2.2 Расчет двухконтурной входной цепи с настроенной антенной

В профессиональных и трансляционных приемниках часто используются настроенные антенны. Они должны быть согласованы с фидером, а фидер со входом приемника. Следовательно, связь первого контура с антенно-фидерной цепью рассчитывается из условия согласования. Связь между контурами необходимо выбирать так, чтобы обеспечить постоянство полосы пропускания в заданном диапазоне частот. Это достигается применением комбинированной связи трансформаторной и внутреемкостной. Принципиальная схема входной цепи изображена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Схема двухконтурной входной цепи с двойной емкостной связью

Определяем коэффициент трансформации между антенно-фидерной цепью и контуром из условия согласования на частотах диапазона:

где R_A - волновое сопротивление антенного фидера;

Rэ = сQ_Э

Rэ - эквивалентное резонансное сопротивление контура. Здесь

с = w L_К

Определяем индуктивность катушки связи с антенной (5.26[2]):

Рассчитывается коэффициент трансформации между вторым контуром и АЭ на верхней частоте диапазона (4.1[2]).

Конструктивная добротность контуров при малом входном сопротивлении АЭ берется реализуемая, но не менее, чем

Qк=(2,1...2,3)Qэ.

При трансформаторной связи контура ВЦ с АЭ (рисунок 4) определяется величина индуктивности катушки связи.

где kсв=(0,2…0,3) - для однослойных катушек.

Рассчитываем связь между контурами полосового фильтра.

На средней частоте рассчитываемого диапазона f_СР параметр связи между контурами в_СР принимается равным единице.

Рассчитываем величину сопротивления связи между контурами на средней частоте диапазона (5.1[2]).

Рассчитываем величину емкости конденсатора связи (5.4[2]):

Округляем значение С_С2 до ближайшего большего номинального значения. Номинальное значение выбирается из ряда Е 12 выпускаемых промышленностью конденсаторов (табл.1.7[1]).

Определяем емкость конденсатора связи (5.5[2]):

Округляем значение СС 1 до ближайшего большего номинального значения. Номинальное значение выбирается из ряда Е 12 выпускаемых промышленностью конденсаторов (табл.1.7[1]).

При трансформаторном согласовании антенно-фидерной цепи со входом приемника (5.27[2]):

Определяются эквивалентные затухания и добротности контуров на нижнем и верхнем конце диапазона (5.13[2]):

Определяем эквивалентную добротность полосового фильтра на нижнем и верхнем конце диапазона (5.13[2]):

Рассчитывается величина сопротивления связи на нижнем и верхнем конце диапазона (5.14[2]):

Определяем параметры связи между контурами фильтра на нижнем и верхнем конце диапазона (5.16,5.17[2]):

Неравномерность на краю полосы пропускания по отношению к максимальным точкам резонансной кривой (5.18[2]):

где о_Н - обобщенная (нормированная) расстройка на краю полосы пропускания; о_max - нормированная расстройка максимальных точек резонансной кривой.

Рассчитываем избирательность по зеркальному каналу

о_ЗК=y_ЗКQ_ЭВ

Рассчитываем коэффициент передачи ВЦ на нижней и верхней частоте диапазона (5.30[2]):

После выполнения расчета входной цепи следует определить напряжение на ее выходе.

где EА - заданная чувствительность приемника.

2.3 Расчет УРЧ

Т.к. интегральный УРЧ не позволяет подключение дополнительного контура преселектора для обеспечения заданной избирательности по зеркальному каналу, то требуемые характеристики можно попытаться реализовать введением резонансного УРЧ на полевом транзисторе со следующими характеристиками:

Выбираем полевой транзистор типа КП 303Б с характеристиками:

Рисунок 5 - Схема резонансного УРЧ

Для современных транзисторов условие устойчивости является самым жестким, поэтому можно ограничиться расчетом m2 только из условия устойчивого усиления (3.1[5])

Здесь А=1; n=0,224; RЭВ = 4639

На верхней частоте диапазон рассчитываем коэффициент подключения контура УРЧ ко входу следующего каскада (3.2[5]).

Определяем параметры элементов связи контура с транзистором и следующим каскадом. При трансформаторной связи с транзистором (3.5[5]):

k_СВ = 0,2…0,3 - коэффициент связи для однослойных катушек;

Проверяется условие

где C = C_ВХ2+С_М+С_L= 40+10+3 = 63 пФ

Здесь C_ВХ2 = 40 пФ - входная емкость последующего каскада (нагрузки);

С_М - емкость монтажа (5…10) пФ;

С_L - емкость катушки связи (2…3) пФ

Определяем эквивалентное затухание в диапазоне частот (3.7[5]):

Определяем неравномерность в полосе пропускания УРЧ на нижней частоте диапазона (3.8[5]):

Неравномерность в полосе пропускания преселектора (3.9[5]):

Проверяется избирательность УРЧ по зеркальному каналу (3.10[5]):

Избирательность по зеркальному каналу преселектора (3.11[5]):

Рассчитываем резонансный коэффициент усиления УРЧ на нижней и верхней частоте диапазона (3.12[5]):

Определяем неравномерность усиления по диапазону преселектора. Для этого находится коэффициент передачи преселектора на нижней и верхней частоте диапазона (3.13[5]):

и берется отношение большей величины к меньшей (3.14[5]):

После выполнения расчета преселектора, следует определить напряжение на ее выходе.

где EА - заданная чувствительность приемника.

Рассчитаем элементы автоматического смещения для каскада на полевом транзисторе

Определяем значения тока стока в точке покоя

где I_CO - ток стока при U_ЗИ = 0; U_ОТС - напряжение отсечки;

U_ЗИ - напряжение затвор-исток.

Рассчитаем резистор Rи

R_И = U_ЗИО / I_С = 0,5 / 0,0015 = 320 Ом

Определяем блокирующий конденсатор цепи истока

Определяем сопротивления фильтра

Определяем значения конденсаторов С_Ф и С_Р

2.5 Расчет радиотракта и смесителя, выполненных на ИМС

Первым каскадом ИМС является апериодический УРЧ, с выхода которого сигнал подается на вход преобразователя частоты. С выхода преобразователя сигнал подается на вход фильтра сосредоточенной избирательности (ПКФ) через широкополосный контур (ШПК), выполняющий две основные функции:

- согласование входного сопротивления ПКФ с выходным сопротивлением смесителя;

- увеличение избирательности приемника по соседнему каналу.

Описание работы ИМС К 157ХА 1

ИМС К 157ХА 1 представляют собой усилители высокой частоты с преобразователем и содержат дифференциальный усилитель на транзисторах VT2…VT6 без коллекторных нагрузок и отдельный транзистор VT1.

Каскад на транзисторе VT1 обычно играет роль апериодического усилителя ВЧ с отрицательной обратной связью по напряжению, регулируемой внешним резистором, который подключают к выводам 1, 14. На транзисторах VT3, VT4, VT6 собирают гетеродин.

Транзистор VT3 служит для автоматической регулировки амплитуды колебаний гетеродина. Смеситель выполнен на транзисторах VT2 и VT5. Преобразованный сигнал снимается с выводов 10 и 12, напряжение внешней АРУ подается на вывод 13.

Рис.6. Принципиальна схема микросхемы К 157ХА 1(а) и типовая схема включения (б).

При разработке блока усилителя высокой частоты и преобразователя с использованием ИМС К 157ХА 1 необходимо учитывать следующее. УРЧ выполнен с нерезонансной нагрузкой. Рекомендуемое значение внутреннего сопротивления источника сигнала должно составлять 0,5..1 кОм. ВЧ сигнал через конденсатор С 1 подают на вывод 1 ИМС. Усиленный УРЧ сигнал поступает на смеситель. Гетеродин выполнен по схеме с отрицательным сопротивлением и стабилизацией амплитуды на транзисторах ИМС и внешнем контуре L3C9. Эквивалентное сопротивление частотозадающего контура L3C9, приведенное к выводам 5, 8 ИМС, рекомендуется выбирать в пределах 4..10 кОм. При уменьшении эквивалентного сопротивления ухудшаются условия возбуждения, при увеличении - снижается стабильность частоты.

Цепь R3, C8 устанавливается при появлении паразитных колебаний.

На элементах L1 и С 2 выполнен режекторный фильтр для подавления промежуточной частоты, для чего его сопротивление на ПЧ должно быть значительно меньше сопротивления нагрузки УВЧ. В то же время на рабочих частотах этот контур не должен шунтировать нагрузку УВЧ.

Смеситель выполнен по балансной схеме. Эквивалентное сопротивление контура смесителя (между выводами 10, 12) с учетом подключаемой нагрузки желательно выбирать примерно 10 кОм. Чтобы на его выход не проникало напряжение гетеродина, необходимо обе половины трансформатора Т 1 изготовить симметричными по отношению к среднему отводу.

Усиленный в УРЧ сигнал подается на смеситель, в выходную цепь которого через согласующий контур включен фильтр сосредоточенной селекции.

Схема смесителя ИМС К 157ХА 1 с пьезокерамическим фильтром представлена на рис.7

Рис.7. Схема смесителя с пьезокерамическим фильтром

Вносимое затухание в полосе пропускания ПКФ не более 9,5 дБ.

Входное и выходное сопротивление для ПКФ с fпр= 465 кГц равно 2 кОм.

Контур LкС 1 на рис. 7 имеет полосу пропускания в несколько раз больше полосы пропускания ПКФ и выполняет две функции: обеспечивает согласование выходного сопротивления смесителя с сопротивлением ПКФ и увеличивает избирательность приемника при больших расстройках.

Согласование фильтра по выходу обычно обеспечивается включением резистора R1, если входное сопротивление следующего каскада больше выходного сопротивления фильтра. Входное сопротивление ИМС К 157ХА 2 равно (0,43…1) кОм, R1 не устанавливаем.

Определяется полоса пропускания широкополосного контура (ШПК) в выходной цепи усилительного элемента (2.36[4])

Выбираем емкость конденсатора контура. Для вещательных приемников при fпр =465 кГц можно рекомендовать C1 =(500ч1500) пФ, выбираем С 1 = 1000 пФ. Величина емкости контура (2.39[4])

где С? = m₂ С₂₂ - выходная емкость усилительного элемента, пересчитанная к контуру, можно задаться С'=(3ч7)пФ;

С_m - емкость монтажа, примерно 5ч10 пФ;

С_L - собственная конструктивная емкость, примерно (5ч10) пФ.

Определяем параметры контура:

Эквивалентная проводимость контура (2.37[4])

Индуктивность контура (2.38[4])

Собственная (конструктивная) проводимость ШПК (2.40[4])

где Qк можно выбрать 80ч100.

Определяем коэффициенты подключения ШПК к выходной цепи смесителя (m) и ко входу ПКФ (n) из условий согласования выходного сопротивления смесителя со входным сопротивлением ПКФ и обеспечения нужной ширины полосы пропускания широкополосного контура (2.41[4])

здесь G_ВХ.Ф- входная проводимость ПКФ,

G_ВХ.Ф =1/R _ВХ.Ф =1/2000=5?10^-4 См.

Если значение m получается больше 1, то выполняется полное включение контура, а нужная полоса обеспечивается шунтирующим резистором RШ.

В нашем случае m<1, полоса контура и так достаточно широка, в RШ нет необходимости.

Коэффициент включения одного плеча смесителя m1 определяется

m1 = m/2 = 0,5.

Рассчитываем индуктивность связи (2.44[4]):

где коэффициент связи принимается для расположенных рядом однослойных катушек 0.2ч0.3.

Определяем крутизну преобразования (2.47[4]):

|Y21пр|= КМС / (КУРЧ ·RН)

где Rн - сопротивление нагрузки, при котором измерено значение Кмс. Для ИМС КМС =150ч350 при RН = 10 кОм. При использовании апериодической нагрузки, имеющейся в микросхеме, КУРЧ = 5.

Определяем коэффициент усиления высокочастотной части микросхемы, нагруженной на ПКФ (2.48[4]):

где КФ - коэффициент передачи ПКФ, определяется как величина обратная затуханию в полосе пропускания

ПКФ К_Ф = 1/b = 1/2,98 = 0,33

(коэффициент затухания в полосе пропускания b = 9,5 дБ = 2,98 раз.).

2.5 Расчет амплитудного детектора

К выходу УПЧ подключается амплитудный детектор. Включение осуществляется через согласующий ШПК.

Данный ШПК аналогичен контуру, включаемому между выходом смесителя и ПКФ, однако его принципиальным отличием является значительно меньшая добротность, поскольку данный контур выполняет лишь функцию согласования. Расчет данного контура аналогичен расчет ШПК в предыдущем пункте.

Сначала определяем полосу пропускания контура из соотношения:

Выбираем емкость конденсатора контура из номинального ряда:

Далее определяем параметры контура. Величина емкости контура:

Эквивалентная проводимость контура:

Индуктивность контура:

Собственная (конструктивная) проводимость ШПК (выбираем значение):

Определяем коэффициенты подключения ШПК к входу детектора (n) и выходу УПЧ (m) из условия получения максимального усиления и обеспечения нужной ширины полосы пропускания ШПК:

Рассчитываем индуктивность катушки связи (при КСВ = 0.25):

Теперь рассчитаем параметры АМ-детектора. Схема амплитудного детектора, подключенного через ШПК к выходу УПЧ, изображена на рисунке 3.4.1.

Рисунок 2.4 - Амплитудный детектор

Выбираем высокочастотный диод КД-901с крутизной S = 3ма/В и обратным сопротивлением Rобр = 10 МОм. Определяем сопротивление нагрузки из условия отсутствия нелинейных искажений вследствие различий сопротивления нагрузки по постоянному и переменному току:

Из данной формулы при M = 0.8 и (входное сопротивление ИМС К 174УН 4) получаем расчетные выражения:

Выбираем ближайшие значения из номинального ряда:

Тогда сопротивление нагрузи:

Находим значение емкости СН из условия отсутствия нелинейных искажений вследствие инерционности нагрузки:

Разбиваем данную емкость на две номиналом по 3.9 нФ.

Определяем значение разделительной емкости исходя из величины частотных искажений на нижних частотах модуляции. В первом приближении:

Выбираем из номинального ряда значение 2 мкФ

Входное сопротивление детектора находим по формуле:

Находим угол отсечки детектора и коэффициент передачи:

Определим напряжение на выходе детектора при M = 0.3;:

2.6 Расчет цепи автоматической регулировки усиления АРУ

Для этого расчета АРУ в задании на КП приведены следующие исходные данные:

1. Чувствительность приемника Е_А = 50,3 мкВ.

2. Возможный диапазон изменения входного сигнала U_ВХ = дБ.

3. Допустимый диапазон изменения выходного сигнала U_ВЫХ = дБ.

В соответствии с исходными данными не достаточно для проектируемого приемника внутренней схемы АРУ используемых ИМС. Т.к. требования по характеристикам АРУ не выполняются, то необходимо использовать дополнительные цепи регулировки усиления. Для этой цели наиболее удобным является использование дополнительной цепи АРУ с помощью режимного метода изменения коэффициента усиления, делителя включенного на входе резонансного УРЧ и обеспечивающий недостающий диапазон регулировки (рис.12).

Рис.12. Дополнительная цепь АРУ включенная на вход резонансного УРЧ.

Рис.13. Зависимость крутизны от напряжения затвор-исток.

Крутизна транзистора S = ?I_C/?U_З зависит от напряжения смещения UЗО. Подавая напряжение UP на затвор, можно изменить U^ЗО, и крутизну транзистора S, а значит и коэффициент усиления. При увеличении (по абсолютному значению) UP, рабочая точка сдвигается влево, крутизна падает, усиление уменьшается (рис.13а). Применение автоматического смещения за счет цепочки R_ИСИ уменьшает глубину регулирования, т.к. цепь R_ИСИ противодействует изменению режима. Поэтому в регулируемом усилителе цепь R_ИСИ не ставим, а исходную рабочую точку зададим, применяя делитель R_З1R_З2 в цепи затвора.

Зададим диапазон изменения U_ЗИО = 6 дБ (2 раза).

При расчёте преселектора, было установлено, что в резонансном УРЧ должно быть усиление 2,4 дБ. В УРЧ коэффициент усиления должен регулироваться от 2,4 дБ до 8,4 дБ. Заданное усиление в УРЧ обеспечим с помощью резистивного делителя: напряжение UЗИО при котором обеспечивается усиление 2,4 дБ, составляет = 0,5 В. С помощью делителя надо получить это напряжение из напряжения питания 6,3 В, то есть коэффициент передачи делителя должен быть равен 0,5/6,3 = 0,08.

Пусть R_З1=12 кОм, тогда

Коэффициент усиления транзистора К_U = S_Ri прямо пропорционален крутизне S. Найдем изменение S при смещении рабочей точки U_ЗИО на 6 дБ.

где I_CO - ток стока при U_ЗИ = 0;

U_ОТС - напряжение отсечки; U_ЗИ - напряжение затвор-исток.

Найдем диапазон выходного напряжения резонансного УРЧ:

Для расчета элементов АРУ необходимо задаться значением постоянной времени фильтра АРУ. Для радиовещательных приемников АМ сигналов принимается

Примем СФ = 10 мкФ, тогда

2.7 Расчет сопряжения контуров преселектора и гетеродина

Параметры элементов колебательного контура гетеродина при известных параметрах контура преселектора выбирают из соображений обеспечения сопряжения настроек гетеродина и преселектора с допустимой погрешностью.

Контур гетеродина перестраивается в диапазоне частот от

Контур гетеродина имеет коэффициент перекрытия по частоте

,

Коэффициент перекрытия по частоте контура преселектора

Отличие коэффициентов вызывает погрешность сопряжения при одноручечной настройке. Значительная погрешность сопряжения приводит к различию частот настройки преселектора и приемника в целом, в результате чего ухудшается чувствительность и избирательность приемника.

Число точек точного сопряжения определяется значением коэффициента перекрытия по частоте рассчитываемого диапазона KД, при 1.1<KД <1.7 необходимы две точки.

Для расчета контура гетеродина определяется число частот точного сопряжения. Допустимая относительная неточность сопряжения (2.31[1]):

Максимальная погрешность сопряжения при двух частотах точного сопряжения (2.35[1]):

Необходимое число частот точного сопряжения определяется из условия (2.33[1]):

Т.к. условие выполняется, то точное сопряжение осуществляется на двух частотах.

При необходимости обеспечить точное сопряжение на двух частотах диапазона, они определяются выражениями (2.37 ч 2.38[1]):

Для точного сопряжения контуров гетеродина и преселектора на двух частотах схема контура гетеродина должна иметь вид, приведена на рис. 14.

Рис. 14. Контур гетеродина.

Точное сопряжение контуров гетеродина и преселектора на двух частотах f_1c и f_2с, то на частоте f_1с точное сопряжение обеспечивается расчетом емкости конденсатора сопряжения, включенного параллельно конденсатору настройки, а на частоте f_2с - расчетом индуктивности контура гетеродина.

Для этого по формуле (2.42[1]) определяются эквивалентные емкости контура преселектора С_{пр 1с} и С_{пр 2с} на частотах точного сопряжения f_1c и f_2с:

где L_{К ПРЕС} - индуктивность контура преселектора.

Затем определяем емкость конденсатора настройки С_н1 и С_н2 на частотах f_1c и f_2с. Для контура преселектора без растянутой настройки емкость конденсатора настройки определяется по формуле (2.51[1]):

где С_Э - эквивалентная емкость контура ВЦ.

Составляем систему двух уравнений:

где С_Г1С, С_Г2С- эквивалентные емкости контура гетеродина на частотах точного сопряжения f1С и f2С (2.55 [1]):

Решаем систему уравнений

Подставляя в формулу значения емкости конденсатора настройки для двух частот точного сопряжения, решаем систему уравнений:

Емкость конденсатора контура гетеродина:

где Су - уравнительная емкость контура преселектора.

3. Расчет полученных результирующих характеристик приемника

3.1 Расчет чувствительности приемника

При расчете приемника на входах всех ИМС обеспечены необходимые уровни входных сигналов, поэтому определяем чувствительность следующим образом.

Коэффициенты передачи тракта приемника до первой микросхемы на крайних частотах заданного поддиапазона определяются коэффициентом передачи ВЦ:

(5.1)

(5.2)

На тех же частотах определяется чувствительность приемника по формулам:

(5.3)

(5.4)

Чувствительность приемника по КП: ЕА = 32,6 мкВ;

Неравномерность усиления в поддиапазоне определяется по формуле:

(5.5)

(5.6)

Неравномерность усиления в пределах полосы по КП: Н = 7,1 дБ.

Полученные значения меньше указанных в задании.

3.2 Расчет избирательных свойств приемник

1. Расчет АЧХ звеньев радиоприемника

· На нижнем конце заданного поддиапазона строятся АЧХ преселектора, тракта ПЧ и результирующая АЧХ всего приемника (до детектора):

у(дБ) = у_прес(дБ) + у_пч(дБ).

Для преселектора, имеющего двухконтурный полосовой фильтр, упрес определяется как:

о = y ? Qэн,

Y = 2?f/fmin,

?f = 0,2,3, … 15 кГц,

вн - параметр связи между контурами на fmin;

Qэн - эквивалентная добротность на fmin, полученная в электрическом расчете.

Расчет АЧХ преселектора произведен табличным способом по исходным данным для всех указанных Дf, результаты сведены в таблицу 5.1.

· Расчет АЧХ тракта ПЧ рассчитывается следующим образом:

у_пч(дБ) = у_фси(дБ) + у_шпк(дБ).

Частотная характеристика широкополосного контура определяется как

где Qэ = 36 - эквивалентная добротность широкополосных контуров;

N = 1 - число широкополосных контуров.

Расчет АЧХ тракта ПЧ произведен табличным способом по исходным данным для всех указанных Дf, результаты сведены в таблицу 5.1.

· Расчет АЧХ ПКФ

Частотную характеристику ФСИ, если это ПКФ, можно выполнить её ориентировочный расчет. Для выбранного фильтра известны значения у для 2-х расстроек:

у1 = 2 дБ для ?f1 = 0,5Ппкф = 0,5•7,4 = 3,7 кГц,

у2 = 6 дБ для ?f2 = 9 кГц.

Определяют коэффициенты N и A:

Значения y₁, y₂, lgy₁ и lgy₂ рассчитывать до 6 знака после запятой, коэффициент N округлять до целого значения.

Аппроксимированная частотная характеристика ПКФ на участке от ?f = 0,5Ппкф и далее для больших частотных расстроек может быть рассчитана по выражению

Для частотных расстроек меньших половины полосы пропускания АЧХ может быть аппроксимирована плавной кривой до 0 на центральной частоте.

Расчет АЧХ ПКФ произведен табличным способом по исходным данным для всех указанных Дf, результаты сведены в таблицу 5.1.

АЧХ тракта ПЧ определяется как:

Результирующая АЧХ всего приемника:

Таблица 5.1 - Результаты расчета АЧХ приемника

Рис. 15. АЧХ преселектора, тракта ПЧ и результирующая АЧХ всего приемника (до детектора).

2. Избирательность по соседнему каналу определяется на максимальной частоте поддиапазона (fmax):

Se_{ск пч} (дБ) может быть определена по результатам предыдущего расчета как упч для ?f = 9 кГц, Seск пч не зависит от частоты настройки приемника.

Seск прес рассчитывается по формуле (3.3[6]) для ?f = 9 кГц и

y = 2?f / f_max.

3. На максимальной частоте поддиапазона определяется избирательность по зеркальному каналу (в преселекторе) по формуле (3.3[6]). Значение y следует определять по формуле

4. Принципиальная схема радиоприемного устройства

Принципиальная схема радиоприемника приведена на рисунке 4.1.

5. Спецификация элементов принципиальной схемы приемника

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта была спроектирована и рассчитаны основные характеристики трансляционного радиоприемного устройства ДВ, СВ и КВ диапазона.

После выполнения предварительного расчета и построения структурной схемы, был выполнен электрический расчет принципиальной схемы, определены все активные и пассивные элементы, а также их номиналы.

В результате проведенного принципиального расчета данного приемника были получены такие характеристики приемника, как: