Расчет гетеродина приемного устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Приемопередающие устройства»

Тема: РАСЧЕТ ГЕТЕРОДИНА ПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА

Исполнитель: студент

ПСФ, гр. 3130ХХ

И.О. Фамилия

Руководитель работы: Р.И. Воробей

Минск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА

2 ВЫБОР СХЕМЫ ГЕТЕРОДИНА

3 РАСЧЕТ СХЕМЫ ГЕТЕРОДИНА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ВВЕДЕНИЕ

Гетеродинный приемник был изобретен и запатентован в 1901 г. Николой Тесла, задолго до появления электронной лампы и спустя всего несколько лет после первых опытов по радиосвязи. Тогда использовались искровые передатчики и детекторные приемники на основе когерера - стеклянной трубочки с выводами, заполненной железными опилками. Под воздействием поля приходящей волны между опилками возникали микроскопические разряды, образовывались проводящие "мостики" и сопротивление когерера резко уменьшалось, что и приводило к срабатыванию реле приемника. В опытах было замечено, что чувствительность приемника к слабым сигналам возрастает, если с приемником связан собственный генератор, пусть даже маломощный, настроенный на частоту, близкую к частоте принимаемого сигнала. Собственный генератор назвали гетеродином, а приемник - гетеродинным.

Расцвет гетеродинных приемников наступил с переходом на излучение незатухающих колебаний и с изобретением кристаллического детектора (1906...1908 гг.), где множество нестабильных контактов между опилками было заменено одним контактом между кристаллом полупроводника и металлическим острием. Принципиально кристаллический детектор не отличался от полупроводникового диода наших дней. Незатухающие колебания в антенном контуре передатчика в те годы получали с помощью дугового разряда, имеющего падающий участок вольтамперной характеристики, т.е. вносящего в контур отрицательное сопротивление, поддерживающее радиочастотные (РЧ) колебания. На сверхдлинных волнах широко использовались и электромашинные генераторы.

Воссоздадим в современных обозначениях схему телеграфной радиолинии тех лет (рисунок В.1). Телеграфный ключ S1 замыкал цепь питания генератора РЧ G1. В процессе приема в цепь детектора включались либо реле (чувствительность при этом была низкая), либо телефонные трубки В1. Но в телефонах слышался лишь треск искровых разрядов или шипение дуги передатчика, модулирующее сигнал.

Рисунок В.1 - Схема телеграфной радиолинии

В гетеродинном приемнике (рисунок В.2) на детектор действовали уже два сигнала - входной и гетеродинный, значительно больший по амплитуде. Если частота гетеродина G2 немного (на 0,4...1 кГц) отличалась от частоты передатчика G1, на выходе детектора VD1 появлялось напряжение биений с разностной частотой. Оно было существенно больше напряжения продетектированного сигнала, что повышало и чувствительность, и громкость приема. Телеграфные сигналы звучали в телефонах привычным теперь тоном "морзянки".

Рисунок В.2 - Схема гетеродинного приемника

Увлечение сверхдлинными волнами (до 20-х годов считалось, что чем длиннее волна, тем "дальнобойнее" связь) породило не только мощные электромашинные РЧ генераторы, но и гетеродинные приемники с синхронным механическим выпрямителем - колесом Гольдшмидта [1], изобретенном, кстати, тоже Николой Тесла. В них детектор VD1 (рисунок В.1) заменен механическими контактами, замыкаемыми при вращении колеса с частотой, близкой к частоте сигнала. При этом, если моменты замыкания контактов попадают на положительные полуволны сигнала, на выходе приемника выделяется положительная постоянная составляющая напряжения, если же на отрицательные - то соответственно отрицательная.

Так происходит синхронное детектирование. Но строго синхронизировать частоты вращения вала генератора в передатчике и колеса с контактами в приемнике трудно, чаще всего они отличались, тогда в телефонах прослушивался тон биений, равный разности частот сигнала и коммутации контактов. Механический коммутатор был идеальным смесителем гетеродинного приемника, поскольку он вообще не детектировал сигнал, а лишь преобразовывал его по частоте.

Полтора десятилетия гетеродинный прием безраздельно царил в радиотехнике. В эпоху его расцвета появляются радиолампы - диод и триод, ламповый генератор, автодинный приемник и супергетеродин. Само название супергетеродинный приемник получил от гетеродинного, поскольку в нем был применен еще один, дополнительный, или "супер", гетеродин для преобразования РЧ сигнала в сигнал промежуточной частоты (ПЧ).

1 АНАЛИЗ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА

Гетеродинный прием возродили радиолюбители, использующие при работе в эфире в основном телеграф и однополосную модуляцию. С конца 60-х годов стали появляться сообщения о хороших результатах приема на гетеродинные приемники при чрезвычайно простых схемных решениях. Немало способствовала тому и новая элементная база, ведь создать УЗЧ с чувствительностью в доли микровольта на лампах практически невозможно, а на транзисторах и ИМС - относительно несложно. Название, к сожалению, появилось новое - приемник прямого преобразования, direct conversion receiver, DCR, чем подчеркивался факт прямого, без предварительного переноса на ПЧ, преобразования РЧ в звуковую - именно преобразования, а не детектирования. Этим гетеродинные приемники радикально отличаются от приемников прямого усиления, что и позволяет выделить их в отдельный класс. Из других, менее точных названий использовались: гомодинный приемник, синхродин и супергетеродин с нулевой ПЧ.

Проанализируем работу детекторного приемника, показанного на рисунке В.1. Пусть входной незатухающий сигнал имеет вид:

u = a1cos1t

Вольтамперную характеристику детектора i(u) (рисунок 1.1) можно представить рядом:

i = Su + Tu2 +

Коэффициент S называют крутизной характеристики (величина, обратная внутреннему сопротивлению диода в рабочей точке), а Т - кривизной. При малой амплитуде сигнала высшими членами ряда можно пренебречь, поскольку

u4 << u3 << u2.

Рисунок 1.1 - Вольтамперная характеристика детектора

Детектор в этом случае оказывается квадратичным. Подставляя значение u в выражение для i, получаем:

i = Sa1cos1t + Ta12/2 + (Ta12/2)cos21t.

Естественно, что компоненты тока с радиочастотами 1 и 21 на нагрузку (реле, телефоны) не действуют. Для их замыкания параллельно нагрузке включают блокировочный конденсатор.

Ta12/2,

Остается член соответствующий компоненте постоянного, продетектированного тока. Его величина пропорциональна квадрату амплитуды входного сигнала. Сопротивление нагрузки из условия согласования (отдачи в нагрузку максимальной мощности) выбирается приблизительно равным внутреннему сопротивлению детектора Ri=1/S. Тогда полезное напряжение на нагрузке:

u0 = (T/2S)a12.

Чтобы проиллюстрировать расчет, найдем крутизну и кривизну характеристики для современного диода Д2 по вольтамперной зависимости, приводимой в справочниках:

S » 1 мА/В, Т » 6 мА/В2,

и рассчитаем выходное напряжение детектора в зависимости от амплитуды входного РЧ сигнала (таблица 1).

Из таблицы видно, что чувствительность приемника очень низка и даже чувствительный УЗЧ, подключенный к его выходу, не спасает положения. Даже при чувствительности УЗЧ в единицы микровольт на входе приемника необходимы милливольтовые сигналы.

Таблица 1 - ВАХ диода

В гетеродинном приемнике на детектор действуют уже два сигнала (рисунок В.2) - входной и гетеродинный:

u = a1cos1t + a2cos2t.

Полезное напряжение на выходе детектора оказывается следующим:

u0 = (T/2S)a12 + (T/2S)a22 + (T/S)a1a2cos(1 - 2)t.

В этом выражении оставлены лишь члены, соответствующие постоянному току или низким частотам. Первый член соответствует продетектированному напряжению сигнала, второй - гетеродина, а третий - биениям между колебаниями сигнала и гетеродина. Этот последний член зависит от амплитуды сигнала а1 уже не квадратично, а линейно, что в корне меняет дело. При достаточной амплитуде гетеродинного напряжения а2 (0,1...0,15 В) коэффициент передачи сигнала биений близок к единице и напряжение биений в нагрузке почти равно напряжению РЧ сигнала. Дальнейшее повышение амплитуды гетеродина почти не повышает коэффициента передачи (больше единицы в этом пассивном элементе он быть не может).

Итак, полезным эффектом в гетеродинном приемнике оказывается не детектирование, а преобразование сигнала по частоте с выделением низкой ЗЧ биений:

= 1 - 2.

Но тогда зачем нужны первые два члена в последнем выражении для u0? А они и не нужны, более того, вредны. Ведь продетектированный ток не содержит информации о частоте сигнала и, следовательно, последетекторные фильтры оказываются неэффективными. Продетектированный ток устраняется при использовании балансного смесителя, на один вход которого подается напряжение сигнала, на другой - гетеродина.

Теперь элемент, где происходит преобразование РЧ в ЗЧ, уже никак нельзя назвать детектором. Это смеситель, или преобразователь частоты. Более того, если он хотя бы в малой степени будет детектировать сигнал, помехоустойчивость гетеродинного приема ухудшится - ведь детектируются и мешающие сигналы с частотой, отличной от частоты сигнала.

Идеальный смеситель осуществляет операцию перемножения входного и гетеродинного сигналов:

u1u2 = (a1cosщ1t)ґ(a2cos2t) = (a1a2/2)cos(1 + 2)t + (a1a2/2)cos(1 - 2)t.

Суммарная частота отфильтровывается на выходе смесителя, и выделяется полезное напряжение:

приемник гетеродинный радиолиния телеграфный

u0 = (a1a2/2)cos(1 - 2)t = (a1a2/2)cost.

Как видим, оно содержит лишь колебания разностных частот и его амплитуда пропорциональна амплитуде сигнала. Спектр РЧ принимаемых сигналов линейно переносится в область ЗЧ и фильтрация на ЗЧ так же эффективна, как на РЧ в приемниках прямого усиления и на ПЧ в супергетеродине.

К сожалению, этот факт очень поздно осознали и радиоспециалисты, и радиолюбители. Добавление гетеродинного напряжения к сигналу на обычном детекторе (рисунки В.2, 1.2) позволяет поднять чувствительность, получить тональный прием телеграфа, но не избавляет от прямого детектирования мешающих сигналов. Именно поэтому ушли в прошлое автодины, синхродины и гомодины 20-х годов.

Рисунок 1.2 - Схема регенеративного приемника

Выдающийся радиоинженер Е.Г.Момот еще до войны, разрабатывая технику синхронного приема и "избирательного детектирования", указал на полезность и необходимость балансных смесителей. Но в те годы применение двух ламп в балансной схеме вместо одной считалось довольно сложным и дорогим решением. До сих пор еще встречаются разработки гетеродинных приемников, где смеситель выполнен на одном диоде или транзисторе по небалансной схеме, хотя получение высоких параметров в таких приемниках принципиально невозможно.

2 ВЫБОР СХЕМЫ ГЕТЕРОДИНА

Структурная схема простейшего двухполосного асинхронного приемника показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема двухполосного асинхронного приемника

Смеситель гетеродинного приемника не должен детектировать входные сигналы, пропускать гетеродинное напряжение на вход приемника и создавать излишний шум. Перечисленным требованиям в большей степени удовлетворяют смесители на встречно-параллельных диодах [5] и полевых транзисторах [6]. ФНЧ Z2 обеспечивает основную селекцию приемника по соседнему каналу. Хорошие результаты дают LC фильтры, хотя они и трудоемки в изготовлении.

Активные RC фильтры имеют повышенный уровень шума и поэтому мало пригодны для установки на выходе смесителя связного приемника, но с успехом могут включаться между каскадами УЗЧ. К селективности ФНЧ добавляется селективность УЗЧ, ослабляющего верхние частоты, и естественная селективность человеческого уха, теряющего чувствительность на верхних частотах. УЗЧ гетеродинного приемника обеспечивает основное усиление сигнала (до 100000...1000000). На современных транзисторах и ИМС получить такое усиление при уровне шума, приведенного ко входу, порядка долей микровольта большой проблемы не составляет.

Схема электрическая гетеродина показана на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Схема электрическая гетеродина

3 РАСЧЕТ СХЕМЫ ГЕТЕРОДИНА

Исходные данные:

-минимальная рабочая частота fmin = 400 кГц;

-максимальная рабочая частота fmax = 680 кГц;

-промежуточная частота fпр = 100 кГц.

Рассчитаем минимальную и максимальную частоты гетеродина:

Рассчитаем коэффициент перекрытия диапазона гетеродина:

Рассчитаем наибольшую относительную погрешность сопряжения при точном сопряжении в одной точке:

Рассчитаем наибольшую относительную погрешность сопряжения при точном сопряжении в двух точках:

Используя номограмму из [7], находим

Рассчитаем вспомогательные величины:

Зададим параметры:

Рассчитаем значения емкостей:

Выполним проверку:

Совпадение можно считать удовлетворительным.

Найдем наибольшую абсолютную погрешность сопряжения:

Зададим некоторые значения емкостей.

Рассчитаем среднюю емкость подстроечного конденсатора:

Рассчитаем емкость Сдоп1:

Зададим емкость блокировочного конденсатора:

Рассчитаем необходимую индуктивность контура:

Зададим значение Rэ:

Зададим значение Rб:

Рассчитаем относительные изменения тока эмиттера вследствие отклонения транзистора от среднего значения до максимального и вследствие повышения температуры окружающей среды от 20 С до наибольшего значения.

Рассчитаем величину iэmax:

При настройке с помощью переменного конденсатора

Рассчитаем добротность эквивалентного контура:

Рассчитаем допустимый коэффициент включения контура в коллекторную цепь:

Рассчитаем коэффициент включения контура в цепь эмиттер - база:

Рассчитаем величины индуктивностей:

Рассчитаем величины емкостей:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта были получены следующие результаты:

-рассмотрен принцип действия гетеродинного приемника;

-рассчитана схема электрическая гетеродина

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Момот Е.Г. Проблемы и техника синхронного радиоприема. -М.: Связьиздат, 1961.

2 Поляков В.Т. Приемники прямого преобразования для любительской связи. -М.: ДОСААФ, 1981.

3 Поляков В.Т. Трансиверы прямого преобразования. -М.: ДОСААФ, 1984.

4 Павлов Б.А. Синхронный прием. -М.: Энергия, 1977.

5 Поляков В. Смеситель приемника прямого преобразования. Радио, 1976, №12, с.18...20.

6 Поляков В., Степанов Б. Смеситель гетеродинного приемника. Радио, 1983, №4, с.19...20.

7 Радиоприемные устройства на полупроводниковых приборах: проектирование и расчет. / Под ред. Р.А. Валитова, А.А. Куликовского. Москва: Советское радио, 1968.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Схема электрическая принципиальная гетеродина

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Результаты расчета

Таблица Б.1 - Результаты расчета

Размещено на Allbest.ru