На преобразователь  частоты подается два колебания: с частотой сигнала  с выхода усилителя радиочастоты и с частотой гетеродина от местного генератора, называемого гетеродином.

Выходной  ток преобразователя частоты  содержит помимо частотной составляющей сигнала ряд комбинационных составляющих с частотами  , из которых используется только одна – промежуточная частота , чаще всего f_пр=f_г-f_c. Именно на эту частоту настроен фильтр сосредоточенной избирательности (ФСИ) и селективные цепи усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Таким образом, на выходе ФСИ преобразователя частоты образуется напряжение с частотой .

При перестройке  приемника одновременно с изменением настройки резонансных цепей  входной цепи и усилителя радиочастоты (УРЧ) изменяется частота гетеродина так, что при любой частоте частота f_пр=f_г-f_c остается постоянной. При этом тракт промежуточной частоты, состоящей из ФСИ и УПЧ, не перестраивается.

При работе супергетеродинного приемника в  диапазоне частот необходимо обеспечить сопряженную перестройку селективных  цепей входной цепи, УРЧ и гетеродина. При этом входная цепь и УРЧ  по возможности должны быть настроены  на частоту принимаемого сигнала  , а настройка цепей гетеродина обеспечивает такое значение , при котором получалось бы требуемое значение f_пр=f_г-f_c. Приемники супергетеродинного типа получили широкое применение, так как обеспечивают высокую избирательность и больший коэффициент усиления по сравнению с остальными типами приемников.

 

 

 

 

Структурная схема супергетеродинного приемника  приведена на рисунке 1.1.

1.3 Расчет полосы пропускания  преселектора.

 

Полоса пропускания  преселектора определяется с учетом нестабильности частоты принимаемого сигнала, гетеродина и реальной неточности сопряжения настроек контуров преселектора и гетеродина. При бесподстроечной  настройке ширина полосы пропускания  преселектора равна:

 

  (1.1)

 

 - ширина спектра частот принимаемого сигнала

где:  - индекс ЧМ.

 

 - общий уход частоты настройки преселектора.

где:  - относительная нестабильность частоты принимаемого сигнала (по ГОСТ на радиовещательные передатчики );

 - относительная нестабильность  частоты гетеродина ( =4×10^-4);

;

 - относительная нестабильность частоты колебательных контуров;

- неточность сопряжения настроек  контуров преселектора и гетеродина

где: f_cр= = ;

 - коэффициент перекрытия рассчитываемого поддиапозона.

 

Полоса пропускания  преселектора должна быть больше полосы пропускания УПЧ, что выполняется.

 

 

1.4 Расчёт числа контуров преселектора

 

Расчёт числа  резонансных контуров и их эквивалентной  добротности Q_э производят исходя из величины заданной избирательности по зеркальному каналу Se_зк. Она должна быть обеспечена использованием одного или двух контуров в преселекторе приёмника, имеющих необходимую добротность.

Определим значение эквивалентной добротности контуров:

 

        (1.2)

где: Q_к - конструктивная добротность контура (рекомендуется 80…120);

а - коэффициент, показывающий во сколько раз уменьшается добротность контура при включении его в схему (рекомендуется 2,5…3).

 

Рассмотрим  случай возможности применения одноконтурной  входной цепи. При этом, требуемую  эквивалентную добротность контура, исходя из требования избирательности  по зеркальному каналу, рассчитаем по формуле:

 

      (1.3)

где:  - относительная растройка зеркального канала.

 

Таким образом, условие Q_э > Q_эзк не выполняется, следовательно одним контуром во входных цепях не обойтись и необходимо произвести расчёт для случая, когда преселектор состоит из двух контуров. При этом эквивалентную добротность каждого контура можно рассчитать по формуле:

 

      (1.4)

 

Итак, условие Q_э > Q_эзк выполняется, следовательно необходимо применять двухконтурную входную цепь.

После расчёта  числа контуров и их эквивалентной  добротности для обеспечения  заданной избирательности Se_зк необходимо перейти к определению эквивалентной добротности контуров Q_эп, исходя из допустимой неравномерности АЧХ в полосе пропускания преселектора:

 

    (1.5)

 

Условие Q_эп > Q_э и Q_э > Q_эзк выполняется, следовательно, преселектор будет содержать два контура, так как только при них обеспечивается заданная избирательность по зеркальному каналу.

 

 

 

 

1.5 Определение избирательности системы тракта промежуточной частоты.

 

Пьезокерамические фильтры обладают малым затуханием в полосе пропускания, их частотные  характеристики имеют крутые скаты. Однако затухание фильтров за пределами  полосы пропускания возрастает не монотонно. Вследствие этого желательно включать перед фильтром резонансный контур, который одновременно служит и трансформатором, согласующим выходное сопротивление  ПЧ со входнам сопротивлением фильтра. Согласующий контур выбирается достаточно широкополосным (ШПК), поэтому на полосу пропускания тракта промежуточной  частоты он практически не влияет. Для получения равномерной АЧХ в полосе пропускания фильтр следует тщательно согласовывать по входу и выходу.

Выбираем  пьезокерамический фильтр ПФ1П-049а, основные параметры которго приведены  в таблице 1.1.

 

Параметры ПКФ  ПФ1П-0,49а     Таблица 1.1

Средняя частота полосы пропускания, кГц	Полоса пропускания на уровне –60 дБ, кГц	селективность при расстройке, дБ, менее	Согласующие сопротивления, кОм со стороны
			источника	нагрузки
10,7	150 - 200	26	330	330

 

 

1.6 Выбор ИМС.

 

Функциональные  узлы структурной схемы РПУ определяются выбранным типовым набором ИМС. Используемые ИМС, высокой степени  интеграции, могут реализовать функции, выполняемые несколькими простыми ИМС, что упрощает конструкцию приёмника, уменьшает его габариты и массу, повышает надёжность. Выбор ИМС необходимо производить в соответствии с  их функциональным назначением, электрическими, конструктивными и эксплуатационными  характеристиками и параметрами.

Все каскады  РПУ выполняют на ИМС одной  серии. При этом облегчается “стыковка” ИМС, улучшается ремонтопригодность, повышается надёжность, упрощается электропитание и снижается себестоимость приёмника.

Проектируемый приёмник построим на ИМС серии К174. Серия состоит из ИМС, выполненных  по планарно-эпитаксиальной технологии и оформленных в прямоугольных  и пластмассовых корпусах. Приёмник выполним на трёх микросхемах К174ПС1, К174ХА6 и К174УН4.

ИМС К174ПС1 представляет собой двойной балансный смеситель (преобразователь частоты). Основные параметры ИМС 174ПС1 приведены в  таблице 1.2.

 

Основные  параметры ИМС К174ПС1   Таблица 1.2

Параметр	Норма параметра
Напряжение питания, В Ток потребления, мА Входное, выходное сопротивление, кОм f = 0,1 МГц f = 1 МГц f = 10 МГц f = 20 МГц Входная ёмкость, пФ Выходная ёмкость, пФ Крутизна преобразования, мА/В     Коэффициент шума, дБ	9 3   Rвх = 2,5   Rвых = 260 Rвх = 2,2   Rвых = 240 Rвх = 1,4   Rвых = 170 Rвх = 0,9   Rвых = 140 20 3 10  (симметричная нагрузка) 5  (несимметричная нагрузка)   7

 

 

ИМС К174ХА6 содержит усилитель-ограничитель, детектор уровня, частотный детектор, стабилизатор напряжения, триггер и усилитель напряжения автоматической подстройки частоты (АПЧ). Основные параметры ИМС К174ХА6 приведены  в таблице 1.3.

 

Основные  параметры ИМС К174ХА6   Таблица 1.3

Параметр	Норма параметра
Номинальное напряжение питания, В Ток потребления, мА, не более Входное напряжение ограничения, мкВ, при fвх=10,7МГц, не более Выходное напряжение низкой частоты, мВ, при Uвх=10 мВ, не менее Коэфициент ослабления АМ, дБ, не менее Коэффициент гармоник, % , не более Напряжение питания, Вмаксимальное  сопротивление по постоянному току между выводами 17 и 18, Ом Рабочий диапазон температур, °С	12 ± 1,2 16   60   160 46 1 4,5…18 390 - 25…+55

 

 

ИМС К174УН4 представляет собой усилитель мощности звуковой частоты. Основные параметры ИМС  К174УН4 приведены в таблице 1.4.

 

Основные  параметры ИМС К174УН4   Таблица 1.4

Параметр	Норма параметра
Напряжение питания, В Ток потребления, мА Коэффициент усиления, раз Выходная мощность, Вт Входное сопротивление, кОм Сопротивление нагрузки, Ом Частотный диапазон, Гц	9 10 4…40 1 10 4 30…20000

 

 

 

1.7 Расчёт  реальной чувствительности

 

Реальная  чувствительность ограничена собственными шумами приёмника и найдём её по формуле:

 

     (1.6)

где: Е_А - чувствительность в единицах  эдс, В;

Е - чувствительность в единицах напряжённости поля, мВ/м;

h_д - действующая высота антенны, м (для штыревой антенны h_д=0,2…0,5 м).

 

Ориентировочно  определим напряжение на входе первой микросхемы:

 

     (1.7)

где:  - коэффициент передачи входной цепи для одноконтурной входной цепи с наружной ненастроенной антенной (рекомендуемые значения 0,2…0,3).

 

Tак как U_вхмс < Е_мс = 10 мкВ, то необходимо включить внешний резонансный УРЧ. Выберем транзистор КТ315Г с параметрами приведёнными в таблице 1.4.

 

 

 

 

Основные  параметры транзистора КТ315Г  Таблица 1.4

Электрические параметры	Норма параметра
Постоянная рассеиваемая мощность коллектора при  Т£+25°, мВт	150
Максимальное постоянное напряжение коллектор - база, В	35
Максимальный постоянный ток коллектора, мА	100
Напряжение насыщения коллектор - эмиттер, В, не более	0,4
Максимальное постоянное напряжение коллектор - эмиттер, В	35
Максимальное постоянное напряжение база - эмиттер, В	6
Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ	50…350
Обратный ток коллектора, мкА	1
Граничная частота коэффициента передачи тока, МГц	250
Постоянная времени цепи обратной связи, пс	500
Ёмкость коллекторного перехода, пФ, не более	7

 

 

В таблице 1.5 приведены Y-параметры транзистора КТ315Г рассчитанные с помощью программы по расчёту Y-параметров транзисторов.

 

 

Y-параметры транзистора КТ315Г    Таблица 1.5

Параметры	Значение
Входная проводимость, См	6,99
Крутизна характеристики, См	0,13
Проводимость обратной передачи, См	2,38
Выходная проводимость, См	4,8
Входное сопротивление, Ом	143
Входная ёмкость, пФ	8
Выходное сопротивление, кОм	22,7
Выходная ёмкость, пФ	7
Сопротивление обратной связи, кОм	125
Ёмкость обратной связи, пФ	3,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ  ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРИЁМНИКА

 

 

 

2.1 Расчёт  входных цепей.

 

Из предварительного расчёта известно, что входная  цепь - двухконтурная. Один контур стоит после антенны, а второй контур - после резонансного УРЧ. На растянутых диапазонах (к_пд £ 1,5) применяют внешнеемкостную связь с антенной (рисунок 2.1). Связь входного контура с УРЧ применим автотрансформаторную. Для настройки ВЦ выберем варикап КВ107 с параметрами: С_max=40 пФ, С_min10  пФ.

Далее приводится расчёт контура преселектора.Определим  ёмкость С₃ и С_~:

 

     (2.1)

где:   - распределенная емкость катушки индуктивности;

- емкость монтажа;

- среднее занчение емкости  подстроечного конденцатора.

 

     (2.2)

 

Рассчитаем  ёмкость С2:

 

 (2.3)

 

Для определения  С1 определим вспомогательные коэффициенты:

 

 

 

 

Рассчитаем  ёмкость С1:

 

 (2.4)

 

Проверим  коэффициент перекрытия поддиапзона:

 

 

Точность  расчёта не хуже ± 10%.

Индуктивность контура:

 

   (2.5)

 

Характеристическое (волновое) сопротивление контура:

 

          (2.6)

 

 

 

Резонансное сопротивление контура без учёта  шунтирующих влияний:

 

     (2.7)

где: Q_к - конструктивная добротность контура.

 

Определим коэффициент включения контура  ВЦ со входом транзистора:

 

     (2.8)

где:   .

 

Найдём  эквивалентную добротность контура  на границах поддиапазона:

 

        (2.9)

где:  .

 

 

       (2.10)

где:  .

 

Изменение эквивалентной  добротности контура вследствие шунтирующего влияния транзистора  не превышают границы допустимого (35 < Q_э <67,5).

Проверим избирательность по зеркальному  каналу и неравномерность в полосе:

 

Требования  на избирательность по зеркальному  каналу и неравномерность в полосе пропускания преселектора, заданные техническими условиями, выполняются (Se_зктреб = 48 дБ, s_тр = 1,122).

