рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Стадия эскизного проектирования

Стадия эскизного проектирования - Курсовой Проект, раздел Образование, Методические указания по курсовому проектированию. Эскизное проектирование и расчет преселектора   2.1. Анализ Технического Задания И Выбор Структурной Схемы Пр...

 

2.1. Анализ технического задания и выбор структурной схемы приемника.

 

На стадии эскизного проектирования решается ряд задач, связанных с определением структурной схемы, предварительным выбором схемных решений отдельных узлов и ориентировочной оценкой технических параметров каждого узла, которые необходимы для удовлетворения требований технического задания.

Первым и очень существенным этапом эскизного проектирования является анализ технического задания (ТЗ). В процессе анализа проводится оценка заданных технических требований с точки зрения сложности их выполнения. Для этого целесообразно воспользоваться содержанием стандартов на радиовещательный приемник [1], и, сравнив их с требованиями ТЗ, ориентировочно оценить группу сложности проектируемого приемника. При этом следует особо выделить такие пункты требований ТЗ, которые являются более жесткими, чем это характерно для выбранной группы сложности. Например, оценив все пункты ТЗ и сравнив их со стандартом, студент пришел к выводу, что в среднем данный приемник соответствует 2-й группе сложности, однако требования по одному из параметров — избирательности по зеркальному каналу — существенно превышают обычный уровень требований к этой группе.

Удовлетворение таких повышенных требований является, как правило, одним из центральных моментов проектирования и требует особого внимания разработчика.

По результатам анализа ТЗ целесообразно (но вовсе не обязательно) выбрать прототип разрабатываемого приемника, т.е. один из промышленно выпускаемых радиоприемников, параметры которых близки к требованиям ТЗ. Разумеется, выбор прототипа имеет смысл лишь тогда, когда имеется его принципиальная схема и достаточно подробное описание. В этом случае схемотехника некоторых узлов приемника может быть позаимствована из прототипа. При этом, однако, обязательным является обоснование такого выбора и электрический расчет элементов схемы.

Следующим этапом эскизного проектирования является выбор и обоснование структурной схемы проектируемого радиоприемника. Из всех известных типов структурных схем в настоящее время для радиовещательных приемников, как правило, используется супергетеродинный тип приемника с однократным преобразованием частоты. Поэтому для выполнения курсового проекта следует остановиться на этом типе, если техническим заданием особо не оговорено другое построение структурной схемы. В отдельных случаях преподаватель может задавать какой-либо особенный вид структурной схемы, например, приемник на принципе синхронного детектирования для диапазонов с амплитудной модуляцией или приемник с использованием частотного детектора на основе фазовой автоподстройки частоты для УКВ ЧМ диапазона и т.д. Эти случаи особо оговариваются при составлении ТЗ и, как правило, основное внимание при проектировании уделяется этим особенным узлам.

Итак, в большинстве случаев для проектирования радиовещательного приемника за основу может быть принята общая структурная схема, приведенная на рис.1

 
 


Рис. 1

 

На данной схеме обозначены: Вх У - входное устройство, УРЧ – усилитель радиочастоты, ПрЧ – преобразователь частоты, ФСИ – фильтр сосредоточенной избирательности, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, Д – детектор сигнала, УЗЧ – усилитель звуковой частоты. Обозначены также их коэффициенты передачи, входные и выходные напряжения. Все эти величины должны быть выбраны в процессе эскизного проектирования.

В окончательном варианте структурной схемы некоторые блоки могут отсутствовать. Например, если чувствительность и избирательность по побочным каналам приема может быть обеспечена без применения УРЧ, его следует исключить. В то же время, в соответствии с конкретным типом задания в схему должны быть добавлены другие необходимые узлы. Например, в приемниках сигналов с амплитудной модуляцией (АМ), как правило, необходимо наличие блока автоматической регулировки усиления (АРУ). В приемниках сигналов с частотной модуляцией (ЧМ) она обычно отсутствует, ее заменяет операция ограничения сигнала по амплитуде. В то же время, в таких приемниках часто применяется система автоматической подстройки частоты (АПЧ), которая должна быть предусмотрена на схеме. Тип детектора (амплитудный или частотный) выбирается в соответствии с типом модуляции принимаемого сигнала. Таким образом, в проекте должна быть изображена не типовая схема, приведенная на рис. 1, а конкретная схема, удовлетворяющая заданию, включающая дополнительные узлы, с указанием типа детектора.

В структурной схеме рис.1 основная избирательность по соседнему каналу обеспечивается в ФСИ, т.е. используется вариант УПЧ с сосредоточенной избирательностью. Хотя разработчик вправе выбрать другой вариант реализации, следует заметить, что схема с сосредоточенной избирательностью в УПЧ в настоящее время используется наиболее широко, что в значительной степени связано с широкой номенклатурой выпускаемых промышленностью фильтров сосредоточенной избирательности.

После того, как выбран вид структурной схемы радиоприемника, необходимо определить предварительные значения параметров каждого блока схемы, а также способ построения каждого блока, который обеспечит получение таких параметров. Под способом построения подразумевается выбор числа каскадов УРЧ, УПЧ, УЗЧ, тип схемы каждого каскада, включая преобразователь частоты и детектор, выбор типов активных приборов и др. Ключевым моментом данного этапа являются: выбор числа поддиапазонов и способа перестройки приемника, распределение показателей избирательности по каскадам, распределение коэффициента передачи приемника по трактам и блокам структурной схемы.

 

2.2. Выбор числа поддиапазонов и способа перестройки приемника

 

Количество принимаемых частотных диапазонов и их границы задаются, как правило, в ТЗ. При этом в курсовом проекте часто требуется провести детальный расчет лишь для одного диапазона, а для остальных ограничиться предварительным расчетом. Границы радиовещательных диапазонов ДВ, СВ, КВ, УКВ (УКВ-1) и FM (УКВ-2), а также разбивка КВ диапазона на поддиапазоны приведены в [2, приложение 1]. Поэтому в процессе проектирования выбор числа поддиапазонов требуется лишь в случае, если разработчик сочтет целесообразным произвести дополнительную разбивку заданных диапазонов на поддиапазоны.

Важной характеристикой частотного диапазона является коэффициент перекрытия диапазона Кд= fмакс /fмин, где fмакс и fмин — соответственно наибольшая и наименьшая частоты данного диапазона. Если Кд ³ 2 (например, в диапазонах ДВ, СВ), могут встретиться трудности с перекрытием всего диапазона сразу, особенно, если заданы жесткие требования к неравномерности чувствительности приемника по диапазону, либо в качестве настроечного элемента выбран варикап (электронная перестройка). В этих случаях можно пойти на дополнительное разбиение такого диапазона на два поддиапазона. При этом для удобства пользования приемником следует провести разбиение по принципу одинаковых частотных интервалов, т.е.

 

fмакс1fмин1 = fмакс2fмин2 = (fмаксfмин)/2,

 

где fмакс, fмин — максимальная и минимальная частоты исходного диапазона, а fмакс1, fмин1 и fмакс2, fмин2 — соответственно максимальные и минимальные частоты первого и второго поддиапазонов.

Под выбором способа перестройки радиоприемника понимают выбор типа настроечных элементов. Известно [3], что перестройку колебательного контура можно производить изменением, как индуктивности, так и емкости. Индуктивная перестройка в настоящее время применяется редко как более сложная конструктивно. В прошлом такая настройка использовалась обычно в автомобильных приемниках УКВ диапазона, т.к. при использовании конденсаторов переменной емкости их вибрация приводила к частотной модуляции гетеродина, которая создавала дополнительные помехи и шумы.

Емкостная перестройка может производиться двумя способами: механическим, с помощью блока конденсаторов переменной емкости (КПЕ), либо электронным, с помощью варикапов — емкостных диодов, управляемых напряжением. Значения емкостей КПЕ Смин и Смакс либо задаются в ТЗ на проектирование, либо выбираются из номиналов конденсаторов, изготавливаемых промышленностью, на основании справочной литературы. Типы варикапов, в случае электронной перестройки, также выбираются по справочникам, исходя из требуемых Смин, Смакс , коэффициента перекрытия по емкости Смакс/Смин , а также учитывая величину добротности варикапа Qв в заданном диапазоне частот.

С точки зрения современной схемотехники, безусловно, рекомендуемым является электронный способ перестройки. В настоящее время производятся варикапные матрицы, состоящие из двух-трех варикапов, имеющих значительный коэффициент перекрытия по емкости. Например, матрицы КВС120А и КВС120Б содержат, соответственно, три и два варикапа с емкостью, изменяющейся от 12 до 260 пф при изменении приложенного напряжения от -26 до -2В. Применение таких матриц особенно рекомендуется в приемниках диапазонов длинных и средних волн, в которых требуется большой коэффициент перекрытия, а также высокая точность совпадения законов изменения емкости в нескольких колебательных контурах одновременно.

Электронная перестройка обладает значительным преимуществом перед механической. Во-первых, при ее использовании упрощается переключение диапазонов, так как в контур каждого диапазона можно включить отдельный варикап и производить переключение контуров целиком, в отличие от случая механической перестройки, когда используется единый КПЕ на все диапазоны, поэтому требуются достаточно сложные цепи коммутации. Данное преимущество позволяет уменьшить паразитные емкости, вносимые в контур, и существенно повышает стабильность элементов контура.

Во-вторых, при электронной перестройке за счет выбора соответствующих законов изменения управляющих напряжений появляется возможность повысить точность сопряжения настроек контуров преселектора и гетеродина, хотя реализация этой возможности требует усложнения схемы.

Кроме того, применение варикапов с большим коэффициентом перекрытия по емкости, например КВС120, позволяет перекрыть несколько поддиапазонов, используя лишь один контур [2].

При выборе типа варикапа необходимо обратить внимание на требуемый диапазон изменения управляющего напряжения Uупр и на изменение добротности варикапа в этом диапазоне. Желательно использовать варикапы на том участке вольтфарадной характеристики, где его собственная добротность Qв ³ 300...400. В противном случае величина Qв должна быть учтена при определении собственной добротности контура

Qкр=Qr*Qв/(Qr+Qв) (2.1)

где Qк - конструктивная добротность катушки индуктивности,

Qв - добротность варикапа,

Qкр - результирующая добротность контура.

 

Следует также иметь в виду, что для максимального использования перекрытия варикапа по емкости требуются обычно значения Uупр от -(1...3)В до -(25...30)В. Поскольку напряжение питания транзисторного радиоприемника обычно не превышает 9...12В, для создания таких величин Uупр приходится предусматривать специальный повышающий преобразователь. В рамках курсового проекта разработка такого преобразователя необходима, если это предусматривается заданием. В противном случае достаточно предъявить требования к такому узлу, либо, если имеются справочные данные по преобразователям промышленного производства (в том числе зарубежных фирм), выбрать один из существующих типов. В любом случае, недопустимо подавать на варикап нестабилизированное напряжение , полученное непосредственно от источника питания.

В заключение следует заметить, что выбор того или иного способа перестройки в проекте обязательно должен быть обоснован, т.е. указаны мотивы, на основании которых этот выбор сделан.

 

2.3. Выбор числа и типа избирательных систем

 

Первым шагом к выбору структуры частотно-избирательного тракта приемника является обычно определение значения промежуточной частоты fпр. При выборе fпр необходимо учитывать целый ряд условий, к которым относятся следующие:

· промежуточная частота выбирается в тех участках частотной оси, где отсутствует излучение радиовещательных станций и других мощных радиопередатчиков, во избежание помех, попадающих непосредственно на вход УПЧ;

· чем выше промежуточная частота, тем легче обеспечить заданную избирательность по зеркальному каналу;

· при слишком низкой fпр затрудняется процесс детектирования и фильтрации сигнала промежуточной частоты.

Международным консультативным комитетом по радиовещанию и радиосвязи (МККР) рекомендован ряд значений промежуточной частоты, который также закреплен в государственных стандартах России.

В обычной радиовещательной аппаратуре всех групп сложности наибольшее применение находят значения fпр = 465±2 кГц для диапазонов ДВ, СВ, КВ (с амплитудной модуляцией) и fпр = 10,7±0,1 МГц для диапазонов УКВ (с частотной модуляцией). Для этих частот выпускается широкая номенклатура пьезокерамических фильтров сосредоточенной избирательности (ФСИ), которые удовлетворяют требованиям по полосе пропускания и неравномерности амплитудно-частотной характеристики к аппаратам всех групп сложности, кроме стационарных аппаратов нулевой группы.

Поэтому, как правило, при проектировании радиовещательного приемника принимают именно это значение промежуточной частоты: fпр= 465 кГц для диапазонов, в которых ведется прием сигналов с амплитудной модуляцией, или fпр= 10,7 МГц для диапазонов УКВ с частотной модуляцией, если в ТЗ специально не оговорено применение другого значения fпр

Следующим шагом, связанным с предыдущим, является определение структуры избирательной системы на промежуточной частоте, в которую входят фильтр ПЧ на выходе смесителя и фильтры, находящиеся в составе схемы усилителя промежуточной частоты. Предварительно следует определить требуемую полосу пропускания тракта промежуточной частоты Ппр0,5. Уровень 0,5 по напряжению соответствует -6 дБ. На этом уровне обычно задается полоса радиовещательного приемника. Обычно она определяется в соответствии с выражением:

Ппр0,5 = DFc + 2(Dfпер + Dfпр), (2.2)

гдеDFc - полоса частот принимаемого сигнала;

Dfпер, Dfпр - нестабильность частот передатчика и приемника.

 

Для сигнала с амплитудной модуляцией:

DFс = 2Fв, (2.3)

 

для сигнала с ЧМ:

DFc=2Fв(1+), (2.4)

 

где Fв - верхнее значение частоты модуляции,

Y - индекс частотной модуляции при этом значении.

 

Данные о величинах Dfпер и Dfпр приводятся в литературе, например в [2]. Выражения (2.2)...(2.4) используют, если в ТЗ приведено значение Fв. В тех случаях, когда в ТЗ приведено значение полосы пропускания приемника Птз, принимают

Ппр0,5 = Птз (2.5)

 

В настоящее время применяются два типа структуры избирательной системы на промежуточной частоте:

· УПЧ с распределенной избирательностью, в котором имеется несколько каскадов с резонансными нагрузками одноконтурного и двухконтурного типа. При этом каждый каскад вносит примерно равный вклад в частотную селекцию.

· УПЧ с сосредоточенной избирательностью, в котором основная доля частотной избирательности обеспечивается с помощью фильтра сосредоточенной избирательности (ФСИ), включаемого сразу после смесителя. Каскады УПЧ в этом случае выполняются сравнительно широкополосными, либо апериодическими.

По современным представлениям, в большинстве случаев наиболее эффективным является применение сосредоточенной избирательности, что подкрепляется наличием широкой номенклатуры высококачественных пьезокерамических и электромеханических фильтров, производимых промышленностью. Этот вариант выгоден еще и тем, что позволяет выполнить УПЧ преимущественно из апериодических каскадов, входящих в состав одной интегральной микросхемы.

Вариант с сосредоточенной избирательностью можно принять и в том случае, если существующие типы пьезокерамических фильтров неспособны обеспечить требования ТЗ (например, по полосе пропускания, неравномерности АЧХ, нелинейности фазочастотной характеристики и т.д.). При этом могут быть использованы схемы ФСИ, выполненные на связанных LC-контурах. Методика их проектирования хорошо разработана и приводится в литературе [Вставить ссылку ].

Если за основу взят один из промышленных пьезокерамических ФСИ, следует иметь в виду, что эти фильтры имеют высокую крутизну скатов АЧХ вблизи полосы пропускания, однако не всегда обеспечивают монотонно спадающий характер АХЧ и достаточное затухание на частотах, удаленных от этой полосы. Для устранения этого недостатка обычно используют согласующий контур, включаемый в качестве нагрузки преобразователя частоты перед ФСИ, а также контур, включаемый на выходе УПЧ, к которому подключается детектор. Эти два контура выбираются с полосой пропускания, в несколько раз превышающей полосу пропускания ФСИ, чтобы не ухудшать неравномерность результирующей АЧХ в полосе частот принимаемого сигнала, однако они вносят заметное затухание на удаленных частотах.

Выбор конкретного типа пьезокерамического фильтра (ПКФ) производится на основании справочных данных [Вставить ]. Для каждого типа ПКФ указывается полоса пропускания по уровню -6 дБ, причем ее величина дается с некоторым разбросом. Выбор должен быть сделан так, чтобы нижняя граница этого разброса (наименьшее значение полосы для фильтра данного типа) была не менее требуемой полосы пропускания УПЧ. Для выбранного типа ПКФ в справочниках приводится затухание сигнала в фильтре, либо его коэффициент передачи Кофси, который будет необходим для дальнейших расчетов.

При выборе ПКФ для приемника диапазона УКВ (частотная модуляция) следует учитывать еще один его параметр - неравномерность группового времени задержки в полосе пропускания. Эта величина прямо влияет на уровень нелинейных искажений, возникающих в частотном детекторе, поэтому ее следует принимать во внимание, если в ТЗ оговаривается величина коэффициента гармоник на выходе приемника.

После того, как выбран тип и определены параметры избирательной системы на промежуточной частоте, определяют число и тип избирательных систем, входящих в состав преселектора и обеспечивающих частотную избирательность на частоте принятого сигнала. Здесь основным требованием является обеспечение избирательности по побочным каналам приема, в первую очередь, по зеркальному каналу. Если принять «верхнюю» настройку гетеродина для всех диапазонов приемника, частота зеркального канала определяется как

fзк = fo + 2fпр, (2.6)

гдеfo - частота настройки приемника.

 

Согласно ГОСТ 5651-89, избирательность по зеркальному каналу определяется в диапазоне ДВ - на частоте настройки приемника fo = 200 кГц, в диапазоне СВ - f o= 1000 кГц, в диапазоне УКВ-1 - на частоте fo = 69 МГц. Для диапазонов КВ и УКВ-2 значения частот не установлены, но по аналогии с приведенными значениями можно определить избирательность по зеркальному каналу в средней точке диапазона.

Для определения числа избирательных систем преселектора предполагают, что каждая такая система представляет собой одиночный колебательный контур, причем характеристики контуров одинаковы. Подавление помехи зеркального канала каждым контуром, входящим в преселектор, определяется нормированной АЧХ контура.

, (2.7)

гдеxзк = Qэ(fзк/ fo - fo/ fзк) - обобщенная расстройка контура,

Qэ - эквивалентная добротность контура,

fo - частота настройки контура,

fзк - частота зеркального канала.

 

Из (2.7) видно, что при x>>1 ослабление g изменяется примерно обратно пропорционально x. Если выразить ослабление в децибелах, получим, что оно возрастает при увеличении x со скоростью 6 дБ на октаву (т.е. при увеличении x вдвое), или 20 дБ на декаду (т.е. при увеличении x в 10 раз). Для определения необходимого числа контуров приближенно оценивают требуемую скорость спада АЧХ преселектора. При этом считают, что за пределами полосы пропускания, взятой по уровню -3 дБ, затухание, выраженное в децибелах, увеличивается линейно. Поэтому скорость его увеличения

[дБ/дек], (2.9)

где зк, дБ - требуемое ослабление зеркального канала по ТЗ,

кэ = fo/ Qэ - полоса пропускания эквивалентного контура.

 

Величину кэ находят на частотах fo, рекомендованных выше, а Qэ оценивают ориентировочно: для диапазона ДВ от 40 до 60, СВ - от 50 до 80, КВ - от 80 до 160, УКВ - от 60 до 120.

После этого определяют необходимое число контуров преселектора

. (2.10)

 

Если получается значение прес £ 1, по в преселекторе достаточно одного колебательного контура, т.е. можно использовать одноконтурную входную цепь, а УРЧ может отсутствовать, либо быть апериодического типа.

Если 1< прес £ 2 - следует использовать одноконтурную входную цепь и резонансный каскад УРЧ.

Если получилось прес > 2, следует прежде всего выяснить, нельзя ли обойтись всего двумя контурами, так как использование более двух перестраиваемых контуров в преселекторе, а кроме того, контура гетеродина, слишком усложнит конструкцию приемника. Если 2 < прес £ 3, следует рассмотреть возможность повышения избирательности контура за счет увеличения добротности. Также имеется возможность дополнительного увеличения избирательности по зеркальному каналу за счет действия катушки связи магнитной антенны в диапазонах ДВ, СВ, либо при использовании магнитной (трансформаторной) связи входного контура с антенной в диапазонах КВ и УКВ. Подробнее такая возможность будет рассмотрена в следующем разделе.

Если же указанных мер недостаточно, следует применить более сложные схемные решения, например, двойное преобразование частоты, либо подавление зеркального канала фазовым методом.

После определения числа колебательных контуров преселектора и их эквивалентной добротности, следует проверить выполнение требований ТЗ по подавлению другого опасного канала побочного приема - помехи с частотой fпр. Проверка делается на частоте, ближайшей к fпр, т.е. на минимальной частоте диапазона для всех диапазонов, кроме ДВ, и на максимальной частоте в диапазоне ДВ. Должно выполняться неравенство

(2.11)

где , дБ - заданное в ТЗ ослабление прямого канала приема,

- обобщенная расстройка на частоте fпр.

 

В качестве прес берется выбранное выше целое число контуров. Если условие (2.11) не выполняется при выбранном числе контуров, можно увеличить подавление прямого канала приема на 10..20 дБ путем использования режекторного фильтра, настроенного на fпр. Возможно также дополнительное ослабление помехи на частоте fпр до 20 дБ при применении двойной балансной схемы смесителя, например, на основе интегральной микросхемы К174ПС1.

В заключение данной части эскизного проектирования необходимо провести распределение заданной неравномерности усиления в полосе пропускания между звеньями и трактами приемника. При этом руководствуются требованиями ГОСТ5651-89 [1] на неравномерность частотной характеристики по выходному сигналу, либо по звуковому давлению. Такое распределение имеет смысл для диапазонов вещания с АМ, т.е. ДВ, СВ и КВ, так как в приемниках УКВ производится ограничение сигнала по амплитуде в частотном детекторе. Поэтому для приемников УКВ считают, что влияние АЧХ преселектора на неравномерность практически отсутствует, а неравномерность, вносимая УПЧ, составляет 6 дБ. Для приемников сигнала АМ допустимая неравномерность частотной характеристики всего тракта (включая УЗЧ) составляет по ГОСТ 5651-89: 18 дБ для диапазона ДВ и 14 дБ для диапазонов СВ и КВ. Из них на усилитель промежуточной частоты обычно приходится 6...8 дБ, а на преселектор 4...8 дБ для диапазона ДВ и 1...3 дБ для диапазонов СВ и КВ. Оставшаяся неравномерность отводится на усилитель звуковых частот.

Следует заметить, что все величины, определенные на данном этапе проектирования, носят предварительный характер. Возможно, что в процессе расчета входной цепи или УРЧ будут получены результаты, отличающиеся в худшую сторону, например, по ослаблению зеркального канала приема. В этом случае необходимо вернуться к стадии эскизного проектирования и повторить соответствующие шаги, скорректировав принятые ранее решения на основе вновь полученной информации. В любом случае, все пункты ТЗ должны быть в итоге выполнены.

Все рассуждения и выводы, изложенные в данном параграфе, делались в предположении, что в приемнике имеется лишь один принимаемый диапазон частот и один тип модуляции сигнала (АМ или ЧМ). Если же проектируемый приемник многодиапазонный и предназначен для приема как сигналов с АМ, так и сигналов с ЧМ, то все указанные действия должны быть проделаны для каждого диапазона, и принятые технические решения должны удовлетворять требованиям ТЗ на всех диапазонах. Возможен также вариант, когда в задании указан многодиапазонный приемник, но акцент делается на разработку какого-либо одного диапазона, для которого приводятся более подробные технические требования. При этом в ТЗ должно быть оговорено, насколько подробно производится расчет для каждого диапазона.

 

2.4. Распределение общего усиления по трактам радиоприемника и выбор активных элементов схемы.

 

На следующем этапе эскизного проектирования необходимо определить, какое усиление (по напряжению или по мощности) должен обеспечить каждый из трактов приемника, чтобы при минимальном сигнале на входе, определяемом чувствительностью, получить заданную в ТЗ величину выходного напряжения или мощности. Также должно быть определено число каскадов усиления в каждом тракте, способ реализации каждого каскада (на каких активных элементах: дискретных, или интегральных микросхемах) и выбраны типы активных элементов (усилительных приборов).

В принципе, расчет усиления можно вести, начиная как от входа, так и от выхода приемника. В первом случае исходной величиной является чувствительность, а коэффициенты усиления выбирают, начиная со входных блоков, так, чтобы обеспечить заданное напряжение или мощность на выходе радиоприемника. Во втором случае, наоборот, исходят из заданной выходной мощности или напряжения, а параметры каскадов выбирают, двигаясь от выхода ко входу приемника. Более широко, однако, применяется первый метод, так как входной каскад, кроме усиления, должен обеспечить и другие показатели (малый уровень шумов, многосигнальную избирательность и др.).

Наиболее сложная задача стоит перед разработчиком, если проектируемый приемник предназначен для работы в нескольких диапазонах волн, среди которых есть диапазоны как АМ, так и ЧМ вещания. В этом случае возникает проблема: создавать ли совмещенный универсальный АМ-ЧМ тракт или два раздельных тракта. В принципе, возможно совмещение схем УРЧ, преобразователей частоты и даже УПЧ, несмотря на то, что в диапазоне с АМ используется fпр = 465 кГц, а в диапазоне с ЧМ обычно fпр = 10,7 МГц. В настоящее время, как правило, разработчики идут по пути частичного совмещения некоторых узлов, а во многих случаях используют и раздельные тракты, начиная со входной цепи и заканчивая детектором.

Более простым является случай, когда приемник рассчитан на работу с сигналами только АМ или только ЧМ. Если диапазонов несколько, расчет структурной схемы следует проводить с ориентацией на диапазон, для которого задана наиболее высокая чувствительность. Наконец, наиболее просто произвести эскизный расчет, если в приемнике имеется лишь один диапазон, либо из нескольких имеющихся диапазонов по заданию требуется провести расчет лишь для одного.

При проектировании «от входа к выходу» вначале проводятся расчеты для высокочастотного тракта, который состоит из входной цепи, усилителя радиочастоты, преобразователя частоты и усилителя промежуточной частоты, до входа детектора. Прежде всего, выбирают тип детектора, способ его реализации и входное напряжение, которое необходимо для его работы и должно быть обеспечено на выходе высокочастотного тракта.

Тип детектора соответствует типу принимаемых сигналов: амплитудный для приема сигналов с АМ, частотный - для ЧМ.

Из существующих вариантов амплитудного детектора - диодный последовательный, диодный параллельный, транзисторный - наиболее часто применяется самый простой , последовательный диодный детектор. В ряде случаев, когда на выходе УПЧ нежелательно использовать колебательный контур с катушкой связи (для согласования со входом детектора), используют так называемый диодный детектор по схеме удвоения [3]. Оба типа детекторов отличаются простотой и высоким качеством детектирования.

Для последовательного диодного детектора требуется входное напряжение Uвх д ³ 0,4 В, если используется германиевый диод, или Uвх д ³ 0,7 В, если применяется кремниевый диод. Для схемы с удвоением напряжения, соответственно, примерно в 1,5 раза больше.

В случае проектирования приемника сигналов с ЧМ, может быть применен частотный детектор, построенный по любой известной схеме: с расстроенными контурами, со связанными контурами, дробный детектор. Подробный расчет таких детекторов и величина необходимого напряжения Uвх д описаны в литературе [ ]. Однако, в настоящее время, в связи с широким распространением интегральных микросхем указанные типы ЧД все более вытесняются детекторами автокорреляционного типа, действие которых основано на перемножении частотно-модулированного сигнала и его копии, задержанной на некоторое время Т. Такие детекторы строятся на основе перемножителей, входящих в состав ИМС, а роль элемента задержки выполняет обычно колебательный контур, настроенный на промежуточную частоту. Из таких ИМС можно назвать К174УР1, К174УР3, К174ХА6 и др. Поэтому при проектировании приемника ЧМ сигналов целесообразно использовать в составе УПЧ одну из таких микросхем. Необходимо лишь учитывать, что характеристика детектирования Uвых = F(fc) для любой схемы ЧД является нелинейной в той или иной степени. Поэтому, если в ТЗ оговорен коэффициент гармоник, потребуется более подробный расчет частотного детектора, например, по методике, описанной в [ ].

Если в составе УПЧ используется одна из указанных ИМС с частотным детектором на выходе, с точки зрения эскизного расчета можно рассматривать вход такой микросхемы как вход частотного детектора с повышенной чувствительностью. Входное напряжение детектора Uвх д при этом берется равным минимальному входному напряжению соответствующей микросхемы. Например, для ИМС К174УР3 эта величина равна 0,1 мВ. В этом случае под УПЧ следует понимать те каскады, которые включаются между выходом преобразователя частоты и входом данной микросхемы, в том числе фильтр сосредоточенной избирательности (если он используется).

Кроме указанных типов ЧД могут использоваться другие, например, детектор на основе ФАПЧ, детектор счетного типа и др. Их применение обычно связано с особенным построением структурной схемы приемника, поэтому может быть рекомендовано в тех случаях, когда это специально оговорено в ТЗ.

Таким образом, в результате выбора типа детектора и определения напряжения на его входе Uвх д можно перейти к нахождению требуемого усиления всего высокочастотного тракта и его распределению по каскадам. Усиление должно быть определено с запасом на разброс параметров элементов и их ухудшение в процессе старения. Обычно запас берут в 2...3 раза, поэтому

(2.12)

где - чувствительность радиоприемника.

 

Если чувствительность задана не по напряжению (ЭДС), а по напряженности поля , что обычно имеет место для приемников с магнитными антеннами, следует оценить действующую высоту такой антенны . Ориентировочно можно принять [ ] для ДВ м, а для диапазона СВ После этого определяют чувствительность по ЭДС:

(2.13)

 

Если чувствительность по напряженности поля задана для приемника со штыревой антенной, ее принимают равной половине длины штыря.

Получение значения должно быть обеспечено при прохождении сигнала от входа приемника до входа детектора:

(2.14)

где соответственно, коэффициенты передачи входной цепи, усилителя радиочастоты (если он имеется), преобразователя частоты, фильтра сосредоточенной избирательности (если он используется) и каскадов УПЧ.

 

Далее следует определить значения всех указанных коэффициентов. Прежде всего, оценивают коэффициент передачи входной цепи. Величина зависит от многих факторов, в том числе от схемы ВЦ, и может лежать в широких пределах для каждого из диапазонов. В качестве достаточно достоверных значений для одноконтурных входных цепей можно рекомендовать ориентировочные величины , приведенные в [2].

Необходимо заметить, что значение , полученное далее в процессе электрического расчета, как и значения других коэффициентов, могут значительно отличаться от величин, выбранных во время эскизного проектирования. Это можно считать допустимым, если в целом обеспечивается значение Ко треб­. В противном случае необходимо вернуться к стадии эскизного проектирования и провести выбор этих значений более тщательно.

Перед тем, как определить коэффициент передачи УРЧ (если он необходим с точки зрения избирательности по зеркальному каналу), выбирают тип активного элемента, который будет здесь использоваться. Каскады УРЧ рекомендуется выполнять на дискретных активных элементах (биполярных или полевых транзисторах), а не на элементах, входящих в состав ИМС. Последние имеют обычно худшие характеристики и не годятся, по крайней мере, для первых каскадов усиления.

Однозначных рекомендаций по предпочтению биполярных или полевых транзисторов не существует. Одно из основных достоинств полевого транзистора, высокое входное сопротивление, не реализуется в полной мере в каскаде УРЧ из-за сравнительно низких резонансных сопротивлений колебательных контуров. В то же время проводимость прямой передачи (крутизна) полевых транзисторов (ПТ) значительно, иногда в десятки раз, меньше, чем у биполярных. К тому же биполярные транзисторы (БТ) работают при меньших токах покоя, чем полевые. Основным преимуществом ПТ для применения в каскадах УРЧ являются значительно лучшие параметры многосигнальной избирательности, которые связаны с формой проходной характеристики транзистора, в частности, с величиной второй производной от крутизны.

Таким образом, преимущественно можно рекомендовать ПТ для применения в высококачественных стационарных радиоприемниках, где предъявляются высокие требования к избирательности, а ток потребления не играет особой роли.

Если в задании на проект указаны параметры многосигнальной избирательности, на этапе эскизного проектирования следует рассмотреть оба варианта: применение как ПТ, так и БТ, и выбрать из них лучший. В случае, если такие параметры в ТЗ не оговорены, целесообразно остановиться на биполярных транзисторах.

При необходимости учета требований многосигнальной избирательности, методику расчета можно найти в [2].

Далее следует выбрать конкретный тип транзистора. При этом ориентируются прежде всего на его частотные свойства, не забывая, однако, что УРЧ работает на входе приемника, поэтому должен обладать малым уровнем собственных шумов. Поэтому выбор нужно производить из тех типов транзисторов, для которых в справочниках приводится значение коэффициента шумов. Для прочих типов значение этого коэффициента не нормируется, и они не являются малошумящими.

Для характеристики частотных свойств транзисторов в справочниках обычно приводится значение предельной частоты усиления , на которой коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером снижается до единицы. Желательно, чтобы частота усиливаемого сигнала удовлетворяла условию Чем сильнее выполняется это неравенство, тем лучше его усилительные свойства на рабочих частотах приемника. Однако, при проектировании приемников УКВ, особенно УКВ-2, не следует стремиться выбирать транзисторы, у которых , так как такие транзисторы предназначены для диапазонов сверхвысоких частот и их применение в радиовещательных приемниках нецелесообразно.

Для окончательного выбора типа транзистора следует оценить значение коэффициента устойчивого усиления и предельного коэффициента усиления каскада УРЧ .

Коэффициент устойчивого усиления характеризует влияние на работу каскада внутренней обратной связи, которая возникает в транзисторе через проводимость обратной связи . Считается, что каскад работает устойчиво, если его коэффициент усиления изменяется под действием внутренней обратной связи не более, чем на ±(10...20)%. При этом условии можно определить по формуле

(2.15)

Определяют на максимальной частоте диапазона. Для его нахождения необходимы параметры транзистора и , которые редко приводятся в справочниках, поэтому их приходится определять на основе других параметров. Например, известно соотношение: где вещественная составляющая проводимости прямой передачи вещественная составляющая входной проводимости, а коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером. Значения для схемы с общим эмиттером также обычно отсутствуют в распространенных справочниках. Для их нахождения можно воспользоваться литературными источниками, например, [2], в которых даются эти величины. Значения в справочниках обычно приводятся, причем, часто в двух вариантах: статический коэффициент передачи тока (т. е. на постоянном токе) и модуль этого коэффициента на высокой частоте (значение этой частоты, как правило, указывается). Для использования в формуле (2.15) и во всех дальнейших расчетах необходимо определить значение на тех частотах, которые будет усиливать транзистор, в соответствии с техническим заданием. Для этого следует воспользоваться известными формулами частотной зависимости параметров транзистора[3]. Поскольку коэффициент приводится в справочнике с разбросом для расчетов обычно берут усредненное значение . Величину входной проводимости необходимо выбирать также с учетом рабочих частот приемника.

Проводимость обратной передачи носит преимущественно емкостный характер, поэтому можно считать . Если величина в справочнике отсутствует, можно приближенно считать

, (2.16)

где - емкость коллекторного перехода.

 

Предельный коэффициент усиления характеризует предельные способности транзистора усиливать сигнал на рабочей частоте УРЧ:

(2.17)

 

где в качестве следует принять входную проводимость следующего каскада УРЧ или преобразователя частоты. Значения всех параметров должны быть взяты для тех частот, на которых будет работать УРЧ.

Рассчитав значения и для выбранного транзистора, следует определить реальный коэффициент усиления каскада, который затем должен быть подтвержден электрическим расчетом. При этом исходят из соотношений

(2.18)

 

Обычно считают, что не должен быть больше, чем 5...10 раз. В противном случае возможна перегрузка смесителя сильными помехами. Если следует выбрать другой тип транзистора.

Далее необходимо выбрать активный элемент преобразователя частоты, точнее активный элемент смесителя. В приемниках радиовещательных диапазонов диодные смесители, как правило, не применяются, поэтому, прежде всего, следует решить, строить смеситель на отдельном транзисторе (биполярном или полевом), либо применить интегральную микросхему. Однозначную рекомендацию дать невозможно. Смесители в современных ИМС строятся обычно по балансной и двойной балансной схеме, что обеспечивает хорошее подавление большинства побочных каналов приема. Особенно хорошо себя проявила микросхема К174ПС1, созданная специально как смеситель. В то же время, если использовать в качестве смесителя полевой транзистор, у которого сток-затворная характеристика подчиняется квадратичному закону, уровень комбинационных составляющих также достаточно мал. Особенно удобны в качестве смесителей двухзатворные ПТ: подавая сигнал и напряжение гетеродина на два разных затвора, можно обеспечить весьма малое влияние этих цепей друг на друга, что способствует высокой стабильности частоты гетеродина.

Еще одно соображение касается уровня шумов. Коэффициент шума микросхемы, как правило, выше, чем у отдельного транзистора, что связано с технологическими особенностями ИМС. Например, у микросхемы К174ПС1 значение коэффициента шума равно 7 дБ, в то время, как для ряда широко распространенных транзисторов его величина составляет 2,5...4 дБ.

Поэтому, если в структурной схеме радиоприемника отсутствует УРЧ и первым каскадом является преобразователь, для обеспечения более высокой чувствительности следует отдать предпочтение смесителю на биполярном транзисторе. Полевой транзистор менее желателен, так как он обеспечивает меньший коэффициент передачи сигнала, что в конечном итоге ухудшает чувствительность приемника.

Следует также учитывать, что, согласно сложившейся практике, ИМС типа К174ПС1 применяется, как правило, в профессиональных приемниках, а в радиовещательных ее обычно не используют.

Если же смеситель будет выполнен на биполярном или полевом транзисторе, то для него, как и для УРЧ, следует определить значение устойчивого и предельного коэффициентов передачи и взять для дальнейших расчетов меньшее из них. Расчет проводится по тем же формулам (2.15), (2.17), но значения берутся для режима преобразования, а не усиления. Так как для режима преобразования параметры транзисторов обычно не приводятся в справочниках, можно ориентировочно считать, что в режиме преобразования вдвое меньше, чем в режиме усиления. Это же справедливо по отношению к проводимостям Коэффициент шума транзистора (выраженный в разах) для режима преобразования в 1,5...2 раза больше, чем в режиме усиления [3].

Теперь, когда определены коэффициенты значений передачи входной цепи, УРЧ, преобразователя, а также ФСИ, можно оценить требуемый коэффициент передачи усилителя промежуточной частоты и выбрать его структуру и тип активных элементов.

(2.19)

 

Полученное значение может лежать в пределах от 7...20, если это приемник УКВ, в котором используется ИМС, содержащая частотный детектор, до 700...1200, если это приемник диапазонов ДВ, СВ, КВ. В первом случае УПЧ обычно содержит один-два каскада с резисторной нагрузкой, усиление каждого из которых на частоте 10,7 МГц может составлять Во втором случае целесообразно применить комбинацию из двух каскадов, один из которых резисторный (апериодический), а второй резонансный. Тип транзисторов для УПЧ выбирается из тех же соображений, что и для УРЧ, только на коэффициент шума можно обращать меньшее внимание. Для резонансного каскада также следует определить значения и принять в качестве расчетного меньшее из этих значений.

Резонансный каскад на частоте 465 кГц при правильно сделанном выборе транзистора способен обеспечить усиление до 60...100 раз. Каскад с резистивной нагрузкой на частоте 465 кГц может обеспечить коэффициент усиления до 10...12 раз, а на частоте 10,7 МГц - до 7...10 раз.

Результирующий коэффициент усиления УПЧ равен произведению

(2.20)

где - число каскадов, - номер каскада.

 

Если необходимо принять меры к увеличению например, применив в резонансном каскаде каскодную схему, либо добавив еще один резистивный каскад. Число резонансных каскадов увеличивать нежелательно, так как это приводит к усложнению настройки приемника и к появлению возможности самовозбуждения.

В промышленных приемниках для каскадов УПЧ часто используют составные части интегральных микросхем. Для курсового проекта также можно выбрать одну из соответствующих ИМС, однако выбор должен быть обоснован. С точки зрения приобретения опыта проектирования, более полезным является расчет УПЧ на отдельных транзисторах.

Наконец, определив коэффициент усиления УПЧ, еще раз проверяют соответствие реализуемого коэффициента требуемому значению.

 

(2.21)

 

2.5. Проверка отношения мощности сигнала к мощности шума на входе и выходе приемника.

 

На следующем этапе эскизного расчета необходимо произвести оценку реальной чувствительности приемника и сравнить ее с техническим заданием. Если выполнение данного пункта ТЗ не обеспечено, следует вернуться к начальной стадии эскизного проектирования и повторить его, отнесясь более внимательно к выбору структурной схемы высокочастотной части и выбору типа транзистора для УРЧ. В частности, если первоначально применение УРЧ не планировалось, его можно ввести для повышения чувствительности. Также чувствительность может быть повышена при использовании транзисторов с меньшим коэффициентом шума.

Чувствительность радиоприемника зависит от целого ряда факторов. Мерой чувствительности является минимальная величина входного сигнала, которую приемник способен принимать и воспроизводить с заданным качеством. Требуемое качество приема задается параметрами выходного сигнала. В частности, для радиовещательных приемников, как и для многих других, качество задается величиной отношения мощности сигнала к мощности шума на выходе радиоприемника . Величина этого отношения оговаривается в соответствующем пункте ТЗ. По ГОСТ5651-89 для приемников сигналов АМ чувствительность задается при = 20 дБ, а для приемников сигналов ЧМ - 50 дБ. Также отношение с/ш на выходе тракта звуковой частоты должно обеспечиваться при величине ЭДС, поступающей из антенны, которая численно равна заданной чувствительности приемника, либо при заданной напряженности поля в точке приема, если чувствительность задается по напряженности.

Чувствительность, определенная так, как описано выше, называется реальной чувствительностью. Реальная чувствительность приемника зависит от многих факторов. Наиболее важные из них — это уровень собственных шумов приемника, приведенный по входу, и уровень помех, поступающих из антенны, который обычно характеризуется шумовой температурой антенны . Учет этих помех очень важен, однако, если не задана, он связан с привлечением дополнительной, достаточно сложной информации поэтому в рассматриваемом тракте шумы антенны следует рассматривать лишь в случае, если это специально оговорено заданием. В противном случае следует полагать антенну нешумящей .

В этом случае основным источником шумов является первый активный элемент приемника, т. е. транзистор первого каскада УРЧ, либо транзистор смесителя, если УРЧ отсутствует. Для предварительной оценки уровня шумов, приведенных ко входу, следует воспользоваться справочным параметром выбранного транзистора — значением минимального коэффициента шума . Кроме этого параметра, обычно приводится оптимальная величина проводимости источника сигнала , при которой достигается этот минимальный коэффициент. Реальная величина проводимости источника станет известна лишь после расчета входной цепи и, как правило, не совпадает с . Это приводит к тому, что реальный коэффициент шума транзистора . Зависимость от соотношения и упрощенно можно описать выражением [2].

(2.22)

 

Для эскизного расчета можно принять , что часто выполняется на практике. Величину следует представлять в разах, а не в децибелах. Определив коэффициент шума первого транзистора , можно найти квадрат напряжения шумов первого транзистора, приведенный к его входу:

(2.23)

 

где постоянная Больцмана, абсолютная температура по шкале Кельвина, эквивалентная шумовая полоса приемника. Если в приемнике используется пьезокерамический фильтр сосредоточенной избирательности, с достаточной точностью можно считать .

Из (2.23) можно определить напряжение шума, приведенное ко входу приемника:

(2.24)

В (2.24) не учитываются шумы следующего каскада, например, преобразователя, если в приемнике имеется УРЧ, или первого каскада УПЧ, если УРЧ отсутствует. Для эскизного расчета такую точность можно считать достаточной.

Сравнив полученное значение с чувствительностью , определяют отношение с/ш на входе приемника:

(2.25)

 

Затем рассчитывают величину отношения сигнал/шум, которое получится на выходе приемника. Для приемников АМ сигналов считают, что амплитудный детектор не вносит собственных шумов, лишь осуществляет демодуляцию сигнала. Поэтому

, (2.26)

где = 0,3 - нормальный коэффициент модуляции АМ сигнала, который соответствует стандартным условиям приема. Если получится 10, что соответствует 20 децибелам, считают, что требования ТЗ к чувствительности приемника выполнены на стадии эскизного проектирования.

Для приемников сигналов ЧМ связь между и является более сложной. Наиболее часто используется упрощенное приближенное выражение:

(2.27)

где максимальное значение девиации частоты,

максимальное значение частоты модуляции, т.е звуковой частоты.

 

в (2.27) играет роль шумовой полосы последетекторного тракта. Следует иметь в виду, что в ЧМ вещании используется частотная предкоррекция вещательного сигнала с подъемом высших частот. Это делается для повышения помехоустойчивости тракта передачи-приема. Поэтому в приемнике, после частотного детектора, включается цепь обратной коррекции, которая выравнивает сквозную частотную характеристику. Такая цепь, в соответствии со стандартом, представляет собой ФНЧ первого порядка, то есть интегрирующую RC-цепь, с постоянной времени = 50 мкс. Вследствие этого в формуле (2.27) вместо следует подставлять значение шумовой полосы последетекторного тракта:

(2.28)

 

Максимальное значение девиации для монофонического сигнала . Указанные значения должны быть подставлены в (2.27) для оценки величины .

Необходимо обратить внимание, что формула (2.27) справедлива не для всех значений , а только при . Дело в том, что прием ЧМ сигналов с помощью частотного детектора обладает так называемым пороговым свойством: отношение сигнал/шум на выходе частотного детектора увеличивается, по сравнению с входным, в случае с широкополосной ЧМ, если отношение сигнал/шум на входе превышает некоторое пороговое значение, которое зависит от индекса модуляции . В частности, если , а , (в соответствии со стандартом на ЧМ вещание), то и . Если то происходит резкое ухудшение отношения сигнал/шум на выходе детектора, поэтому формулой (2.27) пользоваться нельзя.

Все сказанное в полной мере справедливо лишь для приема ЧМ сигналов в монофоническом режиме. Если предполагается прием стереосигнала с последующим декодированием, чувствительность приемника оказывается гораздо хуже из-за того, что полоса частот стереосигнала, кроме звуковой (тональной) полосы включает в себя еще и так называемую надтональную часть, получаемую путем модуляции поднесущей частоты разностным сигналом правого и левого каналов. Поэтому шумовая полоса последетекторного тракта в стереосигнале оказывается существенно шире. Не вдаваясь в подробности можно отметить, что ухудшение чувствительности для системы сте

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Методические указания по курсовому проектированию. Эскизное проектирование и расчет преселектора

Методические указания по курсовому проектированию.. часть i эскизное проектирование и расчет преселектора..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Стадия эскизного проектирования

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Расчет входной цепи радиоприемника
3.1. Вводные замечания   Входная цепь (ВЦ) является одним из важнейших звеньев радиоприемника, она в значительной степени обеспечивает такие важные характеристики приемника,

По справочнику выбирается тип подстроечного конденсатора из условия
  Сп макс – Сп мин = (0,2...0,3) Ск мин. (3.5)   Вычисляется среднее значение его емкости  

В частности, входная проводимость транзистора в схеме с ОЭ выражается формулой
  (3.19)   где rб’ - объемное сопротивление базы транз

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги