Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Супергетеродинный приемник

1 Введение

Телевидение и звуковое радиовещание – самые массовые средства информации.

Телевидение (ТВ) и звуковое радиовещание (ЗВ) стали теперь самыми популярными и эффективными средствами массовой информации. Если говорить об электронном и многострочном ТВ, то оно начало распространяться со второй половины 30-х годов (1936 г. – США, Англия, 1938 г.– Франция, СССР). В нашей стране оно стало приобретать по-настоящему широкий размах со второй половины 50-х годов. Радиовещание зародилось примерно на 15 лет раньше многострочного ТВ–после окончания первой мировой войны. Первая вещательная станция заработала в России в 1922 г.

За прошедшие годы в нашей стране создана уникальная по своим масштабам и возможностям распределительная передающая сеть ТВ и ЗВ. В этой сети сегодня работает около 12000 телевизионных передатчиков мощностью от 1Вт до 50кВт и около 1700 радиовещательных передатчиков различных диапазонов и мощности–от десятков ватт до 2МВт.

Для раздачи по стране на передатчики Федеральных, межрегиональных и региональных программ ТВ и ЗВ используется орбитальная группировка из десяти спутников связи и более 100000 км наземных радиолинейных линий связи.

С помощью распределительной сети осуществляется пятизоновое вещание формируемых в Москве Федеральных программ ТВ и ТЗ. Это позволяет их доводить в удобное для население время суток по всей территории России, занимающей 10 часовых поясов. В настоящее время одну программу ТВ могут смотреть до 98,9% населения, две программы – до 96,5% и три и более программы – до 60% населения. Аналогичным способом обеспечивается высокий процент охвата населения основными программами ЗВ.

Для ТВ сначала было выделено 12 каналов в метровом диапазоне, но вскоре этот частотный спектр был исчерпан и, потребовалось освоение дециметровых волн, без чего было невозможно увеличение числа передаваемых программ. Происходящие изменение в политической и экономической жизни России приводят к появлению, как в центре, так и в регионах негосударственных телевизионных компаний, и для выделения им ТВ каналов требуется освоение всё более высоких участков спектра. Но в такой путь увеличения числа ТВ программ не безграничен. Поэтому во многих случаях решать проблему многопрограммности целесообразно с помощью сетей кабельного телевидения, а также спутниковых систем непосредственного телевизионного вещания.

Более эффективное использование спектра средствами ТВ и ЗВ, что даёт возможность увеличить число передающих средств в том же частотном пространстве.

Многие действующие ныне передающие средства ТВ и ЗВ морально устарели и нуждаются, до их замены, в модернизации. В ходе её предстоит на основе новых технологий упрощать принципиальные схемы, повышать КПД энергоёмких каскадов, повышать степень автоматизации передающих средств. Огромные возможности повышения эффективности передающей сети заложены во внедрении уже известных методов передачи значительных потоков дополнительной информации одновременно с передачей основных программ ТВ и ЗВ.

Большие перспективы открывают цифровые методы формирования, обработки и передачи сигналов как ТВ, так и ЗВ.

В настоящее время у нас и за рубежом интенсивно ведутся исследование по созданию систем ТВ повышенного качества и телевидения высокой точности (ТВ ВЧ). Отечественные специалисты вносят существенный вклад в эти работы. Так, ими разработана концепция ТВ ВЧ-6-7-8, реализация которой позволяет передавать сигналы ТВ ВЧ по обычным каналам с полосой пропускания 6,7 и 8мГц. Эти методы позволяют существенно экономить частотный спектр.

