Расчет преселектора радиоприемного устройства

Министерство связи и массовых коммуникаций Российской Федерации

 

Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики

 

Межрегиональный центр переподготовки специалистов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дисциплина

 

 

РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА

 

Курсовая работа

 

Расчет преселектора радиоприемного устройства

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:	Самолюк Д.А.
Группа:	ЗР-01
Вариант:	11
Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новосибирск 2014

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные на курсовой проект

 

Задание:

Спроектировать радиовещательный ДСКВ приемник со следующими техническими данными:

 

Технические данные:

Вариант	11
Диапазон частот приема: fn, МГц; fv, МГц;	0,148 2,8
Чувствительность, при С/Ш = 10, мкВ	50,3
Ширина полосы пропускания, кГц	6,8
При неравномерности усиления в пределах полосы, дБ	7,1
Избирательность по соседнему каналу, дБ	43,5
Избирательность по зеркальному каналу, дБ	37,5
Допустимая неравномерность по диапазону, раз	1,99
АРУ: изменение выходного напряжения, дБ	4,8
АРУ: при изменении входного, дБ	43,5
Номинальное выходная мощность, Вт	0,83
Тип антенны*	Внешняя
Параметры антенны:
RA, Ом	20
LA, мкГн	25
CAmax, пФ	270
CAmin, пФ	50
Конструкция приемника	Стационарный
Источник питания	сеть

 

*Антенна ненастроенная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Радиоприемные устройства являются важнейшими составными частями всех радиосистем, относящихся по информационному назначению к классу систем передачи информации из одних пунктов пространства в другие. Это комплекс электрических цепей, функциональных узлов и блоков, предназначенных для улавливания распространяющихся в открытом пространстве электромагнитных колебаний, и преобразования их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации.

В данном курсовом проекте разрабатывается радиовещательный ДСКВ стационарный приемник, в с сетке частот 0,148…2,8 МГц, питающийся от сети 220 В. Разрабатываемый приемник должен принимать только полезный для него сигнал.

Данному приемнику следует отвечать тем техническим данным, которые на него возложены, поэтому весь подбор элементной базы рассчитывается на основе данных характеристик.

Радиоприемное устройство должно включать в себя такие блоки как:

• входная цепь;
• УРЧ (усилитель радиочастоты);
• радиотракт;
• избирательная цепь;
• детектор сигнала;
• цепи автоматической регулировки усиления (АРУ);
• усилитель звуковой частоты (УЗЧ).

Задачей данного курсового проекта провести расчет радиоприемного устройства с учетом особенностей построения приемников в заданном диапазоне частот.

Произвести предварительный расчет, в котором определяется вся структура будущего приемника, а также его особенности принципиальном исполнении.

Произвести принципиальный расчет узлов, входящих в разработанную структурную схему с выбором соответствующей элементной базы. В результате выполнения курсового проекта произвести расчет результирующих характеристик полученного приемника. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Предварительный расчет структурной схемы проектируемого приемника

 

1. Определение полосы пропускания преселектора

 

Структурная схема приемного устройства составляется на основе предварительного расчета, который включает в себя определение числа контуров преселектора и их добротности, выбор типа и числа фильтрующих систем тракта промежуточной частоты, определение числа каскадов и выбор типа активных элементов.

При проектировании радиовещательных приемников поддиапазоны рабочих частот обычно заданы ГОСТ и этот расчет не нужен. В поддиапазонах коротких волн основную неравномерность усиления полосе пропускания приемника относят к тракту промежуточной частоты (3÷60) дБ, а меньшую долю к преселектору (1÷3) дБ.

Неравномерность усиления преселектора берут равной нулю при выполнении условия:

(1.1)

где  fн – нижняя частота рассчитываемого поддиапазона,

Ппр-ка – полоса пропускания приемника.

 

Условие не выполняется, значит неравномерность преселектора принимается равной 3 дБ и считается распределенной в полосе пропускания между преселектором и трактом ПЧ.

Для радиовещательных приемников ДСКВ с амплитудной модуляцией в установлено стандартное значение промежуточной частоты: fпр = 425 кГц.

