СЭС 2008-2010 (Схемотехника электронных средств) / СЭС_КП_20080420(радиовещ, КВ2) / КП СЭС

1. Обоснование выбора и расчет структурной схемы ВЧ тракта радиоприемного устройства

   1. Обоснование выбора типа радиоприемного устройства

Приемники по схеме разделяются на:

• приемники прямого усиления,

• супергетеродинные приемники.

Приемник прямого усиления не может обеспечить высокую избирательность и хорошую чувствительность.

Супергетеродинные приемники позволяют совместить высокую избирательность с требуемой полосой пропускания.

Преимущества супергетеродинного приемника:

1. большая избирательность по зеркальному каналу (_зерк = 41 дБ),

2. большая избирательность по соседнему каналу (_сос = 58 дБ).

Проектируемый радиовещательный приемник на транзисторах осуществляет прием станций, работающий в диапазоне волн КВII (7,5 – 11,5)10³ кГц.

Во входной цепи приемника выделяется полезный сигнал, и предварительно ослабляются сигналы других частот.

Усилители радиочастоты усиливают сигнал, поступающий с входной цепи, и осуществляют дальнейшее ослабление сигналов мешающих станций.

В супергетеродинных приемниках сигнал высокой частоты (ВЧ) преобразуется в сигнал другой частоты и на этой частоте усиливается до детектора, при этом, форма кривой модулированного ВЧ-сигнала после преобразования должна оставаться неизменной.

На новой (промежуточной) частоте используется колебание сигнала с необходимой полосой пропускания и высокой избирательностью.

Структурная схема радиовещательного супергетеродинного приемника:

Тракт радиочастоты состоит из: антенны (А), входной цепи (ВЦ) и усилителей радиочастоты (УРЧ₁ и УРЧ₂).

Тракт промежуточной частоты состоит из: преобразователя частоты (ПЧ) и усилителей промежуточной частоты (УПЧ₁ и УПЧ₂).

Тракт высокой частоты (ВЧ) состоит из: тракта радиочастоты и тракта промежуточной частоты, т.е. от антенны до детектора.

Питание осуществляется от автономного источника напряжения 9 В.

Избирательность по зеркальному каналу (_зерк = 41 дБ) обеспечивается трактом радиочастоты.

Избирательность по соседнему каналу (_сос = 58 дБ) обеспечивается трактом промежуточной частоты.

Избирательность по промежуточной частоте (_пр.ч = 64 дБ) обеспечивается трактом радиочастоты.

Т.к. требования по избирательности и чувствительности высоки, то приемник выполняется (осуществляется) по супергетеродинной схеме.

2. Выбор промежуточной частоты

Исходные данные:

F_В = 4 215 Гц.

F_В – верхняя частота модуляции.

Величина промежуточной частоты выбирается из следующих соображений:

1. промежуточная частота не должна находиться в диапазоне частот приемника или близко от границ этого диапазона,

2. промежуточная частота не должна совпадать с частотой какого-либо мощного передатчика,

3. для получения хорошей фильтрации промежуточной частоты на выходе детектора, должно быть выполнено следующее условие:

f_пр.ч > 10F_В, т.е. f_пр.ч > 42 150 Гц

С увеличением промежуточной частоты:

1. увеличивается избирательность по зеркальному каналу (_зерк= 41 дБ),

2. увеличивается избирательность по соседнему каналу (_сос= 58 дБ),

3. расширяется полоса пропускания,

4. увеличивается входное, выходное сопротивление электронных приборов, что приводит к увеличению шунтирования,

5. ухудшается устойчивость УПЧ,

6. уменьшается коэффициент усиления каскада за счет уменьшения резонансного сопротивления контуров,

7. уменьшается вредное влияние шумов гетеродина на чувствительность приемника.

С уменьшением промежуточной частоты все выше перечисленные параметры изменяются в противоположную сторону (т.е. на противоположные значения). Принимаем: f_пр.ч = 465 кГц.

f_пр.ч = 465 кГц

3. Расчет полосы пропускания

Исходные данные:

f_Сmin = 7,5 10³ кГц;

f_Сmax = 11,5 10³ кГц;

F_В = 4 215 Гц;

_пер = 0,8 10^-5;

_гет = 1 10^-4;

_т.пр.ч = 1,5 10^-5.

Диапазон рабочих частот – это полоса пропускания, в пределах которой может перестраиваться приемник.

Диапазон задается граничными частотами (f_Сmin = 7,5 10³ кГц, f_Сmax = 11,5 10³ кГц).

_пер = 0,8 10^-5, _гет = 1 10^-4, _т.пр.ч = 1,5 10^-5 – это есть максимально возможный уход частоты передатчика, гетеродина и тракта промежуточной частоты.

Для передатчиков, которые должны обеспечить поисковую и безподстроечную связь, полоса пропускания рассчитывается по формуле:

2 f = 2 F_В = 2 4 215 = 8 430 Гц;

F_В – верхняя частота модуляции;

К – коэффициент совпадения ухода частоты, учитывающий соотношение от номинальных величин частот передатчика, гетеродина, тракта промежуточной частоты. К = (0,3 – 0,7), принимаем К = 0,5.

f_пер = _пер f_Сmax = 0,8 10^-5 11,5 10³ 10³ Гц = 92 Гц;

f_гет = _гет (f_Сmax + f_пр.ч) = 1 10^-4( 11,5 10³ 10³ Гц + 465 10³ Гц) =1 196,5 Гц;

f_т.пр.ч = _т.пр.ч f_пр.ч = 1,5 10^-5 465 10³ Гц  7 Гц;

П_ВЧ = 8 430 Гц + 92 Гц + 1 196,5 Гц + 7 Гц = 9 725,5 Гц  10 кГц.

П_ВЧ = 10 кГц

4. Распределение избирательностей и неравномерностей полосы пропускания между трактами радиочастоты (РЧ) и промежуточной частоты (ПЧ)

Исходные данные:

σ_зерк = 41 дБ;

σ_сос = 58 дБ;

σ_пр.ч = 64 дБ;

М_ВЧ = 8 дБ.

М_ВЧ – относительный уровень ослабления для полосы пропускания ВЧ-тракта приемника.

В приемнике супергетеродинного типа принимаются следующие распределения избирательностей по трактам приемника:

1. избирательность по зеркальному каналу (σ_зерк = 41 дБ) обеспечивается трактом радиочастоты, который состоит из: А, ВЦ, УРЧ₁ и УРЧ₂;

2. избирательность по соседнему каналу (_сос = 58 дБ) обеспечивается трактом промежуточной частоты, который состоит из: ПЧ, УПЧ₁ и УПЧ₂;

3. избирательность по промежуточной частоте (_пр.ч = 64 дБ) обеспечивается трактом радиочастоты, который состоит из: А, ВЦ, УРЧ₁ и УРЧ₂.

Величина допустимых частотных искажений (М_ВЧ = 8 дБ) должна быть распределена по всем трактам радиоприемника:

М_ВЧ = М_РЧ + М_ПЧ.

Принимаем М_ПЧ = 6 дБ, тогда:

М_РЧ = М_ВЧ – М_ПЧ = 8 дБ – 6 дБ = 2 дБ.

М_ПЧ = 6 дБ

М_РЧ = 2 дБ

5. Определение эквивалентной добротности и числа контуров тракта РЧ

Исходные данные:

f_Сmin = 7,5 10³ кГц;

f_Сmax = 11,5 10³ кГц;

σ_зерк = 41 дБ → 112 от.ед.;

f_пр.ч = 465 кГц.

f_зерк.min = f_Сmin + 2 f_пр.ч = 7,5 10³ кГц + 2 465 кГц = 8 430 кГц;

f_зерк.max = f_Сmax + 2 f_пр.ч = 11,5 10³ кГц + 2 465 кГц = 12 430 кГц.

1. Расчет добротности для тракта радиочастоты по избирательности

Таблица 1

2. Расчет эквивалентной и конструктивной добротностей контуров

Значение эквивалентной и конструктивной добротностей выбирается из табл. 2.

Таблица 2

Должно выполнятся условие:

Q_И < Q_Э = Q_Эmax < Q_К

В соответствии с условием из табл. 2 выбираем:

Q_Э = Q_Эmax = 75;

Q_К = 140;

Q_И2 = 65 < Q_Э = Q_Эmax = 75 < Q_К = 140

Условие выполняется при n = 2.

Максимально эквивалентная добротность соответствует добротности на высоких частотах диапазона, т.е. при f_Сmax = 11,5 10³ кГц.

При перестройке на f_Сmin (f_Сmin = 7,5 10³ кГц) Q_Эmin будет больше за счет меньшего шунтирования.

n_РЧ = 2

Q_И2 = 65

Q_Эmax = 75

Q_К = 140

3. Расчет эквивалентной добротности на минимальной частоте

d_К – конструктивное затухание контура (d_К = 1/Q_К);

d_Эmax – эквивалентное затухание контура на верхней частоте диапазона (d_Эmax = 1/Q_Эmax);

R_ВХmax – входное сопротивление электронных приборов на максимальной частоте поддиапазона;

R_ВХmin – входное сопротивление электронных приборов на минимальной частоте поддиапазона.

Принимаем соотношение:

Подставляем полученные данные в формулу:

Отсюда:

Должно выполнятся условие:

Q_Эmin > Q_Эmax

Условие выполняется при n = 2.

Q_Эmin = 89;

Q_Эmax = 75.

Расчет произведен правильно, следовательно тракт радиочастоты состоит из двух каскадов (n = 2).

Структурная (блок) схема тракта радиочастоты при n = 2:

Q_Эmin = 89

4. Расчет избирательности по зеркальному каналу

Исходные данные:

f_Сmin = 7,5 10³ кГц;

f_Сmax = 11,5 10³ кГц;

σ_зерк = 41 дБ → 112 от.ед.;

f_зерк.min = 8 430 кГц;

f_зерк.max = 12 430 кГц;

n_РЧ = 2;

Q_Эmin = 89;

Q_Эmax = 75.

Должно выполнятся условие:

σ_зерк.min = 386 > σ_зерк.max = 125 > σ_зерк = 112

Условие выполняется.

σ_зерк.min = 386

σ_зерк.max = 125

5. Расчет избирательности по промежуточной частоте

Исходные данные:

σ_пр.ч = 64 дБ → 1600 от.ед.;

f_пр.ч = 465 кГц;

n_РЧ = 2;

Q_Эmin = 89;

Q_Эmax = 75.

Должно выполнятся условие:

σ_пр.ч.min = 3310⁶ > σ_пр.ч = 1600

Условие выполняется.

σ_пр.ч.min = 3310⁶

6. Расчет АЧХ тракта РЧ

Исходные данные:

f_Cmin = 7,5 10³ кГц;

f_Cmax = 11,5 10³ кГц;

n_РЧ = 2;

Q_Эmin = 89;

Q_Эmax = 75.

Амплитудно-частотная или резонансная характеристика тракта РЧ с резонансными контурами рассчитывается по формуле:

y – ослабление;

f₀ – резонансная частота, на которой рассчитывается АЧХ;

x – обобщенная расстройка, которая находится по формуле:

, где:

f – определяется по формуле:

, отсюда:

;

n – количество резонансных контуров для тракта РЧ.

1. Рассчитываем АЧХ на частоте f₀ = f_Cmin = 7,5 10³ кГц

Эквивалентная добротность резонансного контура на минимальной частоте равна Q_Эmin = 89.

Полоса пропускания контура на минимальной частоте определяется по формуле:

.

Результаты расчета занесем в табл. 3.

П_min = 84кГц

Таблица 3

2. Рассчитываем АЧХ на частоте f₀ = f_Cmax = 11,5 10³ кГц

Эквивалентная добротность резонансного контура на максимальной частоте равна Q_Эmax = 75.

Полоса пропускания контура на максимальной частоте определяется по формуле:

.

Результаты расчета занесем в табл. 4.

Таблица 4

П_max = 153кГц

АЧХ РЧ на миллиметровке

7. Определение эквивалентной добротности и числа контуров тракта ПЧ

Исходные данные:

σ_сос = 58 дБ;

f_сос = 10 кГц;

П_ВЧ = 10 кГц;

М_ПЧ = σ_n = 6 дБ.

Определение эквивалентной добротности контуров производится по заданной избирательности, по соседнему каналу (σ_сос = 58 дБ) и ослаблению на краях полосы пропускания.

Все приемники амплитудно-модулированного сигнала используют фильтры сосредоточенной селекции (ФСС).

Обычно ФСС используют в качестве нагрузки преобразователя частоты, ФСС должен обеспечить всю избирательность по соседнему каналу (σ_сос = 58 дБ).

Необходимое усиление приемника обеспечивается усилителями промежуточной частоты (УПЧ₁ – апериодический, УПЧ₂ – широкополосный).

Расчет ФСС аналитическим методом сложен, поэтому расчет производим графическим методом.

1. Расчет полосы пропускания ФСС

П_ПЧ – полоса пропускания ПЧ-тракта;

П_ВЧ – полоса пропускания ВЧ-тракта;

_n – величина относительной расстройки полосы пропускания. _n = (0,8 – 0,92), принимаем _n = 0,85.

2. Определение необходимой добротности ФСС

П_ПЧ = 11,8 кГц

Q_Н = 111

3. Определение конструктивной добротности ПЧ

,

Принимаем Q_Кпч = 200.

4. Определение величины относительной расстройки

.

5. Расчет величины относительной расстройки для соседнего канала

.

6. Определение величины обобщенного затухания

.

График обобщенной кривой:

Q_Кпч = 200

_n = 0,85

_сос = 1,7

β = 0,4

7. Определение числа звеньев ФСС, необходимых для обеспечения избирательности по соседнему каналу

8. Определение числа звеньев ФСС, обеспечивающих заданное ослабление на краю полосы пропускания для одного звена

.

Должно выполнятся условие:

.

Условие выполняется.

9. Определение числа ФСС

Принимаем число ФСС n_Ф = 1.

10. Определение ослабления на краях полосы пропускания звеньев ФСС

;

.

Должно выполнятся условие:

.

Условие выполняется.

11. Определение избирательности по соседнему каналу с учетом количества звеньев ФСС

;

.

Должно выполнятся условие:

.

Условие выполняется.

n_И = 8

n_П = 8

n_Ф = 1

σ_{n расч} = 6,56дБ

σ_{сос.расч} =63дБ

Расчет произведен правильно и окончательно принимаем:

1. ;

2. количество звеньев ФСС ;

3. .

n_И = n_П = 8

σ_{сос.расч} =63дБ

8. Расчет АЧХ тракта ПЧ

Исходные данные:

σ_сос = 58 дБ;

σ_{сос.расч} = 63 дБ;

М_ПЧ = σ_n = 6 дБ;

П_ПЧ = 11,8 кГц;

β = 0,4;

n_И = n_П = 8.

Резонансная характеристика каскада с n_ФСС = 8 рассчитывается с помощью графика обобщенных кривых (для одного звена ФСС).

Для перевода величины α, которая находится на горизонтальной прямой, в частоту, воспользуемся формулой:

На основании графических построений и верхней формулы строим табл. 5 для значений: β = 0,4; n_ФСС = 8.

Таблица 5

АЧХ ПЧ на миллиметровке

9. Расчет общего усиления ВЧ тракта и определение числа его каскадов

Исходные данные:

f_Cmax = 11,5· 10³ кГц;

E_А = 0,48 мВ/м;

U_вх.д. = 0,52 В;

n_РЧ = 2;

Q_Эmax = 75;

Q_К = 140;

Q_Эmin = 89.

В ВЧ-трактах осуществляется усиление слабого сигнала, поступающего на вход радиопередающего устройства от антенны до детектора.

U_вх.д. – амплитуда на входе детектора (амплитуда входного напряжения детектора);

E_А – реальная чувствительность приемника.

Расчет общего усиления приемника при приеме на наружную (штыревую) антенну.

Требуемое усиление ВЧ-тракта рассчитывается по формуле:

U_вх.д. – амплитуда напряжения на входе детектора;

U_вх.1 – напряжение на входе первого каскада приемника.

Требуемое усиление необходимо увеличить с целью обеспечения запаса по усилению на:

• разброс параметров транзистора;

• неточность напряжения контуров;

• производственный запас.

Требуемое усиление с запасом определяется по формуле:

, где:

К_зап – коэффициент запаса в пределах (1,5 – 2,5), принимаем К_зап = 1,5;

U_вх.1 – напряжение на входе первого каскада приемника, находится по формуле:

, где:

E_А – реальная чувствительность приемника;

h_д – действующая высота штыревой антенны (0,03 – 0,05), принимаем h_д = 0,05м;

Q_Эmax – максимальная добротность для РЧ-тракта;

m₂ – коэффициент включения входного контура, находится по формуле:

, где:

Q_Эmax – максимальная добротность для РЧ-тракта;

Q_К – конструктивная добротность входного контура;

R_вх – входное сопротивление транзистора, принимаем R_вх = 1кОм;

f_Cmax – максимальная частота поддиапазона;

С_Эmin – емкость входного контура, находится по формуле:

, где:

С^’_сх – эквивалентная емкость схемы, находится по формуле:

, где:

К_пд – коэффициент поддиапазона, ;

С_Кmin/С_Кmax – минимальная/максимальная емкость конденсатора, берется из табл. 6.

Таблица 6

Принимаем: С_Кmin = 6пФ, С_Кmax = 150пФ.

Подставляем исходные данные в формулу:

;

.

Все исходные данные подставляем в формулу:

К_пд = 1,53

С_Кmin = 6пФ С_Кmax = 150пФ

С`_сх = 101пФ С_Эmin = 107пФ

m₂ = 0,007

Для обеспечения усиления ВЧ-тракта необходим один каскад УРЧ, один преобразователь частоты и два каскада УПЧ (УПЧ₁ и УПЧ₂).

Необходимый коэффициент усиления ВЧ-тракта определяется как произведение отдельных коэффициентов узлов (при использовании структурной схемы ВЧ-тракта). Коэффициент определяется по формуле:

Во входной цепи нет усиления, только коэффициент передачи.

Коэффициенты К_ВЦ, К_ПЧ, К_УПЧ1 и К_УПЧ2 определяем из табл. 7.

Таблица 7

Коэффициент К_УРЧ определяем по формуле:

, где:

S – крутизна характеристики транзистора;

С_бк – емкость база-коллектор, находится из справочника;

ω – угловая частота, ω = 2π·f_Cmax = 2·3,14·11,5·10³кГц = 72,22·10³кГц.

Выбираем транзистор – ГТ310А, с параметрами:

S = 30мА/В = 0,03А/В;

С_бк = 1,5пФ = 1,5·10^-12Ф.

Исходные данные подставляем в формулу:

Должно выполнятся условие:

U_вх.1 = 0,013мВ

К_ВЧ = 60000

К_ВЦ = 0,4

К_ПЧ = 12

К_УПЧ1 = 30

К_УПЧ2 = 60

К_УРЧ = 8

Все исходные данные подставляем в формулу для нахождению общего усиления приемника:

Должно выполнятся условие:

Условие выполняется, следовательно расчет произведен правильно.

Принимаем структурную схему с числом каскадов:

УРЧ – один каскад;

ПЧ – один каскад;

УПЧ – два каскада (УПЧ₁, УПЧ₂).

К_общ = 69120

10. Определение числа регулируемых каскадов АРУ

Исходные данные:

n_РЧ = 2;

АРУ = 37дБ/12дБ.

Действия АРУ характеризуется наибольшим изменением сигнала на выходе приемника, при заданном изменении сигнала кривой на входе.

a – изменение входного напряжения: a = 37дБ → 70,4от.ед.;

p – изменение выходного напряжения: p = 12дБ → 4от.ед.

При расчете АРУ определяем число регулируемых каскадов:

1. находим требуемый коэффициент усиления приемника под действием АРУ:

;

2. выбираем коэффициент усиления одного каскада:

, принимаем ;

3. находим количество регулируемых каскадов:

В транзисторных приемниках одновременно с изменением регулируемых каскадов меняется его проводимость (входная и выходная), поэтому для входа и выхода целесообразно в качестве регулируемых каскадов использовать УРЧ и УПЧ.

Не рекомендуется в качестве регулируемых каскадов использовать преобразователь частоты, т.к. это приводит к большим нелинейным искажениям.

АРУ снимается с выхода детектора и заводится на первый каскад УРЧ и на первый каскад УПЧ при условии: N_АРУ = 2; n_РЧ = 2.

Структурная схема радиовещательного супергетеродинного приемника при условии: N_АРУ = 2; n_РЧ = 2:

Л_Т = 17,6

Л₁ = 10

N_АРУ = 2

11. Расчет реальной чувствительности