Расчет и конструкция схем РПУ
CОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Описание конструкции и схемы РПУ
1.1 Параметры и характеристики РПУ
1.2 Выбор структурной схемы РПУ
2 Расчет каскадов РПУ
2.1 Расчет входной цепи
2.2 Расчет усилителя радиочастоты
2.3 Расчет смесителя и гетеродина
2.4 Расчет УПЧ и детектора
2.5 Расчет конечного каскада
3 Технология изготовления РПУ
Заключение
Список использованной литературы
ВВЕДЕНИЕ
Радиоприёмное устройство – это система узлов и блоков, предназначенных для выделения полезного радиосигнала из совокупности поступивших от приёмной антенны электромагнитных колебаний, усиление и преобразование сигналов к виду, необходимого для нормальной работы оконечных устройств.
Сложность и многообразие различных радиотехнических систем, в которых используется приёмные устройства, привели к развитию различных ветвей этой области радиоэлектроники. В основном, это все более расширяющееся применение интегральных схем и, использование цифровой техники не только для управления и регулирования, но и для передачи сигналов. Вид принимаемых сигналов и характер переносимой информации в значительной степени зависят от назначения радиотехнической системы.
В данном проекте представлена
разработка радиовещательного приемника
на два наиболее распространенных диапазона
коротких волн – КВ31м и КВ41м. Приемник
обладает приемлемыми характеристиками
и построена на современной элементной
базе, что, учитывая вышеизложенное, позволяет
считать тему проекта актуальной в настоящее
время.
1 ОПИСАНИЕ КОНСИТРУКЦИИ И СХЕМЫ РПУ
1.1 Параметры и характеристики РПУ
В нашей стране
на вещательную радиоприемную
аппаратуру действует ГОСТ 5651-89 “Аппаратура
радиоприемная бытовая. Общие технические
условия ”. Согласно этому стандарту
радиоприемная аппаратура
К радиоприемникам предъявляются требования к параметрам и характеристикам. Перечислим основные из них.
Избирательность – это способность приемника отделять полезный сигнал от помех. Она основана на использовании отличительных признаков между полезными и мешающими сигналами. Основное значение имеет частотная избирательность, т.е. обеспечение приема сигнала при настройке на заданную частоту.
Чувствительность РПУ – это способность приемника принимать слабые радиосигналы. Количественно Чувствительность оценивается минимальной ЭДС в антенне, при которой на выходе приемника сигнала воспроизводиться с требуемым качеством.
Диапазон рабочих частот определяет область частот, на которые может быть настроен приемник.
Динамический диапазон приемника – это диапазон амплитуд входного сигнала, при которых обеспечивается требуемое качество воспроизведения принятого сообщения.
Качество воспроизведения принятого сообщения определяется линейными и нелинейными искажениями в каскадах приемника.
По ГОСТ 5651-81 приемники 1-ой группы сложности должны обладать следующими характеристиками (Табл. 1)
Таблица1 – Параметры и характеристики разрабатываемого радиоприемника 1-ой группы сложности.
Наименование параметр |
Значение |
Диапазоны принимаемых част, МГц: КВ 31 м КВ 41 м |
9.5……….9.77 7.2……….7.45 |
Чувствительность, ограниченная шумами АМ – тракта, при отношении сигнала – шум не менее 20дБ по напряжению для внешней антенны, мкВ, не хуже |
100 |
Односигнальная избирательность тракта приема сигналов с АМ, дБ, не менее: по соседнему каналу при расстройке ± 9 кГц по зеркальному каналу |
40 16 |
Диапазон воспроизводимых частот звукового давления всего тракта при неравномерности АЧХ звукового давления 18 дБ, Гц, не хуже |
50………6300 |
Общие гармонические искажения всего тракта по электрическому напряжению на частоте модуляции |
1000 |
Гц. При m =0,8 и Pвых, % не более |
4 |
Отношение сигнал-фон с антенного вход, дБ, не менее |
46 |
Динамический диапазон приемника, дБ, не хуже |
40 |
1.2 Выбор структурной схемы РПУ.
