Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Пояснительная записка

1.1 Исходные данные

- Диапазон принимаемых частот: ДВ, СВ -

65,7 - 73,7 МГц

87,5 - 108,5 МГц

- Реальная чувствительность: Е=1,5 мкВ

- Выходная мощность: =40 мВт

- Отношение сигнал/шум с/ш=25 дБ

- Избирательность по соседнему каналу при расстройке, соответствующей максимальной частоте воспроизводимых частот : =55 дБ

- Избирательность по зеркальному каналу: =52 дБ

- Коэффициент частотных искажений: М=-5 дБ

- Максимальная выходная мощность: = 350 мВт

- Диапазон воспроизводимых частот: - 0,03 - 16 кГц.

2. Расчетная часть

2.1 Выбор и обоснование выбора структурной схемы приемника

При выборе структурной схемы приемника необходимо на основе исходных данных, прежде всего: диапазона частот, чувствительности и избирательности определить тип приемника - приемник прямого усиления или приемник супергетеродинного типа - и необходимость различных составляющих блоков этой схемы. Как правило, приоритет принадлежит супергетеродинному приемнику с одним преобразованием частоты, за исключением приемника УКВ диапазона, который может быть выполнен как по схеме с одним преобразованием, так и с двумя преобразованиями частоты. Супергетеродинный метод приема по сей день остается основным, так как позволяет обеспечить устойчивый прием весьма слабых сигналов в условиях интенсивных помех. Сверхминиатюризация элементной базы, в том числе применение в современных приемниках универсальных микросхем, не изменила основного принципа построения структурной схемы супергетеродинного радиоприемника, хотя он может представлять собой очень сложное устройство, в котором производится не одно, а несколько преобразований частоты.

Весь тракт супергетеродинного приемника состоит из тракта радиочастоты (ТРЧ) - от антенны до детектора и усилителя звуковой частоты (УЗЧ) - от детектора до оконечного воспроизводящего устройства (ВУ). В свою очередь ТРЧ состоит из тракта высокой частоты (ТВЧ) - от антенны до преобразователя частоты (ПЧ) и тракта промежуточной частоты (ТПЧ) - от преобразователя частоты до детектора.

Состав ТВЧ определяется в основном требованиями к избирательности приемника по зеркальному каналу Sе_з. В простейшем случае ТВЧ состоит из одноконтурной входной цепи (ВЦ) и одного апериодического или одного резонансного усилителя высокой частоты (УВЧ), в некоторых приемниках УВЧ может отсутствовать вовсе. На этапе предварительного выбора и обоснования структурной схемы приемника необходимость применения резонансного УВЧ определяется расчетом числа контуров п (см. формулу 1), работающих на частоте принимаемого сигнала при заданной избирательности по зеркальному каналу

(1)

где: Q_э - эквивалентная добротность входного контура или контура УВЧ,

см. таблица 2.1.1;

f_пч - значение промежуточной частоты, кГц;

f_max - максимальная частота заданного рабочего диапазона РПУ, кГц.

Выбираем число контуров для обоих диапазонов - 2

При расчете по приведенной формуле значение f_пч = 10,7 МГц для приемников ЧМ и ФМ сигналов (диапазон УКВ).

Ориентировочные значения добротности контуров, которые могут быть выбраны в качестве предварительных, приведены ниже.

УКВ=100…140

Применение хотя бы одного каскада УВЧ целесообразно в приемниках УКВ диапазона и не только для обеспечения высокой избирательности по зеркальному каналу, но и для получения низкого уровня шумов.

Состав ТПЧ определяется в основном требованиями к избирательности приемника по соседнему каналу Sе_с. Для обеспечения нужного значения Sе_с предпочтительнее применять схему УПЧ с ФСС (фильтр сосредоточенной селекции), который может включаться либо после ПЧ перед первым каскадом УПЧ, который выполняется как апериодический усилитель, либо после первого каскада УПЧ перед вторым каскадом УПЧ. Возможны также и другие варианты построения УПЧ. Например, первый каскад УПЧ является резонансным, но имеющим слабую избирательность по соседнему каналу, а основная избирательность обеспечивается ФСС электроакустического типа или пьезоэлектрическим ФСС, который включается после второго или третьего каскада УПЧ. Число каскадов УПЧ определяется и чувствительностью приемника.

2.2 Выбор числа поддиапазонов приемника

Если при неизменной индуктивности контуров ВЦ и УВЧ не удается перекрыть диапазон принимаемых частот переменным конденсатором или с помощью варикапа, то его делят на поддиапазоны, в каждом из которых имеется своя индуктивность. Коэффициент диапазона К_Д характеризуется отношением граничных значений принимаемых частот, т.е. вычисляется по формуле (2):

К_Д = f_max / f_min (2)

==1,11

==1,25

Значение К_Д находится в пределах 1,1…3,1, поэтому емкость переменного конденсатора и лучших варикапов изменяется примерно в 9…10 раз.

2.3 Выбор значения промежуточной частоты

При выборе значения промежуточной частоты необходимо учитывать следующие требования:

- промежуточная частота должна находиться вне диапазона принимаемых частот и не должна совпадать с частотами мощных радиостанций, в противном случае сигнал будет подавлен сигналами этих радиостанций.

- выбранная промежуточная частота должна иметь такое значение, при котором наиболее эффективно можно будет обеспечить хорошую избирательность как по соседнему, так и по зеркальному каналу.

По ГОСТу промежуточная частота равна 10,7 МГц.

2.4 Расчет параметров избирательной системы ТВЧ

Избирательная система ТВЧ обеспечивает избирательность приемника по побочным каналам (зеркальному каналу по промежуточной частоте) и принимает участие в формировании общей резонансной характеристики приемника.

К параметрам избирательной системы ТВЧ, которые необходимо рассчитать, относятся общее число контуров п ВЦ и УВЧ и их эквивалентная добротность Q_э. Исходными данными для расчета этих параметров служат избирательность по зеркальному каналу (Sе_з) и полоса пропускания ТВЧ (2F_ТВЧ).

Для расчета добротности контуров Q_э необходимо предварительно задаться таким числом контуров п, чтобы обеспечить заданное значение Sе_з. Для этого можно использовать результаты расчетов по формуле п. 2.1 или исходить из того, что один колебательный контур может обеспечить при промежуточной частоте 10,7 МГц (для УКВ диапазона) избирательность одного контура 20…30 дБ.

Добротность контуров ТВЧ должна одновременно удовлетворять двум условиям: обеспечить избирательность по зеркальному каналу Sе_з и полосу пропускания 2F_ТВЧ.

Таким образом, для определения точного значения Q_э находим два значения добротности: Q_эи (добротность из условия обеспечения избирательности Sе_з) и Q_эп (добротность из условия обеспечения полосы пропускания 2F_ТВЧ). В дальнейшем оба эти значения используются для выбора истинного значения эквивалентной добротности контуров Q_э.

Значение добротности Q_эи рассчитывается из условия обеспечения Sе_з по формуле (3):

(3)

Значение добротности Q_эп рассчитывается из условия обеспечения полосы пропускания по формуле (4):

(4)

Где коэффициент частотных искажений =0,9…0,95

После вычисления Q_эп и Q_эи искомое значение добротности Q_э находится из условия: Q_эп > Q_э > Q_эи.

Далее рассчитываем значение добротности на минимальной частоте диапазона (f_min) по формуле (5):

(5)

103>76

103>78

135>102

135>104

При правильно выполненных расчётах выполняются неравенства: Q_эп > Q_эmin; Q_эmax > Q_эи.

Далее проверяется возможность реализации заданной Sе_з при полученных значениях Q_эmin и Q_эmax

на f_min по формуле (6):

(6)

0

на f_max по формуле (7)_:

(7)

Полученные значения превышают заданную селективность по ТЗ.

С помощью параметров рассчитанной избирательной системы ТВЧ вычисляется избирательность Sе_c ТВЧ (Sе_cтвч) по формуле (8) и фактически вносимые частотные искажения М_твч при заданной полосе пропускания 2F по формуле (9):

(8)

(9)

Рассчитывается по формуле (10) избирательность РПУ по промежуточной частоте Sе_пч

(10)

где Q_э - добротность контура на частоте f_0,

f₀ - крайняя частота диапазона наиболее близкая к f_пч.

