Расчет сигналов радиоприемного устройства с амплитудной модуляцией супергетеродинного типа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра радиоэлектронных устройств

КУРСОВАЯ РАБОТА Расчет сигналов радиоприемного устройства с амплитудной модуляцией супергетеродинного типа

по курсу «Прием и обработка сигналов»

Выполнил ст. гр. РТ-08-3

Волков О. В.

РУКОВОДИТЕЛЬ Звягинцев А. Ю ХАРЬКОВ 2011

РЕФЕРАТ Пояснительная записка: с. 23, 7 рис., 10 ссылок.

Цель работы: расчет устройства приема и обработки АМ сигналов, разработка и расчет параметров и элементов амплитудного детектора.

Результаты работы могут быть использованы при необходимости разработки супергетеродинного приемника АМ сигналов.

РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО, СУПЕРГЕТЕРОДИН, ДЕТЕКТОР, ПОЛОСА ПРОПУСКАНИЯ.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ УСТРОЙСТВ
• 2. ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ РПрУ
• 2.1 Расчет полосы пропускания
• 2.2 Расчет суммарного коэффициента усиления РПрУ
• 2.3 Расчет коэффициента шума
• 2.4 Расчет избирательных цепей
• 3. РАСЧЕТ АМПЛИТУДНОГО ДЕТЕКТОРА
• ВЫВОДЫ
• ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АРУ — автоматическая регулировка усиления

ДВ — длинные волны

ИМС — интегральная микросхема

КВ — короткие волны

КПЕ — конденсатор переменной емкости

ПЧ — промежуточная частота

РПрУ — радиоприемное устройство

СВ — средние волны

УЗЧ — усилитель звуковой частоты

УПЧ — усилитель промежуточной частоты

УРЧ — усилитель радиочастоты

УПТ — усилитель постоянного тока

ФСС — фильтр сосредоточенной селекции

Современные приемники применяются во многих сферах как профессиональной, так и повседневной жизни: радиосвязь, радионавигация, системы радио-, телеуправления и проч.

В данной курсовой работе целью является расчет приёмника для приема амплитудно-модулированного сигнала в диапазоне коротких волн без перестройки по частоте, т. е. на одной фиксированной несущей частоте. Приемники КВ диапазона могут применяться как для приема вещательных программ, так и для аматорской или профессиональной радиосвязи. Преимуществом передачи информации на коротких волнах является возможность распространения электромагнитных радиоволн на большие расстояния, из-за многократного отражения волн от ионосферы Земли. Из недостатков следует отметить возможность возникновения замираний (т.е. изменение уровня принимаемого сигнала), проявляющихся в виде кратковременного снижения амплитуды несущей частоты или её пропадания. Замирания возникают из-за того, что радиоволны от передатчика идут к приёмнику разными путями, в разной фазе и, интерферируя на антенне приёмника, могут в некоторой мере ослаблять друг друга.

1. ОБЗОР АНАЛОГИЧНЫХ УСТРОЙСТВ

Описываемый простой приемник составлен по супергетеродинной схеме на пяти транзисторах типа П401 и П39. Предназначен для приема средневолнового диапазона (550?1600 кГц).

При работе с ферритовой антенной чувствительность приемника составляет 3−3,5 мВ/м, ток потребления 12 мА.

Рисунок 1.1 — Схема простого супергетеродина на транзисторах

Комбинированная индуктивно-емкостная связь контура антенны с входом преобразовательного каскада (на транзисторе T1) обеспечивает согласование во всем диапазоне частот и повышает чувствительность приемника.

Преобразующий каскад выполнен по схеме с самовозбуждением на транзисторе T1. В его коллекторную цепь включена обмотка обратной связи L4 контура гетеродина и первичная обмотка L5 фильтра ПЧ, настроенного на частоту 110 кГц. Выбор низкой промежуточной частоты уменьшает вероятность самовозбуждения приемника.

