32

32

Министерство образования Российской Федерации

ГОУ ВПО УГТУ - УПИ

Кафедра РЭИС

Оценка ___________

Радиовещательный приёмник

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по курсу УПОС

2007 000000 004 ПЗ

подпись Ф.И.О.

Руководитель Никитин Н. Н.

Студент гр. Р-506д Подкорытов А.П.

Екатеринбург 2005

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Спроектировать радиовещательный приёмник КВ-диапазона амплитудно-модулированных сигналов.

Настройка приемника плавная и выполняется оператором по принимаемому сигналу. В приемнике должна быть предусмотрена система автоматической регулировки усиления. Чувствительность приемника задана в предположении, что единственный помехой является собственный шум приемника.

Параметры устройства:

1. Частота сигнала f_c=9.5-12.1 МГц

2. Относительная нестабильность частоты принимаемых сигналов В =

3. Частота модуляции F=0.1-6.5 кГц

4. Коэффициент модуляции m=0.8

5. Отношение сигнал/шум на входе приемника г =20 дБ

6. Чувствительность приемника Е_а=50 мкВ

7. Допустимый коэффициент гармоник н =3 %

8. Допустимый коэффициент амплитудно-частотных искажений M = 6 дБ

9. Расстройка соседнего канала Дf_c=10 кГц

10. Ослабление соседнего канала S_ск=35 дБ

11. Ослабление зеркального канала S_зк=20 дБ

12. Ослабление по промежуточной частоте S_пч=35 дБ

12. Диапазон действия АРУ А/В=32/12 дБ

13. Выходная мощность приемника Р_вых=0.05 Вт

СОДЕРЖАНИЕ

Техническое задание

Содержание

Ведение

Выбор и обоснование структурной схемы радиоприемника

Предварительный расчет полосы пропускания

Выбор средств обеспечения избирательности приемника

Расчет входной цепи приемника

Выбор распределения усиления по линейному тракту приемника

Расчёт УРЧ

Выбор схемного решения РПрУ и расчет УВЧ

Выбор фильтра сосредоточенной селекции

Выбор и расчет схемы демодулятора

Выбор и расчет схемы АРУ

Выбор схемы УНЧ

Технико-экономическое обоснование проекта

Список используемой литературы

Заключение

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

ВВЕДЕНИЕ

Коротковолновое радиолюбительство привлекает самых разных по возрасту, образованию и характеру людей. Радиолюбители через эфир могут связаться со всеми континентами, островами и странами: с жаркой Сахарой и ледяной Антарктидой, шумной Бразилией и древней Индией. Радиолюбительство -- это и спорт, входящий в Единую спортивную классификацию, увлекательные соревнования как всесоюзные, так и международные. И как награда труду и таланту -- значок разрядника, мастера спорта СССР или даже медаль чемпиона!

Первая официально зарегистрированная советская любительская радиостанция вышла в эфир в январе 1925 г. Она была сделана Ф. Лобовым и В. Петровым и имела позывной сигнал Р1ФЛ (Россия, первая, Федор Лбов). Через несколько лет число радиостанций измерялось уже десятками, а затем и сотнями. Бурное развитие радиолюбительства началось после второй мировой войны, и вскоре число наших любительских радиостанций измерялось уже тысячами.

Обычно начинающие коротковолновики проходят необходимую подготовку в радиоклубах, на коллективных радиостанциях и приемных центрах. Коротковолновиков подразделяют на две большие группы: тех, кто может только принимать любительские радиостанции (наблюдатели), и тех, кто имеет передать чик и ведет.

Двусторонние связи.

Оформление документов для получения разрешения на приемно-передающую радиостанцию проводится после сдачи экзамена по радиотехнике и технике безопасности через областные радиошколы ДОСААФ. Вначале выдают разрешение на постройку передающей аппаратуры, а когда она Построена или приобретена -- разрешение на работу в эфире, и присваивают позывной сигнал (разрешение действительно в течение года и должно продлеваться ежегодно).

Позывной сигнал радиостанции -- это второе имя коротковолновика. Все позывные состоят из латинских букв и цифр, причем в мире нет двух одинаковых позывных. Позывной начинается с букв или цифр, обозначающих страну. Эти бук вы и цифры выделены каждой стране на основе международных соглашений. На пример, Советскому Союзу выделены буквы U (Union) и R (Рussiа), Франции -- F, Чехословакии -- ОК. и т. д. В состав позывного сигнала входят и цифры или буквы, соответствующие территориальному или административному делений) данной страны.

Первая часть позывного, одинаковая для всех радиолюбителей данного района, называется префиксом. Далее в позывном идет суффикс -- две или три буквы. В СССР по первой букве суффикса можно определить также и область, в которой расположена радиостанция. Последние две буквы выдаются в алфавитном порядке: А А, А В , АС и т. д. Например, по позывному UK10АА можно определить, что это советская коллективная радиостанция, расположенная на Северо-Западе СССР, в Архангельской области, которой присвоена буква О.

Советским радиолюбителям разрешено работать в следующих коротковолновых диапазонах частот: 1850--1950 ^Гц (160 м), 3500--3650 кГц (80 м), 7000--7100 кГц (40 м), 14 000^-14,350 кГц (20 ж), 21 000--21 450 кГц (15м) и 28 001^--29 700 кГц (10 м). Эти диапазоны совпадают с общепринятыми ео всем мире любительскими диапазонами или входят в них. Диапазоны 80 и 40 м используют радиолюбители совместно с другими радиослужбами, остальные диапазоны выделены в исключительное Пользование радиолюбителям.

Коллективные и индивидуальные любительские радиостанции делят на четыре категории. Радиостанции 11, III и IV категорий имеют ограничения, по мощности, диапазонам и виду излучения Работу в эфире радиолюбитель обычно начинает с радиостанции IV категории. Категория радиостанции соответствует квалификации оператора, поэтому он может, совершенствуя свои знания и набираясь опыта, получить более высокую категорию. Рабочие частоты., мощность и вид излучения любительских К.В радиостанций в зависимости от категории.