Избирательность РПУ меньше 60 дБ, нужен фильтр-пробка.

, при Сф = 400пФ

2.5 Распределение частотных искажений по трактам приемника

Частотными искажениями в ТЗЧ задаются в пределах 2…6 дБ, поэтому коэффициент частотных искажений ТРЧ вычисляется по формуле (11):

(11)

Полученное значение состоит из частотных искажений ТВЧ и ТПЧ. Частотные искажения ТПЧ определяются по формуле (12):

(12)

Значение М_ТВЧ было определено в предыдущем пункте.

2.6 Выбор избирательной системы ТПЧ

Избирательная система ТПЧ обеспечивает избирательность приёмника по соседнему каналу (Sе_с) и вместе с ТВЧ формирует сквозную резонансную характеристику приёмника.

Значение избирательности, по которому рассчитывают избирательную систему ТПЧ (формула (13)) определяют исходя из запаса на 15…20%, что позволяет обеспечить заданные требования при ухудшении избирательности, вызванном неточностью сопряжения настроек контуров:

каскад приемник частота искажение

(13)

2.7 Определение числа каскадов ТРЧ и распределение усиления по каскадам

Для определения числа каскадов ТРЧ задаётся величина напряжения на входе детекторного каскада (U_d) из расчёта обеспечения режима линейного детектирования. Для детекторного каскада, выполненного на полупроводниковом диоде это напряжение должно быть 0,7 В.

Необходимый коэффициент усиления ТРЧ с 1,5…2 кратным запасом, учитывающим разброс параметров усилительных элементов, рассчитывается:

- для РПУ с внешней антенной по формуле (14):

: (14),

где Е_А - чувствительность по ТЗ (В);

Ожидаемый коэффициент усиления всего тракта радиочастоты ТРЧ определяется коэффициентами усиления отдельных каскадов. Коэффициент усиления К_ТРЧ можно рассчитать по формуле (19):

(15)

В приведённых формулах:

n - число контуров ТРЧ (УВЧ или АВЧ - апериодический усилитель высокой частоты),

m - число каскадов ТПЧ (УПЧ).

Все остальные обозначения приведены в таблице, в которой указаны также и реальные значения коэффициентов усиления (коэффициентов передачи) каскадов РПУ.

После выбора одной из разновидностей структурной схемы с помощью таблицы рассчитываем ожидаемый коэффициент усиления ТРЧ и сопоставляем его с расчётной величиной К^`_ТРЧ.

При этом выполняется: К_ТРЧ > К^`_ТРЧ

Коэффициенты усиления (передачи) каскадов РПУ

Наименование цепи или каскада	Обозначение	Значение коэффициента усиления (передачи)
Входная цепь с наружной антенной при коэффициенте включения nвх=0,1	Квхц	0,1-0,4
Каскад усилителя высокой частоты: резонансный апериодический	КУВЧ КАВЧ	3-7 3-5
Каскад усилителя промежуточной частоты: апериодический одноконтурный широкополосный одноконтурный широкополосный на входе детектора двухконтурный	КАПЧ КШПЧ1 КШПЧ2 КУПЧ	10-40 20-30 30-150 15-20
Преобразователь частоты: с двухконтурным фильтром с ФСС	КПЧ - -	12-20 7-12

2.8 Выбор и обоснование выбора структурной схемы УЗЧ

Усилитель звуковой частоты (УЗЧ) состоит из предварительного усилителя УЗЧ (несколько усилительных каскадов) и выходного каскада УЗЧ.

Для определения структурной схемы УЗЧ необходимо определить число и тип усилительных каскадов. Расчет начинают с выходного каскада - поскольку он определяет заданную максимальную выходную мощность приемника Р_{вых max}.

Схему выходного каскада УЗЧ выбирают, исходя из следующих рекомендаций:

- при заданной выходной мощности Р_{вых max} < 50мВт обычно используется однотактная схема работающая в режиме А на маломощных транзисторах.

при Р_{вых max} 0,2Вт используют в основном двухтактную схему в режиме АВ;

при Р_{вых max} > 0,2Вт применяют двухтактную схему в режиме В и АВ на мощных транзисторах.

Транзисторы выходного каскада выбирают, исходя из условия допустимой мощности рассеяния на коллекторе Р_кmax > Р_к, где Р_кmax - значение мощности рассеяния, приведенное в ТУ на транзистор, а Р_к рассчитывается по нижеприведенной формуле (16).

(16)

Р`_{вых max} - выходная мощность, приходящаяся на один транзистор

- при двухтактной схеме P`_{вых max} = Р_{вых max} /2,

h_тр - КПД выходного трансформатора - (0,7…0,8), при использовании бестрансформаторной схемы h_тр = 1;

- коэффициент использования коллекторного напряжения - (0,8…0,95).

Затем определяют коэффициент усиления по мощности всего ТЗЧ по формуле (17):

; (17)

где Р_вх - мощность сигнала звуковой частоты на входе первого каскада ТЗЧ (можно принять это значение равным 1 мкВт).

Учитывая, что коэффициент усиления по мощности выходного каскада (К_рвых) порядка 30…100, рассчитывают коэффициент усиления по мощности предварительных каскадов и число каскадов предварительного усиления формуле (18):

. (18)

Полученное значение К_рпред позволяет ориентировочно определить число каскадов предварительного усиления, полагая, что один каскад, выполненный по схеме с общим эмиттером, обеспечивает коэффициент усиления по мощности порядка 30…100.

При использовании в ТЗЧ местной или глубокой ООС, что необходимо для получения хорошей АЧХ тракта звуковой частоты или при использовании регуляторов тембра, число каскадов предварительного усиления необходимо увеличить на 1…2.

Исходя из расчёта ТЗЧ, составляется структурная схема тракта звуковой частоты.

3. Электрический расчет усилительного каскада приемника

3.1 Апериодический усилитель

Рассмотрим схему апериодического усилителя на биполярном транзисторе включенным по схеме ОЭ (общим эмиттером) с последовательной отрицательной обратной связью. Такая схема, при правильном выборе параметров резисторов делителя напряжения R₁ и R₂ и термостабилизирующей цепи состоящей из резистора R₃ и конденсатора C₃, обеспечивает устойчивое усиление в диапазоне температур и поэтому получила наибольшее распространение.

Расчет апериодического усилителя:

Для расчета выбираем транзистор КТ368А и его параметры:

- Граничная частота коэффициента передачи

- Постоянная времени цепи обратной связи

- Емкость коллекторного перехода

- Модуль коэффициента передачи тока на ВЧ

- Входная проводимость

Расчет Y-параметров производится по нижеприведенным формулам, в которых:

Коэффициенты a и b определяются по формуле (19)

a=b = (19)

Предварительно рассчитываем круговую частоту и сопротивление базы

,

где f_о - рабочая частота усилителя в качестве которой можно выбрать f_max,

- активная составляющая входной полной проводимости Y_11э:

- емкость обратной передачи:

- полная проводимость обратной передачи:

- выходная емкость:

- модуль полной проводимости прямой передачи:

- полная проводимость прямой передачи:



- активная составляющая выходной проводимости Y_22э:

Определяется эквивалентное сопротивление нагрузки в цепи эмиттера (формула 20), исходя из условия получения максимального коэффициента усиления, считая его равным максимальному устойчивому коэффициенту усиления резонансного усилителя:

, (20)

где S - крутизна ВАХ транзистора на максимальной рабочей частоте;

К_max - максимальный коэффициент усиления, определяемый по формуле (21) как коэффициент устойчивого усиления на максимальной частоте диапазона, т.е.:

(21)

S=1,5 мА/В

Выберем

Определяется по формуле (23) величина сопротивления нагрузки в цепи коллектора:

; (22)

где: R_вх - входное сопротивление последующего каскада, можно принять, что его значение равно 10кОм;

R_вых - выходное сопротивление транзистора усилителя, можно принять, что его значение равно 100кОм.

Принимается ближайшее меньшее номинальное значение для сопротивления R_к.

Определяется по формуле (23) реальное эквивалентное сопротивление нагрузки каскада:

(23)

Реальный коэффициент усиления каскада вычисляется по формуле (24):

(24)

Полученное значение К₀ удовлетворяет двум условиям: оно больше значения выбранного в п. 2.7, и не превышает значения К_уст.