Первый каскад УПЧ выполнен на транзисторе T2. В коллекторную цепь второго каскада УПЧ включен второй фильтр ПЧ L7C13 и катушка связи с детектором L8.

Детектирование осуществляется параллельным детектором на диоде Д1.

Рисунок 1.2 — Схема супергетеродинного приемника на микросхемах

Приемник, изображенный на рис. 1.2, собран на двух микросхемах серии К237. Он рассчитан на прием радиовещательных станций в диапазонах ДВ, СВ, КВ и имеет выходную мощность 40 мВт.

Прием в диапазоне КВ ведется на магнитную антенну W2 (контурная катушка L5). Настройка входных и гетеродинных контуров на принимаемую станцию осуществляется сдвоенным КПЕ C7, C11. УРЧ, гетеродин и балансный смеситель выполнены на микросхеме A1.

Паразитные колебания гетеродина предотвращаются резистором R1, подключенным к выводу 5 микросхемы. ФСС ПЧ — трехконтурный (L14…L16, C27… C29, C31, C32). Усилитель ПЧ и детектор выполнены на микросхеме A2.

Приемник, изображенный на рис. 1.3, рассчитан на прием в растянутом КВ диапазоне 31 м (9,5…9,8 МГц).

Основные характеристики: чувствительность 20 мкВ, избирательность по соседнему каналу 29 дБ при расстройке ±9 кГц, максимальная выходная мощность 1 Вт.

Приемник выполнен на двух ИМС. На DA1 выполнена ВЧ часть: УРЧ, двойной балансный смеситель с отдельным гетеродином, УПЧ, УПТ АРУ; на DA2 выполнен УЗЧ.

Настройка на сигналы радиовещательных станций осуществляется при помощи варикапной матрицы VD1. Двумя параллельно включеными перестраивается входной контур L1C1C2C3, третьим — гетеродинный контур L3C4C6. Напряжение смещения на варикапы снимается с движка переменного резистора R5, выполняющего роль органа настройки. Смеситель нагружен на резисторы R9, R10 и ПКФ Z1, настроенный на частоту ПЧ 465 кГц. Выделенный сигнал поступает на фильтр ПЧ L6C19C20, далее — на вход УПЧ ИМС, фильтр L7C17 и на диодный детектор VD6. Низкочастотный сигнал с детектора выделяется на резисторе R17, выполняющего также функцию регулятора громкости, и через резистор R16 поступает на УПТ АРУ, а через C23 — а вход ИМС DA2. Усиленный сигнал ЗЧ через конденсатор C32 подводится к динамической головке DA1.

Рисунок 1.3 — КВ приемник на ИС серии К174

2. ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ РПрУ

Параметры приемника:

— несущая частота сигнала =12,4 МГц;

— верхняя частота спектра передаваемого сигнала =6,1 кГц;

— чувствительность приемника =3,2 мкВ;

— соотношение сигнал/шум =2,3;

— промежуточная частота =3100 кГц;

— избирательность по соседнему каналу, не хуже 37 дБ;

— отстройка соседнего канала =4,7П, где П — полоса пропускания линейного тракта, с учетом полосы запаса;

— избирательность по соседнему каналу =34 дБ.

Требуется рассчитать детектор.

Согласно, делаем эскизный расчет радиоприёмного устройства.

2.1 Расчет полосы пропускания

Полоса пропускания высокочастотной части супергетеродина без АПЧ, как в нашем случае, определяем исходя из формулы (2.1) [4, с. 39]:

(2.1)

где — ширина спектра принимаемого сигнала;

— изменение несущей частоты за счет эффекта Доплера;

— величина нестабильности, на которую необходимо расширить полосу пропускания приемного устройства для учета нестабильности частот передатчика, гетеродина приёмника, погрешностей настройки контуров и РПрУ в целом.

Примем где — верхняя частота спектра передаваемого сигнала, Гц.

Величину примем равной нулю.

определим по формуле:

(2.2)

где — относительная нестабильность несущей частоты сигнала

— относительная нестабильность частоты гетеродина приемника

— относительная погрешность установки частоты приемника при беспоисковой настройка;

— относительная погрешность и нестабильность несущей настройки контуров тракта ПЧ, отнесенная к промежуточной частоте.

Примем, для транзисторного гетеродина с кварцевой стабилизацией; величину для приемника без перестройки частоты примем равной нулю; для инженерного расчета, с учетом того, что частота, с достаточной точностью можно также считать равным нулю. Подставив (2.2) и значения, заданные в ТЗ в (2.1), учитывая, что получим:

2.2 Расчет суммарного коэффициента усиления РПрУ

Для нормальной работы диодного детектора, необходимо, чтобы на его входе было напряжение не менее 0,5−1 В, для обеспечения нормальной работы и малого коэффициента гармоник детектора. Определим коэффициент усиления, используя формулу [3, с. 467]:

(2.3)

где — необходимое напряжение на входе детектора, В;

— коэфициент запаса, учитывающий разброс параметров транзисторов (в пределах 1,5…3);

Получаем:

Взяв в качестве усилителя УРЧ каскад на БТ ГТ346А, зададимся его коэффициентом устойчивого усиления, равным .

Тогда получим, что необходимое усиление УПЧ будет равно:

Собственное затухание ФСС d_ФСС=0,0012.

Обобщенное затухание контуров ФСС равно:

(2.4)

Определим из графика на рис. 2.1 коэффициент передачи напряжения K_Ф. Учитывая, что было рассчитано в п. 2.4, что требуется 3 контура ФСС, K_Ф=0,24. Выбрав в качестве УПЧ ИС 228УВ1, с параметрами: g₁₁=0,67 мСм, g₂₂=0,1 мСм, |Y₂₁|=35 мСм, определим резонансный коэффициент усиления каскада:

(2.5)

Определим недостающее усиление:

Это усиление будет достигаться с помощью двух одноконтурных УПЧ с коэффициентами усиления приблизительно 65.

Рисунок 2.1 — График для расчета величины K_Ф

2.3 Расчет коэффициента шума

Рассчитаем коэффициент шума:

(2.6)

где k=1.38•10^-23 Дж/К;

T=300 К, нормальная температура;

входное активное сопротивление антенны; для выбранной антенны — полуволнового линейного вибратора, сопротивление равно 73 Ом [5 с. 704].

=0,9, коэффициент передачи фидерного тракта;

относительная шумовая температура, =300 К.

Получаем:

2.4 Расчет избирательных цепей

Определяем выполнение условий избирательности по зеркальному каналу. Она (избирательность) обеспечивается частотными характеристиками входного устройства и усилителя радиочастоты (т.е. преселектора).

Рассчитаем необходимую добротность входного устройства [5, с. 387]. Первоначально зададимся количеством контуров, равным 1.

Необходимая добротность контуров на коротких волнах

(2.7)

где — избирательность по зеркальному каналу в относительных единицах.

Выберем добротность,, такую величину вполне реально технологически обеспечить в одиночном колебательном контуре в качестве входного устройства.

Задавшись эквивалентным затуханием контуров d_Э?1/Q, определяем обобщенную расстройку преселектора для зеркального канала

(2.8)

где .

Избирательность будет равна:

.

Это значит, что входное устройство будет обеспечивать заданную в ТЗ расстройку по зеркальному каналу. Рассчитаем полосу пропускания, получаемую при такой добротности [10, с. 76]:

(2.9)

145,882•10³ Гц=175кГц.

Такая полоса нас вполне устраивает, т.к. основная фильтрация будет происходить при обработке сигнала в УПЧ.

Обычно полоса пропускания входного сигнала не меньше чем в 3−10 раз шире полосы пропускания приемника [10, с. 76].

Избирательность по соседнему каналу и основное усиление сигнала обеспечивается в УПЧ. Поскольку нет необходимости регулирования полосы пропускания, то в качестве селективного элемента УПЧ применим ФСС на входе.

Фильтр сосредоточенной селекции представляет собой единую конструкцию, состоящую из цепочки колебательных контуров. Используются главным образом П-образные LC-звенья, количеством от трех до шести, в редких случаях больше, соединенные цепочкой.

Отстройка от соседнего канала, согласно ТЗ, составляет:

.

Примем неравномерность усиления в полосе пропускания УПЦ равной 3 дБ. Тогда, неравномерность усиления в полосе пропускания, приходящаяся на один фильтр

(2.10)

где n — число фильтров, включая фильтр преобразователя.

Фильтры всех каскадов и фильтр преобразователя обычно выполняют одинаковыми. Зададимся числом фильтров, равным 3 [5, с.401−402].

Степень связи между контурами фильтра з выберем равной 0,5.

По графику на рис. 2.1 находим величину x₁ и рассчитываем необходимую добротность контуров

(2.11)

Определяем расстройку по соседнему каналу:

(2.12)

где .

Вместо расчета полученной полосы для проверки рассчитывается величина:

(2.13)

По ней по графику на рис. 2.2 определяется величина ослабления для одного фильтра.

Для всего УПЧ:

(2.14)

где n — число фильтров, включая фильтр преобразователя.

Т.к. величина ослабления оказалась достаточной, то увеличивать число фильтров нет необходимости.

Рисунок 2.1 — Обобщенные резонансные кривые ПФ для малых расстроек

Рисунок 2.2 — Обобщенные резонансные кривые полосового фильтра

3. РАСЧЕТ АМПЛИТУДНОГО ДЕТЕКТОРА

супергетеродин приемник амплитудный детектор

В транзисторных приемниках широко применяются амплитудные детекторы на точечных полупроводниковых диодах. Такие детекторы отличаются простотой схемы, малым весом и габаритами, незначительной величиной входной емкости и довольно высокой чувствительность [7, с. 258]. Основным недостатком таких амплитудных детекторов является температурная нестабильность и относительно большая величина обратной проводимости. Преимуществом диодных детекторов по сравнению с транзисторными детекторами является больший коэффициент усиления в режиме детектирования [6, с. 280].

Несмотря на то, что при повышении температуры обратное сопротивление снижается, в транзисторных приемниках это несущественно, поскольку для них сопротивление нагрузки детектора имеет малую величину. В тех случаях, когда температурная нестабильность все-таки может вызвать нежелательное влияние, применяют схемы температурной компенсации обратного тока диода.

Схема, изображенная на рис. 3.1, характерна наличием отрицательной обратной связи в первом каскаде УЗЧ и использование делителя напряжения на R2, предназначенного для увеличения сопротивления нагрузки детектора, что дает дополнительный выигрыш в усилении приемника в целом, т.к. при повышении входного сопротивления детектора увеличивается коэффициент усиления предыдущего УВЧ. Резистор R2 кроме того применяется в качесве регулятора громкости.

Данный детектор последовательного типа имеет относительно большое входное сопротивление.

Рисунок 3.1 — Схема последовательного диодного детектора

В качестве нелинейного элемента применяем диод Д9Д с такими параметрами [7, с. 181]:

— максимальная рабочая частота f_max=40 МГц;

— прямой ток I_пр=60 мА при напряжении U_Д=1 В;

— обратный ток I_обр=0,25 мА при напряжении U_Д= -30 В;

— общая емкость диода C_Д=1…2 пФ.

Исходя из параметров, определим прямое и обратное сопротивления диода [6, с. 279]:

(3.1−3.2)

Выберем =200…500 кОм [5, с. 403]. При малых величинах нагрузки уменьшаются передача напряжения и входное сопротивление детектора, увеличиваются искажения, однако, при большом сопротивлении нагрузки также увеличиваются искажения. Примем

Емкость, блокирующая нагрузку, C_Н, должна быть достаточно большой, чтобы преобладающая часть входного напряжения высокой частоты прикладывалась к диоду, но не должна быть больше [6, с. 277]:

(3.3)

Емкость C₁ обычно выбирается равной С_Н.

Разделительная емкость C₂, необходимая для устранения нежелательной постоянной составляющей, выбирается по формуле:

(3.4)

где — нижняя частота модуляции, Гц; её, с некоторым запасом, для сигналов ЗЧ можно принять равной 10 Гц;

— входное сопротивление усилителя низкой частоты, Ом. Примем .

Сопротивление R1 обычно составляет (0,2…0,5) [5, с. 403]. Выберем R1=91 кОм. Тогда резистор R2, с учетом стандартных значений E24 возьмем равным 200 кОм.

Определим коэффициент фильтрации схемы:

(3.5)

где — емкость монтажа входной цепи УНЧ, 15…20 пФ.

Считается, что для обеспечения хорошей фильтрации достаточно получить 0,01…0,02 [4, с. 288].

Согласно справочнику, диод Д9Д имеет крутизну S=30…100 мСм.

Произведем расчет угла отсечки диода [10, с. 250]:

(3.6)

Найдем коэффициент передачи детектора, используя формулу [10, с. 250]

(3.7)

0,52

Рассчитаем коэффициент включения детектора m₂ к контуру каскада УПЧ по формуле:

где — резонансное сопротивление ненагруженного выходного контура УПЧ. Примем L=300 мкГн.

ВЫВОДЫ

Результатом выполнения данного курсового проекта является выбор и расчет схемы супергетеродинного радиоприемного устройства для приема сигналов с амплитудной модуляцией. Т.к. расчет проводился не полностью, и был полным только для одного функционального узла, а именно, для амплитудного детектора, то полученные данные нельзя использовать для непосредственной разработки РПрУ.

При расчете амплитудного детектора номиналы полученных элементов подбирались таким образом, чтобы они были максимально близки к стандартным рядам значений (а именно: ряд E24 с 5-ти процентным допуском для сопротивлений резисторов и E12 с допуском ±10% для емкостей).

Полученная схема детектора отличается простотой и дешевизной в сочетании с довольно высокими параметрами, что является оптимальным сочетанием для использования данного детектора в приемных устройствах широкого потребления и при разработке приемных и приемо-передающих устройств радиолюбителями, особенно, в сельской местности.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Стародуб Д. О. Поради радіолюбителю, — Х.: «Техніка», 1968 — 204 с.

2. Справочник по схемотехнике для радиолюбителя /Под ред. В. П. Боровского. — К.: Техніка, 1989. — 480 с.

3. Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства, — К.: Наукова думка, 1989. — 800 с.

4. Расчет радиоприемников /Колл. авт. Бобров Н. В. и др. — М.: Воениздат, 1971. — 496 с.

5. Терещук Р. М., Домбругов Р. М., Босый Н. Д. Справочник радиолюбителя, — К.: Гос. изд-во техн. лит, 1962. — 840 с.

6. Трохименко Я. К. Радиоприемные устройства на транзисторах, — К.: Техніка, 1967. — 440 с.

7. Фукс Л. Б., Терещук Р. М. Малогабаритная радиоаппаратура. Справочник радиолюбителю, — К.: Наукова думка, 1966. — 446 с.

8. Методичні вказівки до виконання курсової роботи з курсу «Приймання та обробка сигналів» /Упоряд. В. І. Чумаков. — Х.: ХНУРЕ, 2004. — 40 с.

9. ДСТУ 3008−95 «Документація. Звіти у сфері науки і техніки»

10. Радиоприемные устройства. Проектирование и расчет. /Под ред. Пустоварова В. Е. — Х.: ХВУ, 1996. — 424 с.