Звуковое радиовещание в нашей стране многие десятилетия велось в диапазонах длинных, средних и коротких волн с помощью передатчиков достаточно большой мощности–в десятки, сотни киловатт и даже 1–2МВт. Это позволило доводить программу до населения, проживающего на больших удалениях от передающих центров и радиостанций. Однако работа в этих диапазонах не может обеспечить вещание высокого качества. Для высококачественного УКВ ЧМ вещания в нашей стране был выделен диапазон 66…74МГц, причём для стереофонических передач в этом диапазоне применяется полярная модуляция. В последующее время в России стал осваиваться также европейский диапазон 88…108МГц, но только на усечённом участке 100…108МГц. Работа УКВ ЧМ станций только в диапазоне 66…74МГц была вызвана тем, что международный диапазон до 100МГц использовался в СССР для ТВ, а более высокочастотный участок–другими ведомствами. Сейчас это положение начинает медленно, но исправляться – международные вещательные диапазоны начинают освобождаться от других служб. Сказанное в отношении УКВ ЧМ вещания в полной мере может быть отнесено и к ТВ.

С образованием СНГ возникла необходимость учитывать возможное мешающее действие российских сетей ЗВ на сети регионов, ставшим зарубежными. В связи с этим рассматриваются новые подходы к планированию сетей, изучается целесообразность перехода на сети с использованием передатчиков небольшой мощности там, где это оправдано технически и экономически.

Приведённые примеры свидетельствует о том, что имеются большие резервы для повышения качества и многопрограммности телевизионного и звукового вещания, эффективности использования частотного спектра.
3 Выбор и обоснование принципиальной схемы

Разбивка на поддиапазоны не производится, так как Кд=Fmax/Fmin=285/148=1.93. Если Кд=2-3, то разбивка не нужна. Растяжка не нужна, так как коэффициент перекрытия расчетный меньше заданного. Избирательность по соседним каналам обеспечивается в избирательной системе путем улучшения добротности и увеличения добротности и увеличением промежуточной частоты. Между входной цепью и антенной емкостная связь, так как она обеспечивает наибольшее постоянство коэффициента передачи. Между входной цепью и первым каскадом индуктивно емкостная связь, так как она обеспечивает наибольшее постоянство коэффициента связи. Преобразователь частоты выполнен по схеме с совмещенным гетеродином. Преобразователь частоты служит для: преобразования несущей частоты входного радиосигнала в промежуточную; обеспечения избирательности по соседнему каналу; обеспечения усиления полезного сигнал на промежуточной частоте. Избирательность по соседнему каналу частично обеспечивается во входной цепи, а в основном в избирательной системе, путем улучшения ее добротности при полосе пропускания равной 6,3КГц. Основное усиление сигнала происходит в каскадах усилителя промежуточной частоты. УПЧ строят на ВЧ транзисторах, по схеме с ОЭ. Каскодные схемы УПЧ применяют для повышения коэффициента усиления и стабильности каскадов. Для улучшения стабильности усиления на базу первого широкополосного каскада подается напряжение автоматической регулировки усиления. В каскадах УПЧ для стабилизации режима работы применяют цепи нейтрализации. В схеме использован амплитудный детектор, так как приемник ловит АМ сигнал. Детектор предназначен для получения тока или напряжения меняющегося по закону модуляции. Предварительный УНЧ предназначен для усиления сигнала низкой частоты, и отфильтровывания от него помех. В ПУНЧ транзисторы работают в режиме класса А, так как в этом режиме высокая помехозащищенность. Усилитель низкой частоты трехкаскадный они выполнены на n-p-n транзисторах по схеме с общим эмиттером. Нагрузкой первого и второго каскада являются последующие каскады. Нагрузкой третьего каскада является согласующий трансформатор. Выходной каскад выполнен на транзисторах VT8, VT9 по двухтактной схеме нагружен на трансформатор Т2 и работает в режиме класса В.Необходимое начальное смещение на базы транзисторов VT8, VT9 подается резистора R24 за счет эмиттерного тока транзистора VТ5. Два последних каскада УНЧ охвачены глубокой отрицательной обратной связью. Для коррекции частотной характеристики УНЧ в области верхних звуковых частот применены конденсаторы С 34, С31. На входе второго каскада ПУНЧ ставится регулятор тембра верхних звуковых частот, состоящий из С19, R11.

