Проектирование радиоприемника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Проектирование РПУ. Радиоприемник должен обладать следующими характеристиками:

1. Чувствительность 0,7мВ/м;

2. Диапазон 20-104 МГц;

3. Избирательность по зеркальному каналу 24 дБ;

4. Избирательность по соседнему каналу 29 дБ;

5. Полоса усиливаемых частот 300-3500 Гц;

6. Чувствительность по входу УНЧ 0,2 В;

7. Выходная мощность 0,25 Вт;

8. Коэффициент частотных искажений на все устройство 39 дБ;

9. Допустимое частотное искажение НЧ тракта 3 дБ;

10. Коэффициент нелинейных искажений 14,0 %;

11. Постоянное напряжение источника питания 9 В;

12. Требование к АРУ: на входе 26, на выходе 6;

13. Поддиапазон для окончательного расчета СВ;

14. Тип приемной антенны: внутренняя;

15. Тип усилительного элемента: ГТ-309Е;

16. Сопротивление нагрузки: 0.5ГД-20;

17. Окончательный электрический расчет преселектор.



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Определение числа поддиапазонов и их границ

2. Выбор промежуточной частоты

3. Расчет полосы пропускания

4. Выбор схемы преселектора по требованиям к избирательности и полосе пропускания

5. Выбор избирательных систем тракта промежуточной частоты

6. Выбор транзисторов и расчет их параметров

7. Выбор и распределение усиления приемника

8. Предварительный расчет АРУ

9. Выбор схемы детектора

10. Эскизный расчет УНЧ

11. Предварительный расчет источников питания

12. Описание структурной схемы

13. Электрический расчет преселектора

14. Уточнение распределения усиления в радиоприемнике и обоснование системы регулирования усиления

15. Расчет и обоснование системы контроля работоспособности РПУ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

Современное радиоприемное устройство (РПУ) представляет собой сложную систему и может выполнять, помимо традиционных задач усиления, избирательности, демодуляции сигнала, множество дополнительных функций, таких как поиск и обнаружение сигнала, адаптация к неизвестному сигналу и меняющейся помеховой ситуации и других. Как правило, РПУ является частью более сложной системы, например системы связи, радиотехнического комплекса.

РПУ - важнейший и необходимый элемент любой радиотехнической системы передачи сообщений.

Современное профессиональное РПУ представляет собой адаптивный комплекс элементов, обеспечивающий оптимальную обработку смеси полезного сигнала и радиопомех. Этот комплекс обеспечивает три операции:

- улавливание электромагнитных колебаний полезного радиосигнала из окружающего пространства и передачу их приемнику;

- оптимальную обработку смеси сигнала и радиопомех с целью выделения первичного электрического сигнала, соответствующего сообщению (выделение спектра полезного сигнала, усиление, детектирование, декодирование);

- преобразование первичного электрического сигнала в сообщение.

В месте приема существуют посторонние электромагнитные поля, создаваемые источниками радиопомех естественного и искусственного происхождения. Эти электромагнитные поля искажают полезный сигнал и вызывают ошибки в приеме сообщений.

Разработка устройства для сформулированных исходных данных осуществляется на основе системного подхода, от более сложного к более простому, от общего представления к детализации. Однако проектирование не обязательно идет по нисходящей линии. Иногда после оценки реализуемых параметров на нижнем уровне может возникнуть необходимость пересмотра ранее принятых решений. Такой многократный возврат представляет собой цепь последовательных приближений к оптимальному решению. С другой стороны, при выборе структуры функционального блока иногда приходится проверять реализуемость отдельных функциональных узлов. Именно такой метод будет использоваться в данном курсовом проекте при расчете структурной схемы РПУ. радиоприемник транзистор промежуточная частота

В результате решения данных вопросов формируются общие принципы построения структурной схемы приемника и обосновываются требования к отдельным функциональным блокам.

В связи с насыщением окружающего пространства радиотехническими средствами неизбежно увеличивается уровень радиопомех искусственного происхождения, возможно также появление умышленных радиопомех. В этих условиях обеспечение высокой достоверности приема сообщений становится более сложным. Необходимая достоверность приема сообщений может быть реализована только на основе комплексного подхода к построению помехоустойчивых систем передачи сообщений. А также учитывая, что реальные условия приема сигналов изменяются во времени, структура приемника и режимы его элементов должны оптимизироваться с целью обеспечить минимальную величину ошибки в приеме сообщений. Поэтому в приемнике предусматриваются автоматические регулировки усиления, избирательности, формы характеристик, обеспечивающие адаптацию приемника к изменяющимся условиям приема сигналов.



1. Определение числа поддиапазонов и их границ

При проектировании радиоприемника, предназначенного для работы в широком диапазоне частот, общий диапазон разбивают на поддиапазоны для повышения точности настройки приемника. Увеличение числа поддиапазонов позволяет получить более высокие и равномерные по диапазону чувствительность и избирательность, но одновременно усложняет схему, систему коммутации, увеличивает объемы и массу приемника, его стоимость. В свою очередь усложнение схемы и конструкции снижает надежность приемника, удорожается его производство, увеличивается время перестройки приемника.

При делении диапазона частот радиоприемника на поддиапазоны определяется число поддиапазонов, их границы и коэффициенты перекрытия всех диапазонов.

При разбиении диапазона рабочих частот радиовещательного приемника на поддиапазоны учитывают, что для радиовещания выделены отдельные участки частотного спектра: для ДВ: 148ч285кГц, для СВ: 525ч1607Гц, для КВ: 20ч104 МГц. Радиовещание в диапазонах ДВ, СВ, КВ ведётся с использованием амплитудной модуляции. Диапазоны ДВ и СВ обычно не разбивают на поддиапазоны, так как соответствующие им коэффициенты перекрытия (1.1), не превышают значений, допускаемых для вещательных приёмников.

.......................................................................................(1.1)

где и - верхняя и нижняя частоты поддиапазона.

Для диапазона ДВ, по формуле (1), коэффициент перекрытия равен:

Для диапазона СВ, по формуле (1), коэффициент перекрытия равен:

Для диапазона КВ, по формуле (1), коэффициент перекрытия равен:

Диапазон	fmin, кГц	fmax, кГц
ДВ	20	104	5,2
СВ	525	1607	3,1
КВ	3950	18000	4,6

Согласно техническому заданию необходимо выбрать окончательный диапазон для расчета СВ.

В современных радиовещательных приемниках в качестве органа настройки в диапазонах ДВ, СВ, КВ используются блоки конденсаторов переменной емкости, которые при сравнительно небольших габаритах обеспечивают необходимое перекрытие по частоте.

При выборе конденсатора переменной ёмкости проверяют возможность достижения выбранных значений на поддиапазоне с наибольшим коэффициентом перекрытия (1.2).

.......................................(1.2)

где- максимальное и минимальное значения емкости выбранного КПЕ, C_сх- емкость схемы (в диапазонах ДВ и СВС_сх =20…50 пФ).

Выберем блок конденсаторов переменной емкости КПЕ7C_min =10пф и C_max=450пф. Для выбранного блока переменных конденсаторов проверим обеспечение заданного перекрытия частот k_пддля СВ диапазона по формуле (1.2).

Видим, что выбранный блок КПЕ обеспечивает необходимый коэффициент перекрытия частот диапазона СВ.

2. Выбор промежуточной частоты

Определяем значение ПЧ, при котором обеспечивается требуемое значение избирательности по зеркальному каналу в наихудшей точке - на максимальной частоте диапазона (2.1):

.......................................................(2.1)

где - число одиночных контуров преселектора; - требуемое значение избирательности по зеркальному каналу 24 дБ;,- реально достижимая эквивалентная добротность контура; - конструктивная добротность; - коэффициент шунтирования контуров транзисторами;- параметр рассогласования антенно-фидерной системы и входа входной цепи.

Принимая следующие значения q=0.8, =0.5, =80, по формуле (2.1) произведён расчёт промежуточной частоты.

Выбираем стандартизованную промежуточную частоту радиовещательного приемника, равную 1,84 МГц.

3. Расчет полосы пропускания

Характеристики радиоприемника должны быть в возможно большей степени согласованы с характеристиками спектра принимаемого сигнала. Полоса пропускания, форма АЧХ и ФЧХ в пределах полосы и прилегающих областях должны удовлетворять требованиям сохранения параметров сигнала в пределах допустимых искажений.

Для неискаженного приема полосу пропускания высокочастотного тракта приёмника обычно выбирают равной реальной ширине спектра принимаемого сигнала (3.1) с некоторым запасом, зависящим от частотной точности радиолинии.

............................................................................................(3.1)

где - максимальная частота в спектре модулирующего сигнала.

Из формулы (3.1),

.

Для радиовещательных приемников обычно считается допустимой подстройка при приеме, при этом полоса пропускания высокочастотного тракта выбирается равной реальной ширине спектра принимаемого сигнала.

Но обычно считается допустимым расширение полосы за счет нестабильности частот радиолинии на (0,1…0,3).

Из этих соображений выберем полосу пропускания, равной:

.



4. Выбор схемы преселектора по требованиям к избирательности и полосе пропускания

Проектирование преселектора сводится к определению типа, параметров и числа избирательных систем, настроенных на частоту принимаемого сигнала.

Выполним проектирование преселектора с одиночными контурами во входной цепи с индуктивной связью. Количество контуров преселектора равно 1.

Рисунок 1 - Исходные данные для расчета преселектора

Таким образом, для выполнения условий ТЗ, необходимо использовать преселектор с одним одиночным контурам, то есть он будет включать входные цепи. На рисунке 2 представим принципиальную схему преселектора.



Рисунок 2 - Принципиальная схема преселектора.

Как видно по рисунку 2 преселектор состоит из входной цепи.

5. Выбор избирательных систем тракта промежуточной частоты

В радиоприёмниках супергетеродинного типа полоса пропускания, избирательность по соседнему каналу, формы АЧХ и ФЧХ определяются в основном избирательными системами тракта ПЧ.

Распределим частотные искажения по каскадам: неравномерность преселекторадБ, частотные искажения детектора дБ, неравномерность УНЧдБ (задано в ТЗ), допустимые частотные искажения приемника дБ (задано в ТЗ).Определим допустимое ослабление на границах полосы пропускания УПЧ (5.1):

... (5.1)

В качестве избирательной системы будем использовать УПЧ с двухконтурными полосовыми фильтрами.

Полученные результаты приведены на рисунке 3, резонансная характеристика на рисунке4.



Рисунок 3 - Расчет УПЧ с двухконтурными полосовыми фильтрами

Рисунок 4 - Резонансная характеристика УПЧ с ДПФ

По результатам расчета видно, что в УПЧ необходимо использовать три двухконтурных полосовых фильтра. На рисунке 5 представим принципиальную схему УПЧ.

Рисунок 5 - Принципиальная схема УПЧ

6. Выбор транзисторов и расчет их параметров

Для приемника будет использован транзистор ГТ-309Е, требуемый по ТЗ. Параметры транзистора приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры транзистора ГТ-309Е

Тип транзистора	h21э	Cк, пФ	Rб, Ом	к, пс	fт, МГц
ГТ-309Е	60...180	10	38	1000	40

Данный транзистор имеют диапазон рабочих температур: от -40⁰С до +55⁰С.

Для расчета параметров транзистора воспользуемся специализированной программой. Примем для расчета транзистора в УПЧ рабочую частоту - 1,84 МГц.

Рисунок 6 - Исходные данные для расчета Y - параметров транзистора для УРЧ

Результаты расчёта в схеме с ОЭ

Входная проводимость

Y11 = 0,415 + j 1,11 мСм

|Y11| = 1,19 мСм

R11 = 2,41 кОм

С11 = 96 пФ

Проводимость обратной связи

Y12 = 2,8 - j 98 мкСм

|Y12| = 24,5 мкСм

R12 = -77,9 кОм

С12 = -9,59 пФ

Крутизна

Y21 = 25,7 - j 4,79 мСм

|Y21| = 35,4 мСм

R21 = 0,0405 кОм

С21 = -518 пФ

Выходная проводимость

Y22 = 69,6 + j 403 мкСм

|Y22| = 409 мкСм

R22 = 14,4 кОм

С22 = 34,9 пФ

Усилительные свойства транзистора оценивают по коэффициенту устойчивого усиления на рабочей частоте

6.1)

гдекоэффициент устойчивости, модуль крутизны на рабочей частоте , проводимость обратной связи. Подставляя в (11) рассчитанные ранее значения и, получим

7. Выбор и распределение усиления приемника

При приеме на магнитную антенну чувствительность измеряется напряженностью электрического поля Е в точке приема, обеспечивающей на выходе приемника нормальную выходную мощность. Напряжение на выходе 1-го каскада приёмника с магнитной антенной (7.1), мВ:

.. 7.1)

где - чувствительность приёмника, - эквивалентная добротность входной цепи, - коэффициент включения входа первого каскада в контур ВЦ, ,

Напряжение на выходе первого каскада по формуле (7.1), равно:

В таком случае общее усиление ВЧ тракта вычисляется по формуле (7.2):

. 7.2)

где - напряжение на входе детектора, примем его равным 0,5 В. По формуле (7.2), общее усиление тракта, равно:

Усиление ВЧ тракта выбирают с запасом:

..................................................................................(7.3)

где - коэффициент запаса усиления, учитывающий разброс параметров электронных приборов, неточность сопряжения контуров, а также старение электронных приборов, расстройку контуров и уменьшение напряжения питания в процессе эксплуатации. В диапазоне СВ, принимаем .

Общее усиление ВЧ-тракта супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты равно произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

.. 7.4)

где, , - коэффициенты передачи входной цепи, ПЧ и УПЧ соответственно.

Коэффициенты передачи каскада УПЧ были рассчитаны ранее, . Коэффициент транзисторного ПЧ можно оценить приближенно по следующей формуле.

Подставим данные в формулу (6.3) и получим:

Как видно, поэтому такой коэффициент удовлетворяет требованиям.

8. Предварительный расчет АРУ

Технические требования и соображения удобства эксплуатации УП и ОС требуют введения в него ряда ручных и автоматических регулировок. К ним относятся: автоматическая настройка и подстройка, коррекция шкалы, подстройка входной цепи и др.

АРУ применяют для поддержания выходного напряжения приёмника в заданных пределах при изменениях уровня входного сигнала и для расширения динамического диапазона приемника.

Необходимый диапазон регулирования усиления приемника рассчитывается по формуле (8.1):

..... 8.1)

где - диапазон изменения уровня сигнала на входе приемника, - допустимое изменение уровня сигнала на выходе приёмника.

Считая, что все управляемые каскады идентичны, определим необходимое число регулируемых каскадов по формуле (8.2):

.. 8.2)

где - достижимое значение диапазона регулирования в одном каскаде.

Получим число регулируемых каскадов по формуле (8.3), приняв, что :

Будем регулировать оконечный каскад УПЧ.

9. Выбор схемы детектора

Для детектирования амплитудно-модулированных (АМ) сигналов используются диодные детекторы на полупроводниковых диодах, работающие в линейном режиме - при . Диодные АД при правильно выбранном режиме и нагрузке вносят очень небольшие искажения и обеспечивают линейное детектирование в большом динамическом диапазоне входных сигналов - до 60…70 дБ.

Для проектируемого приемника воспользуемся схемой детектора, показанной на рисунке 7.

Рисунок 7- Принципиальная схема АМ детектора.

10. Эскизный расчет УНЧ

Разработку структурной схемы УНЧ приемника АМ сигналов начинают с выходного каскада, который должен обеспечивать требуемую нормальную выходную мощность . Максимальная выходная мощность составляет:

..... 10.1)

Максимальная выходная мощность равна:

Таким образом, выходная мощность на выходе УНЧ 1 Вт. Тогда усилитель низкой частоты реализуем на микросхеме TDA2003, его схему представим на рисунке 8.

Рисунок 8 - Принципиальная схема УНЧ

11. Предварительный расчет источников питания

Значения напряжений, необходимых для питания всех каскадов, определяются при выборе типов транзисторов и их режимов. Ориентировочно мощность, потребляемая от источников питания, может быть рассчитана по формуле (11.1):

,.......................................................................................(11.1)

Для данного приёмника, мощность, потребляемая от источника питания, будет равна:

Мощность источника питания для приемника выбирается с запасом:



12. Описание структурной схемы

Выше был произведен эскизный расчет структурной схемы приемника. Разрабатываемый приемник имеет структурную схему, приведенную на рисунке 9.

Рисунок 9 - Структурная схема супергетеродинного радиоприемника с двойным преобразованием частоты

В схеме супергетеродина с двойным преобразованием частоты перестраиваемым выполняется только первый гетеродин. В качестве такого гетеродина применяется синтезатор дискретной сетки частот. Второй гетеродин может быть выполнен на фиксированную частоту. Это позволяет фильтр промежуточной частоты ФПЧ1 реализовать на фиксированную частоту, тем самым упростив его реализацию.

В схеме супергетеродинного приемника с двойным преобразованием частоты приходится точно рассчитывать параметры каждого блока. Благодаря тому, что требования к динамическому диапазону второго преобразователя частоты ниже требований к первому смесителю, второй преобразователь частоты может быть выполнен на транзисторах по схеме смесителя с подавлением зеркального канала.

При приеме цифровых видов сигнала приходится учитывать положение частоты первого и второго гетеродинов, так как это может привести к изменению направления вращения вектора квадратурного сигнала.

13. Электрический расчет преселектора

Исходные данные для расчета:

Диапазон СВ

К_св=0.4, m₂=0.3, С_ант=150 пФ, Q_эср=25, С_kmin…C_kmax(10…450)пФ.

С_сх=20 пФ, К_удл=1.4, f_пр=1.84 МГц.

Определим резонансный коэффициент передачи

Где

Определим избирательность по соседнему каналу

Определим избирательность по зеркальному каналу



Определим избирательность по прямому каналу

14. Уточнение распределения усиления в радиоприемнике и обоснование системы регулирования усиления

В РПУ первого класса достаточно большие требования предъявляются к динамическому диапазону входных значений сигнала. Обычно, при изменении сигнала на входе приемника на 70-80 (дБ) напряжение на выходе тракта низкой частоты должно изменяться не более чем на 3 (дБ). Для получения такого результата в тракт РПУ включается схема автоматической регулировки усиления (АРУ). Поскольку необходимо обеспечить достаточно большой диапазон регулировки коэффициента передачи радиотракта, применим режимную регулировку усиления, то есть коэффициента передачи радиотракта будет меняться за счет изменения режима работы каскадов усиления по постоянному току. Для регулирования коэффициента передачи РПУ привлекаются все каскады усиления радиотракта кроме первого каскада ТРЧ и последнего каскада. Эти усилительные каскады не регулируются из соображений ограничения нелинейных искажений, которые создаёт регулируемый каскад.

Выберем систему АРУ с обратной связью (АРУ «назад»), а по виду схемной реализации - АРУ с задержкой и усилением, так как она обеспечит наиболее эффективное регулирование.



15. Расчет и обоснование системы контроля работоспособности РПУ

Профессиональное РПУ в своем составе содержит встроенные органы контроля работоспособности. Они позволяют обеспечить контроль наличия питающих напряжений на выходах блоков питания; контроль работоспособности функциональных узлов и отдельных каскадов; контроль точности настройки и прочее.

В настоящее время применяются для сигнализации о состоянии элементов РПУ светодиоды или неоновые лампы. Применение элементов сигнализации позволяет повысить оперативность контроля, а в некоторых случаях предотвратить выход из строя функциональных узлов.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итогом выполнения задания курсового проекта стала функциональная схема РПУ, которая отображает основные принципы функционирования трактов радиоприемника.

РПУ построено по схеме супергетеродинного типа с двумя преобразованиями частоты, так как эта схема позволяет обеспечить достаточно хорошие показатели чувствительности, избирательности, частотной точности и относительно проста в исполнении.

Система синтеза частот построена по схеме цифрового активного синтеза с кварцевой стабилизацией частоты, так как она способна обеспечить требуемую частотную точность и шаг сетки частот. Выбор типа системы синтеза обусловлен высокими требованиями задания к частотной точности.

Основное усиление сигнала обеспечивается трактом основной промежуточной частоты.

Односигнальная и многосигнальная избирательность обеспечивается за счет применения двухконтурных колебательных систем.

Демодуляцию сигнала обеспечивает частный тракт приема сигнала F7B, собранного по схеме ШОУО.

Приемник содержит встроенные системы контроля работоспособности основных трактов, а также систему АРУ.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Алексеев Ю.П. Бытовая радиоприемная и звуковоспроизводящая аппаратура- М.:«Радио и связь», 1994. - 208 с.

2. АтаевД.И., Болотников В.А.Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры- М.: МЭИ, 1991. - 124 с.

3. Бобров Н.В. Расчет радиоприемников-М.: «Радио и связь», 1981. - 126 с.

4. БрежневаК.М., ГантманЕ.И., ДавыдоваТ.И. Транзисторы для аппаратуры широкого применения- М.: Радио и связь, 1981. - 656 с.

5. ЕкимовВ.Д., Павлов К.М. Проектирование радиоприемных устройств-М.: «Связь», 1970. -503 с.

6. Поликарпов Э.Д Устройства приема и обработки сигналов: практические занятия- Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. -93 с.

7. Поликарпов Э.Д., Бутенко В.В., Самойлов А.Н. Проектирование устройств приема и обработки сигналов, 2-е изд., перераб. и доп.- Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. -192 с.

8. Сиверс А.П Проектирование радиоприемных устройств -М.:«Советское радио», 1976. -485 с.

Размещено на Allbest.ru

...