Современные радиоприёмные устройства строятся, как правило, по супергетеродинной схеме с одним или двумя преобразователями частоты. Двойное преобразование частоты, характерно для профессиональных радиопередающих устройств, позволяет за счет высокой первой промежуточной частоты существенно увеличить подавление зеркальной помехи, а за счёт низкой второй промежуточной частоты получить хорошую избирательность по соседнему каналу.
- Требуемый коэффициент
Исходя из полученных данных можно распределить коэффициенты усиления по контурам и сформировать структурную схему (рис.1).
Рис. 1 - Структурная схема РПУ
2. РАСЧЕТ КАСКАДОВ РПУ
2.1 Расчет входной цепи.
Произведем расчет входной цепи для диапазонов КВ 31 м и КВ 41 м.
Расчет производиться для схемы входной цепи приведенной на рис. 2.
Рис. 2 – Схема входной цепи.
Методика расчета следующая.
1.Рассчитаем коэффициент перекрытия диапазона:
Kпд = Fmax /Fmin (1),
где Fmax и Fmin – граничные частоты диапазона.
2. По таблице 1, выбираем значение емкости переменного
конденсатора.
3. Рассчитаем результирующую емкость контура:
4. Рассчитаем необходимую
5. Рассчитаем фактическое значение постоянной емкости:
Спост(факт)=Сm+ CL+p2Cвх
6. Рассчитываем индуктивность контура:
Lэ= .
7. Рассчитываем емкость добавочного конденсатора:
Cдоб=Спост(необх)-Спост(факт)
Если Сдоб≤0,5 Спср, то в схеме он не нужен.
Проведем расчет входной цепи для диапазона КВ 31 м.
- Рассчитаем коэффициент перекрытия диапазона:
Kпд= =1,02
- По таблице
переменного конденсатора.
Сmin=10пФ Сmax=100пФ
- Рассчитываем необходимую постоянную ёмкость
Спост(необход)= пФ
- Рассчитываем эквивалентную ёмкость контура
Сэmin=10+2240=2250пФ
Сэmax=100+2240=2340пФ
- Рассчитаем фактическую постоянную ёмкость
Спост(факт)=8+5+1 5=18 пФ
- Рассчитываем результирующую индуктивность контура
Lэ= =0,11 мкГн
- Рассчитываем уравнивающую ёмкость
Су=2240-18=2222пФ
8.Выбираем ёмкость
Сп2 10 пФ
Спср= =6 пФ
- Рассчитываем ёмкость дополнительного конденсатора
Сдоп 2222-10=2212 пФ
- Проверим необходимость установки в схеме дополнительного конденсатора
С доп спср
2212пФ 6 пФ
Условие не выполняется, следовательно СДоп в схеме не
устанавливается.
Проведем расчет входной цепи для диапазона КВ 41 м.
- Рассчитаем коэффициент перекрытия диапазона:
Kпд= =1,03
- По таблице
переменного конденсатора.
Сmin10 пФ Сmax 200 пФ
- Рассчитываем необходимую постоянную ёмкость
Спост(необх)= =3109,87 пФ
- Рассчитываем эквивалентную ёмкость контура
Сэ min= 3109,87+10=3119,87 пФ
Сэ max= 3109,87+200=3309,87 пФ
- Рассчитываем результирующую индуктивность контура
Lэ = =0,15 мкГн
- Рассчитаем фактическую постоянную ёмкость
Спост(факт) =8+10++=27 пФ
- Рассчитываем уравнивающую ёмкость
Су=3109,87-27=3082,87 пФ
- Выбираем ёмкость подстрочного конденсатора
Сп =3 15 пФ
Спср = =9 пФ
- Рассчитываем ёмкость дополнительного конденсатора
СДоп = 3082,87- 15 =3067,87 пФ
- Проверим необходимость установки в схеме дополнительного конденсатора
Сдоп СПср
3067,87 пФ 9 пФ
Условие не выполняется, следовательно СДоп в схеме не
устанавливается.
