курсач / материалы / Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. Сиверса А.П. 1976г

Ячдт — Ячд max Купт потребуется УПТ с минимальным коэффи­ циентом усиления Купт • При этом необходимо проверить, обеспе­ чиваются ли требуемые полосы удержания и схватывания, которые

с максимальной крутизной выполняется в следующем порядке. Для частотного детектора выбираются те же транзисторы (вы­ сокочастотные и сверхвысокочастотные), что и для УПЧ приемни­ ка. Максимальное значение амплитуды тока сигнала промежуточ­

ной частоты ограничено током насыщения /нас и равно

рое для непрерывной систе­ мы АПЧ выбирается в преде­

Сакд находят по справочнику. При этом коэффициент передачи Кя и входное сопротивление Кв* д детектора можно найти из гра­ фика, приведенного на рис, 11.8, или при Кнчд/Кгд > 50—100 приближенно по формулам

Кд « cos (1ЗКщл/Ки чд),

(11.20)’

Емкость контура выбирается не менее нескольких десятков пи­ кофарад. На меньшую емкость Ск заметно влияют емкости транзи­ сторов и монтажа, не обладающие достаточной стабильностью. Кро­ ме того, при выборе емкости контура необходимо руководствовать­ ся условием обеспечения устойчивости каскадов УПЧ, в качестве нагрузки которых используются контуры ЧД.

Минимальное эквивалентное затухание контуров d9 mln зависит - от собственного затухания контуров (rf « 0,02 ... 0,007) и затуха-

432

Полосу схватывания АПЧ при максимальной крутизне ЧД опре­ деляем из табл. IL 1. Если рассчитанная полоса схватывания для выбранного ЧД, обеспечивающего максимальную крутизну харак­ теристики, больше требуемой ITcxs > Псх т, то определяют максимальную крутизну статической характеристики ЧД по со­ ответствующим формулам табл. 11.1.

При выполнении условия Ячд max > Зчд т в цепи АПЧ не применяют УПТ. Если Зчд max < Зчд т» то в цепи АПЧ приме­ няют усилитель постоянного тока с минимальным коэффициентом усиления

Однако рассчитанная таким образом полоса схватывания может оказаться меньше требуемой. Тогда частотный детектор проекти­ руют так, чтобы в нем реализовалась не максимальная крутизна характеристики, а полоса частот между экстремумами (полоса про­ пускания) частотной характеристики, обеспечивающая требуемую полосу схватывания. Это достигается расширением полосы про­ пускания между экстремумами. Полосы частот между экстремумами (Пи), при которых обеспечиваются требуемые полосы схватывания, для первых двух ЧД можно оценить по формулам табл. 11.1.

Для ЧД на расстроенных контурах с последовательным резо­ нансом полоса схватывания зависит только от свойств (§22э и /к) транзистора, к которому подключены контуры ЧД. Поэтому в нем не удается менять полосу схватывания, изменяя полосу частот между экстремумами характеристики.

Для частотных детекторов, у которых требуемая полоса схваты­ вания зависит от полосы частот между экстремумами Пм, крутизна

Требуемое затухание можно обеспечить, либо выбирая емкость кон­ тура Ск, либо вводя дополнительный шунт, от величины которого вависит эквивалентная проводимость контура ga к.

433

Рассчитанные значения эквивалентных затуханий d8 контуров позволяют определить крутизну характеристик частотных детек­ торов Зцд.

Коэффициент усиления УПТ Лупт рассчитывается по формуле

дополнительный УПЧ, с минимальным коэффициентом усиления

Для стабилизации крутизны статической характеристики ЧД при изменении уровня входного сигнала в его транзисторах исполь­ зуется режим ограничения, для обеспечения которого коэффициент усиления УПЧ следует выбирать в 2—3 раза больше расчетного: Купч = (2—3) Купч р • Чтобы частотная характеристика УПЧ заметно не влияла на полосу схватывания, полосу пропускания УПЧ выбирают не меньше требуемой полосы схватывания, т. е. Пупч Псх т. Выбранная полоса пропускания Пупч и требуемое значение коэффициента усиления Купч являются исходными для расчета УПЧ АПЧ. Методика расчета УПЧ приведена в гл. 5.

Тип фильтра и постоянные времени его звеньев выбирают так, чтобы длительность переходного процесса не превышала заданной величины /уч, флюктуации промежуточной частоты были меньше допустимых ДД1 и при выбранных параметрах в системе АПЧ вы­ полнялись условия устойчивости (с учетом необходимого' запаса устойчивости). Если начальная расстройка Д/нач не превышает пределов линейных участков характеристики частотного детекто­ ра (приближенно ■< 0,5Пм) и регулятора частоты гетеродина, то максимально возможную величину постоянной времени ФНЧ, выполненного в виде однозвенной интегрирующей /?С-цепи, можно определить по формуле

(11.29) При больших начальных расстройках, попадающих за экстре­

434

Если в системе АПЧ используются безынерционные регулятор

частоты и измерительный элемент, а инерционными свойствами об­ ладает только ФНЧ, то система АПЧ, содержащая однозвенную и

даже двухзвенную интегрирующие /?С-цепи, устойчива при любом Коэффициенте Q. Однако при ограниченной полосе пропускания контуров УПЧ и ЧД в них имеет место запаздывание сигнала, кото­ рое отрицательно сказывается на устойчивости работы АПЧ. Ми­ нимально допустимое значение постоянной времени интегрирующей /?С-цепи, при которой обеспечивается устойчивая работа АПЧ, с учетом времени запаздывания т3 уС1, в контурах УПЧ и ЧД рав­ но

на одну частоту; 2 — одиночные по­ парно-расстроенные контура при кри­ тической расстройке; 3 — одиночные контура, настроенные на три частоты при критической расстройке; 4 —пары связанных контуров при критической связи,

Минимальное значение постоянной времени ФНЧ, при которой ' обеспечивается расширение спектра гетеродина при воздействии шумов не больше допустимого значения по отношению к полосе

435

тф тех. а Для обеспечения устойчивости системы АПЧ при такой постоянной времени ФНЧ расширить, если это возможно, полосу пропускания УПЧ так, чтобы обеспечить малую величину времени запаздывания

Такое время запаздывания можно получить, если вместо полосы пропускания Пупч выбрать полосу пропускания, обеспечивающую малую т8 уст, из условия

П3>у37г3уст. (11.35)

При этом расчет УПЧ необходимо произвести заново, введя в

него новую полосу пропускания П3. При больших начальных рас­ стройках А/нач расчетные параметры могут оказаться нереализуе­ мыми. В этом случае в системе АПЧ применяют «поиск» сигнала,

Особенности построения и проектирования импульсных частотных систем АПЧ

Импульсные частотные системы АПЧ используются для подстрой­ ки частоты непрерывных колебаний гетеродина импульсного прием­ ника по несущей частоте импульсных сигналов. Различают импульс­ ные частотные системы АПЧ инерционные и быстродействующие (БАПЧ). В первых сигнал рассогласования на выходе частотного детектора вырабатывается в результате действия каждого импуль­ са, однако частота гетеродина подстраивается постепенно в тече­ ние нескольких периодов Тп импульсных сигналов. В таких систе­ мах используются ФНЧ с большой постоянной времени тф >> Тп, поэтому по своим статическим и динамическим характеристикам они близки к системам непрерывного действия.

Во вторых отклонение промежуточной частоты в начале импульс­ ного сигнала от номинального значения уменьшается в течение действия импульса длительностью т, так что к моменту его оконча­ ния переходные процессы в системе затухают и производится запоми­ нание установившегося к концу импульса значения частоты гете­ родина на весь период Та. Работа БАПЧ в течение импульса ана­ логична работе непрерывной системы АПЧ, Системы БАПЧ рас­ смотрены в работе 141.

Если при проектировании импульсной системы АПЧ можно выбрать полосу пропускания УПЧ АПЧ Пупч и контуров частот­ ного детектора Пм во много раз больше ширины спектра импульс­ ного сигнала (практически достаточно, чтобы Пупч > (5 ... 10)/т, Пми > (5 10)/т), а постоянную времени ФНЧ такую, чтобы дли­ тельность переходного процесса составляла несколько периодов повторения импульсных сигналов (/уч 10Тп), то расчет импульс­ ной системы АПЧ практически ничем не отличается от расчета не­ прерывной системы АПЧ. Кроме того, если выбрать постоянные времени цепей нагрузок ЧД значительно больше периода Тп, то

436

этот детектор работает и как частотный, и как пиковый. При этом структура импульсной системы АПЧ ничем не отличается ог структуры непрерывной системы АПЧ.