Для расчета значений параметров радиоэлементов апериодического усилителя задаются:

- коэффициентом нестабильности V (этот параметр определяет степень стабилизации, которая обеспечивается в данной схеме, он зависит от параметров цепи стабилизации и от коэффициента усиления транзистора по току, его можно принять равным от 1,5 до 4);

- величиной напряжения Е_э (делитель R₁, R₂ делит коллекторное напряжение Е_к на два напряжения: напряжение между базой и коллектором - Е_к и напряжение между базой и эмиттером - Е_э), напряжение Е_э выбирается равным 0,6…0,9В иногда до 1,5В, более точное значение определяется режимом работы транзистора, т.е. также по ВАХ транзистора.

Определяют величины сопротивлений цепи термокомпенсации R₁, R₂, R₃ и емкости С₃ по нижеприведенным формулам (25), (26), (27), (28):

(25)

где I_к - ток коллектора транзистора, определяемый по его ВАХ при заданном напряжении на коллекторе и сопротивлении R_к;

Е_э - напряжение между базой и эмиттером,

Выберем номинальное значение по шкале Е24 120 кОм

; (26)



Выберем номинальное значение по шкале Е24 2,2 кОм

. (27)

Выберем номинальное значение по шкале Е24 300 Ом

Чтобы сопротивление R₃ не создавало отрицательной обратной связи на рабочих частотах, его обычно блокируют конденсатором С₃, емкость которого определяется по формуле (28):

(28)

где f_min - минимальная рабочая частота, для УПЧ это - f_пч;

R₃ - сопротивление в цепи эмиттера.

Выберем номинальное значение по шкале Е24 0,15 мкФ

Определяют величину разделительной емкости конденсатора С_р по формуле (29):

(29)

где: f_min - минимальная рабочая частота усилителя, для УПЧ это - f_пч;

R_вх - входное сопротивление усилителя, вычисляемое по формуле (30):

(30)

Выберем номинальное значение по шкале Е24 120 пФ

3.2 Резонансный усилитель

Рассмотрим схему резонансного усилителя на транзисторе VT1 с автотрансформаторным включением контура в цепь коллектора и автотрансформаторной связью с последующим каскадом, который выполнен на транзисторе VT2.

Схема резонансного усилителя

При такой связи ослабляется влияние входа и выхода транзистора на колебательный контур. В схеме используется стабилизация режима работы транзисторов методом эмиттерной стабилизации. Питание цепей транзисторов осуществляется от источника Е_к (на рис. не указан). Плавная настройка колебательного контура осуществляется конденсатором переменной емкости С или с помощью варикапа.

Рассчитывается значение индуктивности колебательного контура L по формуле (31):

(31)

Где

Определяется волновое сопротивление контура на крайних частотах диапазона:

. (32)

Вычисляется коэффициент устойчивого усиления на максимальной рабочей частоте диапазона:

В данной формуле величина Y_21э измеряется в мСм, f_max - в МГц, С_12э - в пФ.

Проверяется возможность выполнения условия устойчивости при выбранном типе транзистора и параметрах контура (для этого необходимо, чтобы произведение m₁m₂ 1):

где:

Вычисляются резонансные коэффициенты усиления на крайних частотах рабочего диапазона:

,

где - значение волнового сопротивления контура зависящее от частоты

Расчет значений: сопротивления нагрузки в цепи коллектора R_к; сопротивлений цепи термокомпенсации R₁, R₂, R₃; разделительной емкости С_р производится по формулам аналогичным п. 3.1.2.6.:

Выберем номинальное значение по шкале Е24 180 Ом

Выберем номинальное значение по шкале Е24 2,7 кОм

Выберем номинальное значение по шкале Е24 470 Ом

Выберем номинальное значение по шкале Е24 2700 пФ

4. Расчет КПД приемника

Расчет коэффициента полезного действия (кпд) приемника является ориентировочным и может быть выполнен в соответствии со следующей формулой:

где: Р _{вых max} - максимальная выходная мощность приемника;

Р_потр - мощность потребляемая от источника питания. Она рассчитывается по формуле:

где: Р_к - мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора выходного каскада УЗЧ (при двухтактной схеме эта величина удваивается);

коэффициент 1,1…1,3 учитывает потребление остальных каскадов приемника.

5. Окончательный выбор и обоснование выбора структурной схемы приемника и принципиальной электрической схемы

С учетом всех проведенных расчетов составляется окончательный вариант структурной схемы радиоприемника. Такая схема должна быть достаточно подробной, т.е. включать в себя все каскады приемника, а также каскады схемы АРУ и цепей питания приемника. Структурная схема с обозначениями всех каскадов должна быть выполнена в виде отдельного рисунка формата А1 и помещена в пояснительной записке данного раздела.

По структурной схеме составляется принципиальная электрическая схема Э3 РПУ. При составлении Э3 можно использовать типовое включение усилительных элементов различных каскадов. Эта схема должна содержать схему питания приемника от сети переменного тока напряжением 220В 50 Гц; выбор схемы (традиционной или импульсного типа) определяется студентом по согласованию с преподавателем; основным требованием к такой схеме является учет величины потребляемой мощности (см. п. 1.11).

6. Выбор элементной базы

Все элементы данного радиоприемного устройства выбраны из условий:

- обеспечения заданных значений выходной мощности.

- обеспечения заданных параметров каждого каскада в отдельности.

- уменьшения веса и размеров радиоприемного устройства, то есть минимизация приемника.

При выборе элементной базы также учитывается то, что приемник будет эксплуатироваться в нормальных условиях.

Решающим фактором при выборе конденсаторов для приведенного радиоприемника послужило то, что они имеют достаточно малые габариты.

Следовательно размеры и вес всего радиоприемного устройства также будут относительно невелики. Основным фактором, по которому происходил выбор резисторов, является экономический. Все использованные в схеме диоды были выбраны лишь из-за того, что они по своим параметрам лучше всех остальных подходят для работы в конкретной схеме. Транзисторы выбирались по следующим параметрам:

- по мощности, рассеиваемой на коллекторе.

- по частотным свойствам.

- по необходимому коэффициенту усиления.

7. Описание работы приёмника

Данный приёмник предназначен для приёма сигналов диапазонов УКВ на внутреннюю магнитную антенну. Сигнал проходит через антенну на Входную Цепь, состоящую из 2-х параллельно подключенных колебательных контура, настраиваемых переменными конденсаторами, выделяется сигнал нужной частоты.

Из Входной цепи сигнал поступает на резонансный Усилитель Высокой Частоты, затем на смеситель преобразователя частоты, выполненный на VT3, на смеситель также поступает сигнал с гетеродина. Гетеродин представляет собой генератор, выполненный по схеме индуктивной трёхточки. Сигнал промежуточной частоты выделяется контуром С₂₅L_9. Основная избирательность по соседнему каналу обеспечивается Фильтром Сосредоточенной Селекции пьезоэлектрического типа. Сигнал промежуточной частоты усиливается 3-х каскадным Усилителем Промежуточной Частоты, первые 2 каскада апериодические 3й резонансный.

Для выделения сигнала низкой частоты используется детектор собранный по классической схеме которая состоит из диода и фильтра низкой частоты. Низкочастотный сигнал усиливается в многокаскадном УВЧ собранной по безтрансформаторной схеме, нагрузкой у УЗЧ является громкоговоритель. Питание от батарейки. В схеме предусмотрены разъёмы для внешнего динамика и питания.

Литература

Баркан В.Ф., Жданов В.К. Радиоприёмные устройства. - М.: Советское радио, 1978.

Головин О.В. Радиоприёмные устройства. - М.: Высшая школа, 1997.

Головин О.В. Радиоприёмные устройства. - М.: Высшая школа, 2003.

Терещук Р.М., Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. - Киев: Наукова думка, 1981.

Белов И.Ф., Дрызго Е.В., Суханов Ю.И. Справочник по бытовой приемно-усилительной радиоаппаратуре. - М.: Советское радио, 1981.

Алексеев Ю.П. Бытовая приемно-усилительная радиоаппаратура. - М.: Радио и связь, 1987.

Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. Под ред. Перельмана Б.Л. - М.: Радио и связь, 1981.

Резисторы. (Справочник). Под ред. Четверкова М.: Энергоиздат, 1981.

Размещено на Allbest.ru