Основные задачи, решаемые при проектировании радиоприемников

Радиоприемники военного назначения, как правило, представляют собой составную часть комплексов радиотехнических средств, предназначенных для управления войсками, обеспечения боевых действий различных видов боевой техники, для проведения испытаний боевой техники в полигонных условиях и т. п.

Основными радиотехническими комплексами военного назначения являются линии (системы или сети) радиосвязи, линии (или системы) радиоуправления, линии (или системы) передачи телеметрической информации, навигационные радиотехнические системы, радиолокационные станции (или комплексы совместно работающих радиолокационных станций), радиотехнические системы контроля траекторий кораблей, самолетов, космических аппаратов и т. п. Поэтому основные характеристики радиотехнического устройства и его составной части радиоприёмника определяется целевым назначением того радиотехнического комплекса в который.

В большинстве случаев создание радиотехнических комплексов включает в себя следующие основные этапы:

эскизное проектирование;

техническое проектирование;

изготовление опытного образца аппаратуры;

испытание опытного образца аппаратуры в полигонных или в боевых условиях;

составление тактико-технических требований (ТТТ) и технической документации на серийный образец аппаратуры;

изготовление серийных образцов аппаратуры с контролем ее качества представителями военной приемки.

Эскизное проектирование выполняется на основе предварительных тактико-технических требований заказчика, определяющих назначение и желаемые характеристики всего радиотехнического комплекса. При этом расчетным, а при необходимости и экспериментальным путем проверяется возможность обеспечения ТТТ.

Если отдельные характеристики ТТТ не могут быть выполнены на данном уровне развития техники, то формулируются наиболее приемлемые для заказчика варианты ТТТ к комплексу, которые могут быть реализованы с учетом перспектив развития техники за время до начала производства серийных образцов.

Заканчивается этот этап защитой эскизного проекта в присутствии представителей заказчика и определением основного варианта ТТТ для следующего этапа -- технического проектирования.

При техническом проектировании на основе уточненных в эскизном проектировании ТТТ создается полный (технический) проект комплекса с выполнением всех необходимых расчетных и экспериментальных работ, на основе которых разрабатывается необходимая для изготовления опытного образца техническая документация: принципиальные и монтажные схемы, чертежи узлов, блоков и отдельных элементов системы, а также составляются рекомендации по его эксплуатации.

В дальнейшем, после изготовления и испытания опытного образца, заказчиком формулируются окончательные ТТТ на комплекс, а исполнителем, кроме того, составляются техническое описание и правила эксплуатации комплекса, подлежащего серийному изготовлению.

С целью экономии времени в последние годы первые три этапа выполняют не последовательно, а с определенным перекрытием по времени начала последующего и конца предыдущего этапов. Так, эскизное проектирование рассматривается как составная часть технического.

В ряде случаев первые четыре этапа выполняются также с указанным перекрытием сроков. Такие работы принято называть опытно-конструкторскими разработками (ОКР). При их выполнеи предварительные ТТТ заказчика могут уточняться и изменяться на основе выполненных расчетов и экспериментальных проверок.

Характеристики радиоприемника могут уточняться и изменяться в процессе выполнения отдельных этапов проектирования всего радиотехнического комплекса, на пример после защиты эскизного проекта. Но они, естественно, не могут задаваться произвольно, поскольку существуют факторы, определяющие предел улучшения отдельных характеристик приемника. Так, внешние помехи и собственные шумы ограничивают достижимую чувствительность приемника, применяемые в приемнике электронные приборы определяют его динамический диапазон и т. п.

Кроме того, отдельные характеристики радиоприемника взаимосвязаны. Поэтому улучшение одной характеристики может быть причиной ухудшения другой. Так, повышение избирательности требует применения резонансных систем с достаточно узкими резонансными кривыми, обладающими крутым спадом боковых ветвей, что неизбежно способствует увеличению уровня частотных и особенно фазовых искажений. Расширение диапазона рабочих частот приемника ухудшает постоянство чувствительности и избирательности по диапазону.

В процессе технического проектирования по сформулированным основным характеристикам приемника выбирается тип его блок-схемы и выполняется ее расчет. На основе этого находится оптимальный вариант блок-схемы, обеспечивающий необходимые электрические характеристики приемника при наименьших затратах на производство и эксплуатацию всей системы.

При расчете блок-схемы выбираются электронные приборы, избирательные системы, число каскадов и их схемы, обеспечивающие нужные эксплуатационные и экономические характеристики.

После расчета блок-схемы приступают к окончательному выбору схем, расчету элементов отдельных каскадов и обоснованию конструктивного оформлений приемника.

В настоящей книге рассматриваются лишь вопросы, связанные с техническим проектированием радиоприемников, т. е. с выбором и расчетом блок-схемы и расчетом отдельных каскадов. Требуемые характеристики приемника полагаются заданными с учетом приведенных ниже формулировок.

Характеристики оконечного аппарата радиоприемного устройства

Для выбора и расчета блок-схемы радиоприемника необходимо знать те характеристики оконечного аппарата, которые определяют основные параметры выходного сигнала приемника. С другой стороны, характер выходного сигнала определяется назначением радиолинии, для которой приемник проектируется, и видом модуляции принимаемого сигнала, определяющим передаваемую информацию. В большинстве случаев выходной сигнал приемника представляет собой: низкочастотное напряжение со спектром в диапазоне звуковых или гиперзвуковых частот; импульсное напряжение с заданной формой импульсов, их длительностью и интервалами между соседними импульсами; синусоидальное напряжение с фиксированной или переменной частотой, изменяющейся по известному закону, и т. п.

С учетом сказанного для выбора и расчета блок-схемы радиоприемника необходимо знать следующие характеристики оконечного аппарата.

Мощность или напряжение входного сигнала (мощность или напряжение выходного сигнала приемника).

Величину и характер входного сопротивления Z_0а (при необходимости частотные зависимости активной R_0а и реактивной Х_0а составляющих).