Однако такой способ выделения регулирующего напряжения малоэффективен из-за малого коэффициента передачи ЧД. Чаще всего регулирующее напряжение формируют дополнительным пи­ ковым детектором, включенным между ЧД и ФНЧ. При этом на выходе ЧД выделяют видеоимпульсы, амплитуда которых про­ порциональна отклонению промежуточной частоты импульсов от номинального значения, а полярность их определяет направление отклонения. Перед пиковым детектором можно установить видео­ усилитель. При этом результирующую крутизну статической ха­ рактеристики ЧД можно получить, умножив 5чд на коэффициент передачи всех выходных каскадов АПЧ (Авых), стоящих после ЧД:

Расчет импульсной частотной системы АПЧ имеет ряд особен­ ностей. При расчете параметров ЧД импульсной системы АПЧ не­ обходимо полосу частот между экстремумами характеристики ча­

для исключения ложных нулей в характеристике частотного детек­

лениями. Сопротивление нагрузки пикового детектора Rn пд для обеспечения коэффициента передачи, близкого к единице, выбира­ ют сравнительно большим (/?н пд = 0,5 ... 2 МОм). При этом не­ обходимо учитывать, что оно шунтируется обратным сопротивлением диода, н поэтому полное сопротивление нагрузки равно

447

Rbbx ву, к которому подключается пиковый детектор, определяет­ ся внутренним сопротивлением R( ву и нагрузкой /?н ву:

чения максимального коэффициента передачи и малых пульсаций выходного напряжения:

CDB>5Tn/R£. (11.42)

Максимальное значение постоянной времени ФНЧ импульсной системы АПЧ выбирается из условия обеспечения заданной длитель­ ности переходного процесса:

Минимальное значение постоянной времени ФНЧ импульсной системы АПЧ выбирается из условия обеспечения устойчивости

Выбор и расчет элементов системы АПЧ

Проектирование системы АПЧ заканчивается выбором и расче­

ной частоты АПЧ проектируются так же, как смеситель и УПЧ приемного канала. Исходными данными для расчета являются выбранные значения коэффициента усиления Купи и полосы про­ пускания Пупч-

В качестве ЧД можно использовать один из вариантов частот­ ных детекторов, расчет которых приведен в гл. 9, с учетом особен­ ностей в расчете, приведенных в данном параграфе. Исходными данными для расчета частотного детектора являются заданная ча­ стота его настройки (переходная частота), крутизна статической характеристики Sna и полоса пропускания Пм. Часто нагрузка детектора вместе с шунтирующей емкостью могут формировать рас­ четное значение постоянной времени тф. Кроме того, постоянную времени можно реализовать с помощью интегрирующей RC-цепи, имеющей расчетное значение постоянной времени (R^C^ = тф).

Для исключения шунтирующего действия последующих цепей после ЧД и ФНЧ, как правило, используются эмиттерные повтори­ тели. УПТ применяют в том случае, когда не удается создать доста-

438

точного усиления в цепях переменного тока (УПЧ, ЧД, ВУ) для обеспечения требуемого значения крутизны частотного детектора. При проектировании УПТ необходимо обеспечить не только задан­ ный коэффициент усиления, но и требуемые пределы изменения его выходного напряжения (7р1 и t/p2 [10, 11]. Опорное напряжение создается с помощью специального источника питания, в цепях

и требований ТЗ, можно, сравнивая параметры микросхем с требуе­ мыми, выбрать подходящие ИС для групп каскадов или для отдель­ ных каскадов.

! Пример 11.1. Требуется рассчитать систему АПЧ, входящую

в состав супергетеродинного приемного устройства самолетного импульсного метеолокатора, выполненного с применением инте­ гральных микросхем:

Исходные данные-, номинальная частота принимаемых сигналов /Оо = 9375 МГц; среднеквадратичное значение изменения частоты принимаемых сигналов Од,о — 5 МГц; промежуточная частота

fn — 30 МГц; допустимая остаточная ошибка системы АПЧ Д/о 0,35 МГц; максимальное допустимое значение длительности пе­

реходного процесса /уч 0,1 с; длительность импульсов т = 1 мкс; период повторения импульсов Тп — 1 мс.