2.2 Расчёт усилителя радиочастоты
ИМС К174ХА2А, К174ХА2Б (рис. 2) представляют собой
усилитель высокой частоты с преобразователем и содержат дифференциальный
усилитель на транзисторах VT2,..VT6 без коллекторных нагрузок и отдельный
транзистор УТ1. Каскад на транзисторе VT1 обычно играет роль апериодического
усилителя ВЧ с отрицательной обратной связью по напряжению, регулируемой
внешним резистором, который подключают к выводам 1, 14, На транзисторах
VT3, VT4, VT6 собирают гетеродин (по автогенераторной схеме). Транзистор
VT3 служит для автоматической регулировки амплитуды колебаний гетеродина.
Смеситель выполнен на
снимается с выводов 10 и 12, напряжение внешней АРУ подается на вывод 13,
Рисунок 2 – Внутренняя структурная схема ИМС К174ХА2
Рисунок 3 – Назначение выводов ИМС К174ХА2
Рисунок 4 – Типовая схема включения ИМС К174ХА2
В зависимости от верхней граничной частоты полосы пропускания ВЧ тракта
ИМС подразделяются на группы А и Б, К174ХА2А имеет верхнюю граничную
частоту полосы пропускания не менее 15 МГц, К174ХА2Б - не менее 25 МГц.
2.3 Расчёт смесителя и гетеродина
При разработке блока усилителя высокой частоты и преобразователя с
использованием ИМС
К174ХА2 необходимо учитывать
высокой частоты может быть выполнен как с резонансной, так и с нерезонансной
нагрузкой, в последнем случае, если требуется получить оптимальные шумовые
характеристики схемы,
рекомендуемое значение
источника сигнала должно составлять 0,1.. Л кОм. Высокочастотный сигнал
через конденсатор С1 подают на вывод 1 ИМС. Усиленный УВЧ сигнал
поступает на смеситель. Гетеродин для упрощения коммуникации в
многодиапазонных устройствах выполнен по схеме с отрицательным
сопротивлением и
стабилизацией амплитуды
ИМС и внешнего контура L2C9. Эквивалентное сопротивление
частотозадающего контура L2C9, приведенное к выводам 5, 8 ИМС,
рекомендуется выбирать в пределах от 4...10 кОм. При уменьшении
эквивалентного сопротивления
ухудшаются условия
увеличении - снижается стабильность частоты.
Для более стабильной работы гетеродина с изменением частоты генерации,
расстояние между конденсаторами С5, €6 и выводами 6, 8 должно быть
минимальным.
Смеситель выполнен по балансной схеме. Чтобы на его выход не проникало
напряжение гетеродина, не влияло на выход смесителя (выводы 10, 12),
необходимо обе половины обмотки I трансформатора Т1 изготовить
симметричными по отношению к среднему отводу. Это достигается
одновременно намоткой
общих частей первичной
последовательным включением. В правильно спроектированном устройстве
напряжение гетеродина на выводах 10, 12 относительно корпуса не должно
превышать 100...200 мВ во
всем частотном диапазоне
Эквивалентное сопротивление контура смесителя (между выводами 10, 12) с
учетом подключаемой нагрузки (обычно фильтра с выходным сопротивлением
1,2 кОм) желательно выбирать примерно равным 10 кОм,
Рассчитаем частотозадающие цепи гетеродина, который будет
использоваться в составе ИМС К174ХА2.
Частоты гетеродина составят:
Для диапазона КВ31м
Fmin=9,5-0,456= 9,035 МГц
Fmax=9,775-0,456= 9,31 МГц
Для диапазона КВ41м
Fmin=7,2-0,456=6,735 МГц
Fmax=7,45-0,456=6,985 МГц
Проведем расчет частотозадающей цепи гетеродина для диапазона КВ
31м.
- Рассчитаем коэффициент перекрытия диапазона:
Kпд= =1,02
- По таблице
переменного конденсатора.
Сmin=10пФ Сmax=100пФ
- Рассчитываем необходимую постоянную ёмкость
Спост(необход)= пФ
- Рассчитываем эквивалентную ёмкость контура
Сэmin=10+2240=2250пФ
Сэmax=100+2240=2340пФ
- Рассчитаем фактическую постоянную ёмкость
Спост(факт)=8+5+1 5=18 пФ
- Рассчитываем результирующую индуктивность контура
Lэ= =0,11 мкГн
- Рассчитываем уравнивающую ёмкость
Су=2240-18=2222пФ
8.Выбираем ёмкость
Сп2 10 пФ
Спср= =6 пФ
9. Рассчитываем ёмкость дополнительного конденсатора
Сдоп 2222-10=2212 пФ
10. Проверим необходимость установки в схеме дополнительного конденсатора
С доп спср
2212пФ 6 пФ
Условие не выполняется, следовательно СДоп в схеме не
устанавливается.
