Разработка радиовещательного приемника

Курсовой проект

Устройства приема и обработки сигналов

Разработка радиовещательного приемника Студент: Минаев Дмитрий Группа: 4097/2

Преподаватель: Шипицын А.А.

Техническое задание (вариант № 03)

Назначение радиовещательный Диапазон принимаемых частот, МГц 0.15 — 0.4

Чувствительность, мкВ 150

Ослабление, дБ (зеркального/соседнего) 46/46

Ослабление помехи на промежуточной частоте, дБ 34

Выходная мощность, Вт 0,35

Полоса пропускания приемника, кГц 8,5

Эффективность АРУ (изменение входного/выходного сигнала) 40/12

Задачей курсовой работы является разработка радиовещательного приёмника диапазона 0.15−0.4 МГц, удовлетворяющего требованиям технического задания.

Анализ технического задания и разработка структурной схемы приемника

На заре радиовещания первые радиоприемники были детекторного типа. Сигнал с антенны поступал непосредственно на детектор и далее на наушники. Следующим этапом стало применение усилительных каскадов в цепях высокой частоты. Такие приемники называются приемниками прямого усиления. Приемники, состоящие из последовательно включенных усилителей ВЧ, неудобны по нескольким причинам. Во-первых, отдельные каскады должны быть настроены на одну и ту же частоту, что требует очень точного согласования группы одновременно перестраиваемых LC контуров. Во-вторых, поскольку общая частотная избирательность определяется характеристиками всех усилителей в совокупности, форма полосы пропускания будет зависеть от точности настройки каждого каскада; отдельные каскады не могут иметь столь узкополосную характеристику, как хотелось бы, так как настройка в этом случае была бы практически невозможна. И поскольку принимаемый сигнал может быть любой частоты в пределах принимаемого диапазона, нельзя использовать пьезофильтры для получения нужной формы АЧХ каскадов. Пьезофильтр — это полосовой фильтр на основе одного или нескольких пьезокерамических кристаллов, пропускающий узкую полосу частот (от нескольких сотен Герц и выше) и имеющий крутые спады на границах частоты. Лучшее решение этих проблем дает применение супергетеродинного приема. Структурная схема приемника приведена на рисунке 1.

· Основной принцип супергетеродинного приема — преобразование принимаемого сигнала в сигнал фиксированной частоты, называемой промежуточной (ПЧ) и в дальнейшем ее детектировании, т. е. преобразование высокочастотного сигнала в низкочастотный, в том числе и звуковой сигнал. Смысл такого преобразования заключается в том, что на одной частоте просто получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) требуемой формы. Промежуточная частота может быть выше и ниже частоты принимаемого сигнала. Более высокая ПЧ применяется в радиоприемниках длинноволнового диапазона и в специальных измерительных приемниках. Для УКВ диапазона промежуточная частота принята 10,7 МГц, а для диапазонов ДВ, СВ и КВ 455 (или 465) кГц. Необходимая АЧХ формируется либо многоконтурным фильтром сосредоточенной селекции (ФСС), либо пьезокерамическим фильтром.

Принцип преобразования приведен на рисунке 2. Где:

· fГ — частота дополнительного генератора — гетеродина;

· f1 — частота принимаемого канала;

· f2 — частота соседнего канала;

· f3 — частота зеркального канала;

· fПЧ — частота настройки каскадов промежуточной частоты.

Сигнал с антенны попадает в высокочастотный тракт, включающий преселектор (входной полосовой фильтр и усилитель высокой частоты), а также гетеродин со смесителем. УВЧ не только усиливает сигнал, но и фильтрует его в заданной полосе. Усиленный ВЧ-сигнал поступает в смеситель. После смесителя сигнал (с точностью до амплитуды) имеет вид cos2п (f_н+f_г)t+cos2п (fн-f_г)t, что соответствует модулированным сигналам на несущих f_н+f_г и |f_н-f_г|. Разностную составляющую — промежуточную частоту (ПЧ) f_пч=|f_н-f_г| - выделяют полосовым фильтром и в дальнейшем работают именно с ней.

Сигнал ПЧ фильтруется и усиливается, после чего сигнал попадет на частотный детектор — ЧМ-демодулятор. После демодуляции низкочастотный сигнал усиливается в усилителе звуковой частоты и далее поступает на устройства воспроизведения.

Профессиональные радиоприёмные устройства часто выполняются по супергетеродинной схеме с двукратным преобразованием частоты. Это позволяет: увеличить избирательность по зеркальному каналу, увеличить избирательность по соседнему каналу благодаря применению низкой второй промежуточной частоты, получить устойчивое усиление. Но при этом значительно усложняется схема и конструкция приёмника и появляются дополнительные побочные каналы приёма.

Рис. 2.

Недостатками двойного преобразования частоты являются: а) наличие дополнительных побочных каналов приёма; б) значительное усложнение схемы и конструкции приёмника.

Так как целью работы является проектирование радиовещательного приемника, то будем использовать однократное преобразование частоты.

Рассмотрим основные характеристики радиоприёмника, описанные в техническом задании.

1)Чувствительность — мера способности РПУ принимать слабый сигнал и воспроизводить сообщение с приемлемым качеством. Количественно она определяется минимальным уровнем нормально-модулированного сигнала и значением напряженности поля в антенне для достижения заданной верности воспроизведения при точной настройке РПУ.

В соответствии с техническим заданием чувствительность разрабатываемого приёмника равна 150 мкВ.

2)Избирательность — способность приемника выбирать полезный сигнал из шума и помех.

Ослабление, помехи зеркального и соседнего каналов 46/46 дБ, ослабление помехи на промежуточной частоте 34 дБ.

3)Максимальная неискаженная мощность на выходе — максимальная возможная мощность на выходе приемника при заданной величине искажений. По техническому заданию выходная мощность 0.35Вт.

4)АРУ — автоматическая регулировка усиления.

Эффективность автоматической регулировки усиления (изменение входного/выходного сигнала) 40/12.

Выбор промежуточной частоты

радиовещательный приёмник микросхема контур Промежуточная частота не должна лежать в пределах диапазона рабочих частот приёмника, а должна отстоять как можно дальше от границ этого диапазона с целью обеспечения необходимого подавления помехи на частоте, равной промежуточной. Общей рекомендацией для уменьшения числа побочных каналов является выбор промежуточной частоты из условия:

f_пр (4…5) f_с.макс или f_пр(0,1…0,2) f_с.мин

Для обеспечения более высокой избирательности по зеркальному каналу, промежуточная частота должна быть по возможности выше, а для обеспечения избирательности по соседнему каналу — как можно ниже.

В проектируемом приемнике заданные техническим заданием требования могут быть обеспечены при использовании одного преобразования частоты со стандартным значением f_ПЧ.

В радиовещательных приемниках согласно ГОСТ приняты следующие значения f_ПЧ.

— 465 кГц в приемниках АМ сигналов;

— 10.7 МГц в приемниках ЧМ сигналов;

Примем значение f_ПЧ = 465 кГц.

Расчет входных параметров микросхемы

Входная цепь предназначена для передачи сигнала от антенны к входному тракту и предварительной фильтрации нежелательных сигналов. Существует четыре вида входных цепей.

1)входная цепь с внешнеемкостной связью.

2)входная цепь с внутриемкостной связью.

3)входная цепь с трансформаторной связью.

4)входная цепь с автотрансформаторной связью.

Схема с внешнеемкостной связью колебательного контура с антенной значительно проще схемы с трансформаторной связью, при этом она сможет удовлетворить техническому заданию, в связи с этим я остановил свой выбор на одноконтурной входной цепи с внешней емкостной связью. Выбором конденсатора можно изменять значение коэффициента связи с антенной в процессе работы, что позволяет применять его с различными антеннами.

Расчет входной цепи:

Диапазон частот (в Мгц.) — fmin = 0.15

fmax = 0.4

Чувствительность (в Мкв.) — Е = 150

Избирательность по зеркальному каналу (дб.) — d = 46

Растянутый диапазон Т=1. /нерастянутый Т=2. Т = 46

1.Определяем коэффициент перекрытия диапазона Kd=N*fmax/fmin = 2.8 и полагаем максимальную конструктивно осуществимую добротность Q = 50.

2.Находим наименьшее значение показателя связи входной цепи транзистора с контуромamin:

Введите параметры входного транзистора:

Активная составляющая проводимости (в Мсим) — g11 = 0.33

и ее относительное изменение — dg11 = 0.1

Реактивная составляющая проводимости (в Мсим) — b11 = 470

и ее относительное изменение — db11 = 10

Коэффициент шума (разы) — N = 1.2

Оцениваем а).влияние изменения активной составляющей проводимости транзистора на полосу

a1= 4.0*dg11−1 = -0.600,

b).влияние изменения реактивной составляющей проводимости db11 транзистора на частоту настройки

a2= 1.25*b11/g11*db11−1 = 17 802.030,

c).Задаем допустимое значение коэффициента расширения полосы S = 1.25−2 и находим значение a3 ,

а) Если эквивалент антенны — емкость

a3=1/(S-1).

б) Если эквивалент антенны — сопротивление

a3=[3*SQRT (Kd*Kd*Kd)+s-1]/[Kd*Kd*(S-1)].

Выбираем тип антенны:

открытая антенна ;

Ra<<1./(2.*pi*f*Cin) R = 1,

короткая штыревая антенна — Ca = Cin, R = 2.

Введите значение (целое) R = 2

Введите емкость антенны (в пф) — Ca = 90

ее нестабильность (в пф) — Dca = 1

емкость входа (в пф) — Cin = 30

ее нестабильность (в пф) — Dcin = 5

a3 = 1.600.

amin=max (ai), i=1,2,3; amin = 17 802.030 .

3.Выбираем настроечный конденсатор Cmin, Cmax ,

удовлетворяющий условию Cmax/Cmin > [3−6]*Kd*Kd, Kd=2,8

и определяем для него значение неравномерности изменения емкости настройки с углом поворота — H.

Введите значение H = 60

Дальнейший расчет схемы определяется значением величины

h0=Exp[Ln (0.9*H)/3] = 3.77 976 314 968 328

4.Случай Kd > h0

Введите (в пф.) значение Cmin = 5 Введите (в пф.) значение Cmax = 300

4.1 Вычисляем значения следующих емкостей:

C3 = Cl+0.4*(Cmin+Cm) = 9.0 пф,

C2=C~*(K2+SQRT (K2*K2+4*K2*Kk*C3/C~))/(2*Kk) = 437,4 пф.

где K2=Kd*Kd-1 = 6.855,

Kk=[1-SQRT (Kd*Kd*Kd/H)]*[SQRT (Kd*H)-1]= 4.718,

C≅Cmax-Cmin — полная емкость, включенная последовательно с конденсатором настройки.

C1 = 0.5*b/a*{ SQRT[1+4*a*dd/(b*b)]-1} - Cmin = 10.8 пф, где a = K2*(C2+Cl), Cl= 4 пф, b = K2*[Cl*(2*C2+C~)+C2*(C2+C~)], dd = C~*C2*C2-K2*Cl*C2*(C2+C~) — полная емкость, включенная параллельно конденсатору настройки.

Ckmax = Cl+C2*(C1+Cmax)/(C1+C2+Cmax) = 184.7 пф.

Ckmin = Cl+C2*(C1+Cmin)/(C1+C2+Cmin) = 18.3 пфмаксимальная и минимальная емкости контура.

4.2 Для антенны с эквивалентом Ra определяем коэффициент

as = 2/[(S-1)*SQRT (K3)], где K3=Kd*Kd*Kd,

при штыревой антенне полагаем as >> 1; и находим значение емкости связи с транзистором Cct.

Cc=SQRT{Ckmax*g11*Q*amin/(6.28*fmin)/[1+1/(as*K3)]} = 45 566.2 пф.

Cct = Cc-b11/(6,28*fmin) = -831 119.3 пф.

Получилось отрицательное значение емкости связи с транзистором. По-этому произведем перерасчет, как для случая Kd>h0.

Введите значение Сct, соответствующее ГОСТ. Cct = 20 000

4.3 Находим емкость связи с антенной Cca

Если эквивалент антенны — емкость

Cca=(Ca+Cin)/SQRT[2*Q*(Dca+Dcin)/Ckmin-1)= 15,85 пф,

Ca1=Ca*Cca/(Ca+Cca) = 12,18 пф.

4.4 Далее находим емкости подстроечного Cp, дополнительного Cd конденсаторов, а также емкость связи Cck.

kkk=Cc/(Cc+Cl-C2-C3) = 1.74 031 773 8018E+0000

Cp=kkk*(C3-Cl)-Ca1 = 0,16 пф,

Cck=kkk*C2 = 265,1 пф.

Введите значение Cck, соответствующее ГОСТ. Cck = 270

Cd=C1-kkk*C2*(C3-Cl)/Cc-Cm = 10,75 пф.

5.Случай Kd>h0. Cck исключается из схемы.

Введите (в пф.) значение Cmin = 5 значение Cmax = 350

5.1 Определяем значения С1 и С2.

C2 = SQRT [amin*Q*Cmax*g11/(6.28*fmin)] = 52 057.4 пф.- полная емкость включенная последовательно с конденсатором настройки.

C1 = 0.5*b/a*{ SQRT[1+4*a*dd/(b*b)]-1} - Cmin = 35 пф, где K2 = Kd*Kd-1 = 6.85,

Cl = 4 пф.

dc = Cmax-Cmin ,

a = K2*(C2+Cl),

b = K2*[Cl*(2*C2+dc)+C2*(C2+dc)] ,

dd = dc*C2*C2-K2*Cl*C2*(C2+dc) — полная емкость, включенная параллельно конденсатору настройки.

5.2 Находим максимальную емкость контура

Ckmax = Cl+C2*(C1+Cmax)/(C1+C2+Cmax) = 395 пф.

5.3 Находим значение емкости связи с транзистором

Cct = C2-b11/(6,28*fmin) = 7,3 366 929 993 0334E+0004 пф.

Введите значение Сct, соответствующее ГОСТ. Cct = 45 000

5.4 Находим емкость связи с антенной Cca

Если эквивалент антенны — емкость

Cca=(Ca+Cin)/SQRT[2*Q*(Dca+Dcin)/Ckmin-1)= 25,10 пф

Ca1=Ca*Cca/(Ca+Cca) = 19,62пф.

Введите значение Сca соответствующее ГОСТ. Cca = 15

5.5 Определяем емкости подстроечного

Cp=0.4*(Cmin+Cm)+0.05*Ckmin = 8.51пф, и дополнительного конденсаторов

Cd=C1-Ca1-Cp-Cm = 4.15 пф.

Введите значение Cd соответствующее ГОСТ. Cd = 6

6.Определяем индуктивность контура

Lk=1E6/[SQR (6.28*fmin)*Ckmax] = 5,82 мкГн.

7.Для частоты fmin вычисляем значения следующих коэффициентов

r0 = 6.28*f*Lk = 2686,1 оМ.

p1 = 1/[6.28*f*Lk*(6.28*f*Cct+b11)] ,

b1 = 6.28*f*Lk*p1*p1*g11*Q = 7,185 253 127 8524E-0005 .

Если эквивалент антенны — емкость

a = Ca/Ckmin = 1,7 896 912 896 5946E+0000, b0 = 0.

8.Определяем реальные значения добротности входной цепи

Q1 = Q/(1+b0)/[1+b1/(1+b0)] = 49.96,

чувствительности

E1=1.25e-10*s*fmin/(a*m*Q)*SQRT (6.28*N*Lk)= 0.1 мкВ, где m = 0.3 — глубина модуляции,

s = - 5 дБ отношение сигнал/шум на входе ,

N — коэффициент шума входного транзистора (разы);

ослабления зеркального канала

D1 = 10*Lg[1+SQR (ez)]+20*Lg (fz/fmax) = 63,56 дБ, где ez = Q1*(fz/fmax-fmax/fz),

Сопряжение настроек входных и гетеродинных контуров

В супергетеродинных устройствах приема и обработки сигналов, работающих в широком диапазоне частот, необходимо согласование или сопряжение настройки частоты контуров преселектора на частоту сигнала fc и гетеродина — на частоту fг = fc + fпр, где fпр — промежуточная частота, блоком идентичных конденсаторов переменной емкости или варикапов. Для получения различных резонансных частот этих контуров в контур гетеродина включаются добавочные постоянные конденсаторы.

Необходимо точно выполнить условие настройки fс0 = fс и fпр = fг — fc, где fс0 — резонансная частота входного контура, на всех частотах диапазона. Обычно при проектировании точно выполняется лишь условие fпр = fг — fc. Расстройка входных контуров относительно частоты входного сигнала df = fc — fс0 называется неточностью сопряжения.

Задача состоит в определении числа и частот точного сопряжения, максимальной в диапазоне частот погрешности сопряжения, структуры и параметров контура гетеродина.

Число точек точного сопряжения определяется значением коэффициента перекрытия по частоте рассчитываемого диапазона K_Д. При K_Д > 1.7 необходимо три точки точного сопряжения.

Сопряжение в трех точках

Введите исходные данные:

Диапазон частот (в мГц.) — fmin = 0,15

fmax = 0.4

Значение промежуточной частоты (в мГц.) — fпр = 0.465

Индуктивность входного контура (в мкГн.) — Lk = 5.82

Емкость катушки (в пФ.) — Cl = 10.8

Емкость монтажа (в пФ.) — Cm = 10

Задайтесь числом точек точного сопряжения — Т = 3

Вид входной цепи — Net = 7

1.Частоты точного сопряжения:

f2 = 0.5*(fmax+fmin) = 0.275мГц,

f1 = f2−0.433*(fmax-fmin) = 0.167мГц,

f3 = f2+0.433*(fmax-fmin) = 0,383мГц.

2.Рассчитываем кривую сопряжения в 50 точках

df (i)=-[m*(f*f+n)-SQR (f+fпр)*(f*f+l)]/[2*(f+fпр)*(f*f+l)],

где a = f1+f2+f3 = 0.825,

b = f1*f2+f1*f3+f2*f3 = 0.215,

c = f1*f2*f3 = 0.018,

d = 2fпр+a = 1.755,

l = (b*d-c)/(2*fr) = 0.387,

m = fпр*fпр+l+a*d-b = 1.836,

n = (l*fпр*fпр+c*d)/m = 0.062.

Ошибка на границах диапазона при этом имеет величину:

df (fmin) = -1,84 650 кГц,

df (fmax) = 1.11 189 кГц.

3.Величины емкостей элементов схемы

C1 = Cl + Cm = 20.8 пФ,

CC = 1/(4*pi*pi*Lk)*[1/n-1/l] = 58 518,65 пФ,

C2 = CC*[½+SQRT (¼+C1/CC)] = 58 539,44 пФ,

C3 = 1/(4*pi*pi*Lk*l)-C1*C2/(C1+C2) = 11 221,80 пФ — величина индуктивности контура гетеродина

Lg = Lk*l/m*(C2+C3)/(C2+C1) = 1,46 мкГн.

Ослабление по зеркальному каналу.

fz = fc + 2 fпч = 0.4 + 2 * 0.465 = 1.33МГц

fmax = 0.4МГц

D1 = 10*Lg[1+SQR (ez)]+20*Lg (fz/fmax) = 63,56 дБ,

Ослабление помехи на fпч.

fпч = 0.465МГц

D1 = 10*Lg[1+SQR (eпч)]+20*Lg (fпч/fmax) = 38,439 дБ,

Ослабление по соседнему каналу

Для обеспечения заданной избирательности по соседнему каналу в нашем устройстве необходимо поставить фильтр. Для реализации данной задачи самым простым и дешевым способом будет применения керамического фильтра с заданными характеристиками. Существует множество фильтров с частотой 465 кГц, остановим свой выбор на керамическом фильтре фирмы Murata серии CFK465.

Из данных характеристик видно, что требование избирательности по соседнему каналу с легкостью удовлетворяется фильтрами данной серии.

Построение принципиальной схемы устройства

Главная проблема радиовещательного-приемника — необходимость обеспечить его низкую стоимость, поскольку технически все перечисленные трудности вполне разрешимы. Собственно, это проблема всей бытовой техники, и решается она стандартно — выпуском массовых ИС, в которые интегрировано как можно больше функциональных блоков устройства. Один из первых однокристальных тюнеров выпустила фирма Philips еще в 1983;м — это была знаменитая TDA7000. Заложенные в ней решения оказались столь удачными, что она послужила прототипом многих ИС — как прямых аналогов, например КС1066ХА1, К174ХА42, так и более совершенных схем самой компании Philips. Основное достоинство таких схем — простота реализации устройства с минимумом дополнительных компонентов. Я остановил свой выбор на микросхеме TDA7088T₂.

Эта микросхема по своей структуре похожа на своих предшественниц TDA7021 и TDA7000. В ней тоже реализована возможность построения на ее основе АМ радиоприемника. Разработчиками были устранены многие недостатки микросхем TDA7021 и TDA7000. Так чувствительность микросхемы TDA7088 по ВЧ заметно выше, чем у TDA7021. Также значительно понижена нижняя граница питающего напряжения до 1,8 В (для сравнения у TDA7021 она составляет -2,8В). Верхняя же граница напряжения питания 5 В. Немаловажно и малое число навесных элементов для обеспечения ее работы.

Микросхема TDA7088T предназначена для использования в радиовещательных супергетеродинных приемниках с амплитудной модуляцией. Эта микросхема содержит все необходимые нам компоненты: гетеродин, усилитель высокой частоты, двойной балансный смеситель, усилитель промежуточной частоты, блок АРУ.

Выводы

Чувствительность в 150 мкВ обеспечивается входными цепями и микросхемой, Ослабление зеркального канала при расчете составило 63,56 дБ, требовалось обеспечить ослабление в 46 дБ. Ослабление на частоте ПЧ составляет 38дБ.

Ослабление соседней помехи обеспечивается выбранным керамическим фильтром.

Также обеспечивается заданная полоса пропускания в 8.5 кГц.

Таким образом выполнены все пункты технического задания.

«Микросхемы и их применение», В. А. Батушев, О. Н. Лебедев, Москва: «Радио и Связь », 1983 г.

«Радиоприемные устройства», М. М. Буга, А. И. Фалько, И. И. Чистяков, Москва: «Радио и Связь », 1986 г.

«Радиоприемные устройства», В. В. Палшков, Москва: «Радио и Связь », 1984 г.

«Основы проектирования радиоприемников», В.Д. ГоршелевМосква: «Энергия», 1977 г.

«Проектирование радиоприемных устройств», В. Д. Екимов, К. М. Павлов, Москва: «Радио и Связь », 1970 г.

«Форум радиолюбителя», http://monitor.net.ru/forum/index.php