Радиовещательный приёмник

Из рис. 1.7б [1] находим, что такой расстройке соответствует ослабление преселектора . Рассчитаем ослабление Sпп, 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 (ZА=RА). 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 Ссх=95 пФ.

Находим индуктивность контура

.

Теперь вычисляем коэффициенты включения фидера mА и входа УРЧ mвх для согласования при заданном dэр контура входной цепи:

Для нашего случая , где:

Wф - волновое сопротивление фидера

Rвх - входное сопротивление УРЧ (1го каскада).

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

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

Рассчитываем коэффициент передачи напряжения входной цепи: , где:

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

Кос - 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 Еа, то коэффициент усиления линейного тракта приемника Кол должен быть равен:

, где:

uп - амплитуда сигнала на выходе УПЧ приемника.

Учитывая это используем микросхему К174ХА2, примем uп = 100 мВ

.

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

, где:

Ковц - коэффициент передачи входной цепи

Курч - коэффициент усиления УРЧ.

В супергетеродинном приемнике основное усиление сигнала производится на промежуточной частоте, поэтому выберем К0урч = 35 dB, т.е. Курч = 10.

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

Кз = 2…3 - коэффициент запаса усиления, учитывающий старение электронных приборов, расстройку контуров и уменьшения напряжений питания в процессе эксплуатации. Выберем Кз = 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 РПрУ 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 КУРЧ = 20 dВ, необходимо подать на вывод 3 используемой микросхемы управляющее напряжение U3 = 0,31 В.

Кус [dB]

50

40

30

20

10

Uз, В

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Рисуеок.4 Регулировочная характеристика усилителя радиочастоты.

Выбор фильтра сосредоточенной селекции

Параметры фильтра:

затухание на частоте

номинальное значение характеристических сопротивлений: выходного Wб = 1 кОм

входного Wк = 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 Кд>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 (Lк Ск).

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 Ср, 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 Ri = 10 Ом, большим обратным сопротивлением Rобр = 0,4·106 Ом и сравнительно небольшой емкостью СD = 1·10-12 Ф. Примем коэффициент частотных искажений МВ = МН = 1,06.

Требуемое входное сопротивление детектора:

, где:

dэ - затухание последнего контура УПЧ с учетом Rвх д;

d - затухание того же контура без учета действия детектора:

.

В узкополосных УПЧ можно принять

.

Сопротивление нагрузки последовательного детектора:

,

т.к. Rн>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 МВ.

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

, где:

RБ max - максимально допустимое сопротивление в цепи базы следующего транзистора.

Емкости конденсаторов:

, где:

См2 = 15…20 пФ - емкость монтажа входной цепи УНЧ

Коэффициент фильтрации напряжения промежуточной частоты для последовательного детектора:

При рассчитанном КФ обеспечится заданное в ТЗ ослабление на промежуточной частоте Sпч = 32 dВ.

Из соотношения по рис.9.2 [1] находим Кд = 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 Uр. Регулировочная характеристика УПЧ, реализованного в микросхеме К174ХА2 приведена на рис.8 и взята из [1].

Рисунок.7 Функциональная схема системы АРУ

Купч/Купч макс

1 К0

0,8

0,6

К1

0,4

К2 uр1 uр2 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 Sр. Требования к эффективности системы АРУ определяются заданием коэффициентов:

;.

В процессе работы системы АРУ усиление каскадов приемника, охваченных цепью регулирования, изменяется от максимального значения Ко до некоторого минимального значения Кmin, 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 Кд и коэффициента усиления усилителя АРУ Ку можно найти:

, где:

В = 1,995 - из ТЗ

Um вых min - напряжение на выходе последнего каскада, охваченного цепью регулирования, при входном сигнале приемника, соответствующем его чувствительности. Из [5] находим, что Um вых min ? 63 мВ.

Такое усиление (Ку) должен обеспечить усилитель АРУ, реализованный в микросхеме К174ХА2. Очевидно, что такое усиление достижимо, т.е. обеспечена заданная глубина регулировки.

В используемой микросхеме охвачены регулировкой n=3 каскада УПЧ.

Динамические свойства системы АРУ с ОС определяются, с одной стороны, постоянными времени фильтров и других инерционных элементов цепи регулирования, а с другой некоторым обобщенным параметром системы М = КдКуSрumвх. Максимальное быстродействие системы АРУ будет иметь место при наибольшем значении указанного параметра, которое приближенно для n ? 6 можно считать равным:

Т.к. нам не заданы требования к длительности переходного процесса tАРУ, а имеются требования к уровню нелинейных искажений в виде коэффициента гармоник Кг=0,12, то при выборе постоянной времени фильтра АРУ будем исходить из обеспечения Кг. В приемниках АМ сигналов АРУ является причиной связи (ОС) по огибающей входного сигнала, особенно на ее НЧ составляющих и их гармониках. Такая ОС вызывает изменение коэффициента модуляции принимаемого сигнала, вносит дополнительные фазовые и нелинейные искажения. Степень этих искажений зависит от постоянной времени фильтра и Мmax. Поэтому для АРУ 1го порядка постоянную времени выбирают по формуле:

;

Пусть СФ = 5•10-6 Ф, тогда .

ВЫБОР СХЕМЫ УНЧ

Для обеспечения малых массогабаритных показателей приемника, повышения его надежности, обеспечения требуемых в ТЗ параметров и получения дополнительных возможностей в регулировках используем в качестве УНЧ микросхему К174УН7. Это распространенная ИС, ее применение обосновано как технически, так и экономически.

Данный усилитель состоит из трех каскадов. Входным каскадом усилителя является составной эмиттерный повторитель (VT1 и VT2). Входное сопротивление этого каскада более 50 кОм. В коллектор транзистора VT2 включена динамическая нагрузка, построенная на транзисторе VT3. Этот транзистор является генератором постоянного тока. Стабилизация тока обеспечивается транзисторами VT4 и VT5. Входной каскад дает большое усиление. Сигнал с коллектора транзистора VT2 проходит через составной эмиттерный повторитель VT6, VT7, VT8, VT10. Далее сигнал поступает на оконечный двухтактный каскад, транзисторы VT14, VT16 которого образуют одно плечо, а транзисторы VT15 и VT17 - другое. Этот каскад обеспечивает выходной ток усилителя. Для стабилизации рабочей точки служит составной каскад на VT11 и VT12.

Основные параметры усилителя: напряжение питания 15В; ток потребления без входного сигнала 20 мА; коэффициент гармоник для выходной мощности 4,5 Вт; выходная мощность 4,5 Вт; полоса частот 40 - 20000 Гц; входное сопротивление 50 кОм; коэффициент усиления 40 dВ.

Практически схема усилителя приведена на рис.9.

Выходная мощность усилителя на нагрузке 8 Ом составляет 1,5 Вт; коэффициент гармоник не более 1%; диапазон частот от 50 до 12000 Гц; чувствительность усилителя 20 мВ. Тембр регулируется потенциометром R4: при уменьшении R4 снижается уровень высокочастотных составляющих; при увеличении R4 снижаются низкочастотные составляющие.

Рисунок.9. Схема включения микросхемы К174УН7.

Зарубежные аналоги A210K, TBA-810, TBA-810S

Усилитель мощности низкой частоты с номинальной выходной мощностью 4,5 Вт при нагрузке 4 Ом. Микросхема конструктивно оформлена в корпусе типа 238.12-1. Назначение выводов: / -- питание ( + Uи.п); 4 -- вывод; 5 -- коррекция; 6 -- обратная связь; 7 -- фильтр; 8 -- вход; 9 -- корпус ( -- Uи.п); 10 -- эмиттер выходного транзистора; 12 -- выход. Микросхему нельзя применять без дополнительного теплоотвода при мощности в нагрузке более 0,27 Вт. Тепловые сопротивления микросхемы:Rпер-окр = 100 °С/Вт; Rпер-окр = = 20°С/Вт. Микросхема работает устойчиво от источника сигнала с внутренним сопротивлением R 15 кОм. При возникновении паразитной генерации рекомендуется подбирать емкости С4 и С5 (согласно типовой схеме включения).

При понижении напряжения питания и использовании нагрузки с сопротивлением более 4 Ом выходная мощность уменьшается.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЕКТА

Цена готовых покупных изделий

Таблица 1

Известно, что удельный вес покупных изделий для приёмной аппаратуры составляет 25% себестоимости. Тогда себестоимость изделия составляет.

Список используемых источников

Проектирование радиоприемных устройств: Учебное пособие для ВУЗов/Под ред. А.П.Сиверса. М: Сов.радио, 1976. 488 с.: ил.

Лузин В.И., Никитин Н.П. Проектирование радиоприемных устройств: Методические указания. Свердловск: УПИ, 1990. 20 с.

Бобров Н.В., Максимов Г.В., Мичурин В.Н. Расчет радиоприемников. М: воениздат, 1971, 180с. :ил.

Горшелев В.Д., Красноцветова З.Г., Федорцев Б.Ф. Основы проектирования радиоприемников. М: Энергия, 1977. 384с. :ил.

Горшков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств. Справочник. М:”Радио и связь”, 1988 316с.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе данного проектирования был сделан эскизный расчет супергетер-одинного приемника. На основе эскизного расчета была составлена при-нципиальная схема приемника, удовлетворяющего требованиям техниче-ского задания и проведен полный расчет усилителя промежуточной частоты. Также были рассчитаны элементы всех контуров приемника.

Приложение 1

Технические данные микросхемы К174УН7

Рисунок.10. Расположение и назначение выводов ИМС К174УН7

Рисунок.11. Корпус 201.12-1

Рисунок.12. Зависимость коэффициента неравномерности Зависимость коэффициента гармоник

АЧХ от частоты входного сигнала для ИМС К174УН7 от выходной мощности для ИМС К174УН7

Рисунок.13. Зависимость коэффициента гармоник от частоты входного сигнала в типовой схеме включения ИМС К174УН7

Технические данные микросхемы К174ХА2

Схема усиления сигналов высокой и промежуточной частоты с системой АРУ, преобразования сигналов высокой частоты в сигналы промежуточной частоты. Предназначена для использования в радиовещательных супергетеродинных приемниках 1...3 классов с амплитудной модуляцией.

Рисунок.14.Функциональная схема

1 -- УВЧ; 2 -- гетеродин; 3 -- смеситель; 4 -- УПЧ; 5 -- УПТ АРУ УВЧ; 6-- УПТ АРУ УПЧ

Pucунок.15 Габариты микросхема К174ХА2

Страницы: 1, 2, 3