Розрахунок каскадів РПрП

Міністерство  освіти і науки України

Одеський  національний політехнічний університет

Кафедра радіотехнічних пристроїв 
 
 
 
 
 

ПРИЙМАЧ АМ СИГНАЛІВ 

Пояснювальна  записка

КУРСОВОЇ  РОБОТИ

з  дисципліни : « Радиоприймальні пристрої» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Керівник  роботи

                                                                                                      Нокель В.П.

___.___.11 
 

Розробила студентка

групи РБ - 071

Вороная А.И.

___.___.11 
 
 
 

Одеса 2011

ТЕХНІЧНЕ  ЗАВДАННЯ 

    Для курсового проектування пропонується розрахунок електричної схеми радіоприймального  пристрою  (РПрП) сигналів з амплітудною модуляцією  (АМ),  виключаючи УЗЧ.

    Як  правило, студентам пропонується розрахувати  РПрП типу супергетеродина, тобто завдання на проектування містить вимоги, характерні для таких Рпру. Якщо студент ухвалює рішення про використання іншого типу Рпру, то бракуючі технічні вимоги він обгрунтовує сам, а частина заданих параметрів залишиться невикористаною при проектуванні. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗМІСТ

   1.  Розрахунок структурної схеми приймача……………………….………4

     1.1.  Вибір числа під діапазонів.…………………………………………..4

     1.2. Розрахунок необхідної полоси пропускання...…...………………….7

     1.3. Перевірка забезпечення чутливості.…………….. …………………..8

     1.4. Вибір вибіркового кола преселектора…………………………..……9

1.5. Вибір  вибіркового кола тракту проміжної  частоти. ……………..12

     1.6 Розрахунок каскадів підсилення………………………………..……14

     1.7 Попередній розрахунок АРУ……………………………………..…..16

    1.8 Обгрунтування структурної схеми РПрУ …….……....……….……18

2.  Розрахунок  каскадів РПрП ………………………………………………....20

     2.1 Розрахунок вхідного кола…………………………………………….20

     2.2 Розрахунок сполучення налаштувань гетеродина і ВК ……………26

Висновки…………………………………………………………………………32

Список  використаних джерел………………………………………………….33 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. РОЗРАХУНОК  СТРУКТ УРНОЇ СХЕМИ ПРИЙМАЧА

 

     1.1 Вибір числа під  діапазонів. 

     Для того, щоб приймач міг приймати сигнали від різних станцій, що мають  різні частоти, він повинен мати перелаштовуючу резонансну систему, для настроювання на ці частоти.

      Перелаштовуючі резонансні системи перебувають у вхідному ланцюзі, гетеродина й у підсилювачах високої частоти (ВЧ), якщо вони резонансні.

      Конструктивно настроювання цих каскадів – це зміна реактивних елементів резонансної  системи: індуктивності або ємності. Найчастіше реактивний елемент - ємність. Конструктивно неможливо перебудовувати ємність так, щоб резонансна частота  змінювалася від fmin до fmax. Тому діапазон частот, що повинен приймати приймач, розбивають на піддіапазони.

      Перехід з піддіапазона на піддіапазон здійснюється за допомогою індуктивностей, що перемикаються.

      Критерієм, для того щоб довідатися, чи необхідно розбивати діапазон приймача на піддіапазони, є коефіцієнт діапазону Кд, що розраховується по формулі  

      _{Для ДВ:}                            

              _СВ:                        

              _{КВ:  ,} 

де fmax – максимальна частота діапазону, МГц;

fmin – мінімальна частота діапазону, МГц.

      Розбивка  на піддіапазони відбувається, для КВ якщо Кд≥2,0,для ДВ та СВ Кд≥3,0 Так як в цьому випадку для ДВ та СВ , то розбивка на під діапазони не потрібна.

      Розрахуємо  довжину шкали по формулі:

      ,

 Де  Гц -  розлад сусіднього канала

        L=200мм  - довжина шкали

 Розрахуємо  відстань між сусідніми діленнями  шкали по формулі: 

Для ДВ :                              

        СВ:                                

        КВ:                                        

Розрахуємо нове значення коефіцієнта перекриття диапазона ,припустиме з точки зору нормального розміщення станцій : 

Для ДВ :                  

        СВ:                   

        КВ:                   

Далі знаходимо  число під діапазонів для тих діапазонів ,де : 

Для ДВ :                          

        СВ:                           

        КВ:                           

Коефіцієнт перекриття кожного піддиапазону: 

Для ДВ :                     

СВ:                              

КВ:                             

    Граничные максимальная и минимальная частоты каждого поддиапазона с учетом трехпроцентного запаса по перекрытию рассчитываются по формулам: 
 

Для ДВ :                       

СВ:                              

КВ:                             
 
 
 

     1.2 Розрахунок необхідної полоси пропускання. 

      Ціль  розрахунку – визначення смуги пропущення Рпр, необхідної для неспотвореного прийому АМ сигналу.  Вихідної для розрахунк у є ширина спектра сигналу згідно з технічним завданням  : 

        (кГц)

     Ширина  полоси пропускання складається  із ширини спектра радіосигналу і  запасу полоси, потрібного для врахування нестабільності і неточності настройок  приймача :  

де: – нестабільність несучої частоти сигналу;

– нестабільність частоти гетеродина;

– нестабільність проміжної частоти;

(кГц) 

Значення  полоси пропускання: 

    Аналізуючи  отриманий результат, бачимо, що отримана смуга не перевищує допустимої  П_ДОП , що обмежена розстройкою сусіднього каналу, що згідно ГОСТу для даного діапазона дорівнює .

Таким чином:

    - смуга  пропускання П = 4.329 кГц;

    - тип  гетеродину – на транзисторі  багатодіапазонний однокаскадний з плавною перебудовою. 

   1.3 Перевірка забезпечення чутливості. 

      Мета  розрахунку – визначити структуру  вхідних каскадів приймача, відповідальних за забезпечення потрібної чутливості РПУ. Для цього необхідно розраховувати  коефіцієнт шуму Ш_доп, допустимий з точки зору забезпечення заданої чутливості, і реальний коефіцієнт шуму Ш_пр при різних структурах вхідних каскадів.

      Допустимий  коефіцієнт шуму РПУ: 
 
 

де – задана чутливість ;

Rа- опір антени або антенного кабелю (50 Ом);

– відношення сигнал/шум на вході приймача:  

– середній коефіцієнт модуляції, ;

 –  по напрузі звичайно порядку  10;

– шумова полоса пропускання лінійного тракту 

– постійна Больцмана;

– температура (К).

Розрахуємо коефіцієнт шуму приймача без ПРЧ: 
 

Так як , то першим каскадом РПрУ може бути ПЧ.

де  К_вц – коефіцієнт передачі по потужності вхідного кола, К_ВЦ = 0,7;

Ш_вц – коефіцієнт шуму вхідного кола, Ш_ВЦ = 1,1 ;

Ш_пч – коефіцієнт шуму ПЧ, який зумовлений шумами АЕ.

    Візьмемо  в якості активного елемента ПЧ транзистор КТ315Б, який має коефіцієнт шуму Ш_мин = 4 дБ або Ш_мин = 2,5 раз. Звідки

                                              ;                                   

Тоді коефіцієнт шуму приймача:

                                            ;        

       Порівнюючи результати Ш_пр і Ш_доп доходимо висновку, що Ш_пр<<Ш_доп , з чого робимо висновок, що ПРЧ можна не ставити.

 Таким  чином:

    - ПРЧ непотрібен;

    - шумова смуга приймача П_ш = 4.76 кГц;

    - коефіцієнт шуму приймача Ш_пр = 21,4 або 13,4 дБ.

  1.4 Вибір вибіркового кола преселектора.

      З погляду забезпечення рівномірності  АЧХ контуру в смузі пропускання  він повинен бути низькодобротним, широкосмуговим, а з погляду забезпечення необхідної вибірковості по дзеркальному каналу - високодобротним Перед розрахунком необхідно розділити задану у ТЗ нерівномірність АЧХ РПрУ на 2 тракта (РЧ и ПЧ), тобто:

                                                       ;     

Приймемо: дБ, тоді згідно ТЗ дБ.

Виходячи з  цього розрахуємо наступні добротності  контура:

      а) максимально припустимой з точки зору послаблення сигналу на краях смуги на мінімальній частоті (найхудший випадок):         

                                    

    б) необхідної для забезпечення заданої  вибірковості по дзеркальному каналі на максимальній частоті діапазону: 
 

де  = =1340(кГц).

-  селективність  по дзеркальному каналу

      Задамося  для подальшого розрахунку конструктивною добротністю контуру й коефіцієнтом шунтування контуру згідно /2, табл. 2.6/  :

    ,

    .

Виходячи з  умови Q_к < Q_к.мах , приймемо Q_к = 100, а реально прийнятна добротність з урахуванням шунтування контуру, інакше звана еквівалентною конструктивною добротністю ,

    Так як виконується співвідношення , то для розрахунків вибирається значення ,візьмемо трошки більше

    Зважимо, що узгодження входу АЕ першого каскаду  РПрП з ВК буде здійснено на максимальній частоті діапазону, тобто обрана відповідає   . Тоді необхідно знайти еквівалентну добротність контуру на  мінімальній частоті  або :

    ,

    звідки 

Розрахунок  виконано правильно тому що виконується  умова .             Переходячи до розрахунку основних показників преселектора, варто виконати обчислення узагальнених розлаштувань на максимальній і мінімальній частотах діапазону:

    ;

    ;

    ;

    .

    Вибірковості  преселектора по дзеркальному й сусідньому  каналах прийому, а також ослаблення на краях смуги   розраховуються по формулах:

    , 

    ,

    , 

    .

 

    Перевіряється виконання співвідношення ,  де  розраховується так:

    ,

де  f  - частота з розрахованого діапазону, що ближча до f_пр, а вибирається залежно від прийнятої f ,  тобто або , або .

Таким чином:

    - у  селективному колі преселекора достатньо одного контура;

    - селективність  по сусідньому каналу:   дБ  і дБ;

    - ослаблення  по краям смуги:  дБ  і дБ;

    - селективність  по дзеркальному каналу:  дБ;

    - необхідно  поставити режекторний фільтр по проміжній частоті;

    - селективність  по проміжній частоті дБ. 

1.5 Вибір вибіркового  кола тракту проміжної  частоти. 

      Мета  розрахунку – забезпечення селективності  по сусідньому каналу, визначення типу селективного колу тракту проміжної  частоти. Селективна система тракту проміжної частоти повинна задовольняти вимогам до полоси пропускання (з  заданим послабленням на краях) і  селективністю по сусідньому каналу.

      При виборі селективності системи тракту проміжної частоти враховують слідуючи параметри:

1. підсилювачі ПЧ с одноконтурними каскадами, налаштованими на одну частоту, характеризуються простотою наладки, гарною перехідною і фазовою характеристиками, гарною стабільністю АЧХ і ФЧХ при вимірюванні параметрів активних елементів. Недоліками їх являється низька прямокутність АЧХ. Другим видом являються підсилювачі з двійками і трійками взаєморозлаштованих одно контурних каскадів. Вони використовуються в широкополосних трактах проміжної частоти з великим підсиленням і відносно високою прямокутністю;
2. підсилювачі з двоконтурними полосовими фільтрами характеризуються порівняно високою прямокутністю і гарною стабільністю форми АЧХ. Найбільш висока прямокутність АЧХ досягається в фільтрах зосередженної селективності (ФЗС) – багатоланкових LC – фільтрах, п’єзокерамічних, п’єзоелектричних, електромеханічних і фільтрах, побудованих на ПАХ.

Початковими даними для розрахунку є:

                                          

    Розрахунок  почнемо з обирання за графіком рис. 2.1а для обраної вибірної  системи(два ДПФ, крива 4) й прийнятої до розрахунку тракту ПЧ нерівномірності АЧХ визначають значення узагальненої розстройки для країв смуги пропускання й розраховують необхідну еквівалентну добротність  :

                                          , 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 а)                                                        б)

    Рис. 2.1 –Узагальнені криві вибірковості.

    Далі  визначають узагальнену розстройку для сусіднього каналу:

    ,

і за графіком мал. 2.1б знаходять ослаблення по сусідньому каналі дБ, Отримане значення задовольняє технічному завданню _, що досягається для обраної ВК.

Таким чином:

    - використовуємо селективну систему з розподіленною вибірковістю;

    - в якості СК беремо два ДПФ;

    - селективність тракту ПЧ:

          по сусідньому каналу ,

          на краях смуги  пропускання  

1.6 Розрахунок каскадів  підсилення.  

     Для нормальної роботи детектора на його вході повинен забезпечуватись  достатній рівень сигналу  (2В)  при мінімальному сигналі на вході РПУ відповідного її чутливості .

      Коефіцієнт  підсилення лінійного тракту

                                                                                                       

де   К_з – коефіцієнт запасу, К_з=1,2.

Загальний коефіцієнт підсилення РПУ:

            ,                                                 

де      – коефіцієнт підсилення УРЧ;

        – коефіцієнт підсилення ПЧ;

        – коефіцієнт підсилення УПЧ;

        – число каскадів УПЧ.

Коефіцієнт підсилення можливо найти по формулі :

                                               ;                                     

де      S – крутизна АЕ каскадів УРЧ , УПЧ (для ПЧ крутизна перетворення представляється рівній половині крутизни S в режимі підсилення);

      f_п.max – максимальна робоча частота, f_п.max = 456 кГц;

      C_к – електрична ємність колектора.

Для тракту ПЧ в якості АЕ прийняли транзистор КТ315Б для якого Звідки:

                                       .                       