В приемном устройстве применен твердотельный гетеродин на диоде Ганна, имеющий крутизну статической характеристики регу­ лятора частоты гетеродина Spq = 10 МГц/B, диапазон электрон­ ной перестройки частоты 2Д/Г 60 МГц, диапазон изменения управ­ ляющего напряжения A {7упр = 6 В, опорное напряжение Un = 5 В. Среднеквадратичное значение изменения частоты гетеродина од/ =

=5 МГц.

Так как приемник и передатчик совмещены, в канале АПЧ при­

менен отдельный смеситель. Сигнал промежуточной частоты на выходе смесителя АПЧ имеет амплитуду Un Вх = 0,3 В.

;Расчет

? 1. Максимальная начальная расстройка определяется неста­ бильностью частот сигнала и гетеродина (11.15):

Д/нач = 1,5/(+ 5)2 + (± 5)2 « 10 МГц. ;

Начальная расстройка не превышает возможные пределы элек­ тронной перестройки частоты гетеродина Д/нач = Ю МГц < 2Д/Г =

=60 МГц.

2.Требуемый коэффициент подстраивающего действия системы

АПЧ равен (11.16) QT = 10/0,35 = 29.

3. Для того чтобы реализовать требуемый коэффициент под­ страивающего действия, крутизна статической характеристики ча­ стотного детектора должна быть равна (11.17) 8чд т — (29 — 1)/10= = 2,8 B/МГц. ~ .

439

4. В системе АПЧ используем частотный детектор на расстроен­ ных контурах с последовательным резонансом. Его подключаем к каскаду УПЧ, выполненному на интегральной микросхеме К2УС243 (универсальный усилитель), имеющей выходную прово­ димость g22a = 0,2 • 10_3 См, ток насыщения транзистора /нас = = 8 мА. Максимальное значение амплитуды тока сигнала проме­ жуточной частоты равно (11 18) /« = 4 мА.

5. В частотном детекторе используем диоды Д2Е, имеющие

6. Выбираем емкость нагрузки частотного детектора из условий

(11.38)

Снчд > 3 + 3 = 6 пФ, Свчд 5 ... 10 пФ.

Всем трем условиям удовлетворяет емкость Свчд = 10 пФ.

7. Выбираем длительность среза импульса в соответствии с формулой (11.39) те = 0,5 мкс. Тогда сопротивление нагрузки равно (11.40)

= 10 пФ. Минимальное эквивалентное затухание контуров частот­ ного детектора, переходная частота которого совпадает с промежу­

9. Частоты настроек контуров частотного детектора равны (табл. 11.1)

440

Минимально допустимое значение полосы частот частотного детектора (11.366)

п"» "ТР-2-5 МГц-

Следовательно, условие (11.366) выполнено

Пм — И МГц > Пми = 2..,5 МГц.

11. Полоса схватывания АПЧ при максимальной крутизне ста­ тической характеристики частотного детектора (табл. 11.1) Псх5 = = 2 • 10 • 4 • 10-3 • 5 • 103 • 0,83 = 330 МГц. Полоса схватыва­ ния больше удвоенной начальной расстройки 2А/нач = 20МГц<

<Псх = 330 МГц.

12.Максимальная крутизна характеристики частотного детек­ тора (табл. 11.1)

13. Чтобы последующие цепи не шунтировали нагрузку ЧД, на его выход ставим эмиттерный повторитель, в качестве которого используем микросхему К2УЭ182 (биполярный эмиттерный повто­ ритель) с коэффициентом передачи Кап — 0,9. Учитывая, что уровни сигналов на выходе ЧД велики, особенно на частотах настройки контуров, видеоимпульсы после эмиттерного повторителя необхо­ димо усиливать в раздельных каналах. После пиковых детекторов полученные регулирующие напряжения складываются для форми- .

грузки детектора равным RH пд = 1 АЮм. При этом полное сопро­ тивление нагрузки детекторов (11.41а)

■J0O40M0L_=2i№_445 к0„У

800-103+ Ю» 1,8-10»

15. В качестве видеоусилителей, к которым должны подсоеди­ няться пиковые детекторы, используем интегральные схемыК2УИ 181 (импульсный усилитель на положительную полярность) и КУИ182 (импульсный усилитель на отрицательную полярность), имеющие

т — 0,3—1,0 мкс, R„ ву = 400 Ом.

Полное выходное сопротивление видеоусилителей (11.416)

ДвЙХ ву 100 • 400 =80 Ом.

100 +400

441