Пояснительная записка к курсовому проекту «Проектирование радиоприемного устройства»

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

УГТУ - УПИ

им.

Кафедра РЭИС

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

«Проектирование радиоприемного устройства»

Студент:

Группа: Р-489

Преподаватель:

Екатеринбург, 2001г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Расчет необходимой полосы пропускания

2. Выбор средств обеспечения избирательности. . .8

3. Выбор средств обеспечения усиления линейного тракта

4. Расчет входной цепи

5. Расчет УРЧ. .15

6. Амплитудный детектор

7. Преобразователь частоты

8. Автоматическая регулировка усиления

9. Усилитель низкой частоты

Список используемой литературы. 23

ЗАДАНИЕ 13

на курсовое проектирование радиоприемного устройства

Спроектировать приемник телеграфных амплитудно-манипулированных сигналов (режим А1, А2). Настройка приемника плавная и выполняется оператором по принимаемому сигналу. В приемнике должна быть предусмотрена система автоматической регулировки усиления. Чувствительность приемника задана в предположении, что единственной помехой является собственный шум приемника.

Параметры приемника:

Частота сигнала: fc=3,6-3,65 МГц

Относительная нестабильность частоты принимаемых сигналов:

Частота тональной манипуляции: Гц

Длительность импульса(телеграфной посылки)

Отношение сигнал/шум на входе приемника: дБ

Чувствительность приемника: В

Расстройка соседнего канала: Гц

Ослабление соседнего канала: дБ

Ослабление зеркального канала: дБ

Ослабление по промежуточной частоте: дБ

Диапазон действия АРУ А/В=40/6 дБ

Выходная мощность приемника: Вт

ВВЕДЕНИЕ

Радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника и оконечного устройства, предназначенного для воспроизведения сигналов.

Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основными являются:

1. Тип схемы.

2. Вид принимаемых сигналов.

3. Назначение приемника.

4. Диапазон частот.

5. Вид активных элементов, используемых в приемнике.

6. Тип конструкции приемника.

По типу схем различают приемники детекторные, прямого усиления (без регенерации и с регенерацией), сверхрегенеративные и супергетеродинные приемники, обладающие существенными преимуществами перед приемниками других типов и широко применяемые на всех диапазонах частот.

Принимаемые сигналы служат для передачи сообщений или измерения положения и параметров относительного движения объектов. По виду модуляции приемники различают:

1. с амплитудной модуляцией,

2. с амплитудной манипуляцией,

3. с частотной модуляцией,

4. с фазовой модуляцией,

5. с фазовой манипуляцией,

6. с импульсной модуляцией и т. д.

Принимаемые сигналы могут передавать сообщения от одного источника или от нескольких.

По назначению различают приемники связные, радиовещательные, телевизионные, радиорелейных и телеметрических линий, радиолокационные, радионавигационные и др. Связные радиоприемники чаще всего служат для приема одноканальных непрерывных сигналов с АМ (с несущей и боковой полосами), ОБП (однополосной) и ЧМ или дискретных сигналов с АТ, ЧТ и ФРТ. Радиовещательные приемники (монофонические) принимают одноканальные непрерывные сигналы с АМ на длинных, средних и коротких волнах и с ЧМ на ультракоротких волнах. Приемники черно-белых телевизионных программ принимают непрерывные сигналы изображений с АМ и частичным подавлением одной боковой полосы частот и звуковые сигналы с ЧМ. Приемники цветных телевизионных программ принимают также сигналы, создающие цветное изображение. Приемники оконечных станций радиорелейных и телеметрических линий обычно предназначены для приема и разделения каналов многоканальных сигналов с частотным и временным уплотнением.

Приемники промежуточных станций радиорелейных линий (наземных и спутниковых) отличаются от приемников оконечных станций тем, что в них не происходит разделения многоканальных сигналов.

1.1. Выбор структурной схемы приёмника.

Так как супергетеродинный приёмник обладает рядом преимуществ по сравнению с приёмником прямого усиления – это обеспечение высокой чувствительности и хорошей избирательности особенно в нашем диапазоне КВ волн, то за основу возьмём схему супергетеродинного приёмника с одинарным преобразованием частоты. Все супергетеродинные приёмники состоят из трёх основных частей: линейного тракта, демодулятора и устройств регулировок (управления). Структурная схема изображена на Рис.1.1. Линейный тракт одинаков для приёмников различных типов. Он состоит из входной цепи (ВЦ), усилителя радиочастоты (УРЧ), смесителя (См) и гетеродина (Г) преобразователя частоты, а также усилителя промежуточной частоты (УПЧ).

Если в процессе дальнейшего проектирования выяснится, что требования к чувствительности по зеркальному каналу выполняются приёмником без УРЧ, то его можно исключить. Если же приёмник, реализованный по схеме Рис.1.1., не может обеспечить одновременное выполнение требований к избирательности по зеркальному и соседнему каналам, то следует использовать супергетеродин с двойным преобразованием частоты. В нём, после УПЧ добавляется ещё один смеситель с гетеродином, после которых стоит второй УПЧ, т. е. в схеме используется 2-е поднесущие.

При выборе линейного тракта следует учитывать необходимую полосу пропускания, которая существенно влияет на показатели всех каскадов и элементов приёмника.

Особенностью структурной схемы приемников с амплитудной манипуляции является то, что в качестве демодулятора применяется амплитудный детектор (АД), за которым обычно следует усилитель низкой частоты (УНЧ) приемника. УНЧ можно ставить узкополосным, т. к. демодулированный сигнал имеет узкий спектр (звуковые колебания Гц). Приемник по необходимости снабжается устройствами частотной автоподстройки частоты гетеродина, состоящим из различителя (РЧАП) и управителя (УЧАП), и авторегулировки усиления (АРУ). Типовая структурная схема такого приемника непрерывных сигналов с АМ приведена на рис.2

1.2. Расчёт необходимой полосы пропускания линейного тракта приёмника.

Ширина полосы пропускания линейного тракта П складывается из ширины спектра радиочастот принимаемого сигнала (ПС), доплеровского смещения частоты сигнала (DfД) и запаса полосы, требуемого для учёта нестабильности и неточностей настроек приёмника (ПНС), т. е.

Величина ПНС определяется по формуле

где dfC и dfГ – нестабильности частот сигнала fC и гетеродина fГ; dfН и dfП – неточности настроек частот гетеродина fГ и УПЧ fП.

Примем DfД=0, т. к. приемник стационарный. Исходя из заданной относительной нестабильности частоты гетеродина b=2*10е-5 будем использовать транзисторный однокаскадный гетеродин с кварцевой стабилизацией, относительная нестабильность частоты которого dfг/f = 10е-5 - 10е-7.

Получается, что

Нестабильность частоты гетеродина

Нестабильность частоты сигнала:

Неточность настройки гетеродина:

Неточность настройки УПЧ:

Запас полосы требуемый для учета нестабильности и неточности настроек приемника:

Максимальная частота спектра управляющих сигналов. Гц

Ширина спектра радиочастот принимаемого сигнала: Гц

Ширина полосы пропускания линейного тракта:

Шумовая полоса приемника: Гц

Выбор первых каскадов

Определив необходимую полосу линейного тракта, нужно перейти к выбору первых каскадов приемника, обеспечивающих требуемую чувствительность.

Вычислим допустимый коэффициент шума приемника:

K=1.38*10-23 Дж/К То=290К Ra=150 Ом

дБ

Выбор средств обеспечения избирательности:

В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется в основном ослаблениями зеркального и соседних каналов. В приемниках с одинарным преобразованием частоты ослабление зеркального канала обеспечивает преселектор, ослабление соседнего канала - в основном УПЧ и частично преселектор. Промежуточная частота должна лежать вне диапазона принимаемых частот fc и обеспечивать:

· заданную избирательность по зеркальному каналу

· заданную избирательность по соседнему каналу

· заданную полосу пропускания линейного тракта

· возможность применения контуров с реализуемой добротностью

· устойчивое детектирование радиоимпульсов и хорошую фильтрацию сигналов промежуточной частоты при детектировании

· требуемое усиление и устойчивость работы УПЧ

· малый коэффициент шума в приемниках.

Структурная схема преселектора будет выглядеть следующим образом

Исходя из данной схемы, и используя графики с.21 [1] рассчитаем следующие параметры

Обобщенная расстройка зеркального канала: дБ

вычислено по графику [1], рис 1.7 при заданном

дБ

раз

Промежуточная частота:

Гц

Обобщенная расстройка для краев пропускания приемника:

По графику [1] рис 1.7 б определяем ослабление сосдаваемое преселектором:

дБ

Откуда ослабление которое можно допустить в ФСИ выбранного преселектора:

дБ

Обобщенная расстройка для соседнего канала

раз дБ

По кривым [1] рис. 1.7 б находим ослабление соседнего канала

сосдаваемое преселектором

дБ

Ослабление соседнего канала требуемое от ФСИ:

дБ

Расчет входных цепей:

Рассчет согласно [1] стр 35

Коэффициент диапазона приемника:

Собственная емкость катушки контура: Ф

Емкость монтажа: Ф

Емкость подстроечного конденсатора: Ф

Входная емкость транзистора следующего каскада: Ф

Выходная емкость транзистора следующего каскада: Ф

Коэффициенты подключения транзисторов к контуру:

Начальная емкость контура:

Ф

Зададимся минимальной емкостью переменного конденсатора : Ф

Вычислим максимальную емкость:

Ф

Индуктивность контура: Гн

Произведем расчет оноконтурной ВЦ с внешне емкостной связью с ненастроенной антенной:

Зададимся эквивалентным затуханием контура входной цепи:

Собственным затуханием:

Параметры антены: Ом

Ф

Ф Ф

Параметры первого активного элемента приемника: Ом

Ф

Вычисляем максимальнодопустимую емкость входной цепи:

Ф

Определяем индуктивность контура:

Гн

Находим наибольшую емкость связи с антенной :

Ф

Выбираем емкость связи из условия:

Ф

Рассчитываем коэффициент включения контура ко входу УРЧ при котором обеспечивается требуемая избирательность по зеркальному каналу:

Расчитаем емкость связи необходимую для получения

Ф

Емкость подстроечного конденсатора:

Ф

Пересчитываем

Рис 666 .Принципиальная схема входной цепи

Ф

Коэффициент передачи входной цепи:

Расчет оноконтурного УРЧ:

Наиболее подходящим в роли активного элемента УРЧ является транзистор 2Т3150А-2 Приведем его параметры

См

См

См

Рис.3. Схема одноконтурного УРЧ.

При схеме питания [1] рис 5.1а, которая обеспечивает термостабилизацию режима по постоянному току и параметров транзисторов в пределах от -40 до +60 С, расчет ведется в следующей последовательности.

Iкбо=0,5*10-6А

Определяем изменение обратного тока коллектора:

А

Тепловое смещение напряжения базы:

В

Необходимая нестабильность коллекторного тока:

А

Сопротивление резисторов:

Ом

Ом

Ом

Ом

Ф

Ф

Выбираем индуктивность контура равной вычисленной для входной цепи

Гн

Выбираем коэффициент подключения контура к транзистору:

Исхода из условия ослабления зеркального канала

Исходя из полосы пропускания:

ФИ с 231

Эквивалентная емкость контура:

Ф

Резонансный коэффициент усиления:

Эквивалентная шумовая проводимость:

Эквивалентное шумовое сопротивление:

Ом

Коэффициент шума:

фи 233

при

фи 234

Коффициент усиления по мощности:

Преобразователь частоты.

Преобразователь частоты состоит из смесителя, к которому подводится принимаемый сигнал, и гетеродина, напряжение которого периодически изменяет параметры смесителя. На выходе смесителя выделяется сигнал преобразованной частоты. В ПЧ с внешним гетеродином функции последнего выполняет отдельный электронный прибор.

В ПЧ сигнал Uс от входной цепи и последнего каскада УРЧ поступает к базе биполярного транзистора смесителя, включенного с ОЭ. Напряжение гетеродина Uг поступает в цепь эмиттера смесителя и по отношению к гетеродину смеситель оказывается включенным по схеме с ОБ.

В цепь коллектора смесителя включают фильтры (резонансный контур). С помощью резисторов R1 и R2 подается напряжение отрицательного смещения на базу транзистора. Цепь R4, C2 служит для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры. R3 используется для подачи напряжения гетеродина в цепь эмиттера. С3 не пропускает постоянную составляющую тока эмиттера в цепь гетеродина. Схема ПЧ с внешним гетеродином приведена на рис.666.

Гетеродин приемника формирует вспомогательное гармоническое напряжение, необходимое для преобразования частоты.

Простейшие гетеродины представляют собой однокаскадные генераторы с самовозбуждением на транзисторах. Такие гетеродины находят применение в радио - и телевизионных приемниках, а также в некоторых профессиональных устройствах, в которых не требуется высокая точность настройки. К группе простейших гетеродинов могут быть отнесены клистронные гетеродины, а также гетеродины на туннельных диодах. Но главным недостатком таких гетеродинов является низкая стабильность частоты.

Практическое применение находят генераторы с трансформаторной, автотрансформаторной и емкостной и обратной связью. В данном приемнике применим автогенератор с трансформаторной связью, изображенный на рис.666.

Рис.666. Схема ПЧ с внешним гетеродином.

Рис.666. Гетеродин с трансформаторной связью.

Расчет УПЧ.

Усилители промежуточной частоты, используемые в радиопри­емных устройствах, можно классифицировать по ряду признаков.

По величине относительной ширины полосы пропускания их подразделяют на узкополосные и широкополосные. УПЧ с отно­сительной полосой пропускания, не превышающей 0,05, условно считают узкополосными, а с большей относительной полосой - широкополосными.

По характеру распределения избирательности в каскадах раз­личают УПЧ с распределенной и сосредоточенной избирательностью. В УПЧ с распределенной избирательностью функции усиле­ния и избирательности обеспечиваются в каждом каскаде. При этом резонансные контуры, создающие требуемую избирательность, одновременно определяют также и усиление тракта.

Равномерное распределение избирательности вдоль тракта при­водит к тому, что каждый каскад имеет в среднем невысокую изби­рательность, поэтому воздействию помех мешающих станций под­вергается не только 1-й каскад усиления, но и последующие каска­ды. В результате возможно появление перекрестных искажений в нескольких каскадах усиления, что снижает помехоустойчивость приёмника. Это является одним из существенных недостатков дан­ного метода конструирования.

В усилителях с сосредоточенной избирательностью необходимая избирательность обычно создается системой, включенной между преобразователем и УПЧ или после 1-го каскада УПЧ, а требуемое усиление — последующими за ним апериодическими или слабо избирательными каскадами. Системой избирательности могут быть многозвенные LС-фильтры, а также пьезоэлектрические или квар­цевые фильтры, отличающиеся высоким коэффициентом прямоугольности частотной характеристики.

По числу резонансных контуров в каждом каскаде усилители с распределенной избирательностью подразделяют на одноконтур­ные и двухконтурные. В одноконтурных усилителях все контуры могут быть настроены на номинальную промежуточную частоту (настроенный УПЧ) или иметь соответствующую расстройку (УПЧ с попарно расстроенными каскадами или с каскадами, настроенными на три частоты). В двухконтурных усилителях избирательность обеспечивается полосовым фильтром, образованным системой двух связанных контуров. В ряде случаев находят применение усилите­ли с чередующимися одноконтурными и двухконтурными каска­дами (смешанная схема).

По режиму работы каскадов УПЧ различают усилители в ре­жиме максимального усиления и в режиме фиксированного усиле­ния. Первый режим применяют тогда, когда внутренняя обратная связь не оказывает заметного влияния на характеристики УПЧ и когда возможное избыточное усиление не превышает допустимой нормы. Второй режим используют, когда величина коэффициента усиления ограничена либо из соображений устойчивости, либо из-за недопустимости большого избыточного усиления.

По способу включения транзисторов УПЧ можно классифици­ровать на усилители с общим эмиттером и с каскодным соединением двух транзисторов. Основным способом включения транзисторов в УПЧ является схема с ОЭ, обладающая большими усилительны­ми возможностями, чем схема с ОБ, из-за большей величины вход­ного сопротивления. Однако в УПЧ с ОЭ не всегда удается обеспе­чить устойчивую работу из-за влияния внутренней обратной связи. Практически это означает, что рассчитанный коэффициент усиления одного каскада превышает устойчивый коэффициент усиления.

В этом случае применяют различные способы повышения устой­чивости. Если коэффициент усиления каскада незначительно (не более чем в 2 раза) превышает устойчивый, обычно используют пассивный способ, заключающийся в уменьшении коэффициента уси­ления каскада до устойчивого. В противном случае целесообразно увеличить коэффициент устойчивого усиления, применяя каскодное включение транзисторов.

Помимо транзисторов и колебательных контуров схемы каска­дов УПЧ включают в себя дополнительные элементы, предназна­ченные для обеспечения режима питания транзисторов, их темпера­турной стабилизации, устранения цепей паразитной связи, обеспе­чения междукаскадных соединений и т. п.

Усиление и резонансную характеристику ПЧ с транзисторным смесителем можно определить как каскада УПЧ с параметрами усилительного прибора. Для удобства реализации схемы в виде активного элемента тракта ПЧ выберем такой же транзистор как и для тракта промежуточной частоты 2Т3150А-2.

Максимальный коэффициент устойчивого усиления:

Зададимся коэффициентом усиления ПЧ:

Минимальное число избирательных систем:

Считаем с настроенным каскадом (по таб. 6.1 [1]):

Минимально допустимое с точки зрения стабильности формы частотной характеристики отношение эквивалентной емкости контура каскада к емкости вносимой в контур транзисторами:

Необходимое эквивалентное затухание контуров:

Собственное затухание катушки

Рассчитываем критические значения эквивалентного затухания контура:

Коэффициент включения контура в цепь базы транзистора следующего каскада:

Эквивалентная емкость контура:

Ф

Коэффициент усиления

6. АМПЛИТУДНЫЙ ДЕТЕКТОР

Детекторы приемников непрерывных АМ сигналов можно реа­лизовать на полупроводниковых диодах или транзисторах Диод­ные детекторы обладают малыми нелинейными искажениями. В линейном режиме, который обеспечивается при сигнале, большем 0,5—1,0В, их коэффициент гармоник меньше 1%.

Транзисторные детекторы имеют значительно большие нелиней­ные искажения Поэтому, где уменьшение массы, габаритных размеров и потребления питания весьма важно, можно применять транзисторные детекторы. Если же важны малые нелинейные искажения, то рационально брать диодные детекторы.

Диодные полупроводниковые детекторы могут иметь как последовательные , так и параллельные схемы включения. Предпочтительны 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 передается через разделительный конденсатор. Обычно диодные полупроводниковые детекторы работают в режиме линейного детектирования при входном напряжении сигналов Uдвх = 0,5...1 В.

Детектирование телеграфных сигналов в режиме А1,А2 не имеет принципиальных различий с детектированием непрерывных АМ сигналов, т. к. внутри импульсов сигналы модулируются по амплитуде, для режима А1 сигнал внутри приемника модулируется, а потом детектируется. Следующий диодный детектор подойдет как для режима А1 так и для режима А2.

Используем диодный амплитудный детектор с последовательной схемой включения, на диоде Д9Б, максимальная рабочая частота которого 40МГц. Схема включения детектора приведена на рис.666.

Электрические характеристики диода Д9Б

Табл.6.1.

Uпр, В	Iпр, мА	Ri, Ом	Uобрmax, В	Iобр, мкА	Rобр, МОм	Сд, пФ
0.9	90	10	10	250	0.4	1…2

Рис.666. Схема включения АД.

8. АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИРОВКА УСИЛЕНИЯ

АРУ предназначена для поддержания уровня выходного сигнала РПрУ или усилителя вблизи некоторого номинального значения при изменении уровня входного сигнала.

Различают обратные и прямые АРУ. Обратные АРУ – системы с обратной связью. Они не могут обеспечить полного постоянства выходного напряжения, т. к. выходное напряжение является входным для АРУ и должно содержать информацию для соответствующего изменения регулируемого воздействия. Достоинством же обратной АРУ является обеспечение защиты от перегрузок, чего нельзя сказать о прямой АРУ. Также бывают комбинированные АРУ. Системы АРУ также подразделяются на задержанные и незадержанные. При использовании задержанной АРУ регулировка усиления начинается лишь после превышения сигналом некоторого минимального значения, соответствующего выбранному порогу срабатывания, называемому напряжением задержки АРУ. В незадержанной АРУ порог срабатывания не вводится, и регулирование осуществляется при наличии сигнала любой величины.

АРУ надо подавать на все транзисторы УРЧ и УПЧ. Используем обратную задержанную АРУ, содержащую RC-фильтр.

Необходимое изменение усиления

Находим величину регулируемого напряжения DUp, которое должна дать АРУ для изменения усиления от Kmax до Kmin. Т. к. усиление каскада пропорционально крутизне S, то

где в произведения входят крутизны характеристик транзисторов каскадов.

Для определения DUp выбираем начальные смещения на базе транзисторов, определяем для них соответствующие значения S1max и рассчитываем Smax=S1max×S2max×S3max×S4max=S1max4. Итак,

Ебо=0.07 В, S1max=(120-j120)мСм,

тогда

Тогда по графику находим Ебmax=0.083В

DUp= Ебmax-Ебо=0.083-0.07=0.013В

Определим амплитуду переменного напряжения на входе АРУ при минимальном напряжении сигнала на входе приемника:

9. УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

В качестве усилителя низкой частоты можно использовать маломощную микросхему К548УН1А, типовая схема включения которой приведена на рис.7.

Рис.7. Типовая схема включения К548УН1А.

Назначение выводов микросхемы К549УН1А

1(14)-неинвертирующий вход, 3(12)- инвертирующий вход, 2(13)-эмиттер, 4-корпус, подложка (-Uп), 5(11), 6(10)-коррекция, 7(8)-выход, 9-питание (+Uп).

Электрические характеристики микросхемы К549УН1А

Табл.10.1

Напряжение питания, В	Ток потребления, мА, не более	Коэффициент усиления по напряжению (при Rн=10кОм, Uвых=2В, f=100Гц)	Напряжение шума на входе, мкВ, не более	Номинальная выходная мощность, мВт, не более
Uп	Iпот	Ку. u	Uш. вх	Pвых. ном
9…30	12	50000…100000	0.7	250

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Проектирование радиоприемных устройств: Методические указания/, . Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. . Радиоприемные устройства. Под ред. . , , . Радиоприемные устройства. Интегральные микросхемы: справочник/Булычев, Галкин.