Отношение сигнал/шум, необходимое на входе оконечного аппарата для его нормальной работы. Это отношение задают либо по напряжению, либо по мощности. Во многих современных радиоприемных устройствах военного назначения с целью повышения их чувствительности и помехозащищенности производят специальную обработку сигнала в низкочастотных цепях приемника. Наличие таких устройств позволяет, как правило, снижать необходимое на выходе детектора отношение сигнал/шум. Поэтому в некоторых случаях при формулирований основных методик выбора и расчета блок-схем приемников различного назначения, можно относить указанные системы обработки низкочастотного сигнала к оконечному аппарату. Но при описании особенностей выбора и расчета блок-схем приемников специального назначения наличие систем обработки сигналов в низкочастотном тракте будет учитываться, и описываться в соответствующих главах.

Характеристики принимаемых сигналов, помех в месте приема и приемной антенны.

Для выбора и расчета блок-схемы радиоприемника необходимо знать перечисленные ниже параметры принимаемых сигналов, а также характеристики приемной антенны *, с которой должен работать приемник:

1.Диапазон возможных значений несущих частот сигналов, которые должен принимать приемник, т. е. диапазон рабочих частот радиоприемника. Если в общем, диапазоне частот имеются нерабочие участки, их границы должны быть четко определены.

Относительная нестабильность несущей частоты принимаемого сигнала.

Характер модуляции принимаемых сигналов и ее основные параметры.

Так, для амплитудно-модулированных сигналов (АМС) задаются: минимальная и максимальная частоты модуляции, а также среднее и максимальное значения коэффициента модуляции. Для сигналов с однополосной амплитудной модуляцией задается уровень подавления несущей. Выбор типа приемной антенны и определение ее основных характеристик производят при эскизном проектировании всего радиотехнического комплекса, для которого предназначен радиоприемник.

Для частотно-модулированных сигналов (ЧМС) определяются: минимальная и максимальная частоты модуляции, максимальное значение девиации частоты или индекса модуляции

При импульсной модуляции задаются: форма импульса, минимальная длительность импульса на заданном уровне отсчета, период следования импульсов Т и изменения параметров импульсов за счет модуляции (изменение длительности при модуляции по длительности (ДИМ), временного положения при временной импульсной модуляции (ВИМ) или структуры кодовых групп для кодово-импульсной модуляции (КИМ).

Для непрерывных сигналов, используемых при измерении радиальной скорости движения объектов, несущих радиопередающее или радиоприемное устройство, задается диапазон доплеровских частот, который определяется возможным изменением частоты принимаемого сигнала за счет движения объекта. Диапазон возможных доплеровских частот задается для всех случаев, когда в процессе эксплуатации имеет место движение `Пдиопередающего устройства относительно радиоприемного устройства или наоборот. Для сигналов многоканальных линий связи и телеметрии кроме вышеуказанного обычно задается: а) число каналов; б) интервал частот между соседними поднесущими (при частотном разделении каналов и амплитудной модуляции), а также параметры первичной и вторичной модуляции (аналогичные отмеченным выше для АМС и ЧМС); в) интервал времени между соседними канальными импульсами (при временном разделении каналов); г) характер и параметры синхронизирующего сигнала, который должен управлять коммутирующим устройством в цепях разделения отдельных составляющих выходного сигнала прием`П`т.

Минимальная и максимальная напряженность (или соответственно плотности энергии электромагнитного поля принимаемых сигналов в месте расположения приемной антенны.

Вид помехи (шумовая, хаотическая последовательность импульсов, атмосферная, промышленная, немодулированная несущая и т. п.).

Напряженность поля внешних помех (или плотность потока помехи), отнесенная к единице полосы.

7 Зависимости величин активной и реактивной составляющих выходного сопротивления, коэффициента полезного действия, действующей высоты (или эффективной площади) приемной антенны от частоты во всем диапазоне рабочих частот приемника.

8. Зависимость шумовой температуры антенны от частоты для всего диапазона частот.

Основные электрические характеристики радиоприемника

Для расчета блок-схемы радиоприемника необходимо знать его основные электрические характеристики. Эти характеристики в большинстве случаев задаются следующим образом:

Диапазон рабочих частот радиоприемника определяется диапазоном, в пределах которого заключены несущие частоты сигналов, подлежащих приему.

Реальная чувствительность радиоприемника в диапазонах длинных, средних, коротких и метровых волн обычно задается величиной минимальной э. д. с. Сигнала в приемной антенне (при испытаниях -- в ее эквиваленте), которая обеспечивает нормальную выходную мощность приемника при требуемом превышения сигнала над собственными шумами на выходе радиоприемника.

В диапазонах дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн реальную чувствительность приемника принято задавать минимальной мощностью сигнала Р_СА в антенне (ее эквиваленте), обеспечивающей нормальную выходную мощность приемника при заданном отношении мощности сигнала к мощности собственных шумов на выходе радиоприемника

В отдельных случаях технического проектирования (например, для радиоастрономических систем) бывает необходимо рассчитать приемник, обеспечивающий максимально осуществимую чувствительность. При такой формулировке обычно оговариваются некоторые производственно-эксплуатационные характеристики: максимально допустимые стоимость, размеры, вес, мощность источников питания и т. п.

Избирательность радиоприемника задается ослаблением соседнего канала при заданной расстройке и требуемыми ослаблениями главных побочных каналов в супергетеродинных приемниках: зеркального и по промежуточной частоте.

Динамический диапазон радиоприемника Д определяется отношением максимального и минимального уровней подлежащих приему сигналов.

Уровень допустимых искажений сигнала, как правило, задается численными критериями отдельно для каждого вида искажений, хотя уровни отдельных видов искажений взаимосвязаны.

Так, амплитудно-частотные и фазочастотные искажения в высоко-шумовая температура антенны зависит от ее направленных свойств, коэффициента полезного действия, температуры антенны и ориентации ее в пространстве. Методики ее расчета описаны в учебных пособиях по курсу «Радиоприемные устройства» частотном тракте приемника определяются формой амплитудно-частотной (резонансная кривая) и фазочастотных характеристик, которые жестко связаны. Амплитудно-частотные искажения оцениваются допустимой величиной коэффициентов частотных искажений: Для минимальной модулирующих частот принимаемых сигналов (для верхней или для нижней граничных частот полосы пропускания низкочастотного тракта приемника).