Полоса пропускания преселектора определяется с учетом нестабильности частоты принимаемого сигнала, гетеродина и реальной неточности сопряжения настроек контуров преселектора и гетеродина, и определяется по формуле:

 

П = Пс + 2·Δпрес макс,      (1.2)

где  Пс - ширина спектра частот принимаемого сигнала.

Δпрес макс - общий максимальный уход частоты настройки преселектора.

 

Общий максимальный уход частоты настройки преселектора определяется по формуле:

(1.3)

где  δc = 10-5 - относительная нестабильность частоты принятого сигнала (по ГОСТ на радиовещательные передатчики δc ≤ 1,5∙10-5),

δг = 10-4 – относительная нестабильность частоты гетеродина для отдельного гетеродина с параметрической стабилизацией,

δк = 5,0∙10-5 - относительная нестабильность частоты колебательных контуров,

Δсопр - неточность сопряжения настроек контуров преселектора и гетеродина, определяемая по формуле:

 

(1.4)

где   Кпд - коэффициент перекрытия рассчитываемого поддиапазона, определяемый по формуле:

(1.5)

 

Подставив значения и произведя вычисления по формулам (1.2 - 1.5):

 

(1.6)

где   - верхняя граница рассчитываемого поддиапазона;

- верхняя граница рассчитываемого поддиапазона;

 

 

 

(1.7)

 

Следовательно, общий максимальный уход частоты настройки преселектора:

 

 

 

 

В радиовещательных приемниках предполагается подстройка в процессе работы, поэтому берут:

(1.8)

где  Пс - ширина спектра частот принимаемого сигнала,

Fв - верхняя модулирующая частота.

При амплитудной модуляции (АМ) верхняя частота модуляции определяется как:

(1.9)

Так как

 

Следовательно:

 

 

2. Расчет числа контуров преселектора

 

В приемниках звукового вещания в диапазонах длинных и средних волн (НЧ и СЧ) число контуров преселектора N и эквивалентная добротность Qэ определяется исходя из требуемой избирательности по зеркальному каналу (на высшей частоте поддиапазона) и допустимой неравномерности усиления (на нижней частоте поддиапазона).

Задача состоит в выборе числа и типа селективных систем преселектора (чаще всего в качестве селективных систем здесь используются одиночные контуры)  и расчет их требуемой эквивалентной добротности QЭ, исходя из заданной избирательности приемника по зеркальному каналу SeЗК и обеспечения требуемой полосы пропускания этого тракта ПЧ при допустимом уровне частотных искажений или неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

В диапазоне коротких волн КВ число контуров преселектора и эквивалентная добротность определяется заданной избирательностью по зеркальному каналу (использована формула малых расстроек) по формуле:

 

(1.10)

где  Sезк, раз - заданная избирательность по зеркальному каналу в относительных единицах,

N – число контуров преселектора.

γзк - относительная расстройка зеркального канала определяется по формуле:

 

(1.11)

где fзк = fв + 2·fпр, МГц - частота первого зеркального канала при верхней настройке гетеродина.

Реально-выполнимые контуры имеют конструктивную добротность:

• в диапазоне низких частот (ДВ): Qк = 20…50;
• в диапазоне средних частот (СВ): Qк = 50…120;
• в диапазоне высоких частот (КВ): Qк = 120…200;
• в очень высоких частот (УКВ): Qк = 120…200.

Меньшие значения Qк относятся к низкочастотной части соответствующего диапазона, большие – к высокочастотной.

Эквивалентные добротности не должны превышать значения:

Qэ = (0,45…0,85)·Qк    (1.12)

Уточняется при электрическом расчете входной цепи.

Определение требуемой эквивалентной добротности контура исходя из требований избирательности по ЗК (для N = 2) по формуле (1.10):

 

 

Определяем значение добротности исходя из требования допустимой неравномерности в пределах полосы пропускания.

 

 

Эквивалентную добротность одного контура преселектора определяем из условия:

 

Число контуров в преселекторе N = 2.

При N =2 значение добротности реализуемо, поэтому дальнейший расчет исходит из параметров:

• Qэ1 = 30;
• Qк1 = 45;
• Число контуров в преселекторе N = 2.

На рисунке 1.1 показана одна из наиболее распространенных схем двухконтурной входной цепи.

Рисунок 1.1 - Схема двухконтурной входной цепи

 

Здесь связь первого контура с антенной – трансформаторная. Связь между контурами внутриёмкостная через конденсатор Ссв1 и внешнеёмкостная через Ссв2. Двухконтурная входная цепь позволяет получить форму резонансной кривой более близкой к прямоугольной, т.е. повысить избирательность. В этом случае будут меньше искажения из-за перекрестной и взаимной модуляции помех, то есть лучше реальная многосигнальная избирательность.

 

3. Выбор типа и количества фильтров тракта ПЧ

 

Основная избирательность и усиление супергетеродинного приемника обеспечивается трактом промежуточной частоты. В настоящее время в качестве фильтров тракта ПЧ LC - фильтры различной сложности. Такие фильтры включают на выходе смесителя, ими в основном и определяется избирательность по соседнему каналу и форма частотной характеристики тракта. Фильтр сосредоточенной избирательности (ФСИ) включается на выходе преобразователя. В качестве ФСИ в данном проекте выбран пьезокерамический фильтр (ПКФ).

ПКФ имеют массу достоинств, однако, затухание этих фильтров за пределами полосы пропускания возрастает не монотонно. Поэтому перед фильтром включим резонансный широкополосный контур (ШПК), согласующий входное сопротивление фильтра с выходным сопротивлением смесителя.

Выбор типа ПКФ осуществляется по следующим показателям:

• избирательность по соседнему каналу SeСК (дБ);
• полоса пропускания тракта ППЧ (кГц);
• неравномерность на границе полосы пропускания фильтра σФСИ (дБ).

Значение полосы пропускания тракта ПЧ для АМ определяется по формуле:

 

Ппч = 2·FВ + 2ΔПЧ     (1.13)

где  ΔПЧ – максимальный уход частоты настройки тракта ПЧ, определяемый по формуле:

(1.14)

где  δc, δг, δк, fгmax были определены ранее.

 

 

 

в радиовещательных приемниках предполагается подстройка в процессе их работы, поэтому для АМ по формуле:

 

 

следовательно

 

 

Неравномерность на границах полосы пропускания ФСИ определяется по формуле:

(1.15)

где  σпр - значение неравномерности на границе полосы пропускания всего приемника по заданию,

σпрес - значение неравномерности на границе полосы пропускания преселектора не более 1 дБ,

σшпк - значение неравномерности на границе полосы пропускания широкополосного согласующего контура:

σшпк= 0,3 дБ, выбранное из диапазона (0,2÷0,3)дБ, 

n – число  ШПК,

 

 

По перечисленным исходным данным: Seск(дБ), Ппч(кГц), σфси(дБ), в проекте выбран фильтр ФП1П-023, основные характеристики которого приведены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1 – Технические данные фильтра ФП1П-023

Параметр	Значение
Модель фильтра	ФП1П-023
Средняя частота полосы пропускания, кГц	465
Полоса пропускания по уровню 6 дБ, кГц
Неравномерность в полосе пропускания не более, дБ	2
Избирательность при расстройке от средней частоты ±9 кГц не менее, дБ	40
Входное и выходное сопротивление, кОм	2

 

Однако данный фильтр не обеспечивает требуемую избирательность, поэтому необходимо применение дополнительной избирательной цепи. В качестве доп. избирательной цепи можно использовать ШПК, который помимо согласования сопротивлений будет обеспечивать необходимую избирательность.

ШПК должен обеспечивать избирательность по соседнему каналу:

(1.16)

 

Неравномерность на границе полосы пропускания доп. избирательной церии определяется:

(1.17)

 

 

Пользуясь значениями и , рассчитывается значение эквивалентной добротности доп.избирательной цепи:

(1.18)

(1.19)

(1.20)

(1.21)

 

Эквивалентная добротность доп. избирательной цепи определяется из условия:

      (1.22)

 

 

4. Выбор типа АИМС

 

При проектировании радиоприемников с использованием АИМС функциональные узлы структурной схемы радиоприемника определяются выбранным типовым набором ИМС. При этом учитывается, что ИМС высокой степени интеграции могут реализовывать функции, выполняемые несколькими простыми ИМС, что упрощает конструкцию приемника, уменьшает его габариты и массу, повышает надежность.

Выбор ИМС производится в соответствии с их функциональным назначением, электрическими, конструктивными и эксплуатационными характеристиками и параметрами.

Для данного проекта определен ИМС К174ХА2. ИМС этой серии предназначены для использования в бытовой стационарной и переносной радиоаппаратуре. ИМС выполнена по планарно-эпитаксиальной технологии и оформлена в прямоугольном керамическом и пластмассовом корпусе. ИМС содержит 112 компонентов, на которых выполнены УРЧ с УПТ и цепью АРУ, смеситель, гетеродин, УПЧ с усилителем АРУ, оконечный УПЧ и второй усилитель АРУ.

Технические параметры ИМС К174ХА2 приведены в таблице 1.2.

 

Таблица 1.2 – Технические данные ИМС К174ХА2

Параметр	Значение
Напряжение питания, В	9±0,9
Ток потребления, мА	16
Чувствительность (при с/ш = 26 дБ), мкВ	20
Частота входного сигнала, МГц	0.15…30
Входное сопротивление УРЧ, кОм	3
Входная емкость УРЧ, пФ	< 10
Крутизна преобразования смесителя (Umг = 100 мВ), мА/В	30
Выходное сопротивление смесителя, кОм	30
Выходная емкость смесителя, пФ	15
Входное сопротивление УПЧ, кОм	3
Коэффициент шума УРЧ, дБ	6
Глубина регулировки АРУ для УРЧ, дБ	40
Глубина регулировки АРУ для УПЧ, дБ	60

 

Структурная схема ИМС К174ХА2 приведена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Структурная схема ИМС К174ХА2

 

Усилитель звуковой частоты в данной работе построен на ИМС К174УН4. Данная ИМС представляет собой усилитель мощности низкой частоты и предназначена для использования в стационарных и переносных приемниках.

Основные параметры ИМС К174УН4 приведены в таблице 1.3.

 

Таблица 1.3 – Технические данные ИМС К174УН4

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

 

Данная ИМС рассчитана для работы на низкоомную нагрузку, однако по условию требуется работа приемника на линию с сопротивлением 20 Ом. Поэтому на выходе ИМС необходимо поставить трансформатор, согласующий выходное сопротивление ИМС с входным сопротивлением линии.

Рисунок 1.3 - Согласование выхода ИМС с входом линии

 

 

ИМС К174УН4 рассчитана для работы на низкоомную нагрузку (и обеспечивает выходную мощность 1 Вт, что в данном случае удовлетворяет исходным условиям.

 

5. Расчет необходимого усиления приемника

 

Используя ориентировочные значения резонансных коэффициентов передачи входной цепи, в данном случае двухконтурная входная цепь с настроенной  антенной, позволяет обеспечивать коэффициент передачи КВЦ = 0,3…1. Только при отсутствии собственных потерь входного контура и при полном согласовании коэффициент использования номинальной мощности равен единице. В остальных случаях он меньше единице, так как входная цепь является пассивным четырёхполюсником. Пользуясь этими значениями коэффициентов передачи входной цепи можно ориентировочно определить напряжение на входе первой микросхемы и сравнить его с чувствительностью микросхемы по формуле:

(1.23)

 

Так как UВХmin ≤ UВЦ, то перед микросхемой не требуется дополнительный каскад усиления радиочастоты УРЧ.

Коэффициент усиления высокочастотной части приемника (до детектора) должен быть равен:

(1.24)

где  Umд = (0,1 ÷ 0,2) В - амплитуда напряжения промежуточной частоты (несущей) на входе детектора. Для приемников не очень высокого класса.

 

Усиление сигнала обеспечивается преселектором и трактом ПЧ:

 

и должно быть с запасом в (5 ... 10) раз.

Основное усиление происходит в тракте промежуточной частоты:

(1.25)

(1.26)

 

6. Расчет реальной чувствительности приемника

 

Реальная чувствительность ограничена собственными шумами приемника. Для расчета реальной чувствительности приемника необходимо определить ряд параметров. Сначала вычисляется коэффициент шума приемника, который определяется в основном коэффициентами шума входной цепи и первого каскада усиления.

Исходным выражением для расчета при AM является следующее: 

 

(1.27)

где  ЕА - чувствительность в единицах ЭДС (В);

γ = 10 - отношение сигнала к шуму по напряжению на выходе приемника;

М = 0,3 - глубина модуляции;

RA - активное сопротивление антенны (Ом);

ППР - эффективная полоса пропускания приёмника (Гц);

ШПР - коэффициент шума приемника (в относительных единицах).

Для расчета реальной чувствительности приемника необходимо определить ряд параметров. Сначала найдем коэффициент шума приемника, который определяется в основном коэффициентами шума входной цепи и первого каскада усиления. Коэффициент шума двухконтурной входной цепи найдем по формуле:

 

 

Преобразуем данную формулу и с учетом , найдем

 

 

 

 

 

Коэффициент шума АЭ (ИМС К174ХА2) возьмем из справочника

 

 

С учетом остальных данных (М = 0.3; γ = 10) найдем реальную чувствительность:

 

 

Получившееся значение оказалось меньше заданного (50,3 мкВ), поэтому применение УРЧ не требуется.

 

7. Требования к источнику питания и распределение питания напряжений

 

Так как проектируемое радиоприемное устройство является стационарным и питается от выпрямителя, типовое значение напряжения питания выбирается из специального ряда напряжений. ИМС К174ХА2 и К174УН4 питаются от напряжения 9 В, поэтому выбираем это значение.

 

Напряжение питания на ИМС подается через развязывающие цепочки Rф1Cф1 и Rф2Cф2. Определим ориентировочное значение тока, потребляемого от источника питания:

 

 

 

Структурная схема распределения напряжения питания по функциональным узлам радиоприемного устройства показана на рисунке 1.4.

 

Рисунок 1.4 - Структурная схема распределения напряжения питания

 

3.7. Полная структурная схема приемника

 

В результате проведения предварительного расчета были определены данные:

• число контуров преселектора и их эквивалентная добротность;
• вид и число фильтров, обеспечивающих избирательность по соседнему каналу;
• тип активных элементов (ИМС);
• номинал иточника питания.

Для обеспечения заданной избирательности по зеркальному каналу, был выбран преселектор с двухконтурной ВЦ. Избирательность преселектора по зеркальному каналу обеспечивается с запасом, что позволяет использовать трансформаторно-емкостную связь контура ВЦ с антенной, обеспечивающую максимальный коэффициент передачи входной цепи и наилучшую его равномерность при перестройке по диапазону.

Для составления структурную схему радиоприемного устройства необходимо оценит уровень сигнала на входе первой ИМС. Ориентировочно зададим резонансный коэффициент передачи входной цепи. Предполагается использование двухконтурной входной цепи с настроенной антенной, поэтому значение коэффициента передачи примем равным 0,8.

Определение напряжения сигнала на входе первой микросхемы:

(1.33)

 

Данное значение выше минимального напряжения на входе ИМС (20 мкВ), поэтому включение в схему дополнительного УРЧ не требуется.

Предварительный расчет контура ВЦ определил, при трансформаторной связи с интегральным УРЧ на ИМС К157ХА1, напряжение на ее входе составит 20 мкВ, что удовлетворяет техническим условиям на микросхему. Коэффициент шума преселектора составит 6,2 дБ.

Глубина регулирования АРУ тракта ВЧ-ПЧ на ИМС К157ХА1 и К157ХА2 не менее дБ и обеспечивает заданную.

Заданная избирательность по соседнему каналу (43,5 дБ) обеспечивается ПКФ ФП1П-023 (40 дБ) с применением дополнительных средств.

Требуемая выходная мощность (83 мВт) на нагрузке 20 Ом может быть обеспечена ОУ К140УД1А, чувствительность которого обеспечивает подключение к выходу ИМС К157ХА2.

Структурная схема проектируемого приемника приведена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Структурная схема ДВ приемника АМ сигналов

 

Обозначения:

ВЦ – входная цепь, на которую поступает принимаемый сигнал от антенны.

К – одиночный резонансный контур.

ИМС К174УН4 содержит УРЧ (усилитель радиочастоты) с регулируемым коэффициентом усиления и преобразователь частоты (смеситель и гетеродин входят в состав преобразователя частоты).

ИМС К157ХА2 включает в себя регулируемый УПЧ (усилитель промежуточной частоты), амплитудный детектор и систему АРУ.

УЗЧ – усилитель звуковой частоты.

АС – акустическая система.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Электрический расчет принципиальной схемы приемника

 

1. Электрический расчет входной цепи преселектора

 

Расчет входного устройства включает в себя определение элементов колебательного контура, выбор и расчет связи контура с антенной и первым активным элементом (АЭ) приемника, а также расчет основных характеристик входной цепи (ВЦ). Такими характеристиками являются зависимость коэффициента передачи от частоты, избирательность по зеркальному каналу и неравномерность в полосе пропускания. Исходными данными для расчета являются:

• fН… fВ, МГц - диапазон рабочих частот;
• RА, Ом - параметры антенны;
• RВХ=300 Ом - входное сопротивление первого активного элемента приемника (включение контура к входу ИМС с интегральным УРЧ).
• Qэ = 70 - эквивалентная добротность контура.
• ППРЕС, кгц - полоса пропускания преселектора при заданной неравномерности.
• Sезк, дБ - Избирательность по зеркальному каналу.
• N=2 – число контуров преселектора.

Самым протяженным диапазоном данного приемника является рассчитываемый, его коэффициент перекрытия с учетом запаса на перекрытие по формуле:

(2.1)

 

Диапазон нерастянутый, поэтому выбрана схему колебательного контура, приведенная на рисунке 2.1 согласно [2].

Рисунок 2.1 – Схемы контуров преселектора и гетеродина нерастянутого диапазона

 

В переносных приемниках в качестве элемента настройки используются блоки КПЕ с механическим управлением, которые являются унифицированными изделиями, то есть максимальная СКmax и минимальная CКmin емкости их уже определены.

В проекте определены настроечные емкости СК с пределами изменения:

Ск max = 270 пФ;

Ск min = 50 пФ;

В качестве подстроечного блока определен блок КПЕ. В этих контурах конденсатор переменной емкости СК для настройки на заданную частоту выбирается так, чтобы он перекрывал самый протяженный по частоте диапазон приемника:

(2.2)

 

После выбора элемента настройки СК необходимо выбрать схему контура входного устройства. Для этого рассчитывается добавочная емкость СД, параллельная элементу настройки (1.2[2]):

(2.3)

где  КПД – коэффициент перекрытия диапазона (определен ранее формулой 2.1).

Данная емкость имеет нормальное (не слишком малое) значение, поэтому элемент подстройки выбран правильно.

Выбираем подстроечный конденсатор СД (табл. 2.2[1]) КПК-1 10/100 пФ.

При предварительных расчетах Ссх можно задать равной:

• пФ - в поддиапазонах длинных волн (НЧ);
• пФ - в поддиапазонах средних волн (СЧ);
• пФ - в поддиапазонах коротких волн (ВЧ);
• пФ - в поддиапазонах ультракоротких волн (ОВЧ).

Ошибка в определении Ссх устраняется подстроечным конденсатором Сп.  

Определяется среднее значение емкости подстроечного конденсатора по формуле:

(2.4)

где  ССХ=20…30 пФ – ориентировочное значение емкости схемы контура ВЦ КВ диапазона.

 

Полученные значения приводятся к стандартным номиналам ГОСТ:

С1 = 20.97 пФ

22 пФ; ±5%; ряд Е24.