Проект лабораторного стенда по исследованию приемника АМ сигнала

Дипломная работа

Проект лабораторного стенда по исследованию приемника АМ сигнала

• Техническое задание
• Аннотация
• Реферат
• Содержание
• Введение
• 1. Анализ технического задания и разработка структурной схемы устройства
• 1.1 Анализ технического задания
• 1.1.1 Выбор способа построения тракта приемника АМ сигналов
• 1.1.2 Выбор средств компьютерного моделирования
• 1.1.3 Обзор существующих лабораторных стендов и анализ их возможностей
• 1.2 Разработка структурной схемы лабораторного стенда
• 2. Расчет схемы электрической принципиальной устройства
• 2.1 Расчет входной цепи
• 2.2 Расчет усилителя радио сигналов
• 2.3 Выбор схемы электрической принципиальной
• 2.3.1 Обзор усилителей преселекторов
• 2.3.2 Входная цепь с электронной перестройкой
• 2.3.3 Разработанная схема
• 3. Экспериментальное исследование характеристик устройства
• 3.1 Экспериментальное моделирование
• 3.1.1 Краткие сведение о программе «Microcap VI»
• 3.1.2 Экспериментальное моделирование
• 3.2 Натурное снятие характеристик со стенда
• 3.3 Сравнительный анализ моделирования и эксперимента
• 4. Технико-экономические показатели
• 4.1 Технико-экономическое обоснование проекта
• 4.2 Расчет затрат на техническую подготовку
• 4.2.1 Расчет заработной платы разработчиков
• 4.2.2 Расчет материальных затрат на создание макета
• 4.2.3 Расчет затрат на техническую подготовку
• 4.3 Расчет себестоимости изделия
• 4.4 Расчет цены изделия
• 4.5 Расчет прибыли, ожидаемой у предприятия изготовителя
• 4.6 Расчет интегрального коэффициента качества
• 5. Безопасность и экологичность проекта
• 5.1 Анализ условий труда при работе со стендом
• 5.2 Меры защиты от вредного воздействия производственных факторов
• 5.3 Пожарная безопасность при макетировании
• 5.4 Охрана окружающей среды
• Заключение
• Список использованных источников

Аннотация

Дипломный проект содержит 94 страницы машинописного текста, 63 рисунков, 12 таблиц.

В данном дипломном проекте рассматриваются вопросы проектирования лабораторного стенда по исследованию приемника АМ сигнала. Разработана конструкция преселектора на варикапе, приведены схемы входных цепей, преселекторов, а также их семейства частотных характеристик, произведен сравнительный анализ полученных данных с данными, полученными на уже существующих стендах. В дипломном проекте также рассмотрены технико-экономические показатели разработанного устройства, затронуты вопросы безопасности и экологичности проекта.

Реферат

В введении рассмотрены общие вопросы развития аналоговой техники. Рассмотрены вопросы внедрения компьютерного моделирования в исследования.

Анализ технического задания включает выбор способа построения тракта АМ сигналов, выбор средств компьютерного моделирования, обзор существующих лабораторных стендов и анализ их возможностей. А также произведена разработка структурной схемы приемника АМ сигналов.

Во 2 разделе производится расчет схемы электрической принципиальной, расчет входной цепи, расчет усилителя радиосигналов, выбор схемы электрической принципиальной, производится обзор усилителей преселекторов, рассматривается входная цепь с электронной перестройкой.

В разделе технико-экономические показатели проекта рассмотрены общие вопросы размещения изделия на рынке, произведен выбор базы для сравнения, произведен расчет себестоимости, оценен годовой экономический эффект производителя.

В разделе 8 произведен анализ экологичности и безопасности для человека и окружающей среды при эксплуатации лабораторного стенда. Выявлен класс условий труда. Рассмотрены меры защиты от вредного воздействия производственных факторов. Рассмотрена пожаробезопасность при макетировании. Выявлены способы охраны окружающей среды.

Целью данной работы является моделирование на ЭВМ части радиоприемника и создание пакета лабораторных работ по исследованию отдельных его узлов, а также создание макета лабораторного стенда. Для оценки достоверности данных, полученных при моделировании, производится выбор структурной и принципиальной схем приемника, номиналов элементов, а так же качественных показателей, характеризующих качество приема.

На сегодняшний день расширение технических возможностей радиоэлектронной аппаратуры привело к пересмотру и повышению требований к звуковоспроизводящим и радиоприёмным устройствам. В настоящее время специалистов, как правило, не удовлетворяет один только факт приема радиовещательной передачи. Требуется еще и высокое качество приема, позволяющее полностью использовать возможности современной радиовещательной аппаратуры.

Радиовещательный приемник с диапазонами длинных, средних и коротких волн уже не может служить источником высококачественных программ. Действительно, частотный интервал между несущими различных радиостанций в диапазонах ДВ и СВ составляет 9 кГц, а на КВ — 10 кГц. Полоса воспроизводимых приемником звуковых частот не превосходит в этих условиях 3−4 кГц. Далее, прием в диапазонах с АМ в сильной степени подвержен влиянию помех естественного и искусственного происхождения.

При АМ амплитуда несущей частоты в спектре модулированного колебания всегда больше амплитуд боковых частот и при изменении глубины модуляции остается постоянной. Это не позволяет полностью использовать выходную мощность усилительных приборов и реализовать оптимальные режимы работы.

Основным направлением развития современной приемной аппаратуры является ее миниатюризация. Уровень развития элементной базы позволяет реализовать нарастающую сложность приемных устройств. При этом улучшаются качественные показатели приемных устройств, повышается надежность, снижается потребление энергии. Применение специализированных микросхем, выполняющих функции как отдельных узлов и блоков, так и всего приемника в целом, позволило резко сократить массу и габариты радиовещательных приемников, а использование микропроцессорной элементной базы расширило сервисные возможности данной аппаратуры.

Использование при разработке и исследовании приемников систем автоматизированного проектирования (САПР), в частности различных систем схемотехнического моделирования, позволяет производить расчет, анализ, оптимизацию, параметрический и структурный синтез проектируемых устройств, что дает как временной, так и экономический выигрыш. По сравнению с макетированием моделирование на ЭВМ имеет следующие преимущества.

В задачах расчета с помощью модели можно найти выходные параметры схем или их характеристики, которые нельзя непосредственно измерить на макете из-за недоступности точек измерения, что особенно характерно для интегральных схем.

В задачах анализа моделирование позволяет проанализировать выходные параметры и характеристики схемы в предельных и запредельных режимах, физическая реализация которых опасна для макета. Кроме того, моделирование позволяет выполнить, например, расчет серийнопригодности и анализ различных статистических характеристик схемы без ее запуска в серию, анализ воздействия на схему внешних условий без реальных климатических и других испытаний, анализ нереализуемых на макете зависимостей выходных параметров схемы от внутренних, например зависимостей выходных параметров схемы от внутренних параметров транзистора. В задачах оптимизации возможности макета ограничены небольшим числом регулировочных элементов, тогда как в модели можно варьировать любые управляемые параметры, добиваясь максимального улучшения выходных параметров.

Роль моделирования в задачах синтеза состоит в проверке правильности функционирования синтезированных схем путем расчета их математических моделей. Очевидно, это можно сделать гораздо быстрее, чем выполнить макетирование каждой синтезированной схемы.

В связи с изменением технического уровня аппаратуры возникает и задача изменения учебного процесса для подготовки специалистов, обладающих современными знаниями и практическими навыками.

Одним из направлений совершенствования и развития учебного процесса является изменение проведения лабораторных работ по курсу «Устройства приема и обработки сигналов». С помощью компьютерного моделирования на электронно-вычислительной машине (ЭВМ) различных узлов приемного тракта появляется возможность сделать лабораторные работы более наглядными и эффективными. Основной целью настоящей работы является разработка и компьютерное моделирование отдельных узлов приемного тракта приемника АМ сигналов для последующего использования результатов в подготовке лабораторных работ.

проект стенд исследование приемник ам-сигнал

1. Анализ технического задания и разработка структурной схемы устройства

1.1 Анализ технического задания

1.1.1 Выбор способа построения тракта приемника АМ сигналов

Радиоприемные устройства классифицируют по их назначению, диапазону принимаемых частот, виду модуляции, способу построения тракта, способу питания, месту установки и так далее.

На сегодняшний день основными рассматриваемыми структурами РПрУ являются:

1) Приемник прямого преобразования. Основное усиление и избирательность в таком приемнике осуществляются в усилителе радиочастоты (УРЧ), а затем сигнал сразу детектируется обычным частотным детектором.

2) Супергетеродинный приемник (с преобразованием по частоте вниз). Входные цепи приемника совместно с УВЧ обеспечивают ослабление посторонних сигналов, достаточное для того, чтобы они не нарушали нормальной работы смесителя, т. е. не создавали побочных каналов приема и перекрестной модуляции. Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) содержит избирательные цепи, обеспечивающие защиту от помех соседних радиостанций. Приемники, построенные по супергетеродинной схеме, обладают высокой чувствительностью и избирательностью, поскольку усиление осуществляется еще и на промежуточной частоте, а также имеют хорошую форму резонансной кривой, позволяют более эффективно осуществить автоматическую регулировку усиления и автоматическую подстройку частоты (АПЧ) гетеродина.

Основными недостатками супергетеродинных приемников являются наличие побочных каналов приема, основные из которых зеркальный и прямой.

3) Инфрадинный приемник (с преобразованием частоты вверх). При инфрадинном приеме и для зеркального канала приема получаем, т. е. зеркальный канал располагается существенно выше принимаемой полосы частот и может быть легко подавлен фильтром нижних частот, установленным на вход приемника.

Значительно выше принимаемого диапазона лежат и частоты побочных каналов приема, образующихся за счет преобразования принимаемой частоты в гармоники частоты гетеродина, т. е. частоты типа где т. д. При инфрадинном приеме облегчается защита от излучения приемника на частоте гетеродина и его гармоник, так как эти частоты лежат существенно выше необходимой полосы прозрачности преселектора.

Наконец, при высокой промежуточной частоте снижается коэффициент перекрытия частоты гетеродина, что позволяет осуществлять перестройку по диапазону, без коммутации элементов контура гетеродина.

4) Приемник с синхронным детектором. Применение синхронных детекторов является одним из наилучших способов борьбы с помехами. В самом простейшем случае синхронный детектор представляет собой гетеродин, частота которого совпадает с частотой сигнала. При смешивании принимаемого сигнала с сигналом гетеродина спектр первого переносится в 0. При этом происходит фильтрация компоненты помехи, которая ортогональна сигналу гетеродина. Наряду с этим существуют более сложные схемы фазокомпенсационного типа, с помощью которых можно осуществить фильтрацию как амплитудных, так и частотных помех.

Достоинством применения синхронных детекторов является также отсутствие побочных каналов приема (зеркальный, прямой, комбинационные).

Основным же недостатком является наличие двух боковых полос приема и более сложная схема детектора по сравнению с обычным частотным детектором.

Наибольшее распространение получили супергетеродинные приемники, которые, как уже отмечалось раннее, обладают рядом достоинств. Поэтому данная структура приемника будет использоваться при изготовлении лабораторного макета.

По назначению моделируемый приемник относится к звуковым радиовещательным радиоприемным устройствам. Он относится к диапазонным приемникам. Применяемая амплитудная модуляция используется в диапазонах от ДВ до КВ. По способу построения тракта приемник относится к супергетеродинным. Данный способ построения приемника характеризуется высокими показателями качества, но имеет более сложную схему, чем приемники прямого усиления и прямого преобразования. Входная цепь и УРЧ осуществляют усиление и предварительную селекцию сигналов, что способствует уменьшению искажений в смесителе преобразователя частоты. В смесителе происходит преобразование модулированного колебания с частотой принимаемого сигнала в модулированное колебание с промежуточной частотой, без изменения формы огибающей. Усилитель ПЧ выполняет основную селекцию принимаемого сигнала и усиливает его до уровня, достаточного для работы детектора. Постоянство настройки фильтра ПЧ позволяет увеличить число резонансных контуров или использовать пьезокерамические, электромеханические фильтры сосредоточенной селекции. Таким образом достигается высокая селективность по соседнему каналу приема. Чувствительность супергетеродинных приемников почти не зависит от частоты настройки, поскольку усиление сигнала осуществляется, в основном, в УПЧ. Применение АРУ позволяет расширить динамический диапазон приемника. Недостаток супергетеродинных приемников — наличие побочных каналов приема, из которых основными являются зеркальный и прямой каналы. Ослабление приема по побочным каналам осуществляется повышением селективности преселектора и линейности УРЧ, а так же правильным выбором значения промежуточной частоты /7/.

1.1.2 Выбор средств компьютерного моделирования

Одной из целей данной работы является компьютерное моделирование отдельных узлов радиоприемного устройства и создание лабораторных работ по курсу «Устройства приема и обработки сигналов» .

При выборе программы подходящей для проведения лабораторных экспериментов необходимо учитывать два основных требования:

1. функциональные возможности программы должны обеспечивать возможность моделирования характеристик схем различного назначения (как аналоговых, так и цифровых) с достаточной точностью;

2. программа должна быть легкой в освоении и удобной в обращении.

В процессе подготовки к компьютерному моделированию было проанализировано ряд пакетов программ по схемотехническому моделированию.

К сожалению современных отечественных программных продуктов по схемотехнике обнаружить не удалось, поэтому ограничимся известными зарубежными САПР.

Приведем краткую сравнительную характеристику существующих программ.

Electronics Workbench 5.0 — программа схемотехнического моделирования под управлением операционной системы Windows 95 и выше. В отличие от других программ на экране изображаются измерительные приборы с органами управления, максимально приближенными к реальности. Пользователь освобождается от составления заданий на моделирование. Достаточно на схему поместить нужный прибор, и программа автоматически проводит все необходимые расчеты для данного вида анализа. Отмечено также удобство при рисовании и составлении схем.

Несмотря на удобный интерфейс, программа имеет небольшую библиотеку элементов, без возможности создания новых элементов, и ограниченные возможности в составлении и анализе схем, и предназначена скорее для первого знакомства с электронным моделированием.

CircutMAKER 5.0 — аналогична предыдущей программе с несколько расширенной библиотекой.

HyperSignal Block Diagram 4.0 — программа моделирования аналоговых и цифровых устройств, заданных функциональными схемами. Невозможность анализа принципа работы схемы ограничивает область ее применения.

System View 1.9 — программа SystemView представляет собой великолепный конструктор, с помощью которого из стандартных «кубиков» строится функциональная схема. После соединения всех функциональных модулей и подключения измерительных устройств задаются системные параметры (длительность интервала наблюдения, частота дискретизации, параметры быстрого преобразования Фурье) и выполняется моделирование. В отдельном окне просматриваются и обрабатываются результаты анализа. Рассчитываются преобразования Фурье графиков, корреляционные и взаимно-корреляционные функции, выполняются арифметические и тригонометрические операции, статистическая обработка данных и многое другое.

APLAC 7.0 — предназначена для проектирования и моделирования электрических схем и систем во временной и частотной областях. В их состав могут входить как цифровые, так и аналоговые компоненты, в том числе устройства диапазона СВЧ. Выполняются следующие виды расчетов: режим по постоянному току, частотные характеристики, спектральная плотность и коэффициент шума, чувствительность и параметрическая оптимизация, переходные процессы, спектры сигналов, анализ периодических режимов, статистический анализ по методу Монте-Карло. Т. е. данная программа обладает стандартным набором процедур. APLAC обладает большим набором библиотек элементов принципиальных схем и отдельных блоков, применяемых в аналоговых и цифровых системах связи. Кроме того, в состав APLAC входит подпрограмма расчета трехмерных электромагнитных полей микрополосковых конструкций и других устройств диапазона СВЧ. По своему функциональному составу эти библиотеки превосходят библиотеки других систем.

DesignLab 8.0 — интегрированный программный комплекс корпорации MicroSim для сквозного проектирования аналоговых, цифровых и смешанных аналого-цифровых устройств, синтеза устройств программируемой логики и аналоговых фильтров. Проектирование начинается с ввода принципиальной схемы, ее моделирования и оптимизации и заканчивается созданием управляющих файлов в формате JEDEC для программаторов, разработкой печатной платы и выводом управляющих файлов для фотоплоттеров и сверлильных станков.

Micro-Cap VЙ — очень удобна для первоначального освоения схемотехнического моделирования электронных схем и рекомендуется для выполнения исследовательских работ, не предполагающих немедленной конструкторской реализации. Данная программа имеет удобный интерфейс, в текстовых надписях на схемах и графиках. Она позволяет моделировать не только аналоговые, но и цифровые и аналого-цифровые электронные устройства, для которых используются математические модели, принятые в известной программе PSpice.

По своим функциональным возможностям Micro-Cap VЙ находится между профессиональной программой моделирования аналогово-цифровых устройств PSpice A/D, входящей в состав пакета DesignLab 8.0, и более дешевым базовым вариантом с ограниченными возможностями PSpice A/D Basics+. Основное ее отличие от DesignLab — работа под управлением одной управляющей оболочки, в которой при смене режима лишь частично изменяется состав меню команд. В системе же DesignLab при смене режима один экран полностью заменяется другим, выполненным в ином стиле, что затрудняет ее освоение начинающими пользователями.

Приведем перечень основных характеристик Micro-Cap VЙ /13,15/:

— многостраничный графический редактор принципиальных схем, поддерживающий иерархические структуры;

— поведенческое моделирование аналоговых и цифровых компонентов, возможность описания цифровых компонентов с помощью логических выражений. В сочетании с библиотекой графических символов типовых операций (суммирование, вычитание, умножение, интегрирование, применение преобразования Лапласа и т. п.) это позволяет моделировать динамические системы, заданные не только принципиальными, но и функциональными схемами; большая библиотека компонентов, включающая в себя наиболее популярные цифровые интегральные схемы и аналоговые компоненты различных типов;

— макромодели компонентов могут быть представлены в виде принципиальных электрических схем или в текстовом виде;

— графики результатов выводятся в процессе моделирования или после его окончания по выбору пользователя, имеются сервисные возможности обработки графиков; многовариантный анализ при вариации параметров и статистический анализ по методу Монте-Карло;

— имеется специальная программа MODEL для расчета параметров математических моделей аналоговых компонентов по справочным или экспериментальным данным; при наличии ошибок информация о них мгновенно появляется на экране; имеются встроенные средства помощи.

Кроме того, программа Micro-Cap VЙ не предъявляет высоких требований к ресурсам оборудования и является достаточно распространенной. Исходя из этого, можно сделать вывод, что Micro-Cap VЙ вполне отвечает предъявляемым требованиям и может быть использован для проведения лабораторных исследований.

1.1.3 Обзор существующих лабораторных стендов и анализ их возможностей

На кафедре РПрУ и ТВ для проведения лабораторных работ по курсу «Устройства приема и обработки сигналов» имеются стенды для проведения следующих лабораторных исследований:

— Исследование преселекторов (входных цепей и УРЧ);

— Исследование преобразователей частоты;

— Исследование частотных детекторов;

— Исследование амплитудных детекторов и ограничителей;

— Исследование автоматической регулировки усиления (АРУ);

— Исследование системы автоподстройки частоты гетеродина.

Однако эффективность и информативность лабораторных работ существенно снижается за счет износа приборов и используемого оборудования и, как следствие, технических отказов, своевременное обнаружение которых затруднено в связи с тем, что лица, выполняющие работы, не всегда имеют достаточно опыта, чтобы верно интерпретировать результаты измерений. Существенно повысить эффективность лабораторных работ может внедрение в учебный процесс компьютерного моделирования приемников. В этом случае значительно ускоряется и упрощается процесс снятия характеристик и разного рода графических зависимостей исследуемой модели, а так же изменения номиналов элементов и способов их включения.

Целью данной работы является создание лабораторного макета, позволяющего исследовать интегральные характеристики приемника АМ сигналов в целом и его блоков в отдельности, для последующего их использования при проведении лабораторных работ по данной теме.

1.2 Разработка структурной схемы лабораторного стенда

Известно, что преселектор, состоящий из входной цепи и УРЧ, определяет избирательность приемника по зеркальному каналу и по каналу прямого прохождения. В преселекторах имеют место искажения сообщения на низких частотах. В соответствии с /2, с.19/ различают пять основных структур построения преселектора радиовещательных приемников, которые представлены на рис. 1,

где К — одиночный резонансный контур;

Э — электронный прибор (усилительный элемент).

Все варианты схем преселекторов содержат одно и двухконтурные избирательные системы в ВЦ и УРЧ.

Проектирование проводилось на основе уже существующих лабораторных стендов.

Рассматриваются отдельно ВЦ и УРЧ, причем они одноконтурные. На основе этого выбираем первый вариант вида преселектора (рис.2).

В макете и модели антенна представляет собой контур LC.

Использовались ненастроенные антенны (укороченная и удлиненная).

ВЦ — входная цепь — линейный четырехполюсник, состоящий из одного или нескольких селективных элементов, выделяющих принимаемый сигнал. В проектировании использовалась ВЦ с электронной перестройкой на варикапе. УРЧ — усилитель радиосигналов. В проектировании использовался обычный однокаскадный усилитель, но с электронной перестройкой, как и в ВЦ на варикапе КВ119 В.

На рисунке 1.1 у всех схем слева выход на антенну, а справа на ПЧ.

Рисунок 1.1 — Примеры структур построения преселекторов радиовещательных приемников Рисунок 1.2 — Структурная схема лабораторного стенда

2. Расчет схемы электрической принципиальной устройства

2.1 Расчет входной цепи

Рассчитаем параметры входной цепи с трансформаторной связью сначала для 11 поддиапазона /1−6/. Первым каскадом приемника является резонансный усилитель радиосигнала на транзисторе ГТ308 В (g₁₁=2.5мСм и C₁₁=39пФ). Используется штыревая антенна. Минимальная емкость конденсатора для перестройки контура 10пФ, максимальная — 365пФ. Собственное затухание контура равно 0.01, максимально допустимое эквивалентное затухание контура 0.03, затухание катушки связи 0.03. Крайние частоты 25.1 и 26.6МГц. Так как k_Д=1.06<1.3, то для подгонки граничных частот контура применяем последовательный конденсатор. Из справочных данных /1/ выберем суммарную начальную емкость контура С_У =30пФ. Вычисляем коэффициенты:

Находим. Эта емкость должна подбираться при налаживании приемника достаточно точно, поэтому выберем конденсатор КПК-1 с изменением емкости от 2 до 15 пФ. Максимальная эквивалентная емкость контура:

.

Индуктивность контурной катушки Антенна для приемника постоянна, поэтому можно считать f_Amin=f_Amax=f_A. Принимаем f_А=0.7•25.1=17.6 МГц. Выходная емкость антенны равна 6.3 пФ. Положим емкость катушки связи равной 1пФ и емкость монтажа — 1.7пФ. Тогда емкость антенного контура:, а индуктивность катушки связи: .

Применяем компенсацию расстройки контура антенной на средней частоте диапазона. Вычисляем коэффициенты:

и .

Коэффициент связи при допустимой расстройке:

.

Коэффициент связи в режиме согласования:

Поскольку, то можно выбирать коэффициенты из условия получения максимального коэффициента передачи при заданном эквивалентном затухании контура. При заданном затухании минимальная полоса пропускания входной цепи:

что гораздо шире требуемой. Поэтому для повышения селективности входной цепи можно уменьшить эквивалентное затухание контура до 0.02.

Необходимый коэффициент связи: .

Компенсация расстройки контура вводится увеличением индуктивности:

Рассчитанная входная цепь для 11 поддиапазона представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 — Входная цепь Рассчитаем входную цепь для 2 (СВ) поддиапазона при трансформаторной связи с первым каскадом. Эквивалентное затухание контура д_Э=0.039, а собственное 0.01. Так как k_Д=3.18 достаточно большой, то подгонку коэффициента диапазона контура выполняем с помощью подстроечного конденсатора. Чтобы получить требуемый коэффициент диапазона следует иметь:

Эквивалентная емкость контура: .

Индуктивность контурной катушки: .

Выбираем сердечник длиной 20 см, диаметром 8 мм при магнитной проницаемости 1500. число витков получаем равным 42.

Высота антенны:, , .

Индуктивность катушки связи: .

Средняя емкость подстроечного конденсатора:. Выбираем конденсатор типа КПК-1 емкостью 6−25пФ.

Эквивалентное затухание контура для середины и конца поддиапазона:

.

Коэффициент передачи:, ,

Полоса пропускания:, , .

2.2 Расчет усилителя радиосигналов

Рассчитаем параметры каскада усилителя радиосигнала для поддиапазона 2 (СВ) радиовещательного приемника с транзистором ГТ308 В при I_к0=2.5мА, I_Б0=7мкА, U_ЭК0=-5 В, E_К0=12 В /1,2,3,4,5,6/. Минимальная полоса пропускания радиотракта 13кГц; собственное затухание контуров 0.015. Следующим каскадом является преобразователь частоты на том же транзисторе при I_к0=1мА.

Так как параметры Y₂₁, g₁₁, g₂₂ прямо пропорциональны коллекторному току транзистора, то найдем их значения для заданного режима и запишем в таблицу 5. В эту же таблицу запишем результаты расчетов усилителя.

Таблица 2.1 — Результаты расчетов для 3 частот радиотракта

Рисунок 2.2 — Усилитель радиосигналов

2.3 Выбор схемы электрической принципиальной

2.3.1 Обзор усилителей преселекторов

Усиление модулированных несущих колебаний в приемнике осуществляется усилителями преселекторов (УП), т. е. на частоте принимаемого сигнала. В состав усилительного каскада входят: усилительный прибор, избирательная цепь (не обязательно), цепи связи. В качестве усилительного прибора могут использоваться биполярные и полевые транзисторы, электронные лампы, туннельные диоды. Интегральные схемы, параметрические и квантовомеханические приборы и т. д.

Для получения большого коэффициента усиления используются многокаскадные усилители. Усилители могут быть резонансные и апериодические. Однако следует иметь в виду, что апериодические усилители имеют относительно малый коэффициент усиления по сравнению с резонансными. Резонансные усилители делятся на две группы: усилители с постоянной настройкой и усилители с переменной настройкой.

В зависимости от числа контуров в составе избирательной цепи усилителя различают одноконтурные, двухконтурные и многоконтурные усилители. Реализуемая добротность контура ограниченна, поэтому получить полосы меньше, чем определяемые конструктивной добротностью, невозможно. Для построения широкополосных (не перестраиваемых) усилителей могут использоваться многокаскадные усилители с расстроенными контурами. В усилителях преселекторов применяют в основном два варианта включения биполярного транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и с общей базой (ОБ); для полевых транзисторов — с общим истоком (ОИ) и с общим затвором (ОЗ). Усилители с общим эмиттером (истоком) в диапазонах метровых и более длинных волн позволяют получить наибольшее усиление мощности. Усилители с общей базой (затвором) отличаются большей устойчивостью, поэтому используются в более высокочастотном диапазоне. Принципы построения и анализ резонансных усилителей идентичны для различных типов усилительных приборов и вариантов их включения. Рассмотрим некоторые схемы.

Рисунок 2.3 — Схема апериодического резонансного усилителя преселекторов на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ На рисунке 2.3 представлена схема апериодического резистивного усилителя преселекторов на биполярном транзисторе по схеме с ОЭ, который может использоваться в диапазонах ДВ и СВ. С повышением частоты увеличивается влияние проводимостей транзистора. Для уменьшения их влияния значение Rк выбирают по возможности минимальным, вплоть до Rк=100…300 Ом. Возможно, включение последовательно с Rк корректирующего дросселя Lдр. Рабочая точка транзистора определяется резисторами базового делителя Rб1, Rб2 и Rэ. Сопротивление Rэ также осуществляет термостабилизацию УП (ООС по постоянному току). Емкость Cэ устраняет отрицательную обратную связь по переменной составляющей. Цепочка RфCф образует фильтр по цепи питания. Емкости Ср являются разделительными.

Рисунок 2.4 — Схема резонансного усилителя на биполярном транзисторе с ОЭ Селективным элементом усилителя является одиночный контур, состоящий из катушки индуктивности Lк и емкости Cк. Особенностью резонансных усилителей на биполярных транзисторах является частичное включение контура как ко входу, так и к выходу активного элемента, что обусловлено большими значениями входных и выходных проводимостей транзисторов. Выбор коэффициентов включения m и n производится из соображений получения заданного коэффициента усиления, устойчивости, селективности, неравномерности зависимости коэффициента усиления в заданной полосе и в общем случае является компромиссным.

Рисунок 2.5 — Схема резонансного усилителя по схеме с ОЭ и трансформаторным включением контура в коллекторную цепь транзистора В этой схеме напряжение питания не приложено к контуру, что повышает надежность его работы.

Резисторы Rэ1 и Rэ2 осуществляют термостабилизацию. При этом на Rэ1 реализуется ООС по току. Cэ устраняет ООС по току на Rэ2.

В данной схеме достаточно просто повысить равномерность Ко в поддиапазоне, если применить трансформаторно-емкостную связь контура с коллектором транзистора (введя емкость Cсв).

Структура преселектора современного приемника определяется его назначением и предъявляемыми к нему техническими требованиями. Известно, что преселектор реализует реальную чувствительность приемника и избирательность по комбинационным каналам. На практике к преселектору предъявляется также требование обеспечения необходимого динамического диапазона сигнала, подаваемого на вход преобразователя частоты, то есть преселектор совместно с другими цепями и устройствами приемника должен реализовать автоматическую регулировку усиления.

Реализация необходимой чувствительности определяется внутренними шумами приемника. Реализация необходимой избирательности, в первую очередь по зеркальному и прямому каналам, обеспечивается селективными элементами преселектора, включая фильтры-пробки.

Основной проблемой при приеме АМ-сигналов является получение высокой избирательности и помехоустойчивости при значительной загрузке эфира. При этом преселектор (ВЦ и УП) обеспечивает ослабление посторонних сигналов, достаточное для того. Чтобы они не нарушали нормальной работы смесителя, то есть не создавали побочных каналов приема и перекрестной модуляции /7,8/.

2.3.2 Входная цепь с электронной перестройкой

Настройка контура входной цепи может осуществляться электронным способом с помощью варикапа.

Достоинством электронного способа перестройки является:

1. высокая скорость перестройки,

2. высокая устойчивость по отношению к климатическим и механическим воздействиям,

3. возможность реализации дистанционного управления,

4. простота реализации необходимого закона изменения частоты.

Связь контура LкСк с антенной — емкостная через Ср, с нагрузкой — трансформаторная. Емкость варикапа зависит от постоянного напряжения Uу. Варикап позволяет реализовать изменение емкости контура примерно в 23 раз. Так как зависимость — нелинейная, то прием сигнала или помехи вызовет нелинейные процессы.

Рисунок 2.6 — Принципиальная схема одноконтурной входной цепи с электронной перестройкой с помощью варикапа При появлении сигнала среднее значение емкости варикапа будет несколько больше значения емкости при отсутствии сигнала. Это приводит к частотной расстройке контура. Эта частота расстройки зависит не только от уровня сигнала. Но и от уровня помехи. Неустойчивость характеристик входной цепи обусловлена регенерацией сигнала. Из теории нелинейных электрических цепей известно, что при параметрическом изменении емкости контура с частотой в 2 раза выше частоты сигнала происходит компенсация потерь в контуре. Такое параметрическое изменение может происходить как под действием сигнала, так и под действием помехи. Допустимое напряжение помехи на варикапе, при котором Qк изменится не более чем на 16%, равно В диапазонах ДВ, СВ, КВ уровень помех может быть достаточно большим, поэтому при электронной перестройке в антенной цепи необходимо предусмотреть возможность подавления помехи.

В диапазоне уровни внешних помех достаточно малы и специальных мер по подавлению не требуется. Допустимое напряжение на зажимах контура можно увеличить путем встречно-последовательного включения. Встречное включение варикапов уменьшает также нелинейные явления в контуре, так как при полной симметрии характеристик варикапов четные гармоники напряжений будут взаимно компенсироваться /7/.

2.3.3 Разработанная схема

Основываясь на вышеизложенной информации и множества исследований, была разработана, а затем собрана схема лабораторного стенда по исследованию приемника АМ сигналов. Схема включает в себя входную цепь с электронной перестройкой на варикапе КВ119 В и усилитель на транзисторе КТ315А с контуром на трансформаторе ТОТ25. Схема работает в диапазоне средних волн.

3. Экспериментальное исследование характеристик устройства

3.1 Экспериментальное моделирование работы устройства

3.1.1 Краткие сведения о программе «Microcap VI»

Используется многооконный интерфейс с ниспадающими и разворачивающимися меню /15/. После вызова программы MC6 на экране выводится окно редактора схем. Схемы создаются и редактируются с помощью набора команд (рис. 3.1). доступные команды и соответствующие им пиктограммы ярко высвечиваются, недоступные затемнены.

Рисунок 3.1 — Панель инструментов в режиме ввода и редактирования схемы

Таблица 3.1 — Элементы панели управления в режиме редактирования схемы

Чтобы открыть существующий файл необходимо в основном меню выбрать File/Open.

Расширение *.CIR — имеют схемы в формате MC6; *.LIB — текстовое описание библиотек; *.LBR — сокращенные библиотеки математических моделей в формате MK6; *.MDL — полные библиотеки математических моделей компонентов в формате MK6.

Для создания нового файла в меню File необходимо выбрать команду New. Здесь рис. 3.2 предлагается выбор сделать выбор:

Schematic — создание новой схемы;

SPICI/Text — создание нового текстового файла с описанием схемы или библиотеки математических моделей компонентов в формате Spice;

Library — создание нового бинарного файла библиотек.

Рисунок 3.2 — Создание нового вида файла Выбор вида анализа характеристик схемы указывается в меню Analysis:

Transient Analysis — анализ переходных процессов;

AC Analysis — анализ частотных характеристик;

DC Analysis — анализ передаточной функции по постоянному току.

Рисунок 3.3 — Меню задания параметров моделирования при AC Analysis

В строке Frequency Range указываются границы диапазона частот, на строке Frequency Step — тип шага по частоте. Рекомендуется при первых расчетах отметить строку Auto Scale Ranges и предоставить определение пределов ЭВМ. В дальнейшем, сняв отметку, можно вносить изменения по собственному усмотрению. В графе Y expression указываются имена переменных для построения графиков частотных характеристик. Переменные при расчете частотных характеристик являются комплексными. Примеры их записи:

V (9) — модуль напряжения в узле 9;

Db (V (9)) — модуль напряжения в узле 9 в децибелах;

Re (V (9)), im (V (9)), ph (V (9)) — действительная, мнимая части напряжения и фаза напряжения в градусах соответственно.

Для начала анализа необходимо нажать Run.

Рисунок 3.4 — Многовариантный анализ

Проведение многовариантного анализа при вариации любого параметра компонента схемы или его модели возможно при нажатии опции Stepping (рис. 3.4).

В графе Parameter Type выбирают тип варьируемого параметра. Затем в строке Step What указывают имя варьируемого параметра, From — с какого To — по какой предел изменять Step Value — и с каким шагом. В графе Step it включают кнопку Yes. В графе Method выбирают Linear — линейный или

Log — логарифмический методы. Возможна вариация сразу 10 параметров.

Рисунок 3.5 — Панель инструментов в режиме анализа Каждая из кнопок приведена в таблице 3.2

Таблица 3.2 — Элементы панели управления в режиме анализа

3.1.2 Экспериментальное моделирование

Для исследования приемника на компьютере необходимо провести моделирование отдельных блоков приемника. В результате данной работы были смоделированы различные виды входных цепей на СВ диапазон.

Входная цепь связывает антенно-фидерную систему со входом первого активного каскада. Ее назначение — передача полезного сигнала от антенны ко входу первого активного элемента РпрУ и предварительная фильтрация помех от побочных каналов. Основные характеристики ВЦ: коэффициент передачи по напряжению, полоса пропускания, селективность, перекрытие заданного диапазона частот, постоянство параметров ВЦ при перестройке по диапазону (изменении параметров антенны и активного элемента).

При моделировании ВЦ были рассмотрены все возможные схемы подключения к антенне и нагрузки. Как известно, подключение к ВЦ нагрузки, как и антенны, приводит к ухудшению селективности ВЦ, уменьшению коэффициента передачи, некоторой расстройке. Для уменьшения влияния нагрузки и антенны на характеристики ВЦ следует выбрать связь слабой, мало зависящей от частоты, либо с противоположным характером зависимости по отношению к антенне. Процесс моделирования и предназначен для решения данной задачи. Наиболее распространена трансформаторная связь, которая может работать в режиме удлинения и укорочения. Автотрансформаторную связь обычно применяют при работе от штыревых антенн. Внешнеемкостная связь может иметь достаточно высокий коэффициент передачи, но обладает значительной неравномерностью К по диапазону, поэтому предпочтительна для растянутых диапазонов, а так же для ВЦ с индуктивной настройкой. Внутриемкостная связь применяется при антеннах с малой емкостью и позволяет реализовать достаточно постоянный коэффициент передачи ВЦ по диапазону. Комбинированная связь обеспечивает высокое значение К, малую неравномерность К по диапазону, однако хуже ослабляются высокочастотные побочные каналы.

Было проведено исследование входных цепей и усилителей радиочастот приемных устройств для средневолнового диапазона (СВ). Были смоделированы на компьютере в среде программы MK6 входные цепи с различными видами связей с антенной и УРЧ.

Рисунок 3.6 — Эквивалент удлиненной антенны диапазона СВ Рисунок 3.7 — Частотная характеристика эквивалента удлиненной антенны Рисунок 3.8 — Эквивалент укороченной антенны диапазона СВ Рисунок 3.9 — Частотная характеристика эквивалента укороченной антенны Рисунок 3.10 — Входная цепь диапазона СВ, удлиненная антенна. Трансформаторная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (3кОм) Рисунок 3.11 — Семейство выходных частотных характеристик входной цепи диапазона СВ (удлиненная антенна). Трансформаторная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (3кОм) Рисунок 3.12 — Частотная характеристика на выходе антенны ВЦ СВ, удлиненная антенна, трансформаторная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (3кОм) Рисунок 3.13 — Входная цепь диапазона СВ, удлиненная антенна. Трансформаторная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (1МОм) Рисунок 3.14 — Семейство выходных частотных характеристик входной цепи диапазона СВ (удлиненная антенна). Трансформаторная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (1МОм) Рисунок 3.15 — Входная цепь диапазона СВ, укороченная антенна. Трансформаторная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (3кОм) Рисунок 3.16 — Семейство выходных частотных характеристик входной цепи диапазона СВ (укороченная антенна). Трансформаторная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (3кОм) Рисунок 3.17 — Входная цепь диапазона СВ, удлиненная антенна. Емкостная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (3кОм) Рисунок 3.18 — Семейство выходных частотных характеристик входной цепи диапазона СВ (удлиненная антенна). Емкостная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (3кОм) Рисунок 3.19 — Семейство выходных частотных характеристик входной цепи диапазона СВ (удлиненная антенна). Емкостная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (1МОм) Рисунок 3.20 — Входная цепь диапазона СВ, укороченная антенна. Емкостная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (3кОм) Рисунок 3.30 — Семейство выходных частотных характеристик входной цепи диапазона СВ (укороченная антенна). Емкостная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (3кОм) Рисунок 3.31 — Семейство выходных частотных характеристик входной цепи диапазона СВ (укороченная антенна). Емкостная связь с антенной и емкостная с нагрузкой (1МОм) Рисунок 3.32 — Входная цепь диапазона СВ, удлиненная антенна. Трансформаторная связь с антенной и автотрансформаторная с нагрузкой (1кОм) Рисунок 3.33 — Семейство выходных частотных характеристик входной цепи диапазона СВ (удлиненная антенна). Трансформаторная связь с антенной и автотрансформаторная с нагрузкой (1кОм) Рисунок 3.34 — Входная цепь диапазона СВ, укороченная антенна. Трансформаторная связь с антенной и автотрансформаторная с нагрузкой (1кОм) Рисунок 3.35 — Семейство выходных частотных характеристик входной цепи диапазона СВ (укороченная антенна). Трансформаторная связь с антенной и автотрансформаторная с нагрузкой (1кОм) В процессе моделирования были также рассмотрены другие эквиваленты антенн.

Рисунок 3.36 — Входная цепь диапазона СВ, удлиненная антенна. Трансформаторная связь с антенной и непосредственное включение нагрузки