2 Предварительный расчёт структурной схемы приёмника

2.1 Выбор и обоснование структурной схемы приёмника

В наше время приёмники собранные по схеме прямого усиления практически не применяются в связи с большими недостатками этого типа построения приёмников. Один из наиболее серьёзных недостатков то, что структурная схема прямого усиления имеет низкую чувствительность так как на высокой несущей частоте невозможно обеспечить высокий коэффициент усиления, схема же супергетеродинного типа обеспечивает высокую чувствительность так как основное усиление происходит в каскадах УПЧ на неменяющейся при перестройки приёмника промежуточной частоте при сколь угодно большом числе каскадов УПЧ с высоким коэффициентом усиления.

Схема прямого усиления имеет слабую избирательность так как на высокой несущей частоте невозможно обеспечить хорошую добротность и узкую полосу пропускания входной цепи, эти недостатки практически исключают возможность применения этой схемы в ДВ и СВ диапазоне так как

где f_ПР – промежуточная частота приёмника;

f_НЕС – несущая частота приёмника;

Q - добротность

поэтому с увеличением несущей частоты возрастает полоса пропускания, ухудшается избирательность. Схема супергетеродинного типа имеет высокую избирательность так как основная избирательность по соседнему каналу обеспечивается в избирательной системе имеющей хорошую добротность, узкую полосу пропускания и прямоугольность резонансной характеристики.

Так же схема супергетеродинного типа обладает более высокой помехоустойчивостью отношением сигнал/шум, а значит лучшее качество воспроизведения, так как в этой схеме усиление ведётся по трём частотным трактам (радио, промежуточной и звуковой частоты) в результате уменьшаются паразитные помехи.

В соответствии с техническим заданием и выше перечисленным причинами приёмник следует собирать по схеме супергетеродинного типа.

2.2 Выбор и обоснование элементной базы проектируемого приёмника

Современное состояние транзисторной техники позволяет применить транзисторы во всех каскадах приемников без ухудшений качества его работы. Для обеспечения наилучших показателей усилительных устройств, целесообразно применять транзисторы с наибольшим коэффициентом передачи тока и коэффициента частотного использования меньше 0,3.

2.3 Выбор типа транзистора для ВЧ тракта

Исходные данные: Частота f, напряжение питания Uкэ.

Выбираю транзистор в соответствии с заданным частотным диапазоном и напряжением питания. Я выбираю транзистор ГТ309Б типа р-n-р. Его электрические параметры (таблица 2.3).

Таблица 2.3

Тип Электро проводимости

В режиме

усиления

h11 Ом

hh22

ммкс\м

hh21э

ООм

ffгр,

МГц

CСк

ппф

пс

rrб,

ООм

||B|

Технология

изготовления

UUкэ

Iэ, мА

Рp-n-p

338

1100

110

5500

550

диффузионный

Շ- постоянная времени цепи ООС.

Շ= rб* Cк;

rб =Շ/Cк;

|В| модуль коэффициента передачи тока на частоте f.

γ= fmax.раб/fгран=1,605/30=0,0535

2.4 Расчет НЧ усилительных параметров транзистора

Исходные данные:

Напряжение база коллектор Uбк=5 В;

Ток коллектора Iк=5 мА;

h11б=38 Ом;

h21э=100 Ом;

h22б=5 мкСим;

Сопротивление базы транзистора rб=50 Ом;

Емкость перехода Ск=10 пф;

|B|=6;

Расчет:

Крутизна характеристики:

So=1000/ h11б=1000/38=26 мА/В;

Входная проводимость:

g=(100*10^-3)/( h11б(1+ h21э))= (100*10^-3 )/(38*(1+200))=0,26*10^-3 Сим;

Проводимость обратной связи:

Gос= h22б=5*10^-6 Сим;

Выходная проводимость:

gi= h22б*(1+ rб* So*10^-3)= 5*10^-6*(1+200*26*10^-3)=18*10^-6 мкСим;

Постоянная времени:

Շ=(rб* Ск)/(2*π*m*|B|*f* h11б* Ск)=

=(500)/(1,6*6,28*6*10*38*10)=0,0021 мкс;

2.5 Расчет ВЧ параметров транзистора

Определить высокочастотные параметры транзистора на частоте 465КГц, ток коллектора 5мА.

Исходные данные:

Напряжение база коллектор Uбк=5В;

Ток коллектора Iк=5мА;

Крутизна характеристики So=26 мА/В;

Входная проводимость g=0,26*10^-3 Сим;

Выходная проводимость gi=18*10^-6 мкСим;

Постоянная времени Շ=0,0021 мкс;

rб=50 Ом;

Ск=10 пф;

Fo=465КГц;

Расчет:

Определение вспомогательных коэффициентов:

Н= So* rб*10^-3=26*50*10^-3=1,3;

Ф= (So* rб* Ск*10^-9)/Շ=(26*50*10)/(0,0021)*10^-9=6,19*10^-3 Сим;

Б=(Շ/ rб)*(1-g* rб)*10^-6=(0,0021/50)*(1-0,26*^10-3 *50)*10^-6=20 пФ;

υ=2*π*fo*Շ=2*3,14*0,465*0,0021=0,006;

Входное сопротивление:

gвх=g+ υ²/ rб=0,26+(0,006/50)=0,21*10^-3 Сим;

Rвх=1/ gвх=1/(0,0021)=4761 Ом;

Выходное сопротивление:

gвых= gi+ υ²/Ф=5*10^-6 +0,006²*6,19*10^-3=25*10^-7 Сим;

Rвых=1/ gвых=1/(25*10^-7)=188*10³ Ом;

Входная емкость:

Свх=Б=20 пФ;

Выходная емкость:

Свых=Ск(1+Н)=10*(1+1,3)=23 пФ;

Крутизна характеристики:

S=So= 26 мА/В;

2.6 Выбор числа поддиапазонов и их границ

Исходные данные: f_max= 285 КГц ; f_min= 148 КГц (ДВ)

f_max= 1605 КГц ; f_min= 525 КГц (СВ)

Согласно техническим требованиям коэффициент поддиапазона К_ПД≤ 3.

Проверяется коэффициент перекрытия поддиапазона К_Д по формуле:

(2.1)

(ДВ)

(СВ)

Так как заданного по техническим условиям (1,93 < 3), то разбивка на поддиапазоны не производится.

Для обеспечения перекрытия данных поддиапазонов при изменении напряжения питания, изменении температуры и т.д., необходимо раздвинуть крайние частоты поддиапазонов на 1÷3%. Поэтому определяют крайние частоты перекрытием для каждого поддиапазона.

Крайние частоты каждого поддиапазона определяются по формуле:

(2.2)

(ДВ)

(СВ)

Коэффициент поддиапазона с перекрытие:

(2.3)

(ДВ)

(СВ)

2.7 Выбор блока переменных конденсаторов

Для проектируемого приемника ориентируясь на минимальную частоту рабочего диапазона fmin=148КГц, я выбираю КПЕ с параметрами:

Сmin=25пФ Сmax=750пФ. для

Емкость построечного конденсатора: Сподстр.=2÷8пФ.

Марка блока – «Сириус-5».

2.8 Проверка перекрытия диапазонов

Провести проверку перекрытия выбранным КПЕ заданного диапазона.

Исходные данные:

коэффициент поддиапазона с запасом К¹_ПД= 1,92; (ДВ)

К¹_ПД = 3,05; (СВ)

КПЕ: С min = 25 пФ; С max = 750 пФ (ДВ)

С min = 15 пФ; С max = 500 пФ (СВ)

Эквивалентная ёмкость схемы :

(2.4)

пФ (ДВ)

пФ (СВ)

Вычисляем действительную ёмкость схемы С_сх:

С_сх = С_М +С_L+С_ВН (2.5)

где С_М – ёмкость монтажа;

С_L – ёмкость катушки;

С_ВН – вносимая ёмкость.

С_сх = 15+20+0 = 35 пФ (ДВ)

С_сх = 10+10+0 = 20 пФ (СВ)

так как > С_сх КПЕ выбран правильно.

Определяется дополнительная ёмкость С_доб, которую необходимо включить в контур для обеспечения заданного перекрытия:

С_доб = (2.6)

С_доб = 164 – 35 = 129 пФ (ДВ)

С_доб = 27,06 – 20 = 7,06 пФ (СВ)

Эквивалентная ёмкость контура входной цепи Сэ:

Сэ=(Cmin+C’cx)÷(Cmax+C’cx) (2.7)

Сэ =(12+164)÷(450+164)=176÷614 пФ (ДВ)

Сэ =(10+27,06)÷(250+27,06)=37,06÷277.06пФ (СВ)

В качестве добавочной ёмкости выбираю подстроечный конденсатор КПК с изменением ёмкости от 10 до 90 пФ.

2.9 Распределение неравномерности усиления по частотным трактам приёмника

Для ДВ и СВ.

Тракт радиочастоты - 3 Дб

Избирательная система - 3 Дб

Тракт УПЧ - 2 Дб

Тракт УЗЧ - 2 Дб

2.9.1 Расчёт полосы пропускания приёмника

Исходные данные: Верхняя частота F = 4 КГц

П = 2 F (2.8)

П = 8 КГц

2.10 Определение основных параметров избирательной системы тракта радиочастоты

Исходные данные:

крайние частоты поддиапазона:

= 145,04 – 290,7 КГц; (ДВ)

= 514,5 – 1637,1 КГц; (СВ)

избирательность по зеркальному каналу:

(1,41 раза); (ДВ)

(2,126 раз); (СВ)

полоса пропускания - П = 8 кГц;

ослабление на краях полосы тракта радиочастоты:

дБ (1,41 раза); (ДВ)

дБ (2,126 раза); (ДВ)

конструктивное качество контуров:

Q_К = 90÷140; (ДВ)

Q_К = 110÷160; (СВ)

промежуточная частота – f_ПР = 465 кГц;

расстройка, при которой заданна избирательность по соседнему каналу –

кГц;

избирательность на промежуточной частоте дБ (19,9раз).

Задаюсь ориентировочным числом одиночных контуров тракта п_с= 1.

Необходимая добротность контуров Q_П, обеспечивающая заданное ослабление на краях полосы:

(2.9)

(ДВ)

(СВ)

Необходимая добротность контуров Q_и, обеспечивающая заданную избирательность по зеркальному каналу так как частота гетеродина принимается выше частоты сигнала:

(2.10)

где - зеркальная частота.

(2.11)

кГц (ДВ)

кГц (СВ)

(ДВ)

(СВ)

Принимая коэффициент шунтирования определяется эквивалентная конструктивная добротность контура:

Q_ЭК=

Q_К (2.12)

Q_ЭК = 45 (ДВ)

Q_ЭК = 55 (СВ)

Так как в ДВ Q_И = 0,5 < Q_п = 16,7 < Q_эк = 45 то вариант (а).

СВ Q_И = 3,8 < Q_эк= 118,7 < Q_п = 55 то вариант (б).

Q_И < Q_п < Q_эк в этом случае эквивалентную добротность контуров Q_{э макс} необходимо принять равной или немного больше Q_и, но не больше Q_п.

Q_И < Q_эк< Q_п в этом случае эквивалентную добротность контуров Q_{э макс} необходимо принять равной или немного больше Q_и, но не больше Q_эк.

В вариантах (а) и (б) контуры с принятым Q_э обеспечивает одновременно заданные ослабление на краях полосы пропускания меньше заданного и избирательность по зеркальному каналу лучше заданной при этом можно принять число контуров равное n_c.

Принимаем число контуров n_c=1

с качеством (ДВ) Q_{э
макс}=1; (СВ) Q_{э
макс}=4.

Определяется эквивалентная добротность контура на нижней частоте диапазона:

(2.12)

где - эквивалентное затухание контура на верхней частоте диапазона.

(ДВ)

(СВ)

(2.13)

где - конструктивное затухание контура.

(ДВ)

(СВ)

(2.14)

где - эквивалентное затухание контура на нижней частоте диапазона;

- входное (выходное) сопротивление электронного прибора соответственно на максимальной и минимальной частотах поддиапазона.

(ДВ)

(СВ)

(2.15)

(ДВ)

(СВ)

Так как Qэ min = 2,5 < Q_П = 18,02, (ДВ)

Qэ min = 12,3 < Q_П = 120,2, (СВ)

расчёт произведён правильно и окончательно принимается:

Для ДВ п_с = 1; Qэ min = 2,5; Qэ max = 18,02.

ДВ п_с = 1; Qэ min = 12,3; Qэ max = 120,2.

Для крайних точек поддиапазона ; определяется:

2.10.1 Вспомогательные коэффициенты

(2.16)

(ДВ)

(СВ)

(2.17)

(ДВ)

(СВ)

(2.18)

(ДВ)

(СВ)

(2.19)

(ДВ)

(СВ)

2.10.2 Зеркальные частоты

(2.20)

(ДВ)

(СВ)

(ДВ)

(СВ)

2.10.3 Избирательность по соседнему каналу на частоте

(2.21)

(3,9 дБ) (ДВ)

(4,9 дБ) (СВ)

на частоте :

(2.22)

(0,3 дБ) (ДВ)

(0,6 дБ) (СВ)

2.10.4 Ослабление на краях полосы

(2.23)

(0,6 дБ) (ДВ)

(0,9 дБ) (СВ)

(2.24)

(0,4 дБ) (ДВ)

(0,1 дБ) (СВ)

Исходные данные выполнены;

2.10.5 Избирательность по зеркальному каналу

(2.25)

(49,19дБ) (ДВ)

(44,2дБ) (СВ)

(2.26)

(62,6 дБ) (ДВ)

(58,7 дБ) (СВ)

так как δзмин>δзмакс=δз, исходные данные выполнены.

Избирательность на промежуточной частоте:

(2.27)

(47,3 дБ) (ДВ)

(28 дБ) (СВ)

Так как δпр=<25дБ, то во входной цепи не применяется запирающий фильтр.

2.11 Определение Эквивалентной добротности и числа контуров тракта промежуточной частоты

2.11.1 Ориентировочный выбор избирательной системы

Так как при Se≥26 дБ

П≥7 кГц, То применяется ФСС.

2.11.2 Использование фильтров сосредоточенной селекции

Исходные данные:

Промежуточная частота fпр=465КГц;

Полоса пропускания - П = 8 кГц;

Ослабление на края полосы пропускания ДВ δп = 2,9дБ СВ δп = 6,6дБ;

Избирательность по соседнему каналу δе = 32дБ;

Конструктивное качество контура ДВ Qк=90 и СВ Qк=110;

Расстройка, при которой задана избирательность ∆fc=±10КГц;

Задаёмся числом ФСС n_пр=1

Ослабление на краях пропускания и изберательность по соседнему каналу которые должен обеспечить один ФСС:

δ_фп= δп/ n_пр; (2.28)

δ_фп=5,5/1=5,5дБ; (ДВ)

δ_фп=6,6/1=6,6дБ; (СВ)

δ_фс= δс/ n_пр=32/1=32 дБ (2,29)

Относительная расстройка на границе полосы пропускания :

a_n=0,8

Ширина расчётной полосы пропускания ФСС Пр:

Пр=П/ a_n=8/0,8=10 кГц

Необходимая добротность контуров ФСС Qn:

Qн=

; (2.30)

Qн=

Для ДВ Qн=131<Qк=140

СВ Qн=131<Qк=160

Расчёт можно продолжать.

Величина относительной расстройки:

а) На краях полосы пропускания УПЧ

a_n=П/Пр=8/10=0,8; (2,31)

б) Для соседнего канала

a_c=2∆fс/Пр=20/10=2 (2,32)

Величина обобщённого затухания:

β=2fпр/Qк*Пр (2,33)

β=2*465/140*10=0,6 (ДВ)

β=2*465/160*10=0,6 (СВ)

Отыскивается точка 1 и 2 δс1=9 дБ δn1=1,2

Число звеньев ФСС для обеспечения избирательности по соседнему каналу определяется по графику (рис. 2.2).

n_и=δ_фс/δ_с1=32/9=3.5 (2,33)

n_и=4.

Число звеньев ФСС обеспечивающие ослабление на краях пропускания

n_n=δ_фп δ_n1 (2,34)