Антенна штыревая телескопическая. Антенна состоит  из четырёх выдвигающихся секций. Длина каждой секции 30 см. Тогда l_min=0,3 м, l_max=1,2. Ёмкость антенны:

С_A = 10×l         (2.11)

C_Amin = 10×0,3 = 3 пФ

 

С_Аmax = 10×1,2 = 12 пФ

 

Определим коэффициент трансформации  между антенной и контуром ВЦ из условия смещения настройки контура  при изменении ёмкости антенны:

 

 (2.12)

 

где:  ;

.

 

Ёмкость конденсатора связи:

 

     (2.13)

 

Коэффициент передачи ВЦ на нижней и верхней  частоте диапазона

 

  (2.14)

где:  ;

;

.

 

 (2.15)

где:  .

 

Неравномерность передачи ВЦ по диапазону:

 

       (2.16)

 

 

 

 

2.2 Расчёт  УРЧ

 

На верхней  частоте рассчитываемого диапазона  определяется коэффициент подключения  контура УРЧ к выходу транзистора. В общем случае этот расчёт ведётся  из трёз условий: из условия устойчивости, из условия допустимого расширения полосы пропускания и из условия  расстройки контура при изменениях выходной ёмкости транзистора. Для  современных транзисторов условие  устойчивости является самым жёстким, поэтому можно ограничиться расчётом m₂ только из условия устойчивого усиления:

 

 (2.17)

 

где: А=30 - для УРЧ на биполярном транзисторе с ООС.

 

На верхней  частоте диапазона f_В рассчитывается коэффициент подключения контура УРЧ ко входу следующего каскада:

 

     (2.18)

где: R_ВХ2 - входное сопротивление микросхемы 174ПС1.

 

Определяются  параметры элементов связи контура  с транзистором и следующим каскадом. При автотрансформаторной связи  с транзистором:

 

    (2.19)

где: L₁ - индуктивность части контурной катушки между точками подключения транзистора;

М₁ - коэффициент взаимоиндукции между L₁ и L_К.

 

Аналогично  при автотрансформаторной связи  с нагрузкой:

 

     (2.20)

 

Резонансный коэффициент усиления УРЧ на нижней и верхней частоте  диапазона:

 

   (2.21)

 

Неравномерность усиления по диапазону  преселектора. Для этого находится  коэффициент передачи преселектора на нижней и верхней частоте диапазона:

 

     (2.22)

 

и берётся  отношение большей величины к  меньшей:

 

      (2.23)

 

 

 

2.3 Расчёт  цепи питания УРЧ.

 

Выбираем  режим работы каскада по постоянному  току. Для улучшения шумовых свойств  транзистора ток покоя  I_к0 следует брать малым:

 

I_к0 = 1 мА

Соответствующий ему ток базы:

 

       (2.24)

где: h_21э - коэффициент усиления транзистора по току в схеме с ОЭ.

По входной  характеристике находится соответствующее  значение напряжение между базой  и эмиттером . Значение напряжения между  коллектором и эмиттером некретично, оно должно быть больше напряжения насыщения и меньше максимально  допустимого напряжения. Для большинства  транзисторов этим условиям соответствует  .

Определим  значение . Резистор обеспечивает ООС как по постоянному, так и по переменному току.

Для того, чтобы  обеспечивалась глубина ООС по переменному  току равной значению параметра ''а'', резистор должен быть равен:

 

.      (2.25)

 

С другой стороны, значения резистора  определяется допустимым падением постоянного напряжения на нём:

 

,   (2.26)

где:  ;

- напряжение, подаваемое на данный  каскад.

 

Так как в  результате расчета получили > , то в эмиттерную цепь ставятся два резистора и :

 

 

Определим значение :

 

,  (2.27)

где: 

 

Произведем  расчёт резисторов делителя и .Резисторы и определяются так, чтобы они обеспечивали необходимую точку покоя:

 

     (2.28)

где:  .

 

  (2.29)

 

Для проверки стабильности точки покоя при  изменении температуры, рассчитаем коэффициент нестабильности :

 

,   (2.30)

где:

 

Коэффициент нестабильности <  4 считается вполне допустимым.

Можно стабильность точки покоя при изменении  температуры и замене транзистора  проверить иначе. Рассчитывается изменение  тока покоя в схеме без стабилизации при изменении температуры и  замене транзистора: