Приемник радиопеленгатора

РГРТУ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

«Устройства приема и обработки сигналов»

Студент Косс С. В.

Группа 310 Специальность 201 700

1. Введение

2. Технико-экономическое обоснование и расчёт структурной схемы приёмника

3. Расчет входной цепи

4. Выбор источника питания

5. Конструктивная разработка преобразователя частоты

6. Заключение

7. Библиографический список

1.

Введение

Радиоприемное устройство — одно из важнейших и необходимых элементов любой радиотехнической системы передачи информации. Оно обеспечивает: улавливание энергии электромагнитного поля, несущего полезные сообщения; усиление мощности полезного радиосигнала; детектирование; усиление мощности сигнала и преобразование его в сообщение, поступающее получателю .

Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основными являются: 1) тип схемы; 2) вид принимаемых сигналов; 3) назначение приемника; 4) диапазон частот; 5) вид активных элементов, используемых в приемнике; 6) тип конструкции приемника. По типу схем различают приемники детекторные, прямого усиления, сверхрегенеративные и супергетеродинные приемники, обладающие существенными преимуществами перед приемниками других типов и широко применяемые на всех диапазонах частот.

Отличительной особенностью супергетеродинного приемника является то, что независимо от частоты принимаемого сигнала обработка его производится на фиксированной частоте, называемой промежуточной. Таким образом, супергетеродинный приемник представляет своего рода комбинацию из преобразовательного каскада и приемника прямого усиления, работающего на фиксированной частоте. Промежуточная частота выбирается, как правило, ниже частоты принимаемого сигнала. Поэтому обработка сигнала получается проще и более качественная. Это является достоинством супергетеродинного приемника. Но супергетеродины не лишены некоторых недостатков. В первую очередь это наличие паразитных (дополнительных) каналов приема. Основной паразитный канал приема носит название зеркального или канала симметричной станции. Частота зеркального канала отличается от частоты принимаемого сигнала на удвоенное значение промежуточной частоты. Ослабление помех, действующих на частоте зеркального канала, возможно, лишь только с помощью избирательных систем, включенных до преобразователя. Другим паразитным каналом является канал прямого прохождения.

Еще один недостаток супергетеродинных приемников состоит в возможности возникновения так называемых комбинационных свистов. Основной мерой для подавления этого эффекта снижение уровня гармонических составляющих гетеродинного напряжения и сигнала выбором соответствующего режима работы смесителя.

Основными узлами и блоками приёмника являются: приёмная антенна, ряд различных усилителей (УРЧ и УПЧ) и преобразователей частоты, детектор, усилитель звуковой частоты (УЗЧ) и оконечное устройство. Структурная схема приёмника в значительной степени определяется его назначением и видом модуляции сигнала.

Для упрощения схемы некоторые блоки приёмника целесообразно заменить аналоговыми интегральными микросхемами.

В данном КП разрабатывается приемник радиопеленгатора.

2. Технико-экономическое обоснование и расчет структурной схемы приемника

1) Разбивка заданного диапазона приемника на поддиапазоны (при Кд>2) и расчет границ поддиапазонов с 2% запасом. Дальнейший расчет на максимальной частоте приемника.

Кпд Разобьем заданный рабочий диапазон приемника на 5 поддиапазонов.

Используем метод разбивки с постоянным коэффициентом поддиапазона. Также учтем 2% запас по ширине поддиапазонов.

Fпд1мин Fпд1макс/Fпд2мин Fпд2макс/Fпд3мин Fпд3макс/Fпд4мин Fпд4макс/Fпд5мин Fпд5макс

0,1 0,19 0,361 0,686 1,303 2,5 МГц

F/пд_мин =Fпд_мин*0,98.

F/пд_макс =Fпд_макс*1,02.

F/пд1мин =Fпд1мин*0,98=0,1*106*0,98=0,098МГц

F/пд1макс =Fпд1макс*1,02=0,19*106*1,02=0,1938МГц.

F/пд2мин =Fпд2мин*0,98=0,19*106*0,98=0,1862МГц

F/пд2макс =Fпд2макс*1,02=0,361*106*1,02=0,3682МГц.

F/пд3мин =Fпд3мин*0,98=0,361*106*0,98=0,3537МГц

F/пд3макс =Fпд3макс*1,02=0,686*106*1,02=0,6997МГц.

F/пд4мин =Fпд4мин*0,98=0,686*106*0,98=0,6723МГц

F/пд4макс =Fпд4макс*1,02=1,303*106*1,02=1,329МГц.

F/пд4мин =Fпд4мин*0,98=1,303*106*0,98=1,2769МГц

F/пд4макс =Fпд4макс*1,02=2,5*106*1,02=2,55МГц.

2) Расчет ширины спектра принимаемого сигнала с учетом вида, параметров модуляции и диапазона модулирующих частот.

Для A3J (однополосная модуляция с подавлением нижней боковой и несущей полностью (подавление на 40дБ))

.

3) Расчет настабильностей частоты передатчика и гетеродина приемника. Выбор типа гетеродина и требований к нему.

Выберем транзисторный гетеродин без кварцевой стабилизации (относительная нестабильность fг/fг = 10−3-10−4).

Нестабильность сигнала определяем как

fc = Fмакс*fг/fг = 2,5*106*10−4 = 250 Гц Выберем промежуточную частоту Fпром = 3,5 МГц

Fгмакс = Fсмакс + Fпром = 2,5 + 3,5 = 6 Мгц Нестабильность гетеродина тогда будет определена как

fг = fг/fг* Fгмакс = 600 Гц Пнестаб-ти===1300 Гц. [1]

4) Расчет требуемой полосы пропускания приемника. Проверка полосы канала связи и защитного интервала.

По ТЗ, расстройка по соседнему каналу 5кГц.

П0,7 = Пспектра + Пнестаб-ти = 3100 + 1300 = 4400Гц.

Проверка полосы канала связи:

П0,7< Пканала.

Пзащ.инт = Пканала — П0,7 = 5*103 — 4.4*103 = 600 Гц.

5) Сравнить полосу пропускания и расстройку по соседнему каналу. В случае их равенства (или превышения) скорректировать полосу пропускания приемника и сравнить их.

П0,7=4400Гц.

Псосед.кан.=5000Гц.

П0,7< Псосед.кан.

6) Расчет допустимого коэффициента шума приемника при заданных ЭДС на его входе и соотношении с/ш на входе детектора.

Определив необходимую полосу линейного тракта, нужно перейти к выбору первых каскадов приемника, обеспечивающих требуемую чувствительность. Коэффициент шума можно характеризовать реальной чувствительностью приемника. Если раельная чувствительность задана в виде велечины ЭДС ЕА сигнала в антенне, при которой отношение эффективных значений напряжений с/п на выходе приемника гвых больше минимально допустимого гвх или равно ему, то можно вычислить допустимый коэффициент шума приемника Nд из условия радиоприемник схема сигнал шум

NД. [1]

— минимально допустимое отношение эффективных напряжений с/п на входе приемника;

Пш — шумовая полоса линейного тракта;

Пш=1,1*4400=4840 Гц;

К=1,38*10−23 Дж/град — постоянная Больцмана;

Т0=2900 К — стандартная температура приемника;

RA=75 Ом — внутреннее сопротивление приемной антенны.

. [1]

Пвых1,1*Fmax — полоса пропускания УНЧ.

Пвых=1,1*3400=3740 Гц .

=3*= 2,637.

NД==222,73.

NД (дБ)=10*lg222,73=23,48дБ.

7) Выбор транзистора (ИМС) первого каскада приемника (УРЧ) по максимальной частоте и коэффициенту шума. Рекомендуется выбрать транзистор с нормированным коэффициентом шума на Fmax приемника.

Коэффициент шума транзистора должен быть меньше коэффициента шума приемника NД в 2 раза на fв :

NТ = 11,74 дБ Рис. 1

Выбираем транзисторы серии КТ300. Это транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные n-p-n переключательные маломощные и СВЧ усилительные с нормированным коэффициентом шума. Выберем транзистор КТ355А, работы в схемах усиления и генерирования колебаний. Его коэффициент шума на частоте 2,5 МГц составляет 4,8дБ. Транзистор работает на частоте до 300МГц при Uк=5 В, Iэ=10мА. Выпускается в герметичном металлическом корпусе с гибкими выводами. Обозначение типа приводится на крышке корпуса. Масса транзистора не более 1,2 г. [5]

8) Расчет избирательности по зеркальному каналу тракта радиочастоты (ТРЧ). Выбор схемы тракта и количества его контуров.

В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется в основном ослаблением зеркального SLск и соседнего SLзк каналов. В приемниках с одинарным преобразованием частоты ослабление зеркального канала обеспечивает преселектор, ослабление соседнего — в основном УПЧ и частично преселектор. Резонансные характеристики преселектора и УПЧ должны быть такими, чтобы линейный тракт (преселектор и УПЧ с преобразователем частоты) обладал полосой пропускания не меньше заданной П. Промежуточная полоса должна лежать вне диапазона принимаемых частот fс и обеспечивать:

— заданную избирательность (ослабление SLзк) по зеркальному каналу;

— заданную избирательность по соседнему каналу SLск;

— заданную полосу пропускания линейного тракта П;

— возможность применения контуров с реализуемой добротностью;

— устойчивое детектирование радиоимпульсов и хорошую фильтрацию сигналов промежуточной частоты при детектировании;

— требуемое усиление и устойчивость работы УПЧ;

— малый коэффициент шума в приемниках со смесителем на полупроводниковых диодах и без УРЧ;

Для возможности применения контуров нужно иметь:

fг>fс.

fп=3,5 МГц.

Частота, на которой будем рассчитывать расстройку:

fmax= fп+fс.

Пользуясь нормированными частотными характеристиками при больших и малых обобщенных расстройках, схему преселектора, затухания его контуров и промежуточную частоту можно выбрать следующим образом:

так как промежуточная частота задана fп, то следует выбрать эквивалентное затухание (затухание контуров преселектора с учетом потерь, вносимых источником сигналов и нагрузкой) из условия dэр0,02…0,01 и определять обобщенную расстройку зеркального канала

. [1]

dэр=0,02.

раз.

(дБ) = 20*lg14=44,9дБ.

Выберем схему № 7, показанную на рис. 2 :

Рис. 2

Она обеспечивает избирательность по зеркальному каналу более 100дБ, а по ТЗ необходимо более 40дБ. [1]

9) Проверка избирательности тракта радиочастоты по каналу прямого прохождения.

Обобщенная расстройка, соответствующая частоте дополнительного канала приема fдк=3,5МГц (промежуточная частота), равна:

= 34,286 раз. [1]

f00=2,5МГц — наиболее опасная частота настройки приемника, лежащая ближе всего к fДК

(дБ)=20*lg34,286=30,7дБ.

Согласно рис. 2, используется 3 контура, и тогда

(дБ)=3*30,7=92,1дБ.

>46дБ, что соответствует ТЗ.

10) Расчет избирательности приемника по соседнему каналу в тракте промежуточной частоты (ТПЧ). Выбор вида и количества контуров (фильтров), схемы каскадов и их количества.

а) Проверка на реализуемость УПЧ с распределенной избирательностью

— коэффициент прямоугольности.

По результатам проверки по таблицам УПЧ с распределенной избирательностью не реализуем при любом количестве контуров. [1]

б) Проверка на реализуемость УПЧ с ФСС

.

Т. к. эквивалентная добротность слишком большая (Qэ>>150), то УПЧ с ФСС также не реализуем.

в) Остается только вариант схемы с кварцевым фильтром, который был бы рассчитан на работу на частоте 3,5МГц при ширине полосы пропускания 4400Гц. Кварцевый фильтр, удовлетворяющий этим условиям — ФП2П6−42 (fн=(3,3…25)МГц, Дf=10кГц, бгар не менее 60дБ). [3]

11) Определение общего коэффициента усиления линейной части приемника при выбранном типе детектора и напряжения на его входе.

Для детектирования непрерывных АМ сигналов с ОБП целесообразно использовать полупроводниковые диоды, которые дают наименьшие искажения. Для обеспечения устойчивого и линейного режима работы на вход гетеродинного детектора подаем Uвх45 мВ. Коэффициент общего усиления — считается от антенны до входа детектора.

Кз=1,5…3 — коэффициент запаса;

Еа=3мкВ — реальная чувствительность приемника;

Uд0,9mUп — амплитуда выходного напряжения детектора, где Uп=0.04…0.06 В;

Выберем Кз = 2, Uп = 0.05, тогда коэффициент общего усиления будет равен:

[1]

12) Распределение общего усиления приемника между трактами радиои промежуточной частоты (ТРЧ и ТПЧ). Составление примерной структурной схемы приемника и уточнения числа каскадов и вида контуров в них.

Выберем

13) Распределение усиления в трактах ТРЧ и ТПЧ, уточнение числа каскадов по усилению и по избирательности в них.

Распределим усиление по блокам схемы (рис. 3).

Рис. 3

Блоки схемы будут обладать следующими коэффициентами усиления:

КВХ=0,4;

КУРЧ=9;

КСМ=4;

КФ=0,2;

КУПЧ=30;

14) Составление примерной структурной схемы приемника, уточнение числа каскадов. Определение входных напряжений в каскадах и трактах приемника. Выбор типов транзисторов.

Рассчитаем напряжения на выходе блоков структурной схемы приемника.

Uвх=3мкВ (по ТЗ);

Uвц=3*0,4=1,2мкВ;

Uурч=1,2*2*9=97,2мкВ;

Uсм=97,2*4=388,8мкВ;

Uф=388,8*0,2=77,76мкВ.

На вход АД необходимо подать напряжение не ниже 45мв. Для этого нужно определить, какое усиление будет на УПЧ.

КУПЧ =UвыхУПЧ/UвхУПЧ; КУПЧ =(45*10^(-3))/(77.76*10^(-6))=580.

Будем использовать два УПЧ, у каждого коэффициент усиления будет равен КУПЧ1,2=.

Тогда распределение усиления по всей схеме будет выглядеть так, как показано на рис. 4.

Рис. 4

Из справочника по транзисторам выбираем транзистор серии КТ301А малой мощности ВЧ. Транзистор кремниевый диффузионный n-p-n.

рис. 5

Выпускается в металлическом герметичном корпусе со стеклянными изоляторами и имеют гибкие выводы. Масса не более 1 г (рис. 5)

Предельная частота усиления тока при Uк=10 В не менее 30МГц.

15) Замена транзисторов в каскадах на микросхемы.

Ориентируемся на ИМС серии К174. Это серия представляет собой комплект ИМС, преднозначенных для высококачественной радиовещательной аппаратуры, в том числе звуковоспризводящей. Микросхемы выполнены на биполярных транзисторах с изоляцией p-n перехода.

ИМС К174ХА2 (рис. 6) предназначена для работы в радиовещательных приемниках АМ сигналов третьей группы сложности, но может также использоваться и в радиовещательных приемниках второй группы сложности с внешним гетеродином, что дает повышенную устойчивость к перекрестной помехе. ИМС содержит усилитель сигналов радиочастоты А1 с системой АРУ А2, смеситель UZ1, усилитель промежуточной частоты А4 с системой АРУ А5, гетеродин G1 и стабилизатор А3.

Рис. 6. Структурная схема ИМС К174ХА2

Типовая схема включения микросхемы приведена на рис. 7. Селекцию входного сигнала осуществляет контур L2C1C2.1. Частота колебаний гетеродина определяется контуром L3C2.2C6C7. Сигнал разностной частоты выделяется контуром L5C9 и последующим полосовым фильтром Z1. С усилителя ПЧ через контур L7C15 сигнал приходит в детектор на диоде VD1. RC фильтр R10C16 выделяет напряжение АРУ и оно подается на вывод 9.

Рис. 7

Назначение выводов ИМС К174ХА2:

1 — Вход УРЧ;

2 — Вход УВЧ;

3 — Вход УПТ;

4 — Вывод;

5 — Вывод;

6 — Вывод;

7 — Выход УПЧ;

8 — Общий;

9 — Вход УПТ;

10 — Индикаторный вывод;

11 — Вход УПТ;

12 — Вход УПТ;

13 — Вывод;

14 — +Uист.пит. ;

15 — Выход смесителя;

16 — Выход смесителя.

Номинальное напряжение питания 9 В. выходное напряжение НЧ не менее 60 мВ. Частота входного сигнала не более 27 МГц. Входное сопротивление УВЧ и УПЧ не менее 3 кОм. [2]

На микросхеме К174ХА2 будут реализованы УРЧ2, СМ, Г1, УПЧ2.

Для реализации УРЧ1 и УПЧ1 воспользуемся микросхемой 235-го семейства: 235УР2 (рис. 8). Эти микросхемы предназначены главным образом для работы в качестве выходных усилителей ТПЧ. Для выравнивания частотной характеристики в эмиттерной цепи первого каскада МС использована частотная коррекция, благодаря чему МС можно применять как широкополосный усилитель.

Рис. 8

Коэффициент усиления регулируется с глубиной до 18дБ изменением сопротивления резистора, подключаемого между выводами 2 и 5. Микросхемы могут применяться с различными по харакеру нагрузками.

На чатотах 1,6 и 25 МГц МС обеспечивает крутизну проходной характеристики не менее 75 и 25 мА/В соответственно, входное сопротивление не менее 3 кОМ, входную емкость не более 15 пФ. При коэффициенте устойчивости 0,9 на частоте 1,6 МГц МС обеспечивает усиление более чем в 300 раз. [4]

Окончательный вариант структурной схемы приемника (рис. 9).

Рис. 9

В качестве УНЧ возьмем ИМС для звуковоспроизводящей аппаратуры, серии 174. Выбираем К174УН4А — усилитель мощности с выходной мощностью 1,4Вт. Типовая схема включения приведена на рис. 10.

Рис. 10

Назначение выводов ИМС К174УН4А:

1 — Управление стабилизатором тока;

2 — Обратная связь;

3 — Теплоотвод;

4 — Вход;

5 — Фильтр;

6 — Вольтдобавка;

7 — +Uист.пит.;

8 — Выход;

9 — Общий;

Номинальное напряжение питания составляет 9 В. Номинальная выходная мощьность 1 Вт. Номинальное сопротивление нагрузки 4 Ом. Диапазон рабочих частот 0,03…20 кГц. Входное сопротивление не менее 10кОм. [2]

3. Расчет входной цепи Выбираем схему входной цепи с индуктивной (трансформаторной) связью с настроенной антенной (рис. 11).

Рис. 11

Выбираем полную емкость схемы CСХ=200 пФ, собственное затухание контура берем равным: dК=0,007.

mA=

.

mВХ=.

.

Wф=50 Ом — волновое сопротивление фидера;

Rвх=200 Ом — входное сопротивление транзистора первого каскада;

=2**fmax=2**10*106.

Расчитываем минимальную емкость контура:

СL=3пФ — паразитная емкость катушки контура;

CM=3−5пФемкость монтажа;

Находим индуктивность контура:

.

Находим максимальную емкость контура:

Определяем индуктивность катушки связи:

.

Для снижения паразитной емкости между LсвА и L коэффициент связи между ними, обеспечивая согласование, должен быть наименьшим. Вычислим минимальный коэффициент связи, при котором обеспечивается согласование:

.

Рассчитываем коэффициент передачи напряжения входной цепи:

.

Lф=0,97 — коэффициент передачи фидера, определяемый из рис. 12 по произведению =0,1*3=0,3 (- затухание в фидере, дБ/м; - дина фидера, м., выбираем исходя из условия что, это приемник радиопеленгатора, условия работы полевые =3−4 м),

Рис. 12

Кос — коэффициент передачи собственно входной цепи при согласовании, равный

. [1]

Тогда К0ВЦ=0,97*0,447=0,43, что довольно точно соответствует коэффициенту передачи входной цепи, который был выбран в пункте 12 расчета структурной схемы приемника.

4. Выбор источника питания Источник питания должен выдавать постоянные стабилизированные напряжения для трактов ТРЧ и ТПЧ (+6,3 и +9 В), а также на УНЧ. В качестве первичного источника питания (ПИП) в полевых условиях может использоваться дизельная электростанция, батарея из гальванических элементов или аккумуляторная батарея. Если в качестве ПИП выбран аккумулятор, то должна быть предусмотрена возможность его заряда.

5. Конструктивная разработка преобразователя частоты

6.

Заключение

Разработанный приемник радиопеленгатора удовлетворяет всем требованиям технического задания. Достоинством схемы является достаточно малое число элементов, что было достигнуто благодаря использованию интегральных микросхем. Приемник построен на современных микросхемах серии К174 и 235, что обеспечивает их легкое сопряжение и несложную настройку собранного приемника. Разработка также обладает неплохими показателями по чувствительности и избирательности, а использование синтезатора частоты позволяет перестраиваться по диапазону с большой точностью.

7. Библиографический список

1. Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А. П. Сиверса. Учебное пособие для вузов. — М.,"Сов.радио", 1976.

2. Аналоговые интегральные микросхемы. Д. И. Атаев, Б.А.болотников. — М.:МЭИ 1999.

3. Изделия электронной техники: Справочник. Ладик А. И., Сташкевич А. И. М.: Радио и Связь, 1993.

4. Микросхемы и их применение: Справочное пособие. Батушев В. А., Вениаминов В. Н. — М.: Радио и связь, 1984.

5. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: справочник. Под ред. Перельмана Б. Л. — М.: Радио и связь, 1981.