Проведем расчет входной цепи для диапазона КВ 41 м.
- Рассчитаем коэффициент перекрытия диапазона:
Kпд= =1,03
- По таблице
переменного конденсатора.
Сmin10 пФ Сmax 200 пФ
- Рассчитываем необходимую постоянную ёмкость
Спост(необх)= =3109,87 пФ
- Рассчитываем эквивалентную ёмкость контура
Сэ min= 3109,87+10=3119,87 пФ
Сэ max= 3109,87+200=3309,87 пФ
- Рассчитываем результирующую индуктивность контура
Lэ = =0,15 мкГн
- Рассчитаем фактическую постоянную ёмкость
Спост(факт) =8+10++=27 пФ
- Рассчитываем уравнивающую ёмкость
Су=3109,87-27=3082,87 пФ
- Выбираем ёмкость подстрочного конденсатора
Сп =3 15 пФ
Спср = =9 пФ
- Рассчитываем ёмкость дополнительного конденсатора
СДоп = 3082,87- 15 =3067,87 пФ
- Проверим необходимость установки в схеме дополнительного конденсатора
Сдоп СПср
3067,87 пФ 9 пФ
Условие не выполняется, следовательно СДоп в схеме не
устанавливается.
2.4 Расчет УПЧ и детектора.
Параметры режекторного контура L1C2 следует выбирать таким образом, чтобы
он обеспечивал эффективное подавление ПЧ, т.е. его сопротивление на этой
частоте должно быть
приблизительно равно 240 Ом. В
то же время на рабочих
близких к промежуточной (в диапазонах длинных волн (408 кГц) и средних волн
(525 кГц), этот контур не должен заметно шунтировать нагрузку УВЧ.
Электрические параметры при 2510 и U и.п.ном = 5В
Ток потребления I пот , мА, при U вх =0, не более……..3,3
Коэффициент усиления по напряжению
К уU при Uвх = 0,2 мВ, f= 0,15 МГц
…………………………………………………..150…350
Коэффициент шума К ш ,дБ, не более …………………6
Коэффициент шума К ш (в децибелах) вычисляется по формуле:
Кш-(201g)
Uc - максимальный выходной сигнал на выходе УПЧ в пределах полосы
пропускания при параметрах выходного сигнала в соответствии с указанными
выше электрическими параметрами, иш - напряжение шума на выходе УПЧ при
отключенной модуляции несущей частоты.
Предельные эксплуатационные параметры ИМС К174ХА2 Напряжение
питания U и.п,, В:
минимальное 3,6
максимальное 6
Ток потребления I пох , мА, не более:
и „ = О, U = 6 В, t = -70 0 С 4
ии -О,и = 3,6 В, t = -25 0С 3,1
Коэффициент усиления по напряжению К уи , при t окр. ср. = -25... +70 0 С,
U и.п. =3,6...6 В... 100...400
Ток в цепи вывода 14 при подключенной внешней нагрузке 114, мА, не более
...10
Потребляемая мощность Р пох, м Вт, не более
25
ИМС" К174ХА2 (рис. 1) представляет собой усилитель промежуточной
частоты с амплитудным детектором и системой АРУ на базе
дифференциального усилителя.
Усилитель 114 состоит из регулируемого каскада на транзисторах VT1, VT2,
управляемого по выводу 13 напряжением, и основного усилителя на
транзисторах. VT4...VT11 .
