Радиоприемник автомобильный ГОСТ 17692-89 первой группы сложности

Тип приемника: Радиоприемник автомобильный ГОСТ 17692-89, 1 группа сложности

Диапазон рабочих частот: 3.95 - 8.1 МГц

Вид модуляции: АМ

Чувствительность: 30мкВ

Селективность по соседнему каналу: 60 дБ

Селективность по зеркальному каналу: 30 дБ

Селективность по каналу прямого прохождения: 30 дБ

Отношение сигнал - шум на входе детектора: 12 дБ

Диапазон воспроизводимых частот: 300 - 3000 Гц

Эффективность АРУ ( U_вых/U_вх): 10

Глубина модуляции: 30%

Коэффициент гармоник: 5%

Напряжение источника питания: 14 В

Введение

Автомобильные радиоприемники достаточно сложные устройства, к которым предъявляются повышенные требования по сравнению со стационарными приемниками, в связи с эксплуатацией их в условиях транспортировки в автомобиле, тряски, перепады температур, влажности.

Особенностью радиоприема в автомобиле является существенное изменение условий приема при перемещении автомобиля, обусловленное изменением уровня полезного входного сигнала. Эти особенности требуют использования эффективной системы (АРУ).

К автомобильным приемникам предъявляется ряд специфических требований: элементы управления должны незначительно выступать из панели, в конструкции должны отсутствовать острые углы; попадая в различные климатические условия, приемник должен выдерживать значительные перепады температур, влажности, а также вибрацию и тряску. Воздействие климатических и механических факторов предъявляет высокие требования к механической прочности и электрической надежности автомобильных приемников.

Особенностью автомобильной радиоприемной аппаратуры является также то, что водитель не может постоянно отвлекаться на ее управление. В связи с этим в современной радиоаппаратуре самое широкое применение получают электронное и микропроцессорное управление, цифровая индикация режимов работы и др.

Выбор типа автомобильного приемника, трактор преобразования и усиления промежуточной частоты зависит от технического задания и предъявляемых требований к устройству радиоприемного устройства.

1. Выбор предварительной структурной схемы приемника

Источниками собственных шумов являются в основном активные элементы (транзисторы).

Расчет реального коэффициента шума производиться по формуле:

(5)

- коэффициент шума входной цепи, где - коэффициент передачи по мощности входной цепи, равный при согласовании 0.5, тогда

- коэффициент шума ПРЧ

- коэффициент передачи по мощности УПЧ

рассчитываются исходя из выбранного транзистора.

Транзистор выбираем из условия: , где - частота по крутизне

Таким транзистором является КТ3102ВМ:

- граничная частота коэффициента передачи, МГц;

- емкость коллекторного перехода, =6 пФ;

- постоянная по времени цепи обратной связи, = 100 пс.

- ток коллектора при изменении ,=1 мА;

= 2 - коэффициент, показывающий на технологию изготовления транзистора

- коэффициент передачи тока, = 200..500,

в расчетах используется среднее геометрическое данных значений:

;

Так как транзистор работает в отличном от измерений режиме необходимо пересчитать это значение с учетом режима по формуле:

А - рабочий ток коллектора

ток, при котором проводились измерения

- мощность, рассеиваемая на коллекторе, = 250 мВт.

Далее определим граничную частоту крутизны характеристики в схеме с ОЭ :

(6)

Где: - граничная частота коэффициента передачи, МГц;

- активное сопротивление эмиттерного перехода, вычисляется по формуле:

 Ом

Вычислим активное сопротивление базы по формуле:

Ом

Подставим найденные значения в формулу (6):

Гц

Проверим выполнение условия :

Гц

Зная данную частоту, проверим условия: условия выполняются, следовательно, транзистор выбран правильно.

Теперь необходимо рассчитать коэффициент усиления по мощности по формуле:

(7)

где Y21 - проводимость прямой передачи, рассчитываемая по следующей формуле:

 (8)

Входящие в нее величины следующие:

h21e - коэффициент передачи по току в схеме с ОЭ

h11b- входное сопротивление транзистора, рассчитывается по формуле:

Подставляем полученные значения в формулу (8):

А/В

Y12 - проводимость обратной передачи, рассчитывается по формуле:

(9)

fmax - максимальная частота сигнала, Гц

Сk - емкость коллекторного перехода, Ф

Подставляем известные нам значения в формулу (9):

Подставляем полученные значения по формулам (8) и (9) в формулу (7):

Осталось найти коэффициент шума ПРЧ:

где Nтр - коэффициент шума транзистора, равный для КТ3102ВМ, 10

Получаем следующие соотношения:

Расчетные соотношения подставляем в формулу (5) для коэффициента шума:

Проверяем условие : условие выполняется, можно переходить к расчету цепей радиотракта.

1.Для заданного значения чувствительности приёмника найдем требуемый коэффициент усиления радиотракта по формуле:

(12)

Где:

- амплитуда на входе детектора, = 0.5 В;

- чувствительность приемника, = 30мкВ.

Подставляем значения в (12) и вычисляем:

2. Определим необходимое число каскадов УПЧ

Из эмпирических сведений известно среднее значение коэффициентов усиления узлов радиотракта:

(резисторный каскад);

(одиночный колебательный контур);

(для связных колебательных контура).

Оконечный каскад должен быть резонансного типа с одиночным колебательным контуром:

.

Определим коэффициент, реализуемый в тракте ПЧ, по формуле:

(13)

Вычислим необходимое количество каскадов УПЧ, так как каскады УПЧ построены на ОКК (одиночный колебательный контур), то усиление примем равное 10, тогда: , то есть необходимо применить 2 каскада УПЧ.

3.6 Окончательная структурная схема

4. Расчет отдельных узлов радиотракта

Перестройка контура ВЦ может обеспечиваться с применением варикапов или конденсаторов переменной ёмкости.

Проведем расчет блока конденсаторов переменной емкости:

Вычислим коэффициент перекрытия по диапазону по формуле:

Для проверки дальнейшего условия нам потребуется квадрат коэффициента, вычислим его:

В первом приближении выбираем блок КПЕ - 3 с твердым диэлектриком, вычисляем его коэффициент перекрытия:

Проверяем условие :

, то есть условие выполняется, выбираем блок КПЕ-3 с твердым диэлектриком.

Переходим к дальнейшему расчету коэффициентов включения фидера антенны и входа УРЧ к ВЦ.

Коэффициент включения антенны вычисляем по формуле:

(14)

где

dэ - эквивалентное затухание контура, вычисляется:

- центральная частота диапазона, вычисляется:

рад/с

Ccx - полная емкость схемы для данного диапазона выбирается из таблицы 4.4 и равна: , Ом - волновое сопротивление фидера, выбирается равным сопротивлению антенны.

Подставляем значения в (14):

Таким образом коэффициент включения антенный во входной контур равен:

Рассчитаем коэффициент включения входа УРЧ:

(15)

где

dэ - эквивалентное затухание контура ВЦ

d - собственное затухание контура, выбирается из таблицы 4.5, и данном случае равно:

- входное сопротивление УРЧ, рассчитывается по следующей формуле:

(16),

где g11 - входная проводимость УРЧ

Рассчитаем ее по формуле:

(17)

h21e - коэффициент передачи по току в схеме ОЭ

h11b - величина входного сопротивления транзистора при коротком замыкании на выходе

Коэффициенты вычисляются:

Подставим значения в формулу (17):

См

Теперь подставляем в (16):

Ом

Теперь найденные числовые значения подставим в (15):

Таким образом, коэффициент включения входа УРЧ равен:

Рассчитаем емкость контура по формуле:

(18)

где С_L - паразитная емкость катушки индуктивности, равная 3 пФ

См - емкость монтажа, равная 5 пФ

Свх - входная емкость транзистора, равная для КТ3102ВМ 9пФ

Подставляем в (18):

Ф

По ГОСТ выбираем два параллельно включенных конденсатора емкостью 4.7 пФ.

Вычисляем индуктивность контура:

мкГ

По ГОСТу выбираем L=6.8 мкГ.

Вычислим индуктивность связи:

Гн

По ГОСТу выбираем L=1.3 мкГ.

Для снижения паразитной емкости между и коэффициент связи между ними, обеспечивая согласование, должен быть наименьшим. Вычисляем минимальный коэффициент связи, при котором обеспечивается согласование:

Рассчитаем коэффициент передачи по напряжению ВЦ:

(19)

где Lф -коэффициент передачи фидера, определяемый по рисунку 4.16 по произведению :

- затухание в фидере, дБ/м

- длина фидера, м

Примем м, (для кабеля РК 50-7-58), тогда произведение равно:

(согласно графику)

K0cвычисляем по формуле:

Подставляем расчетные данные в (19):

4.2 Расчет параметров УРЧ

Для облегчения операции регулировки усиления, применяют автоматическую регулировку усиления (АРУ).

Найдем необходимое количество каскадов АРУ:

,

где Dару - эффективность системы АРУ, Крег - коэффициент усиления без регулировки, Крег = 10.

Из расчета видно, что необходим один каскад охваченный АРУ, для большей эффективности регулирования, необходимо подавать сигнал АРУ в каскад с наименьшим током покоя, таковым является УРЧ.

Рассчитаем элементы, обеспечивающие режим УРЧ. При схеме питания от одного источника, которая обеспечивает термостабилизацию режима по постоянному току и параметров транзисторов в пределах = 253 К до = 353 К

Определим изменение обратного тока коллектора, при этом учтем что транзистор кремниевый:

(20)

где Ikb0=15 нА - обратный ток коллектора

T0 = 293К - стандартная комнатная температура

Подставляя в (20), находим:

А

Вычисляем тепловое смещение базы:

В, где

Рассчитываем необходимую нестабильность коллекторного тока:

А

Вычисляем сопротивления резисторов:

(21)

Подставляем рассчитанные соотношения в (21):

Ом

Выбираем по ГОСТу Rэ=13 кОм

(22)

где Eп - напряжение питания, равное для автомобильных приемников 14В

Uкэ - напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке, принимаем равным 5 В

Подставляем значения в (22):

Ом

Выбираем в соответствии с ГОСТом Rф=4.3 кОм.

Подставляем числовые значения:

Ом

По ГОСТу Rд2=75 кОм.

Ом

По ГОСТу Rд1=68 кОм.

Подсчитываем емкости конденсаторов:

Ф

Выбираем значение емкости согласно ГОСТ Сб=Сэ=1нФ.

Ф

Из стандартного ряда E24 выбираем значение Cф=330пФ.

Произведем расчет резонансного коэффициента усиления УРЧ по формуле:

(23)

где m и n - коэффициенты включения транзистора и следующего каскада в контур УРЧ соответственно, вычисляются по формулам:

и

где dэ - эквивалентное затухание контура

dk - затухание контура вне схемы

- характеристическое сопротивление контура, вычисляется по формуле:

Ом

- выходное сопротивление транзистора, вычисляемое по формуле:

(24)

где g22 - выходная проводимость транзистора

Определим g22 по формуле:

См

Подставим найденное значение в (24): Ом

Определим, вычисляемое по формуле:

(25)

где g11_ПРЧ - входная проводимость каскада ПРЧ

Для g11_ПРЧ существует формула: , где присутствует известное нам значение входной проводимости g11, так как используемые нами транзисторы КТ3102ВМ, то: Cм

Находим Cм

Подставляем в (25): Ом

Теперь нам известны все необходимые данные для расчета коэффициентов включения: , так 2.587>1, следовательно примем m=1, коэффициент включения транзистора УРЧ в контур - коэффициент включение входа ПРЧ в контур

Перейдем к расчету крутизны транзистора:

,

статическое значение крутизны

Подставим вычисленные выше данные: А/В

Необходимо пересчитать значение в соответствие с рабочей частотой:

А/В

Рассчитаем сопротивление контура:

(26)

где Goэ определяется следующим образом:

См

Тогда подставляем в (26):

Ом

Подставим все искомые данные в (23):

Вычислим по формуле:

Не выполняется условие , необходимо уменьшить коэффициенты включения:

Примем

Тогда изменяться эквивалентные параметры:

Ом

А коэффициенты усиления примут следующие значения:

Теперь необходимое условие выполнятся .

4.3 Расчет параметров ПРЧ

Для каскада УПЧ выбираем тот же транзистор КТ3102ВМ, который имеет следующие параметры при работе в каскадах УПЧ:

- граничная частота коэффициента передачи, МГц;

- емкость коллекторного перехода, =6 пФ;

- постоянная по времени цепи обратной связи, = 100 пс.

- ток коллектора при изменении ,=1 мА;

= 2 - коэффициент, показывающий на технологию изготовления транзистора

- коэффициент передачи тока, = 200..500, в расчетах используется среднее геометрическое данных значений:

;

Так как транзистор работает в отличном от измерений режиме необходимо пересчитать это значение с учетом режима по формуле:

А - рабочий ток коллектора

ток, при котором проводились измерения

- мощность, рассеиваемая на коллекторе, = 250 мВт.

Далее определим граничную частоту крутизны характеристики в схеме с ОЭ :

(31)

Где:

- граничная частота коэффициента передачи, МГц;

- активное сопротивление эмиттерного перехода, вычисляется по формуле:

Ом

Вычислим активное сопротивление базы по формуле:

Ом

Подставим найденные значения в формулу (31):

Гц

Проверим выполнение условия :

Гц

Зная данную частоту, проверим условия: условия выполняются, следовательно, транзистор выбран правильно.

Определим - входное сопротивление транзистора при короткозамкнутом выходе, рассчитываемое по формуле:

Ом

Рассчитаем необходимые нам Y - параметры:

S - крутизна транзистора, рассчитывается по следующей формуле:

А/В

Пересчитаем крутизну с учетом рабочей частоты:

А/В

Далее вычислим входную и выходную активные проводимости по следующим формулам:

См

- входная проводимость транзистора.

 См

- выходная проводимость транзистора.

Рассчитаем входное сопротивление по формуле:

(32)

Подставляем рассчитанную проводимость в (32):

Ом

- входное сопротивление каскада УПЧ

Выходное сопротивление рассчитываем по формуле:

(33)

Подставляем в (33) рассчитанную проводимость g22:

Ом - выходное сопротивление каскада УПЧ

Нагрузкой каскада УПЧ служит тот же контур, что и в преобразователе частоты, так как требуемая селективность в нашей схеме достигается с помощью электромеханического фильтра.

Контур обладает следующими параметрами:

Индуктивность контура:

мкГн

По ГОСТ выбираем L=1.1мГн

Емкость конденсатора контура определим по формуле:

(34)

где С22 - выходная емкость, определяемая по формуле:

Ф

Подставляем ее в (34):

Ф

По ГОСТ выбираем Скон=75пФ.

Гц

Затухание контура:

Ом -

характеристическое сопротивление контура.

- затухание ненагруженного контура

Далее вычисляем коэффициенты включения:

Так полученный коэффициент включения больше 1, следовательно, принимаем .

Коэффициент включения входа следующего УПЧ:

Вычислим эквивалентное сопротивление нагруженного контура, определяемое по формуле:

(35)

где

Подставляем числовые значения:

См

Тогда эквивалентное сопротивление:

Ом

Вычисляем коэффициент усиления каскада УПЧ:

Вычислим максимальный коэффициент устойчивого усиления:

Можно видеть, что условие , следовательно, необходимо изменить коэффициенты включения. При значениях получаем следующий коэффициент усиления: , что удовлетворяет вышеописанному условию.

Нами было рассчитано, что требуется два каскада промежуточной частоты, так они предполагаются идентичными, то расчет УПЧ2 не требуется.

4.5 Проверка обеспечения требуемого усиления сигнала

По итогам расчетов получим реальные значения коэффициентов усиления:

1. Коэффициент передачи входной цепи ;

2. Коэффициент передачи усилителя радиочастоты;

3. Коэффициент передачи преобразователя радиочастоты ;

4. Коэффициент передачи преобразователя радиочастоты .

Найдем общий коэффициент усиления приемника:

с двумя УПЧ.

с одним УПЧ.

Так как коэффициент усиления радиотракта с одним УПЧ больше требуемого, то есть выполняется условие , то можно отказаться от второго каскада УПЧ.

Список литературы

1. А.П. Сиверс - Проектирование радиоприемных устройств - М.: Советское радио, 1976.

2. Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов - Полупроводниковые приемо - усилительные устройства - Киев, 1987.

3. К.М. Брежнева, Б.Л. Перельман - Транзисторы для аппаратуры широкого применения - М.: Радио и связь, 1981.

4. Радиоприёмные устройства: Учебник для вузов/ Н.Н. Фомин, Н.Н. Буга, О.В. Головин и др.; Под редакцией Н.Н. Фомина.-3-е издание,стереотип.-М.: Горячая линия-Телеком, 2007.

Размещено на Allbest.ru