Проектирование радиоприемного устройства с учетом научно-технического прогресса

Проектирование радиоприемного устройства с учетом научно-технического прогресса

Введение

Радиоприемное устройство является частью системы передачи сообщений, использующей для этого энергию радиоволн. Оно предназначено для улавливания, преобразования и использования электромагнитной энергии, принятой от радиопередающей станции. Обычно радиоприемное устройство включает в себя: антенну, приемник и оконечное устройство воспроизведения сигналов.

По назначению различают приемники связные, радиовещательные, телевизионные, радиорелейных и телеметрических линий, радиолокационные, радионавигационные и др. При проектировании и расчете радиоприемного устройства учитывается целый ряд требований, обуславливающих качество работы. Характер предъявляемых требований определяется в зависимости от назначения приемного устройства. Однако ряд качественных показателей и требований, обусловливающих нормальную работу приемника, могут быть принимаются как основные показатели:

1 Перекрытие заданного диапазона частот;

2 Чувствительность;

3 Избирательность;

4 Мощность на выходе;

5 Устойчивость и надежность;

6 Стоимость и экономичность.

Основными задачами, решаемыми в проекте, являются обеспечение заданных параметров, реализация РПУ с учетом научно - технического прогресса.

1. Выбор структурной схемы радиоприемника

Выбор структуры РПУ происходил на основе программы Analiz_RPU (dipl_pr.exe). Эта программа для проектирования и расчета основных параметров РПУ, таких как коэффициент усиления, коэффициент шума, избирательность по соседнему каналу, по зеркальному каналу, по побочному каналу. Данная программа позволяет, изменяя характеристики каскадов радиоприемного тракта, получить необходимые результаты.

На начальных этапах проектирования с учетом полученных базовых знаний была разработана схема супергетеродинного приемника, потому что существенное улучшение большинства показателей РПУ достигается на основе принципа преобразования частоты принимаемого сигнала (переноса его в частотную область), где он может быть обработан с наибольшей эффективностью. Самое широкое распространение во всех радиодиапазонах получила построенная на этом принципе схема супергетеродинного УКВ ЧМ - приемника (рис. 1).

Рис. 1 Структурная схема супергетеродинного приемника

Антенна телескопическая

ВЦ - входная цепь;

УРЧ - усилитель радиочастоты;

СМ - смеситель; Г- гетеродин;

ФОС - фильтр основной селекции;

УПЧ - усилитель промежуточной частоты;

АО - амплитудный ограничитель; Д - детектор;

СД - стерео декодер;

УНЧ - усилитель низкой (звуковой частоты).

В таком приемнике сигналы частоты f_C преобразуются в преобразователе частоты (ПЧ), состоящем из смесителя (СМ) и генератора вспомогательных колебаний - гетеродина (Г) в колебания фиксированной, так называемой промежуточной частоты f_ПР, на которой и осуществляется основное усиление и частотная избирательность. Для того чтобы f_ПР оставалась постоянной при перестройке приемника в некотором диапазоне частот f_С, осуществляется сопряженная перестройка ВЦ, резонансных цепей УРЧ и гетеродина. Но в результате расчетов полученных с помощью программы выяснилось, что данная схема не полностью удовлетворяет поставленным требованиям: не обеспечивается необходимая избирательность по соседнему, зеркальному, побочному каналам. Чтобы решить эту проблему необходимо добавить дополнительные входные цепи и фильтры. В результате дополнения схемы недостающими каскадами получилась структура: ВЦ - УРЧ - ВЦ - УРЧ - ВЦ - СМ (Г) - ФОС - УПЧ - ФОС - УПЧ - АО - Д - СД - УНЧ, которая обеспечила требуемые избирательности.

2. Расчет телескопической антенны

Расчет производится по формулам из источника [ ].

Коэффициент перекрытия:

= w1/w2 = 2*p*108*10⁶/2*p*100*10⁶ = 1.08

Коэффициент перекрытия получился небольшой, так как диапазон частот узкий, поэтому можно произвести расчеты на средней частоте 104МГц.

Высота антенны l=0.4м;

Длина волны на средней частоте

,

где с - скорость света,- средняя частота Гц;

Так какl/l=0,4 / 2,88=0.14l<l /4, 0,4<0,75 то действующая высота антенны определится

Входной импеданс несимметричной антенны:

,

,

,

 - коэффициент фазы;

 погонная емкость;

определяются по графикам (зависят от габаритов приемника и антенны)

А=20 см - высота; В=30 см - длина; D=10 см - ширина; r = 2,5 мм - средний радиус антенны; y = А/В; n = D/B

 емкость антенны;

емкость корпуса.

Таким образом, входной импеданс несимметричной антенны:

отметим, что реактивная составляющая получилась со знаком минус, т.е емкостной характер цепи.

3. Предварительный расчет основных показателей радиоприемного тракта

1)   Коэффициент передачи по мощности:

 реальная чувствительность,

где Е - чувствительность по полю;

 входная и выходная мощности

коэффициент передачи по мощности

1)   Коэффициент усиления линейного тракта:

дБ,

где k₃=2 - коэффициент запаса, учитывающий старение электрических компонентов

1)   Пороговая чувствительность

Значение пороговой чувствительности определяется при соотношении сигнал-шум на выходе с/ш = 1 или с/ш = 0 дБ. Так как разрабатываем приемник ЧМ стерео, то на выходе с/ш = 46 дБ, поэтому

 учитывается то, что 0 дБ = 1мкВ;

,08-46 = -21,92 дБ = 0,08 мкВ - пороговая чувствительность.

1)   Полоса пропускания тракта

Ширина спектра сигнала определяется:

Dfм = 75 кГц - девиация частоты в системе с пилот - тоном. Для осуществления качественного декодирования сигнала КСС (канал стерео сигнала) применяется пилот - тон;в - верхняя воспроизводимая частота;

Пш = 220кГц - шумовая полоса тракта основной селекции Птос;

Погрешность частоты выбиралась как приближенное значение:

суммарная погрешность установки частоты; - погрешность установки частоты сигнала в передатчике; - погрешность настройки приемника; - изменение частоты сигнала за счет эффекта Доплера ( для подвижных средств связи ); - погрешность 1-й, 2-й, …, i-й частот гетеродинов (опорного сигнала) и настройки фильтра тракта основной селекции.

1)   Коэффициент шума

Рассмотрим неравенство:

где m - глубина модуляции

- постоянная Больцмана;

 - стандартная температура приёмника;

N = 10*lg2,8 = 4,49 дБ.

Коэффициент шума получился небольшим, поэтому необходимо проектировать на элементах, имеющих как можно меньший коэффициент шума, это и транзистор, который используется в УРЧ, и характеристика микросхемы.

4. Расчет входной цепи

Рассчитаем одноконтурную входную цепь с трансформаторной связью (т.к. реактанс антенны носит емкостной характер)с антенной при переменной настройке [ ].

При коэффициенте диапазона менее 1,3 - 1,5 целесообразно подгонку коэффициента диапазона выполнять с помощью последовательного конденсатора Спосл, так как это обеспечивает большее его характеристическое сопротивление и лучшие селективные свойства каскадов с таким контуром. Подстроечный конденсатор Сп в данном случае используется для выравнивания начальных емкостей всех контуров радиотракта с целью обеспечения их одноручечной настройки. Емкость последовательного конденсатора определяется формулой:

Используемые значения емкостей (пФ) выбираются по таблице для заданных частот. Максимальная эквивалентная емкость контура:

индуктивность контурной катушки вычисляется на минимальной частоте, полученное значение по таблице приемлемо для реализации.

Антенна для приемника постоянна, поэтому можно считать

Из рассчитанных ранее данных, выходная емкость антенны равна 5,36пФ. Предположим емкость катушки связи равной 1пФ и емкость монтажа - 1пФ. Тогда емкость антенного контура будет СА’=5,36+1+1=7,36пФ. Индуктивность катушки связи должна быть

Применяем компенсацию расстройки контура антенной на средней частоте диапазона. Вычисляем коэффициенты и коэффициент связи между катушками при допустимой расстройке

Найдем коэффициент связи в режиме согласования [ ]

затухание антенного контура и связи задаются такими, потому что существует Rcв>>RA.

Коэффициент связи между катушками при допустимой растройке больше, чем в режиме согласования. Выбираем меньший, чтобы получить максимальный коэффициент передачи при заданном эквивалентном затухании контура.

Вычислим проводимости контура и антенного контура:

Собственную добротность контура выбираем с учетом коэффициента шунтирования последующими электронными приборами. Для биполярного транзистора коэффициент шунтирования равняется 2,5, а собственная добротность больше либо равна произведению коэффициента шунтирования на эквивалентную добротность (50*2,5=120).

Если требуется наилучшая возможная селективность входной цепи при минимально допустимом коэффициенте передачи К0.в.ц., то коэффициенты включения антенной цепи и входа первого каскада к контуру вычисляются по уравнениям:

рассчитали необходимый коэффициент связи, он получился больше коэффициента связи между катушками при допустимой расстройке, и для того чтобы добиться максимального коэффициента передачи входной цепи, за коэффициент связи примем меньшее значение.

Для компенсации расстройки контура на средней частоте диапазона увеличим индуктивность контурной катушки на:

Коэффициент передачи входной цепи:

5. Расчет УРЧ

Транзистор для высокочастотного тракта желательно выбирать, используя условие

,(5-1)

где - частота принимаемых сигналов;

 - граничная частоты крутизны характеристики в схеме с ОЭ;

- коэффициент частотного использования.

При  параметры транзистора практически не зависят от частоты. При этом все параметры имеют самые наилучшие значения для их использования в высокочастотных трактах радиоприёмных устройств.

Таким образом, необходимо выбирать транзистор так, чтобы

(5-2)

Транзистор выбирают также таким образом, чтобы они имели как можно меньший коэффициент шума.

Из справочника выбираем транзистор КТ399А, который является одними из лучших с точки зрения шумовых характеристик и его граничная частота удовлетворяет условию (1-3). Параметры транзистора на частоте 100 МГц при токе коллектора Ik=1мА приводятся в расчетах по тексту. Важно отметить, что коэффициент шума транзистора Nшmin=<2 дБ (1,3 - 1,7 дБ) - (справочные данные).

В каскаде УРЧ используется транзистор КТ399А с коэффициентом шума 2 дБ. Таким образом, получаем

Nш = 1/(Квх.ц.)²+(Nш-1)/(Квх.ц.)² = 1/(1,7)²+(1,58-1)/(1,7)² =0,55

При предварительных расчётах получили, что минимально достижимый коэффициент шума при одном каскаде УРЧ получился меньше допустимого коэффициента шума, который равен 4,49 дБ.

В усилителе радиочастоты используется двухкаскадная УРЧ с автотрансформаторной связью. В приложении 2 показана схема одного каскада УРЧ.

В качестве активного элемента применяется транзистор КТ399А.

Определяем изменение обратного тока коллектора

где  - обратный ток коллектора транзистора КТ399А.

Находим тепловое смещение напряжения базы

где .

Рассчитаем необходимую нестабильность коллекторного тока

Вычисляем сопротивление

выбираем резистор с 517 Ом;

Вычисляем сопротивление

выбираем резистор с 1870 Ом;

Находим и , напряжения делителя:

выбираем резистор с 115 кОм;

Подсчитываем ёмкости и

Входное сопротивление усилителя

где - входное сопротивление транзистора.

Разделительная ёмкость

где ; ; .

Рассчитаем устойчивое усиление:

где ку=0,8 - 0,9, С12 = 0,4*С22 = 0,4*4*10^-12пФ;

минимально осуществимое затухание контура

Пересчитаем параметры к входу приемник:

6. Выбор промежуточной частоты

Промежуточную частоту выбираем из следующих соображений [ ]:

.         Промежуточная частота не должна находиться в диапазоне частот приемника или близко от границ этого диапазона.

.         Промежуточная частота не должна совпадать с частотой какого-либо мощного передатчика.

.         Для получения хорошей фильтрации промежуточной частоты на выходе детектора должно быть выполнено следующее условие:

(1.1)

где  - верхняя частота модуляции.

С увеличением промежуточной частоты:

·   улучшается избирательность по зеркальному каналу;

·   ухудшается избирательность по соседнему каналу;

·   растет полоса пропускания;

·   уменьшаются входное и выходное сопротивление электронных приборов, что приводит к увеличению шунтирования контуров, а также уменьшению крутизны транзисторов;

·   ухудшается устойчивость УПЧ;

·   уменьшается коэффициент передачи на каскад за счет уменьшения резонансного сопротивления контуров и ухудшения параметров электронных приборов;

·   уменьшается вредное влияние шумов гетеродина на чувствительность приемника;

С уменьшением промежуточной частоты:

·   Улучшается избирательность по соседнему каналу;

·   Ухудшается избирательность по зеркальному каналу;

·   Сужается полоса пропускания;

·   Увеличивается входное и выходное сопротивления электронных приборов, что приводит к уменьшению шунтирования контуров;

·   Улучшается устойчивость УПЧ;

·   Увеличивается коэффициент передачи на каскад[екимов].

Выбираем стандартную промежуточную частоту 10,7 МГц,так как выбор нестандартной приводит к значительному удорожанию всего приемника.

7. Выбор микросхемы и расчет общего коэффициента усиления РПУ

радиоприемник антенна усилитель микросхема

Выбор микросхемы осуществлялся с учетом следующих параметров:

·   Необходимое напряжение питания;

·   Диапазон принимаемых частот;

·   Чувствительность должна быть не выше заданной;

·   Реализована АПЧГ;

·   Схема должна позволить упростить реализацию разработанного РПУ.

В результате выбрана микросхема ТЕА5711. При анализе данной микросхемы выяснилось, что требуются фильтры основной селекции, амплитудный ограничитель, УНЧ.

Выбраны керамические фильтры (фирмы Murata):

SFE 10,7 MS2 - A c параметрами():

·   Полоса пропускания на уровне 3 дБ мин. - 230+-50(кГц)

·   Полоса пропускания на уровне 20 дБ макс. - 570(420)(кГц)

·   Вносимые потери - 6(4)(дБ)

·   Подавление в полосе задержания - 40(45)(дБ)

При подстановке этих данных в программу необходимая избирательность по соседнему каналу обеспечилась.

В качестве амплитудного ограничителя выбран дискриминаторный фильтр (фирмы Murata), предложенный на типовом включении микросхемы, CDA 10,7 MC 40. В качестве УНЧ выбрана микросхема TDA 1517. Выходная мощность 6 Вт на сопротивлении нагрузки 4 Ом, значит выходное напряжение 4,8 В. Таким образом, исходя из данных ТЕА5711 на ее выходе, при входном сигнале 8,4 мВ имеем 10 мВ. В итоге общий коеффициент усиления РПУ 109,5дБ, что выще рассчитанного ранее.

Заключение

1)   В результате проделанной работы был спроектирован и рассчитан радиовещательный УКВ - стереоприемник с параметрами:

·   избирательность по зеркальному каналу: 80дб;

·   избирательность по ПЧ: 75дб;

·   избирательность по соседнему каналу: дб;

·   полоса пропускания ПЧ 12 кГц;

·   регулировка АРУ: при изменении входного напряжения на 60 дБ выходное изменяется на 6дБ;

·   выходная мощность: 5,8Вт;

·   выходное сопротивление: 4Ом;

·   коэффициент усиления: 118дБ;

·   max коэффициент шума: 13дБ.

2)   Основным элементом РПУ является микросхема К174ХА36А, выполняющая функции усиления РЧ, преобразования ВЧ, усиления ПЧ, амплитудного детектирования, предварительного усиления НЧ. Для обеспечения высокой селективности по зеркальному каналу до нее располагаются два каскада УРЧ, нагруженные на одиночные контуры. В качестве усилителя звуковой частоты использована микросхема LA4422, которая обеспечивает необходимое выходное напряжение.