Разработка радиовещательного приемника ЧМ-сигналов

Введение

Назначение радиоприёмного устройства (РПУ) - обеспечить воспроизведение передаваемого сообщения при воздействии на него радиоволн, поступающих от радиопередающего устройства. Сообщение пропорционально закону изменения (модуляции) одного из параметров. Для этого принятый сигнал высокой частоты преобразуют (детектируют) выделяя полезную информацию.

1.      преобразование энергии электромагнитного поля в токи и напряжения;

2.      выделение сигнала из помех;

.        усиление радиосигнала;

.        преобразование радиосигнала в первичный передаваемый сигнал;

.        преобразование первичного передаваемого сигнала в сообщение.

Радиовещательные приемники должны быть дешевыми, иметь не сложную схему и простое управление, так как используются в массовом производстве и служат для индивидуального пользования.

Большинство современных приемников построено по супергетеродинной схеме. Все супергетеродинные приемники состоят из трех частей: линейного тракта, демодулятора, и устройств регулировок и управления. Линейный тракт построен из входной цепи, усилителя радиочастоты, смесителя, гетеродина, усилителя промежуточной частоты.

1      

. Анализ и выбор направления проектирования

При анализе задания было решено построить радиоприемное устройство по супергетеродинной схеме, так как данная схема обеспечивает относительно высокую помехоустойчивость.

Было решено использовать простую типовую схему приемника непрерывных сигналов с ЧМ (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 - Структурная схема приемника

В качестве демодулятора применяется частотный детектор (ЧД), за которым обычно следует усилитель низкой частоты (УНЧ) приемника.

2. Расчет структурной схемы приемника

.1 Задача расчета

Типовая структурная схема современного приемника содержит основные узлы, изображенные на рис. 2.1. Там же обозначены коэффициенты передачи отдельных узлов и уровни напряжений на входе каждого из них при задающем напряжении или напряженности поля, равными чувствительности приемника. В результате эскизного расчета все эти величины должны быть заменены численными значениями.

Тип используемого детектора (АД, ЧД, ОМД) зависит от вида модуляции сигнала, в нашем случае ЧД. Система АРУ в приемнике ЧМ сигналов как правило отсутствует.

Для обоснования структурной схемы нужно:

выбор значения промежуточной частоты, избирательных систем тракта ПЧ и преселектора;

выбор элемента настройки и обоснование способа настройки;

выбор детектора приемника;

выбор активных приборов (АП) ВЧ тракта и проверку возможности удовлетворения требований ТЗ при выбранной элементной базе;

выбор ИМС УЗЧ и типа динамической головки;

выбор узлов схемы питания приемника.

приемник детектор сигнал преобразователь

2.2 Выбор значения промежуточной частоты

Число преобразований частоты в приемнике и значение промежуточной частоты f_ПЧ выбирается, в первую очередь, из условий обеспечения требований по ослаблению зеркального (sЗК) и соседнего (sСК) каналов, а также с учетом других факторов. В проектируемых приемниках эти требования обычно могут быть обеспечены при использовании одного преобразования частоты и стандартного значения fпч. В бытовой аппаратуре приняты следующие значения fпч:

465 кГц в радиовещательных приемниках АМ сигналов (диапазоны ДВ, СВ, КВ);

10.7 МГц в радиовещательных приемниках ЧМ сигналов (диапазон УКВ);

500 кГц в приемниках ОМ сигналов (диапазон КВ).

В нашем случае fпч будет 10.7 МГц. Выбор указанного значения fпч позволяет использовать в тракте ПЧ интегральные фильтры сосредоточенной избирательности (ФСИ), выпускаемые промышленностью.

2.3 Выбор избирательной системы тракта ПЧ

Основную роль в формировании резонансной характеристики приемника и обеспечении требований ТЗ по ослаблению соседнего канала играет тракт промежуточной частоты. Полоса пропускания приемника (П) приблизительно равна полосе пропускания тракта ПЧ. Исключение составляют приемники ДВ и СВ диапазонов, где полоса пропускания приемника оказывается более узкой, чем полоса пропускания тракта ПЧ.

Значение полосы пропускания приемника определяют следующим образом:

где  и  - относительные нестабильности частот сигнала и гетеродина

В нашем случае П не превышает

В современных приемниках избирательность тракта ПЧ обеспечивается ФСИ. Выбор ФСИ производят исходя из требований ТЗ по ослаблению соседнего канала (sСК) и выбранного значения полосы пропускания приемника. Для выбранного ФСИ по указанному затуханию определяют его коэффициент передачи напряжения на центральной частоте K0 Ф.

Если в качестве ФСИ выбирается пьезокерамический фильтр (ПКФ), то следует иметь в виду, что за границами полосы пропускания он обеспечивает сравнительно малое (40…50 дБ) ослабление, не возрастающее с увеличением отстройки. Этого может оказаться недостаточно для ослабления колебаний с частотой гетеродина, поэтому между преобразователем частоты и ФСИ всегда ставят согласующий контур с полосой пропускания DFСК = (2…3) DFФ, который помимо согласования выходной проводимости преобразователя с входной проводимостью фильтра обеспечивает необходимое ослабление при больших отстройках.

2.4 Определение числа и типа избирательных систем преселектора

Число избирательных систем преселектора в каждом диапазоне определяют исходя из заданного ослабления зеркального канала (sЗК), которое должно обеспечиваться на максимальной частоте диапазона (f0 = fmax), т.е. в «худшей точке».

Задаемся значением конструктивной (максимальной реализуемой на данной частоте) добротности контура преселектора Qк. Ориентировочные значения Qк в УКВ диапазоне следующие: - от 60 до 120. Выберем ориентировочно 100.

Оцениваем значения добротности эквивалентного контура:

кэ = (0.6…0.8) Qк =0.7·100=70

и его полосы пропускания:

Пкэ = f0 / Qкэ=72·10⁶ /70=1057142 Гц

Рассчитываем крутизну характеристики избирательности преселектора (в децибелах на декаду), при которой будет обеспечено выполнение требований ТЗ по ослаблению зеркального канала:

,

где 3 дБ - ослабление на границах полосы пропускания.

Рассчитываем число колебательных контуров преселектора

,

где round означает округление аргумента до ближайшего целого, превышающего аргумент; 20 дБ/дек - крутизна характеристики избирательности одного колебательного контура за пределами полосы пропускания.

При m_прес = 2 в преселекторе целесообразно использовать одноконтурное входное устройство и резонансный УРЧ, который помимо дополнительного ослабления помех обеспечивает снижение коэффициента шума приемника.

Приняв решение о числе колебательных контуров преселектора и значении их добротности, проверяем выполнение требования ТЗ по ослаблению помехи с частотой, равной промежуточной (), на частоте диапазона (f0), ближайшей к fпч:

,

где .

.5 Выбор способа и элемента настройки

При электронной настройке изменение емкости контуров происходит путем изменения управляющего напряжения на варикапах, выполняющих функции КПЕ. Изменение управляющего напряжения может происходить автоматически по программе управляющего микропроцессорного устройства, либо вручную - путем изменения сопротивления переменного резистора, включенного в цепь формирования управляющего напряжения.

Необходимо обратить внимание и на значения управляющего напряжения. При работе с Uу = - (1…3) В варикап обладает малой добротностью, однако крутизна его вольт-фарадной характеристики максимальна, что обеспечивает эффективное изменение резонансной частоты контура. Работа в области высоких значений управляющего напряжения Uу = - (10…25) В обеспечивает максимальную добротность варикапа, при низкой эффективности регулировки. На выбор пределов изменения Uу влияет и ограниченная величина напряжения питания. В приемниках с батарейным питанием необходимо использовать типовые преобразователи напряжения.

Для работы в диапазоне УКВ - КВ109, КВ111, КВ121 и др. Возможно использование варикапных матриц КВС120Б и КВС120А, аналогичных двух и трехсекционному КПЕ.

По вольт-фарадной характеристике выбранного варикапа следует определить пределы изменения емкости настройки Cн мин, Cн мах и соответствующие пределы изменения управляющего напряжения Uу мах, Uу мин. Эти параметры необходимы в дальнейших расчетах.

2.6 Выбор детектора сигнала и преобразователя частоты

Для детектирования ЧМ сигнала выберем К174ХА34.

.7 Выбор активных приборов ВЧ тракта и распределение усиления по каскадам

Определение требуемого усиления ВЧ тракта

Исходными величинами для расчета требуемого коэффициента усиления ВЧ тракта являются заданное в ТЗ значение чувствительности по напряжению Uа0 [мкВ]. С учетом производственного разброса параметров и старения элементов необходимо обеспечить:

.

Каскады ВЧ тракта (ВхУ, УРЧ, ПрЧ, ФСИ, УПЧ) должны в совокупности обеспечить усиление не менее , то есть необходимо иметь: K0 вх * K0 урч * K0 пр * K0 ф * K0 упч =K0 треб.

Оценка коэффициента передачи входного устройства

Значение K₀ вх существенно зависит от типа первого активного прибора (АП1). При использовании биполярного транзистора колебательный контур входного устройства подключается ко входу транзистора частично с коэффициентом включения приблизительно 0.1…0.3. Ориентировочные значения K₀ вх при использовании в качестве АП1 биполярного транзистора в диапазоне УКВ равны 1.0…2.0.

К затвору полевого транзистора контур входного устройства, как правило, может быть подключен полностью, поэтому K₀ вх будет в несколько раз больше.

Выбор активного прибора УРЧ и оценка коэффициента передачи УРЧ

Каскады УРЧ выполняют, как правило, на дискретных транзисторах. В УРЧ находят применение как биполярные (БТ), так и полевые (ПТ) транзисторы. Биполярные транзисторы обладают большей проводимостью прямой передачи (y21) и работают при небольшом потребляемом токе (1…2 мА).

Полевые транзисторы работают при токе 5…10 мА и имеют небольшие значения y21. Высокое входное сопротивление ПТ позволяет сильнее связывать его с контуром ВхУ, получая при этом большие значения K0 вх. В результате К0 прес = К0 вх * К0 урч оказывается достаточным для обеспечения нормальной работы преобразователя частоты. Основное преимущество ПТ в существенно лучших параметрах многосигнальной избирательности, определяемых отношением y21 ///y21. На этапе эскизного расчета рекомендуется рассмотреть возможность построения УРЧ как на биполярном, так и на полевом транзисторе, сравнить их свойства и выбрать наилучший вариант.

Конкретный тип транзистора УРЧ выбирают из следующих соображений:

. В пределах диапазона рабочих частот модуль проводимости прямой передачи (y₂₁) должен оставаться приблизительно постоянным.

. Коэффициент шума транзистора должен быть по возможности малым.

. Коэффициент устойчивого усиления на высшей рабочей частоте () и предельный коэффициент усиления (), рассчитанные по выражениям (2.2) и (2.3), желательно иметь как можно больше.

Проверим для транзистора КТ3127А

, (2.2)

, (2.3)

где y₁₂ = wС₁₂.

Задаемся значением коэффициента усиления УРЧ. В качестве K0 УРЧ можно принять рассчитанное по значению K0 УСТ, если оно не превышает 5. В противном случае во избежание перегрузки преобразователя частоты полагаем K0 УРЧ = 3….5.

Параметры ВхУ и УРЧ взаимозависимы. Учет их влияния друг на друга и на свойства преселектора в целом, в том числе с точки зрения параметров многосигнальной избирательности, был проведен в соответствии с рекомендациями.

2.8 Проверка реализации требуемого отношения сигнал/шум на выходе приемника

Предполагаем, что усиление УРЧ достаточно (K0 УРЧ > 3) и в силу этого можно пренебречь вкладом шумов последующих каскадов в общий уровень шума приемника.

Определяем коэффициент шума первого активного прибора (АП1)

где  и  (значения минимального коэффициента шума активного прибора и проводимости генератора, при которой он обеспечивается) берутся из справочных данных на АП1;  - проводимость генератора, которую «видит» АП1 в реальной схеме, - принимается равной (2…3) * g11. Значение  в формулу должно быть подставлено в разах

Рассчитываем напряжение шума приемника, приведенное ко входу АП1. Все физические величины здесь и далее имеют размерность основных единиц системы СИ.

Определяем отношение сигнал / шум на входе приемника при уровне сигнала равном чувствительности:

Вычисляем отношение сигнал / шум на выходе приемника:

при приеме ЧМ сигналов и работе выше порога (z_вх > z_{вх пор}~ 5)

 [57дБ]

где  - нормальная девиация сигнала ( = 15 кГц),  - граничная частота эквивалентной шумовой полосы последетекторного тракта, определяемая в основном корректирующей цепью, включаемой после ЧД для компенсации предыскажений. В радиовещании корректирующая цепь представляет собой однозвенный ФНЧ с постоянной времени t_кц = 50 мкс (см. рис. 8.2) и

Если zВХ < zВХ ПОР, то значение zВЫХ будет неудовлетворительным.

Сравниваем полученное значение zВЫХ с требованиями ТЗ.

При невыполнении требований ТЗ следует выбрать первый активный прибор с меньшим значением KШ и по возможности увеличить K0 ВХ. Если рассматривалась структура без УРЧ, то следует ввести его. В приемнике ЧМ сигналов следует рассмотреть также возможность использования порогопонижающей схемы ЧД на основе системы ФАПЧ (zВХ ПОР ~ 2) [13]

2.9 Выбор ИМС УЗЧ, динамической головки и узлов блока питания

Для УЗЧ выбрали ИМС TDA 7050.

Микросхема TDA 7050 - усилитель мощности в корпусе DIP8, как правило, применяется для усилителя к наушникам, работает в диапазоне от 1.6В до 6В, при малом потреблении тока. Мощность усилителя зависит от напряжения питания, при максимальном питании в 6В и нагрузку в 32 Ом - до 100мВт. Существует второй способ включения микросхемы - мостовая схема. При ее использовании в монофоническом варианте, мощность усилителя возрастает вдвое.

Технические параметры:

Количество каналов: 2

Выходная мощность, Вт 2x0.075

Напряжение питания, В 6

Тип корпуса DIP8

Напряжение на нагрузке, В 4.5

Сопротивление нагрузки, Ом 32

Вид напряжения питания: Однополярное

Назначение выводов TDA7050:

3. Расчет каскадов приемника

3.1 Расчет одноконтурной входной цепи с постоянной настройкой.

Рассчитаем входную цепь для поддиапазона 12 переносного приемника 1 класса со следующими исходными данными:  );;.

Возможный вариант схемы входной цепи показан на рис.

Средняя частота поддиапазона 12 равна 70.75 МГц, а параметры транзистора для нее , . Собственная проводимость контура по формуле 0.02·6.28·7075·10⁴·2·10^-11=0.000178 Cм.

Так как , то коэффициент передачи и эквивалентное затухание вычисляются по формулам:

 и .

Для нашего случая из таблицы  и . Чтобы получить эквивалентное затухание находим:

.

По первой формуле вычисляем

Рассмотрим построение входной цепи для минимального эквивалентного затухания, полагая =0.3.

По уравнению:

находим

что прочти вдвое лучше режима согласования. Поэтому мы применим этот режим работы входной цепи

Проверим эквивалентную емкость контура. Для схемы, выбранной нами, , , положим , . Тогда средняя емкость подстроечного конденсатора должна быть

Следовательно, заданная эквивалентность контура осуществима. Принимаем конденсатор КПК-1 с изменением емкости от 6 до 25пФ. Индуктивность контурной катушки вычисляем по уравнению

.

Полученная индуктивность катушки приемлема к реализации. Будем считать выходную емкость кабеля, соединяющего выход антенны с катушкой связи, равную 8 пФ, собственную емкость катушки связи 1 пФ и монтажную емкость, включающуюся параллельно катушке связи, 1 пФ. При этих условиях для настройки антенной цепи на среднюю частоту поддиапазона 12 согласно предыдущей формуле индуктивность катушки должна быть , что вполне осуществимо. Вычисляем взаимоиндуктивность между катушками из формулы

, .

Согласно формуле:

,

что осуществимо даже при однослойных катушках.

3.2 Расчет параметров колебательного контура при настройке варикапом

Выбираем варикап КВ109А. При максимальном численном коэффициенте из равенства  выбираем . В этом случае изменение емкости варикапа происходит от 7 до 17пФ. Выбираем последовательное соединение конденсатора для подгонки коэффициента диапазона и, согласно табличным данным, , по формулам

вычисляем коэффициенты:

 и

.

Из уравнения

получаем

.

По формуле

Вычисляем:

и по равенству

.

При последовательном конденсаторе индуктивность контурной катушки получилась в 251/127=1.97 раз больше.

3.3 Расчет параметров каскада УРЧ

Параметры контура соответствуют предыдущим расчетам (,)

Рассчитаем режим работы по постоянному току. Принимаем напряжение на резисторе развязывающего фильтра  и находим  по формуле

.

Выбираем резистор сопротивлением 1кОм. Вычисляем

Вычисляем напряжение на эмитерном сопротивлении

 .

Ток базы в рабочей точке определяется

.

Сопротивление эмитерного резистора должно быть

.

Выбираем сопротивление 5,6кОм. Вычисляем

.

Выбираем конденсатор 51пФ.

Вычисляем

. Ток .

Отсюда вычисляем сопротивления резисторов делителя

 (120кОм)

 (8.2кОм)

4. Описание работы схемы

Сигнал радиочастоты поступает с антенны на широкополосный контур, состоящий из С1, С2, L1 и емкости переходов VT1. Применение такой схемы включения позволило обойтись без перестройки входных цепей при работе в диапазонах «УКВ». На VT1 собран первый каскад УВЧ, компенсирующий потери во входных цепях. Затем сигнал усиливается дополнительно VT2, нагрузкой которого является согласующий трансформатор Т1. Применение Т1 позволило отказаться от дополнительного контура. С обмотки II Т1 ВЧ-сигнал поступает на выводы 12 и 13 DA1. Дальнейшее преобразование происходит внутри DA1.

Конструкция К174ХА34 имеет ряд оригинальных решений. К ним относится построение тракта УПЧ на активных RC-фильтрах. В ИМС применена корреляционная система бесшумной настройки и частотной синхронизации, снижающая девиацию частоты и обеспечивающая тем самым малые нелинейные искажения при малой ПЧ.

К выводу 5 DA1 с помощью SA2 подключаются катушки гетеродина L2 или L3, которые задают диапазоны «FM» и «УКВ» соответственно. Перестройка приемника по частоте осуществляется варикапом VD4, на который подается напряжение настройки с переменного резистора R8. Напряжение настройки на R8 стабилизируется стабилизатором, состоящим из VT3, VD1…VD3, R6, R9. Эта схема уменьшает зависимость напряжения настройки от изменения питающего напряжения.

Низкочастотный сигнал с вывода 14 DA1 подается через цепь R12-C18-R11 на вход УЗЧ на DA2. ИМС УЗЧ включена по мостовой схеме, R10 задает ее рабочий режим. Микросхема УЗЧ не требует дополнительного охлаждения и сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 1,6 В.

Настройка приемника заключается в подстройке L2 и L3 так, чтобы при перестройке R8 перекрывался весь диапазон «УКВ»). Подстройкой L1 можно добиться выравнивания чувствительности в этих двух диапазонах. Величину R11 нужно подобрать по максимальному неискаженному ЗЧ-сигналу в громкоговорителе.

Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован и рассчитан согласно условиям задания радиовещательный приемник ЧМ - сигналов.

Само проектирование состояло из трех этапов:

Расчет структурной схемы приемника;

Расчет отдельных каскадов приемника;

Составление принципиальной схемы приемника.

В результате этого проектирования получен полный расчет приемника ЧМ - сигналов, работающего в диапазоне волн 72-89 МГц и чувствительностью, не хуже 6 мкВ.

Литература

1. Бобров Н.В. Расчет радиоприемников. - М.: Радио и Связь, 1981.

2.      Музыка З.Н. и др. Расчет высокочастотных каскадов радиоприемных устройств на транзисторах. - М.: Энергия, 1975;

.        Проектирование радиоприемных устройств / Под ред. А.П. Сиверса. - М.: Советское радио, 1976;

4. Справочник по электрическим конденсаторам. /М.Н. Дьяконов, В.И. Карабанов, В.И. Пресняков и др. / Под общ. ред. И.И. Четверткова и В.Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1983;

5.      Транзисторы: Справочник/О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев - М.: Радио и связь, 1989.