Основной усилитель построен по дифференциальной схеме на транзисторах VT6,
VT9 с динамической нагрузкой в цепи коллектора транзистора VT6. Второй
каскад основного усилителя выполнен на транзисторе VI" 11 по схеме с общим
эмиттером. Усилитель имеет обратную связь по постоянному току, глубина
которой определяется делителем, образованным резистором R.13 и цепочкой,
подключенной к выводу 4. Отличительной особенностью амплитудного детектора
на транзисторе VT13 является его способность работать в широком диапазоне
уровней входного сигнала. Усилитель напряжения системы АРУ - двухкаскадный
усилитель постоянного тока. Транзистор VT14 в нем включен по схеме с общим
эмиттером, а транзистор VT3 - по схеме с общим коллектором. Нагрузкой
последнего является регулируемый усилитель ИМС.
Усиление регулируют с помощью ООС, сигнал которой подается с выхода
усилителя на вывод 4. Чтобы обеспечить устойчивость работы и улучшить
характеристики узла УПЧ, рекомендуется к ИМС подключить одиночный
колебательный контур или полосовой фильтр. Одиночный контур включают
между выводами 14, 3 и 5 (рис. 1). Волновое сопротивление части контура,
подключаемой к выводам 3, 14, приведенное к этим выводам, выбирают так,
чтобы получить требуемую полосу пропускания с учетом шунтирования контура
внутренним сопротивлением ИМС (между выводами 3 и 14).
Электрические параметры ИМС К174ХА2 при (25±10)°С и U и.п.ном = +5
В,
fBX=465 кГц и ГМОд= 1 кГц.
Ток потребления I пот, мА, при U вх = О, R„ = со, не более
4
Напряжение АРУ , UApy , В, при U вх = О, RH = 3,9 кОм
З..А5
Относительное изменение напряжения АРУ AUAPy охн при U вх = 0,5...30 мВ,
R,i =
111 = 30% 120
Коэффициент гармоник К г, %, при U вх = 3 мВ, RH = оо, m = 80% не более
……………………………………………………………………….5
Входное сопротивление R вх , кОм, при U пых = 20...40 мВ, R„ = оо, m = 30%
..................0,43...1
Относительное изменение напряжения АРУ определяется по формуле:
U=
2.5 Расчет окончательного каскада
ИМС К174УН5 (рис. 1) представляет собой усилитель мощности низкой частоты
с номинальной выходной мощностью 2 Вт на нагрузке 4 Ом. Состоит из входного
каскада (на транзисторах VT1, VT2), согласующего каскада (VT3), каскада
усиления напряжения (VT7) и выходного каскада (VT8...VT12). Выходной каскад
выполнен по схеме дифференциального усилителя с несимметричным выходом.
Рисунок 5- назначение выводов ИМС К174УН5
С него сигнал эмиттерный повторитель на транзисторе VTVT поступает на
усилитель напряжения (VT) и деле на квазикомлементарный выходной каскад,
выполненный на составных транзисторнах VT8, VT11 и VT9, VT10, VT12.
Начальное смешение на базах транзисторов выходного каскада для работы в
режиме АВ задается транзисторам VT4…VT6.
Рисунок 6 – Типовая схема включения ИМС К174УН5
Применение ИМС без дополнительного теплоотвода не допускается.
Напряжение питания можно снижать до +9 В, при этом выходная мощность
усилителя уменьшается (рис, 7). Зависимости основных параметров ИМС от
режимов эксплуатации приведены на (рис. 7)
Электрические параметры ИМС К174УН5 при 25±10 °С и Uи.п.ном=12В
Ток потребления Iпот, мА, при Uвх = 0, не более……….30
Коэффициент усиления по напряжению
КуU при Uвх 10мВ………………………………………80…120
Нестабильность коэффициента усиления по напряжению, уU , %, не более
………………………………………………………………...20
Коэффициент гармоники Кг, %, при Р вых =2Вт и f=1кГц, не более
………………………………………………………………….1
Входное сопротивление Rвх, кОм, при f=1 кГц, Uвх=1В, не менее
…………………………………………………………………..10
Полоса воспроизводимых частот, f, кГц, при U вх= 10мВ
…………………………………………………………………..0,
Выходная мощность Рвых, Вт, при f=1 кГц и К г 1%, не менее
………………………………………………………………….2
Предельные эксплуатационные параметры ИМС К174УН5
Напряжение питания Uи.п. , В, не более
…………………………………………………………………..13,
Входное напряжение U вх, В, не более
……………………………………………………………………1,5
Входное напряжение Uсф.и.п. , В, не более
……………………………………………………………………5,5
Амплитудное значение тока в нагрузке I нА, А, не более
……………………………………………………………………1,45
Сопротивление нагрузки R н , Ом, не менее.......... .3,2
Температура кристалла, 0 С, не более ..........................125
Тепловое сопротивление на границе кристалл-окружаюгцая среда, 0 С/Вт, не
более
............1000
Тепловое сопротивление на границе кристалл-корпус,0 С/Вт, не более
20
Рисунок 7- основные параметры ИМС174УН5
3 ИЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РПУ
Применение печатных плат создает предпосылки для механизации и
автоматизации процессов
сборки радиоэлектронной
надежность, обеспечивает повторяемость параметров монтажа (емкость,
индуктивность) от образца к образцу.
Простейшим элементом любой печатной платы является печатный проводник –
участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционном основании.
Характерной особенностью печатного проводника является, то что его ширина
значительно больше толщины.
Система печатных проводников, обеспечивающая возможность электрического
соединения элементов схемы, которые впоследствии будут установлены на
печатную плату, а также экранирование отдельных проводников, образует
печатный монтаж. Изоляционное основание с нанесенным на него печатным
монтажом образует печатную плату.
Иногда непосредственно на печатной плате, используя технологические
процессы нанесения токопроводящего или изоляционного покрытия, получают
отдельные электрорадиоэлементы (ЭРЭ) - индуктивные катушки, контакты
разъемов и переключателей и др. Такие элементы также называют печатными,
Система печатных проводников и электрорадиоэлементов, нанесенных на
изоляционное основание, образует печатную-схему.
По конструкции печатные платы подразделяют на однослойные и
многослойные (МПГТ).
Однослойные печатные платы всегда имеют один изоляционный слой, на
котором находятся печатные проводники. Если они расположены на одной
стороне изоляционного основания, то такую плату называют односторонней
(ОПП), если на двух сторонах, то двухсторонней (ДПП).
Многослойная печатная плата (МГГП) состоит из нескольких печатных слоев,
изолированных склеивающими прокладками.
Многослойные печатные платы имеют соединения между проводниками,
расположенными в различных слоях, или открытый доступ к отдельным участкам
проводников внутренних слоев для припайки к н им ЭРЭ.
Процесс изготовления изоляционной платы с печатным монтажом состоит из
двух основных операций:
а) создание изображения печатных проводников (копированием
изображения с негатива на светочувствительный слой, печатанием изображения
защитной краской через сетчатый трафарет или с помощью офсетной формы);
б) создание токопроводящего слоя на изоляционном основании.
Широкое распространение получили три метода создания
токопроводящего слоя:
химический, при котором производится вытравливание незащищенных
участков фольги, предварительно наклеенной на диэлектрик.
электрохимический, при котором методом химического осаждения создается
слой металла толщиной 1-2 мкм, наращиваемый затем гальваническим способом
до нужной толщины. При электрохимическом методе одновременно- с
проводниками металлизируют стенки отверстий, которые можно использовать
как перемычки для соединения проводников, расположенных на разных сторонах
платы;
комбинированный метод, сущность которого состоит в сочетании химического
и электрохимического методов. При • использовании комбинированного
метода проводники получают методом травления фольги, а металлизированные
отверстия - электрохимическим методом.
Как было показано, печатный проводник имеет большое отношение ширины к
толщине поперечного сечения, благодаря чему площадь поверхности проводника
большая.
Большая поверхность и хороший тепловой контакт с изоляционным
основанием обеспечивают интенсивную отдачу теплоты от проводника
изоляционной плате и в окружающее пространство, что позволяет пропускать
через печатные проводники значительно большие токи, чем через объемные того
же сечения. Для печатных проводников, расположенных на наружных слоях,
допускается плотность тока до 20 А/мм ’а для расположенных на внутренних
слоях МПП - до 15 А/мм".’
Для печатных плат, используемых в бытовой аппаратуре, допускается
плотность тока до 30 А/мм". При этом заметного нагрева проводников не
наблюдается.