Для УПЧ візьмемо той самий транзистор. Звідки:

                                                                     

Тоді сумарний коефіцієнт підсилення для одного каскаду  УПЧ (N=1) складає:

                                                ;                              

Отриманий коефіцієнт посилення , тобто треба ставити два каскада УПЧ.

Тоді: 

Таким чином:

    - кількість каскадів посилення ;

    - коефіцієнт посилення . 

1.7 Попередній розрахунок АРУ. 

    Автоматичне регулювання підсилення служить  для підтримування в заданих  інтервалах вихідної напруги РПУ  при зміні вхідного. За допомогою  АРУ забезпечується необхідне для  нормальної роботи кінцевих пристроїв  систем постійність вихідних сигналів при значних змінах інтенсивності  сигналів, що приймаються. АРУ запобігає  перевантаженню приймального пристрою сильними сигналами. По способу дії системи АРУ діляться на слідуючи види: з зворотнім регулюванням, з прямим регулюванням і комбінована система (рис. 2.7.1 і 2.7.2).

Рис. 2.7.1 Структурна схема зворотної АРУ.

Рис. 2.7.2 Структурна схема прямої АРУ.

      В залежності від режиму роботи використовується незатримана (проста) АРУ (рис. 2.7.3, 1), АРУ з затримкою (рис. 2.7.3, 3) і АРУ з затримкою і підсиленням (рис. 2.7.3, 2).

      При незатриманій АРУ регулююча напруга  утворюється і використовується при любих амплітудах вхідного сигналу. Її недоліком являється те, що вона діє, начинаючи з самих слабих сигналів. Таким чином, підсилення приймача знижується не тільки для сильних сигналів, але і для слабих, для прийому котрі потрібно використовувати повне підсилення приймача. Цей недолік усувається використовуванням АРУ з затримкою. В такій схемі регулювання починається тоді, коли напруга на вході приймача має деяку початкову величину. Амплітудні характеристики приймача представлені на рис.2.7.3 

                            Рис. 2.7.3 Амплітудні характеристики приймача

Число регулюючих каскадів:

                                                    ,                                              

де      D – заданий діапазон зміни рівня на вході приймача, дБ;

      d – потребуємий діапазон зміни рівня сигналу на вході детектора, дБ;

      Г_к – можливий діапазон зміни коефіцієнта підсилення каскаду, обхваченого АРУ, Г_к = 10раз = 20 дБ.

      Таким чином:

                                                       .                                 

       

      відповідно  беремо . 

1.8 Обгрунтування структурної схеми РПрУ

          Згідно результатів розрахунку побудуємо структурну або функціональну схему приймача, для чого проаналізуємо отримані дані.

В результаті попередніх розрахунків отримані наступні дані:

    -  число піддіапазонів - 1 ( ДВ );

    -  тип гетеродина - транзисторний однодіапазонний однокаскадний з плавною перебудовою.   

    -  число каскадів УРЧ = 0;

    -  число СК преселектора у всіх піддіапазонах рівне одному;

    -  у тракті ПЧ як СК необхідні два ДПФ;

    -  число каскадів УПЧ - 2;

    -  число регульованих каскадів  посилення - 2.

               Проведемо аналіз, починаючи з входу РПрУ. Першим каскадом приймача з погляду забезпечення заданої чутливості може бути перетворювач частоти (УРЧ не потрібний). Проте кількість СК преселектора у всіх діапазонах дорівнює одному. Таким чином, в преселекторі буде один контур на вході, що має задовольнити вимогам по забезпеченню вибірковості по дзеркальному каналу. СК повинен комутуватися на вході за допомогою перемикача діапазонів, а перебудова їх по діапазону повинна здійснюватися за допомогою елементу перебудови - конденсатора змінної ємкості.

    У тракті ПЧ як СК використовується ДПФ, який рекомендується включати на виході перетворювача. Число каскадів УПЧ за попереднім розрахунком 2. Після розрахунку принципової схеми РПрУ необхідно буде уточнити коефіцієнт посилення приймача.

    Гетеродин РПрУ також матиме 2 перемиканих СК, відповідних ДВ І, ДВ ІІ діапазонам. Комутуватися вони будуть одночасно з СК преселектора перемикачем піддіапазонів, а елемент перебудови - той же конденсатор змінної ємкості (двохсекційний).

    Число каскадів приймача, охоплених АРУ, рівне  трьом. АРУ охопить каскади  УПЧ 1 і УПЧ 2. Перетворювач частоти ланцюгом АРУ не охоплюється. Далі хай АД одночасно служитиме і детектором АРУ, але в ланцюзі АРУ буде використаний фільтр АРУ.