В приведенных формулах максимальный коэффициент усиления приемника при средней частоте модуляции сигнала; коэффициенты усиления приемника при максимальной и минимальной частотах модуляции. Фазочастотные искажения можно задавать коэффициентом допустимого относительного изменения крутизны фазовой характеристики Нелинейные искажения определяются максимально допустимым коэффициентом гармоник для приемника в целом.

6. Требования к регуляторам обычно определяются к каждому конкретно.

Качество работы ручного регулятора усиления (РРУ) обычно задается диапазоном изменения коэффициента усиления высокочастотного или низкочастотного трактов приемника. Его величина обычно задается в децибелах. Ручной регулятор полосы пропускания (РРП) включают в высокочастотный или низкочастотный тракты приемника. В соответствии с этим он характеризуется:

а)или значениями необходимых минимальной и максимальной полос пропускания высокочастотного тракта;

б)или величинами требуемых минимальной максимальной полос пропускания низкочастотного тракта. Качество автоматической регулировки усиления (АРУ) принято определять допустимым изменением выходного напряжения. Если априорно определяется необходимость системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), то ее эффективность характеризуют требуемыми значениями полосы втягивания (захвата) и коэффициента автоподстройки

7. Мощность источников питания, как правило, задается следующими двумя определениями:

а)величиной максимально допустимой мощности первичного источника (или источников)

б)минимально необходимой величиной мощности, потребляемой от первичного источника, при которой все остальные характеристики приемника полностью удовлетворяются.

В первом варианте ограничение мощности источника питания при эскизном проектировании может привести к необходимости корректировки других основных электрических характеристик приемника (например, к снижению чувствительности). Такое определение допустимой мощности питания часто применяют при расчете приемников специального назначения или приемников с автономными источниками питания ограниченной мощности, что часто имеет место в переносных и бортовых радиоприемных устройствах.

Основные конструктивно-эксплуатационные и экономические характеристики

Основные конструктивно-эксплуатационные и экономические характеристики радиоприемников обычно определяются следующим образом.

Надежность работы определяется минимально необходимым сроком безотказной работы. Для улучшения этого параметра следует выбирать наиболее надежные элементы схемы приемника, уменьшать их общее количество, выбирать по возможности облегченные режимы работы наиболее важных элементов. Если эти меры не позволяют достигнуть необходимой надежности, то следует повышать надежность наиболее слабых элементов или даже целых узлов применением дублирующих элементов (узлов), г. Е. за счет резервирования.

Из сказанного следует важный критерий для выбора оптимального варианта блок-схемы. Поскольку надежность электронных приборов много меньше надежности катушек индуктивности, резисторов и конденсаторов, необходимо иметь в приемнике минимальное число каскадов. При равенстве числа каскадов надежнее будет приемник, в котором больше каскадов будет работать в облегченных режимах или меньше будет каскадов с более сложной схемой (c большим числом элементов), а также с менее надежными элементами. Так, например, кристаллические диоды, применяемые в преобразователях частоты, обладают малым сроком службы и легко выходят из строя при перегрузках. Поэтому замена кристаллического преобразователя частоты другим или устранение возможности перегрузки такого преобразователя (за счет соответствующего выбора входных элементов приемника) можно значительно повысить надежность всего приемника. Отметим, что в военной радиотехнической аппаратуре допускается использование электронных приборов только повышенной надежности, что обязательно должно учитываться при расчете блок-схемы приемника.

Отдельные элементы схемы приемника выбирают так, чтобы каждый из них мог работать с требуемой надежностью во всем диапазоне параметров внешней среды.

2.Стабильность и устойчивость работы радиоприемника оцениваются по его способности сохранять свои электрические характеристики в допустимых пределах при наихудших возможных комбинациях параметров внешней среды (температура, атмосферное давление, влажность) и источника питания.

Поэтому задаются допустимые рабочие интервалы температуры атмосферного давления и влажности окружающей среды, а также минимальное и максимальное E_0макс напряжения источника (или отдельных источников) питания приемника.

Механическая прочность задается обычно величиной максимального ускорения, которое должен выдерживать приемник, не нарушая своей работоспособности. Виброустойчивость оценивается по отсутствию механических резонансов отдельных узлов схемы и ее монтажа в заданном диапазоне частот вибрации, определяющимся условиями эксплуатации. Эти требования определяют тип выбираемых электронных приборов и элементов схемы приемника и принципа осуществления монтажа приемника. Особенно важны эти требования для самолетных, корабельных, автомобильных и т, п. радиоприемных устройств.

Габарит и вес радиоприемника обычно задаются своими допустимыми величинами. Они также в основном определяют тип применяемых электронных приборов, элементов схемы и принцип монтажа.

Стоимость радиоприемника определяется или максимально допустимой величиной затрат на изготовление, или максимальной суммой стоимости изготовления приемника и стоимости его эксплуатации за определенный срок службы. Обычно трудно учесть эксплуатационные расходы и расчет ведут на обеспечение заданной стоимости производства, что в значительной степени определяется типом электронных приборов, элементов схемы и конструкцией приемника.

Таким образом, все рассмотренные конструктивно-эксплуатационные требования оказывают влияние в основном на выбор электронных приборов и элементов схемы приемника, что и должно учитываться при расчете и определении оптимального варианта блок-схемы. Конкретно это будет показано в следующих главах

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ПРИЕМНИКА

Заданный частотный диапазон приемника и вид модуляции позволяет судить о его предназначении - вещательный коротковолновый приемник. Для таких приемников существенным является низкая стоимость конечного изделия и нетрудоёмкость технологии (массовый выпуск) в сочетании с максимумом автоматических настроек, позволяющих избежать ручных регулировок. Таким образом, эти параметры будут определяющими при выборе функциональной и принципиальной схем, а также элементной базы приемника.

В КВ диапазоне применяется исключительно супергетеродинный метод приема (дальнее распространение волн КВ требует высокой избирательности по соседнему каналу (расстройка 5 кГц), что практически недостижимо для избирательных цепей приемников прямого усиления - относительная расстройка на 14 МГц составляет менее 0,04% - входной избирательная цепь получилась бы очень громоздкой и трудно настраиваемой). Кроме этого, малошумящий (и высокоизбирательный) усилитель радиочастоты на ВЧ относительно дорог.

Супергетеродинная схема приема предусматривает преобразование ВЧ радиосигнала в, обычно, значительно более длинноволновый участок спектра, где, в дальнейшем и происходит обработка сигнала (подавление соседних каналов, усиление, детектирование). В радиовещательных АМ приемниках КВ диапазона наибольшее распространение получила промежуточная частота 465 кГц. Относительная расстройка соседнего канала составляет уже около 1%. Это позволяет эффективно подавить соседние каналы относительно простыми, а значит и дешевыми цепями. Так как усиление производится на относительно низких частотах, можно достаточно простыми средствами получить высокое значение чувствительности. Кроме этого, на низких частотах снижаются требования к паразитным параметрам цепей устройства, можно использовать менее прецизионные элементы. Все вышеперечисленное позволяет как ослабить технологические допуски при неизменном качестве, так и повысить качество при неизменной сложности технологии.

Усложнение схемы приемника-супергетеродина по сравнению с приемником прямого усиления может оказаться несущественным в случае использования интегральных схем, инкапсулирующих целые функциональные звенья или даже узлы.

Типовая функциональная схема приемника, построенная по супергетеродинной схеме приведена на Рис.1.

Рисунок.1. Функциональная схема супергетеродина

ВЦ - входная цепь

УРЧ - усилитель радиочастоты

СМ - смеситель

Г - гетеродин

УПЧ - усилитель промежуточной частоты

Д - детектор

УНЧ - усилитель низкой частоты

УО - устройство обработки

Функциональная схема (рис.1) содержит лишь принципиально важные узлы, при ее детализации получаем цепи управления и индикации, контуры автоматических регулировок и т.д. Все это, а также элементы схемы рассматриваются далее.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ

Полосу пропускания высокочастотного тракта супергетеродинного приемника без системы автоматической подстройки частоты можно определить по формуле:

где:

Дf_`П - ширина спектра принимаемого сигнала, составляющие которого, с учетом допустимых искажений, не должны выходить за пределы полосы пропускания приемника;

Дf_д - изменение несущей частоты сигнала за счет доплеровского эффекта;

Дf_нест - величина на которую необходимо расширить полосу пропускания приемника для учета нестабильности частот передатчика и гетеродина приемника, а также погрешностей в настройке отдельных контуров и всего приемника в целом.

где:

в_с - относительная нестабильность частоты сигнала f_c

в_г - относительная нестабильность частоты гетеродина приемника f_г;

Абсолютная нестабильность частоты гетеродина

Абсолютная нестабильность боковых частот гетеродина

в_н - относительная погрешность установки частоты приемника при безпоисковой настройке, отнесенной к частоте сигнала f_с

в_пр - относительная погрешность и нестабильность настройки контуров тракта промежуточной частоты, отнесенная к промежуточной частоте f_пр.

Для двух полосного одноканального АМ сигнала:

, где

F_в - верхняя частота модуляции сигнала.

Выберем однокаскадный гетеродин без кварцевой стабилизации, для него можно принять . Согласно ТЗ Вс= Выбор В_г произведен согласно табл.1.1 [1]. Значение коэффициента В_пр, как правило, колеблется от 0,0003 до 0,003 и зависит, главным образом, от температурного коэффициента катушек контуров, настраиваемых на промежуточную частоту. Пусть . Величина В_н обычно равна 0,003 - 0,01 и определяется в основном точностью настройки контура гетеродина механизмом перестройки или погрешностью установки частоты настройки приемника по его шкале. Если применяется перестройка приемника оператором по принимаемым сигналам (как в нашем случае), то естественно величину В_н следует брать равной нулю. Значение промежуточной частоты выберем стандартное для данного диапазона волн. Пусть .

Будем считать, что приемник и передатчик неподвижны относительно друг друга, тогда доплеровское смещение частоты .

Согласно формуле (2):

Согласно формуле (1):

Определим шумовую полосу линейного тракта.

Выбранная промежуточная частота удовлетворяет условиям (для возможности применения контуров с реализуемой добротностью) и (для фильтрации сигналов промежуточной частоты при детектировании АМ сигналов).

Определение фактического коэффициента шума

ВЫБОР СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИЗБИРАТЕЛЬНОСТИ ПРИЕМНИКА

В супергетеродинных приемниках, наиболее опасными из побочных каналов приема являются зеркальный и соседний. Поэтому частотная избирательность РпрУ зависит в основном от необходимых ослаблений соответственно S_зк S_ск. В приемниках с одинарным преобразованием частоты ослабление зеркального канала обеспечивает преселектор, ослабление соседнего - в основном УПЧ и частично преселектор.

Исходные данные: ; выберем - эквивалентные затухания контуров преселектора с учетом потерь, вносимых источником сигналов и нагрузкой.

Определим обобщенную рассторйку зеркального канала при верхней настройке гетеродина и нижней настройке гетеродина .

Выберем верхнюю настройку гетеродина.

Пользуясь нормированными частотными характеристиками преселекторов при больших расстройках рисунок.1.7а [1], находим, что необходимое ослабление по зеркальному каналу S_зк=20dB может обеспечить простая одноконтурная входная цепь, поэтому применять более сложные схемы нецелесообразно.

Для выбранного преселектора вычисляем ослабление по соседнему каналу, которое он создает.

Обобщенная рассторойка для краев полосы пропускания приемника :

Из рис. 1.7б [1] находим, что такой расстройке соответствует ослабление преселектора . Рассчитаем ослабление S_пп, которое можно допустить в ФСС, из выражения:

.

Для выбранного преселектора определим обобщенные расстройки для соседнего канала из выражения:

,

где - расстройка для соседнего канала.

По рис.1.7б [1] находим, что данной расстройке соответствует ослабление соседнего канала, создаваемого преселектором.

Определяем ослабление соседнего канала , требуемое от ФСС:

Где - полное ослабление соседнего канала, требуемое в приемнике.

РАСЧЕТ ВХОДНОЙ ЦЕПИ ПРИЕМНИКА

Поскольку частота принимаемого сигнала меняется в довольно узком диапазоне, имеет смысл применить настроенную антенну. В этом случае можно считать, что внутреннее сопротивление антенны в этом диапазоне постоянно и является чисто активным (Z_А=R_А). При необходимости сопротивление антенны можно согласовать с фидером при помощи трансформатора, тогда мощность, отдаваемая приемнику, будет максимальной.

При работе с настроенной антенной часто используется трансформаторная или автотрансформаторная связь контура с антенной и УРЧ. Выберем автотрансформаторную связь, т.к. при этом требуется меньшее число намоточных элементов. Схема входной цепи изображена на рисунке.2.

Рисунок.2. Схема входной цепи

Исходя из табл.4.4 [1] находим С_сх=95 пФ.

Находим индуктивность контура

.

Теперь вычисляем коэффициенты включения фидера m_А и входа УРЧ m_вх для согласования при заданном d_эр контура входной цепи:

Для нашего случая , где:

W_ф - волновое сопротивление фидера

R_вх - входное сопротивление УРЧ (1^го каскада).

В качестве фидера выбран коаксиальный кабель РК-103 длиной 4м со следующими параметрами: - затухание; волновое сопротивление W_ф = 75 Ом.

Из таблицы 4.5 [1] выбираем собственное затухание контура d = 0,0095. Ранее выбрано d_эр = 0,02.

Рассчитываем коэффициент передачи напряжения входной цепи: , где:

L_ф - коэффициент передачи фидера, определяемый из рис.4.16 по произведению (l_ф - длина фидера, м). В нашем случае

К_ос - коэффициент передачи собственно входной цепи при согласовании, равный:

Коэффициент передачи входной цепи можно считать практически неизменным в заданном диапазоне, т.к. этот диапазон относительно узкий (коэффициент перекрытия диапазона , т.е. близок к 1).

Рассчитываем емкость контура

,

где - паразитная емкость катушки контура

- емкость монтажа схемы

По ГОСТу выбираем элементы схемы конденсатор Спрс емкостью 90 пФ и конденсатор Спрс переменной емкости 4/25пФ

ВЫБОР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛЕНИЯ ПО ЛИНЕЙНОМУ ТРАКТУ ПРИЕМНИКА

Необходимое усиление сигналов в линейном тракте следует обеспечить при достаточной устойчивости каскадов (возможно в меньшем их числе), используя экономичные электронные приборы. Если чувствительность приемника задана в виде Э.Д.С. сигнала в антенне Е_а, то коэффициент усиления линейного тракта приемника К_ол должен быть равен:

, где:

u_п - амплитуда сигнала на выходе УПЧ приемника.

Учитывая это используем микросхему К174ХА2, примем u_п = 100 мВ

.

Выбор средств обеспечения усиления линейного тракта можно начать с определения коэффициента усиления преселектора (ВЦ и УРЧ). В транзисторных приемниках коэффициент усиления преселектора К_опс можно найти из выражения:

, где:

К_овц - коэффициент передачи входной цепи

К_урч - коэффициент усиления УРЧ.

В супергетеродинном приемнике основное усиление сигнала производится на промежуточной частоте, поэтому выберем К_0урч = 35 dB, т.е. К_урч = 10.

Требуемый коэффициент усиления по напряжению УПЧ и преобразователя частоты с транзисторным смесителем, равен: , где:

К_з = 2…3 - коэффициент запаса усиления, учитывающий старение электронных приборов, расстройку контуров и уменьшения напряжений питания в процессе эксплуатации. Выберем К_з = 2.

Тогда усиления УПЧ будет равно:

РАСЧЁТ УРЧ

Наибольшее распространение в транзисторных усилителях получила схема с двойной автотрансформаторной связью. Коэффициент включения m1 и m2 целесообразно выбирать так, чтобы на нижней частоте поддиапазона обеспечить заданную полосу пропускания, а на верхней - избирательность.

Рисунок.3. Схема УРЧ

Найдем максимально устойчивый коэффициент усиления каскада УРЧ. При этом примем следующие значения. dэр=0,02 ; S=26мА/В ; ;

; ; R11=3.8кОм ; R22=110кОм ;

Наиболее возможный коэффициент усиления каскада при полном согласовании

Из полученных значений Ку и Ко выбираем меньший и принимаем за коэффициент усиления УРЧ.

Курч=Ку=4

m1=0.2

Условие при котором каскад УРЧ обеспечивает всё ослабление зеркального канала.

Вычисление подстрочного конденсатора Сп.

где;

Ссхmin - минимальная емкость контура каскада усиления

Скmin - минимальная емкость контура настройки

Свых=С22+См

См= Емкость монтажа

Свх=С11+См

- переменная ёмкость катушек равная 3…5 пФ

С11=25,8пФ См=3пФ =5пФ

Свх=25,8+4=29,8пФ

Свых=11,8+4=15,8пФ

Примем Сп=100пФ и найдем далее все элементы схемы

выбор схемного решения РП_рУ и расчет усилителя

высокой частоты

В заданном частотном диапазоне появляется возможность применить интегральную микросхему. Используем ИС К174ХА2. Базовым элементом в этой микросхеме является дифференциальный усилитель, что объясняется рядом его свойств:

способность подавлять синфазную составляющую входного сигнала, выделять и усиливать разностную. Это позволяет снизить влияние на параметры усилителя нестабильности температуры окружающей среды и напряжения питания. Не применяя обычных мер по термостабилизации, можно отказаться от использования конденсаторов большой емкости, которые неудобно использовать в интегральной технологии;

универсальность. Дифференциальный усилитель может выполнять функции усиления, ограничения, преобразования частоты, регулирования. Такая схема может иметь симметричный или несимметричный вход и выход;

малая паразитная обратная связь между входом и выходом. Такой факт позволяет использовать дифференциальную схему на высоких частотах, не применяя схему нейтрализации этой паразитной связи.

Данная микросхема предназначена для использования в приемниках амплитудно-модулированных сигналов. Она может работать в диапазоне частот до 30 МГц, имея при этом усиление, позволяющие принимать сигналы с отношением сигнал-шум на выходе 20 dВ, при э.д.с. в антенне менее 20 мкВ, а при сигнале 3 мВ отношение сигнал-шум равно 54 dВ.

При напряжении на входе, равном 20 мкВ выходное напряжение НЧ составляет 60 мВ, коэффициент гармоник при этом обеспечивается менее 4%. Напряжение питания может выбираться в пределах 4,8ч15В. Ток потребления mА Входное сопротивление усилителя РЧ по входам 1, 2 составляет более 3 кОм, а входное сопротивление УПЧ по выводу 12 также составляет более 3 кОм. Выходное сопротивление усилителя промежуточной частоты по выводу 7 равно 60 кОм.

Структурный состав микросхемы приведен в приложении 1.Она состоит 1 -- УВЧ; 2 -- гетеродин; 3 -- смеситель; 4 -- УПЧ; 5 -- УПТ АРУ УВЧ; 6-- УПТ АРУ УПЧ

Сигнал после прохождения входной цепи и предварительной частотной селекции в ней подается на усилитель радиочастоты, реализованный в виде однокаскадного апериодического дифференциального усилителя на транзисторах VТ3 и VТ4. В нашем случае от усилителя высокой частоты не требуется большого усиления. Он должен иметь малый коэффициент шума, т.к. стоит в начале линейного тракта приемника и от него в наибольшей степени зависит коэффициент шума всего тракта. Регулировка усиления осуществляется комбинированным методом, за счет управляемой обратной связи через диоды VD4 и VD5 в цепях эмиттеров транзисторов и в коллекторных цепях - путем управляемого шунтирования нагрузки через диоды VD1-VD3. Ток диодов изменяется усилителем постоянного тока, собранного на транзисторах VT1-VT3. Стабилизация входного каскада по постоянному току осуществляется через эмиттерный повторитель VT6. Смеситель в данной микросхеме выполнен по двойной балансной схеме на транзисторах VT11-VT12 и VT7-VT10. Один из его выходов (15 или 16) может использоваться для включения контура детектора АРУ усилителя радиочастоты, а с другой - для подачи сигнала ПЧ на фильтр сосредоточенной селекции. Режим этого каскада по постоянному току устанавливается с помощью напряжения на диоды VD6-VD8.

Гетеродин в микросхеме строится на транзисторе VT13. Контур гетеродина подключается как внешний, по отношению к микросхеме, элемент. Усилитель промежуточной частоты состоит из четырех дифференциальных каскадов: первый каскад - транзисторы VT18 и VТ19, второй - VT22-VT23, третий - VT26, VT27; четвертый - VT29 и VT30. Первые три каскада имеют регулируемое усиление. Регулировка осуществляется через диоды VD15-VD20. Управляющий усилением сигнал снимается с транзистора VT31. Этот транзистор совместно с транзисторами VT32-VT34 образует усилитель постоянного тока. Такая схема дает возможность получить глубину регулировки усиления УПЧ более 60 dВ.

Воспользуемся регулировочной характеристикой усилителя высокой частоты, представленной на рисунке.4. Из нее видно, что для обеспечения выбранного коэффициента усиления усилителя радиочастоты К_УРЧ = 20 dВ, необходимо подать на вывод 3 используемой микросхемы управляющее напряжение U₃ = 0,31 В.

К_ус [dB]

50

40

30

20

10

U_з, В

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Рисуеок.4 Регулировочная характеристика усилителя радиочастоты.

Выбор фильтра сосредоточенной селекции

Вместо многозвенных LС-фильтров в схемах усилителей промежуточной частоты с сосредоточенной избирательностью с успехом можно применять пьезоэлектрические, электромеханические и пьезомеханические фильтры. Указанные фильтры, имея малые габариты и массу, обладают близкой к идеальной кривой избирательности.

Наш фильтр, исходя из требований ТЗ и расчетов входной цепи должен обеспечить затухание по соседнему каналу S_скп = 35 dВ и вносить затухание в полосе пропускания не более 0,25 dВ.

Выбираем по таблице 6.6 [1] пьезомеханический фильтр ПФ1П-4-1, т.к. он имеет малое затухание Lф в полосе пропускания и достаточное ослабление при расстройке ± 10 кГЦ от номинальной промежуточной частоты f_п = 465 кГц. Малая критичность пьезомеханических фильтров к изменению нагрузочных сопротивлений позволяет подключать их к следующему каскаду непосредственно (без согласующего трансформатора). Вообще, номинальные значения характеристических сопротивлений пьезомеханических фильтров, как правило, значительно отличаются от входных и выходных сопротивлений транзисторных каскадов. Поэтому эти фильтры включают в усилитель через согласующие звенья. Наибольшее распространение получила схема межкаскадной связи, в которой фильтр подключен к коллекторной цепи через широкополосный контур. Такая схема представлена на рис.5.

Расчет сводится к определению элементов связи.

Параметры фильтра:

затухание на частоте

номинальное значение характеристических сопротивлений: выходного W_б = 1 кОм

входного W_к = 2 кОм.

Определяем показатель связи фильтра с усилителем:

, где:

d - конструктивное затухание контура (обычно d?0,01)

Рисунок.5 Упрощенная схема согласования фильтра с коллекторной и базовой цепями.

Индуктивность контурной катушки:

Коэффициент включения:

Индуктивность катушки связи фильтра с контуром:

, где:

К₁ - коэффициент связи, обычно равен 0,7…0,9. Выберем К₁ = 0,8.

Емкость контура:

Выбор и расчет схемы демодулятора

Возможно применить для детектирования непрерывных амплитудно-модулированных сигналов диодные или транзисторные детекторы. Главный недостаток транзисторных коллекторных детекторов - большой уровень нелинейных искажений. Правда, для них К_д>1, но усиление сигнала до нужного уровня можно произвести потом в УПЧ, при этом суммарные искажения сигнала будут меньше.

Диодные детекторы могут быть параллельного и последовательного типа. Предпочтительнее последовательные детекторы, имеющие относительно большое входное сопротивление. Параллельные детекторы применяют лишь тогда, когда контур последнего каскада УПЧ находится под напряжением питания и сигнал на детектор подается через разделительный конденсатор.

Итак, выбираем последовательный диодный детектор, изображенный на рис.6. Входное напряжение на детектор подается с контура последнего каскада УПЧ (L_к С_к).

Рисунок.6. Схема последовательного детектора

Конденсатор С₁ способствует повышению коэффициента передачи детектора, звено С₂ R₁ является фильтром промежуточной частоты. Вообще, схема последовательного детектора обеспечивает лучшую фильтрацию напряжения промежуточной частоты, чем параллельная.

Как правило, постоянная составляющая выпрямленного напряжения детектора в последующих каскадах приемника не используется и является нежелательной. Для ее устранения в схему вводится разделительный конденсатор С_р, реактивное сопротивление которого на низкой частоте мало. Введение разделительного конденсатора уменьшает нагрузку детектора на частоте модуляции и может привести к большим нелинейным искажениям принимаемого сигнала. Для уменьшения нелинейных искажений в детекторе по указанной причине прибегают к разделению нагрузки детектора.

Выбираем диод D9Б, т.к. он обладает малым внутренним сопротивлением R_i = 10 Ом, большим обратным сопротивлением R_обр = 0,4·10⁶ Ом и сравнительно небольшой емкостью С_D = 1·10^-12 Ф. Примем коэффициент частотных искажений М_В = М_Н = 1,06.

Требуемое входное сопротивление детектора:

, где:

d_э - затухание последнего контура УПЧ с учетом R_{вх д};

d - затухание того же контура без учета действия детектора:

.

В узкополосных УПЧ можно принять

.

Сопротивление нагрузки последовательного детектора:

,

т.к. R_н>200 кОм, применяем полное подключение диода к контуру.

Рассчитаем эквивалентную емкость нагрузки детектора из условий отсутствия нелинейных искажений.

Исходя из соотношения по рис.9.2 [1] находим, что - динамическое внутреннее сопротивление детектора.

Рассчитаем эквивалентную емкость нагрузки детектора, исходя из допустимых частотных искажений М_В.

Из значений С_Н, найденных по формулам (1') и (2')выбираем наименьшую, т.е. С_Н = 157 пФ.

, где:

R_{Б max} - максимально допустимое сопротивление в цепи базы следующего транзистора.

Емкости конденсаторов:

, где:

С_м2 = 15…20 пФ - емкость монтажа входной цепи УНЧ

Коэффициент фильтрации напряжения промежуточной частоты для последовательного детектора:

При рассчитанном К_Ф обеспечится заданное в ТЗ ослабление на промежуточной частоте S_пч = 32 dВ.

Из соотношения по рис.9.2 [1] находим К_д = 0,95

Uвх=0,6 В m=0,3

R1=200 кОм

R2=18 кОм

Rн=218 кОм

Выбор и расчет схемы АРУ

АРУ обеспечивает требуемое относительное постоянство выходного напряжения приемника в условиях изменения мощности принимаемых сигналов.

Инерционные системы АРУ с обратной связью представляют собой замкнутую нелинейную систему автоматического регулирования, содержащую усилительный тракт приемника с регулируемым коэффициентом усиления и цепь регулирования. Последняя состоит из детектора АРУ, фильтра и усилителя. В общем случае, может быть еще схема задержки. Функциональная схема системы АРУ, примененной в данном случае показана на рис.7.

Характеристики такой системы и ее динамические свойства определяются видом регулировочной характеристики регулируемого усилительного тракта и свойствами цепи регулирования, обеспечивающей формирование регулирующего напряжения U_р. Регулировочная характеристика УПЧ, реализованного в микросхеме К174ХА2 приведена на рис.8 и взята из [1].

Рисунок.7 Функциональная схема системы АРУ

К_упч/К_{упч макс}

1 К₀

0,8

0,6

К₁

0,4

К₂ u_р1 u_р2 U, мВ

10 100 1000

Рисунок.8 Регулировочная характеристика УПЧ для ИС К174ХА2

Имеющаяся в нашем распоряжении регулировочная характеристика является нелинейной. Наиболее часто при анализе и расчете систем АРУ пользуется ее кусочно-линейной аппроксимацией. В подавляющем большинстве случаев для инженерного расчета оказывается вполне допустима аппроксимация тремя отрезками прямой (рис.8). Основным параметром регулировочной характеристики является ее крутизна S_р. Требования к эффективности системы АРУ определяются заданием коэффициентов:

;.

В процессе работы системы АРУ усиление каскадов приемника, охваченных цепью регулирования, изменяется от максимального значения К_о до некоторого минимального значения К_min, определяемого наибольшим уровнем входного сигнала. Относительное изменение усиления представляет собой глубину регулирования

Она определяется только регулируемыми каскадами. Коэффициенты D и В определяют необходимые требования к глубине регулирования, а тем самым и к виду регулировочной характеристики.

В нашем случае:

, т.к. , то работа системы АРУ будет проходить на «хвосте» регулировочной характеристики с меньшим значением ее крутизны и большим регулирующим напряжением. При таком режиме работы необходимую эффективность системы АРУ можно реализовать с помощью дополнительного усиления в цепи регулирования. Требования к усилению в цепи регулирования, т.е. к произведению коэффициента передачи детектора АРУ К_д и коэффициента усиления усилителя АРУ К_у можно найти: