Разработка приёмника супергетеродинного типа

1. Введение

В данном курсовом проекте должен быть разработан приёмник супергетеродинного типа по полученным техническим данным. Должна быть разработана схема электрическая принципиальная.

При выполнении курсового проекта должны быть приобретены навыки по выбору и обоснованию основных параметров схемы радиоприёмника и его элементной базы.

Должен использоваться ПК, это облегчит выполнение работы и поможет приобрести практические навыки по применению средств вычислительной техники на этапе дипломного проекта.

1. Предварительный расчет супергетеродинного РПУ

2.1 Последовательность выполнения расчета

В техническом задании (ТЗ) на проект приведены следующие данные:

1) диапазон частот принимаемых сигналов:65,8 ÷ 73 МГц;

2) вид модуляции: ЧМ: f_н ÷ f_b :

3) избирательность РПУ по соседнему каналу: S_сек=28 дБ;

4) избирательность по зеркальному каналу: S_{e з.к.}=22 дБ;

) промежуточная частота =10 МГц;

6) неравномерность усиления в полосе пропускания (частотные искажения)=11дБ;

7) нелинейные искажения=7%;

8) эффективность схемы автоматической регулировки усиления (АРУ): вх=26; вых=8.

9) величина выходной мощности =150 мВт.

10) напряжение питания =6 В.

2.2 Предварительный выбор структурной схемы РПУ

Радиовещательный приемник предназначен для приема программ звукового радиовещания в диапазоне ультракоротких волн (65,8 ÷ 74; 100 ÷ 108 МГц).

Схема структурная РПУ

2.3 Выбор числа поддиапазонов и элементов настройки

Необходимость разбивки рабочего диапазона частот на отдельные поддиапазоны оценивается с помощью коэффициента перекрытия диапазона частот:

                                       (2.1)

где, f_{0 max} и f_{0 min} - максимальная и минимальная частота принимаемого сигнала.

К_{д max}=1,05…1,1(выбрано из таблицы)

Применяем способ равных интервалов;

Исходные данные для расчета:

f_{0 max}=73 МГц; f_{0 min}=65,8 МГц; К_{д max}=1,1

Определяется коэффициент перекрытия К_д:

К_д=1,1094

Производится сравнение полученной величины с К_{д max}, если К_д <К_дmax, то разбивка на поддиапазоны не производится.

При К_д>К_{д max} определяется необходимое количество поддиапазоновN:

                                              (2.2)

Полученное число округляется до большего целого и принимается за число поддиапазонов. Разбиваем на 2 поддиапазона

Определяется разность крайних частот одного поддиапазона _пд:

_{пд =}

_{пд =}

Определяется интервал частот каждого поддиапазона и  с учетом запаса, а также коэффициент перекрытия каждого поддиапазона К_пдN

I поддиапазон:                                                            (2.4)

 МГц

_пд)                     (2.5)

 МГц

                                                       (2.6)

II поддиапазон:                                                  (2.7)

 МГц

                                          (2.8)

 МГц

                                                       (2.9)

Выбор элемента настройки РПУ

С_min (пФ) = 7пФ; С_max (пФ) = 50пФ; варикап КВ121А.

Выбираем варикап С_min = 8пФ ,С_max = 50пФ.

Определяется фактический коэффициент перекрытия поддиапазонов, обеспечиваемый изменением емкости выбранного варикапа или варикапной матрицы:

                                  (2.10)

где, С_cx - начальная емкость схемы резонансного контура

C_cx=C_m+C_l+C_bh                                                                     (2.11)

где, С_м - емкость монтажа;

С_L - собственная емкость катушки индуктивности;

С_вн - емкость, вносимая активным элементом 1-го каскада УСЧ на рабочей частоте.

Из таблицы 4 выбираем:

См =5пФ;С_L =3пФ;Свн =21пФ;

C_cx=5+3+21=29 пФ

2.4 Распределение частотных искажений между трактами РПУ

Частотные искажения, обуславливающие неравномерное усиление в полосе пропускания частот, создаются всеми каскадами РПУ.

Основой для распределения частотных искажений являются, как правило, заданные частотные искажения в целом для РПУ.

Выбирается ТСЧ, УПЧ, Предв. УНЧ, Оконеч. УНЧ из таблицы 7, исходя из того что радиовещание приёмника происходит в диапазоне частот 65,8-73 МГц.

ТСЧ = 0 дБ; УПЧ = 6 дБ; Предв. УНЧ = 2 дБ; Оконеч. УНЧ = 4 дБ.

2.5 Распределение нелинейных искажений между трактами РПУ

В основном НИ сигнала в РПУ создаются детекторами и каскадами УНЧ, т.е.:

К_{н общ} = К_{н дет} + Кн _УНЧ                               (2.12)

К_{н общ} = 7%

Кн.дет = 4%

Кн.унч = 3%

2.6 Выбор элементной базы радио-тракта (линейного тракта) РПУ

Выбор активного элемента определяется, прежде всего, диапазоном рабочих частот. Основой для выбора активного элемента в этом случае, является его коэффициент частотного использования:

                                           (2.13)

где, f_{o max} - максимальная частота принимаемого сигнала;

f_г - граничная частота выбранного активного элемента.

Необходимо, чтобы, а<0,3.

а =

Выбираем активный элемент - транзистор КТ 315A, с f_г =250 МГц,

УСЧ-КТ 315; ПЧ (смеситель) - КТ 339A; УПЧ - КТ 339A.

2.7 Расчет полосы пропускания линейного тракта РПУ

Необходимая полоса пропускания определяется реальной шириной спектра принимаемого сигнала ∆F_c, допустимой погрешностью сопряжения частоты гетеродина ∆f_{г ,} т.е. полоса пропускания равна:

                       (2.14)

Ширина спектра  для ЧМ - сигнала определяется:

                                    (2.15)

где, F_B - верхняя частота модулирующего сигнала;

Δf_max =50кГц - максимальная девиация частоты ЧМ - сигнала;

∆Fc = 2´(50+14) = 128 кГц

Fв = 14 кГц

∆fсопр. = 32 кГц

∆fг = 0,6× 10^-3´73´10кГц

П = 128 + 32 + 43,8 = 0,2038 МГц

Допустимая погрешность сопряжения контуров для УКВ - диапазона Δf_сопр. - 32 кГц.

Допустимое отклонение частоты гетеродина для перестраиваемых РПУ: Δf_г=0,6× 10^-3´f_{0 max}

Расширение полосы пропускания линейного может значительно уменьшается его избирательность. Поэтому для сужения полосы пропускания необходимо снижать нестабильность частоты гетеродина и погрешность сопряжения контуров. Сужение полосы пропускания за счет уменьшения нестабильности гетеродина обеспечивается с помощью автоматической подстройки частоты гетеродина (АПЧГ).

2.8 Проектирование тракта сигнальной частоты ТСЧ

Основные требования, предъявляемые к ТСЧ:

-       диапазон рабочих частот f_{0 min} … f_{0 max}: f_{o min …}f_{0 max}- 65,8-73 МГц;

-       избирательность по зеркальному каналу S_{е з.к.}: S_{е з ю.}- 22 дб

-       избирательность по помехе, с частотой равной промежуточной частоте S_еп.ч.:S_{в. п.ч.}- 28 дб

-       неравномерность АЧХ в пределах заданной полосы пропускания, АЧХ- 11дБ

Определение требуемого количества одиночных контуров ТСЧ и их эквивалентного затухания.

Сначала определяется эквивалентное затухание контуров:

                             (2.16)

где, q=3 - коэффициент шунтирования контуров активными элементами

d₀ - собственное затухание контура =0,01.

Затем ориентировочно определяется необходимое число одиночных контуров исходя из заданной величины избирательности, ориентируясь на типовую величину затухания сигнала зеркальной частоты, обеспечиваемого одиночным контуром S_к и примерно равного 22дБ.

                                   (2.17)

³ 0,88

Полученное значение n_сч округляется до большего целого числа и определяется фактическое ослабление сигнала в ТСЧ на границе полосы пропускания РПУ:

                         (2.18)

Полученное фактическое значение М_сч сравнивают со значением, приведенным в п. 3.4., (ТСЧ). Оно должно быть меньше или равно.

Определение типа и числа избирательных систем ТСЧ.

По ориентировочному числу одиночных контуров n_сч вычисляется максимально допустимое значение добротности контуров, обеспечивающее заданное ослабление на краях пропускания для ТСЧ

                          (2.19)

где, П - полоса пропускания;

f_{0 min} - минимальная частота полосы пропускания;

 n_с.ч - число одиночных контуров;

М_сч - фактическое ослабление сигнала в ТСЧ.

Определяется необходимая добротность контуров Q_n, обеспечивающая заданную избирательность по зеркальному каналу S_ез.к.: при применении одиночных контуров в ВЦ и УСЧ с индуктивной связью:

                            (2.20)

где, f_з.к.max - зеркальная частота: ;

f_пр - промежуточная частота РПУ (или первая промежуточная частота f_пр1 РПУ с двойным преобразованием частоты).

Определяется эквивалентная добротность контуров ТСН Q_экв по конструктивной добротности контура:

                                      (2.21)

Q_к - конструктивная добротность контура.

Принятое значение добротности Q должно удовлетворять условию Q≤Q_экв.

В результате расчетов по п.п.2.8.2.1; 2.8.2.2. и 2.8.2.3 добротность контур Q необходимо принять равной или немного большей Q_и, но не больше Q_n.

; . Q = 35 (2.22)

Избирательность по промежуточной частоте S_епр. определяется на минимальной частоте принимаемого сигнала или на частотах близких к :

                            (2.23)

Выбор структурной схемы ТСЧ производят по результатам произведенного расчета.

Связь ВЦ с антенной высшей - первой группы сложности - трансформаторная. УСЧ в ЧМ тракте обычно используют по схеме с общей базой.

ВЦ - перестраиваемый колебательный контур;

УСЧ - тип активного элемента биполярного транзистора КТ 315

К- перестраиваемый колебательный контур;

2.9 Проектирование тракта промежуточной частоты

Основные требования, предъявляемые к тракту промежуточной частоты: значения промежуточных частот f_прЧМ= 10,7 МГц, избирательность по соседнему каналу S_ес.к. = 22дб.

При выборе избирательной системы тракта ПЧ учитываются следующее:

1) одиночный колебательный контур обеспечивает избирательность по соседнему каналу порядка 5 ... 6 дБ, пъезофильтр - до 40 дБ.

Количество требуемых систем с запасом определяется по формуле:

                                             (2.24)

где, S_ес.к - заданное значение избирательности по соседнему каналу;

S_ск1 - значение избирательности выбранной избирательной системы.

) В усилителях промежуточной частоты (УПЧ) с распределенной избирательностью каждый каскад усиления (обычно с ДПФ) вносит определенный вклад, как в усиление сигнала, так и в избирательность. В УПЧ с разделением функций требуемая селективность осуществляется в преобразовательной ступени тракта ПЧ с помощью ФСС, а усиление - последующими каскадами - апериодическими или широкополосными. Второй вариант предпочтительнее, т.к. обеспечивает лучшую избирательность и повышает устойчивость работы тракта. Поскольку основная избирательность осуществляется в преобразовательной ступени, избирательность последующих каскадов при расчете структурной схемы не учитывается.

Порядок расчета тракта ПЧ с применением пъезофильтра:

Для согласования фильтра с преобразователем частоты; необходимо применить широкополосный согласующий контур, который имеет собственные избирательность и ослабление на краях полосы пропускания.

Основные параметры выбранного по таблицам фильтра:

Пьезокерамический фильтр: ПФ1П-0495

. Средняя полоса пропускания, МГц-

2. Полоса пропускания, кГц-

. Селективность

. Затухание в полосе пропускания, дБ, не более 10

. Неравномерность АЧХ в полосе пропускания не более 3 дБ

. Входное сопротивление источника сигнала 330Ом

. Входное сопротивление со стороны нагрузки 330Ом

Определяются требования по избирательности и ослабление на краях полосы пропускания для согласующих широкополосных контуров:

=1,41 раз

=1,41 раз

При распределении частотных искажений для тракта ПЧ было принято значении 6дБ. Для ПКФ значение частотных искажений принимаются: . Следовательно, для контура смесителя значение частотных искажений будет 3 дБ.

Допустимая добротность контура  равна:

 (7.2)

Определяем добротность контура , обеспечивающую заданную избирательность  по соседнему каналу со знаком в 1 дБ, т.е. 3 дБ.

 (7.3)

Определяем конструктивную эквивалентную добротность контура  с учётом коэффициента шунтирования контура активным элементом.

 (7.4)

где:  - конструктивная добротность контура.

Из условия  и  выбираем добротность контура смесителя :

 (7.5)

Выбираем = 50.

Определяем действительное ослабление сигнала на краях полосы пропускания контура смесителя:

 (7.6)

Определяем действительное значение избирательности по соседнему каналу, которое обеспечивает контур смесителя:

 (7.7)

Расчёт коэффициента искажений и избирательности по соседнему каналу тракта ПЧ. Частотные искажения тракта ПЧ равны:

 (7.8)

Избирательность по соседнему каналу равна:

 (7.9)

Результат расчёта соответствует заданому. Определяются рассчитанные суммарные значения избирательности  и ослабления на краях полосы пропускания  тракта ПЧ.

Коэффициент усиления линейного тракта РПУ (до детектора) при приеме на наружную антенну:

                                                    (2.29)

где, U_вхд - напряжение промежуточной части на входе детектора,

Е_а - чувствительность со входа приемника,

Из таблицы 12 U_вх.д = 0,6В

E_a =мкВ∙м

где, Е_ат.з. - заданная чувствительность

Для УКВ - диапазона a_e=2,5 … 3,5; a_e - коэффициент запаса.

Таким образом:

                                             (2.30)

K_лm =

При работе РПУ на магнитную антенну (МA):

                                               (2.31)

где, U_m.вых - амплитуда напряжения на входе первого каскада РПУ

где, Е_н - заданная напряженность поля в точке приема, мВ/м;

h_д - действующая высота МА в метрах;

Q_экв - эквивалентная добротность контура входной цепи, взятая на поддиапазона.

m₂ - коэффициент включения входного транзистора УСЧ в контур ВЦ.

                            (2.32)

где,  - максимальная частота поддиапазона, МГц;

R_вх - входное сопротивление транзистора или ИС первого каскада РПУ (для схемы с 0Э R_вх = 0,5...1 кОм; для схемы с ОБ R_вх = 0,1...0,5 кОм)

- минимальная эквивалентная емкость контура МА, пФ;

Q_к - конструктивная добротность контура МА, принимаемая=200...300.

Примечание: при применении во входном каскаде (УСЧ или ПЧ, если УСЧ отсутствует) полевых транзисторов или ИС с входным каскадом на полевом транзисторе коэффициент можно принять равным 1.

Напряжение на входе детектора U_вх.д определяется группой сложности приемника, видом детектора и типом активного элемента (диод, ИС).

Минимальное допустимое напряжение U_вх.д (в вольтах) на входе амплитудного и частотного детекторов указано в таблице 14. Выбран частотный дискриминатор U_вх.д=0,6В. Для выбора числа каскадов линейного тракта радиовещательных приемников можно воспользоваться таблицей 15 в случае применения в каскадах активных элементов на биполярных транзисторах. Пользуясь этой таблицей необходимо определить число каскадов с коэффициентом передачи К_вц, К_усч, К_пч и ш так, чтобы

                       (2.33)

0.5

где, n - число каскадов.

Для усилителя промежуточной частоты необходимо определить устойчивый коэффициент усиления:

                            (2.34)

К_у =6.3

где, С_к - емкость коллекторного перехода транзистора;

Y₂₁ - крутизна характеристики транзистора, выбранного для УПЧ.

где, а - коэффициент частотного использования (см. 2.8.)

при а<0,3 можно считать

Если в справочнике данные о транзисторе взяты в h параметрах (как правило), то Y₂₁ можно пересчитать:

                                             (2.35)

Y₂₁ =

Необходимое условие:  При невыполнении этого условия количество каскадов УПЧ следует увеличить, уменьшив коэффициент усиления каждого.

2.11 Выбор схем детектора и расчет его выходного напряжения

Выбор схемы детектора ЧМ - сигнала.

При детектировании ЧМ - сигналов применяются частотные дискриминаторы (ЧД), дробный детектор (ДД) и детектор совпадений.

При приеме непрерывных ЧМ сигналов используется ЧД со связанными, одинаково настроенными контурами, ДД и детектор совпадений. Для приема частотно-модулированных ЧТ и ДЧТ сигналов, в приемниках многоканальных спутниковых и радиорелейных линий используют ЧД с взаимно расстроенными контурами.

(2.36)

50 х 5 х 0,909=0,227В

U_вхЧД =

где, U_вх.УНЧ - чувствительность УНЧ радиоприемника;

m - глубина амплитудной модуляции;

К_дел - коэффициент деления делителя нагрузки детектора (вводится при R_вх.УНЧ<50…100 КОм и выбирается в пределах:0,1 ... 0,5; при К_вх.унч >100кОм, К_дел.=1)

Рассчитанная величина U_вхд, должна находиться в допустимых пределах ±20% с рекомендуемой в таблице 16.

Минимальные - допустимые напряжения на входе амплитудного и частотного детекторов U_Д, мВ.

Элементная база, используемая в схемах детекторов.

Детекторы ЧМ сигналов

а) диоды Д2, Д9, Д18, Д20, КД503, КД514, КД521, ГД507, ГД508.

б) многофункциональные ИС К174ХУРЗ, К174ХА6, К2УС242, в которые входит схема ЧМ - сигналов.

К2ДС241, 2ДС351 - детектор ЧМ - сигналов.

Выбор схемы детекторов

В радиовещательных приемниках амплитудно-модулированных сигналов обычно используют диодный детектор последовательного типа с разделенной нагрузкой. В качестве детектора АРУ используют детектор основного канала; в приемниках высшей и 1-ой группы сложности применяют отдельный детектор, обычно параллельного типа.

Выходы АМ, ЧМ- детекторов на ИС, как правило, согласуют со входом УЗЧ через эмиттерный повторитель.

2.12 Проектирование тракта ЗЧ радиовещательных приёмников

а)    номинальная выходная мощность тракта Р_ст.

б)   диапазон воспроизводимых частот F_min … F_max

в)    неправомерность частотной характеристики М_уЗЧ (дб).

г) среднее звуковое давление при заданной номинальной мощности и диапазоне звуковых частот φ_ор .

При выборе громкоговорителя должны быть обеспечены следующие условия:

а) Р_гр≥2 Р_н

где, Р_гр - суммарная мощность громкоговорителей, на которые нагружен усилитель мощности тракта 3Ч УМЗЧ.

б) М_гр≤М_ас (дБ)

где; М_гр - неравномерность АЧХ громкоговорителя

М_ас - неравномерность АЧХ акустической системы

                     (2.38)

М_ас =11+5-(10.9+1)=4,1 дб

где, М_прк - заданная неравномерность АЧХ приёмника в целом (11дб)

М_л.т - неравномерность АЧХ линейного тракта (10.9дб)

М_дет - частотные искажения детектора (1дб)

для РПУ средних и высших групп сложности (3, 2, 1 и 0 группы)

М_узч =(5дб)

в) F_гр.min<F_min, F_гр.max≥F_max

10Гц<20Гц, 15.5кГц>14кГц

Выбор типа и количества каскадов УЗЧ.

Применяем безтрансформаторную двухтактную схему последовательного типа, позволяющую обеспечить дальнейшее повышение КПД и устойчивости, расширение АЧХ, уменьшения нелинейных искажений и фона. супергетеродинный радиоприемный устройство детектор

Активные элементы оконечного каскада следует выбирать исходя из условий:

 (2.39)

 (2.40)

U_кэ ≤ 0.4 U_кэ 25В

P_доп ≥ ; P_доп = =180мВт

где, U_кэ._доп., P_доп. - допустимые напряжения и мощность рассеивания

на коллекторе транзистора при нормальной температуре;

t_доп.=80⁰С - наибольшая допустимая температура p-n перехода;_ср._mах=50⁰С - наибольшая температура окружающей среды в ^oС.

для определения количества каскадов УЗЧ необходимо рассчитать коэффициент передачи УЗЧ по мощности

                               (2.41)

К_рзч =

P_вх.ЗЧ =15мВт

где,  - минимальная величина мощности на входе усилителя, который обеспечивает получение номинальной выходной мощности

a_ос=10…100 - коэффициент запаса, учитывающий введшие ООС тембровые регулировки и разбросы параметров усилителя.

Исходя из рассчитанного по формуле 2.40 К_рзч, определяют число каскадов УЗЧ, принимая коэффициент усиления мощности оконечного каскадаК_р0 равным 30…100, остальных каскадов (по схеме с ОЭ) - К_п равным 30...300, т.к.

 (2.42)

= 30ⁿ

n = 0.8 ≈ 1

Рекомендуемые активные элементы для УЗЧ. К каскадам предварительного усиления применяем транзистор КТ 3102 ( n-p-n)

2.13 Выбор схемы АРУ

Исходными данными для расчёта АРУ являются:

- относительное изменение уровня сигнала на входе РПУ в дБ:

 (2.43)

- соответствующее изменение уровня сигнала на выходе РПУ в дБ

 (2.44)

чувствительность РПУ - Е_а (мкВ/м или мВ/м)

По заданным величинам “a” и ”b”определяется необходимое изменение коэффициента усиления регулируемого каскада:

 (2.45)

Выбирается число регулируемых каскадов исходя из того, что один каскад позволяет получить глубину регулировки от 15 до 25 дБ:

 (2.46)

n_p.k.==0.9 ≈1

Определяется требуемое напряжение управления, снимаемое с выхода детектора АРУ:

 (2.47)

∆Е_упр =350мВ

При применении простейших схем детектора АРУ (последовательной или параллельной), имеющий малый угол отсечки, его коэффициент передачи близок к единице. Поэтому:

 (2.48)

В качестве детектора АРУ применяем ИС: К1ДА191

Заключение

В результате выполнения курсового проекта, студентом был приобретен навык расчета и проектирования супергетеродинного РПУ, а также разработана схема электрическая принципиальная к нему. Также изучена документация к элементам приемника и их характеристики.

Литература

1.  Белкин М.К., Белинский В.Т., Мазор Ю.Л., Терещук В.М. Справочник по учебному проектированию приёмно-усилительных устройств. Киев, «Высшая школа»,1988.

.    Екимов В.Д., Павлов К.М. Проектирование радиоприёмных устройств. Москва, «Связь», 1970.

3.       Лавриненко В.Ю. справочник по полупроводниковым приборам. Киев, «Техника», 1980.

4.  Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник под редакцией Горюнова Н.Н. Москва, «Энергоатомиздат», 1985.

.    Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и ИС. Под редакцией Горюнова Н.Н. Москва, «Энергия», 1976.

6.       Интегральные микросхемы. Справочник под редакцией Тарабарина В.В. Москва, «Энергоатомиздат»,1986.