Московский Институт Электронной Техники

(Технический Университет)

Кафедра МРТУС

«УТВЕРЖДАЮ»

Зав. кафедрой

_________ В. Чистюхин

Лабораторная работа N1

По курсу «Радиоприемные устройства»

Исследование основных характеристик

супергетеродинного УКВ радиоприемника

Составили: Воронина Г. Г.

Шапкин Р.П.

Москва

2001

1. Цель работы

Изучение схемы и принципа работы супергетеродинного радиоприемника с двойным преобразованием частоты Р-254М, а также экспериментальное определение его основных электрических характеристик.

2. Описание радиоприемника Р-254М

Радиоприемник Р-254М предназначен для приема частотно-модулированных (ЧМ) сигналов в диапазоне 49.2 – 49.9 МГц, обеспечивает прием 8-ми рабочих частот, разнесенных на 100 кГц.

Приемник работает в двух режимах: «поиск» и «прием». В режиме «поиск» он может использоваться для отыскания объектов, имеющих маркерные передатчики, а в режиме «прием» – для приема команд односторонней связи.

2.1. Основные электрические характеристики приемника

1. Рабочие частоты: 8 фиксированных частот в диапазоне 49.2 – 49.9 МГц, разнесенных на 100 кГц.

2. Промежуточные частоты:

• первая промежуточная частота переменная, имеет 4 значения (5.9; 6.0; 6.1 и 6.2 МГц);

• вторая промежуточная частота постоянная (465 кГц).

3. Чувствительность по напряжению поля не хуже 20 мкВ/м при отношении сигнал/шум по напряжению на выходе приемника, равном 3. При этом напряжение звуковой частоты на телефоне не менее 160 мВ в режиме «поиск» и не менее 300 мВ в режиме «прием».

4. Избирательность приемника:

• по соседнему каналу не хуже 60 дБ (при отстройке на 100 кГц);

• по первому и второму зеркальным каналам не хуже 50 дБ;

• по каналу прямого похождения не хуже 60 дБ.

5. Полоса звуковых частот, воспроизводимых приемником, при работе на телефон 300 – 3000 Гц.

6. Диапазон системы автоматической регулировки усиления (АРУ) не менее 70 дБ.

7. Приемник не выходит из строя от сигналов передающих устройств, создающих напряженность поля в точке приема порядка 1000 мВ/м.

8. Питание приемника осуществляется от миниатюрной батареи, состоящей из четырех последовательно соединенных ртутно-цинковых элементов типа РЦ-53. Напряжение батареи 4.8 В. Ток, потребляемый приемником, 10 – 13 мА. Источник питания обеспечивает непрерывную работу приемника в течение 12 часов.

9. Телефон типа ТМ-3.

10. Габаритные размеры приемника 90x86x27 мм.

11. Вес приемника не более 300 г.

12. Приемник может крепиться на груди оператора.

2.2. Схема и принцип работы приемника

Приемник Р-254М собран по супергетеродинной схеме с двойным преобразованием и кварцевой стабилизацией частоты.

Структурная схема приемника показана на рис. 1. Вее составе: входная цепь (ВЦ), усилитель радиочастоты (УРЧ), два смесителя (См.1, См.2), два гетеродина (Г1, Г2), два усилителя промежуточной частоты (УПЧ1, УПЧ2), частотный детектор (ЧД), усилитель низкой частоты (УНЧ), система автоматической регулировки усиления (АРУ). Приемник имеет внутреннюю магнитную (ферритовую) антенну, обладающую направленными свойствами. В качестве оконечного устройства используется телефон.

Гетеродин первого преобразователя (Г1) состоит из двух высокочастотных генераторов с кварцевой стабилизацией частоты, которые отличаются по частоте на 400 кГц. Гетеродин второго преобразователя (Г2) включает в себя четыре генератора, стабилизированных кварцами, частоты которых различаются на 100 кГц. При поочередном включении одного из генераторов первого гетеродина с четырьмя генераторами второго гетеродина возможен прием восьми фиксированных рабочих частот (fс).

Первая промежуточная частота (fпр1) переменная, имеет четыре значения из ряда 5.9 – 6.2 МГц с разносом через 100 кГц. Вторая промежуточная частота (fпр2) постоянная – 465 кГц.

В приемнике используется нижняя настройка частоты первого гетеродина (fг1<fс) и верхняя настройка частоты второго гетеродина (fг2>fпр1).

Частотный детектор (ЧД) преобразует ЧМ сигнал в низкочастотное напряжение, изменяющееся по закону модуляции.

Система АРУ предназначена для поддержания выходного напряжения приемника в заданных пределах при изменении ЭДС сигнала в антенне. АРУ автоматически изменяет коэффициент усиления приемника при изменении уровня сигнала на его входе.

Приемник может работать в двух режимах: «поиск» и «прием», различающихся формой диаграммы направленности.

Принцип работы в режиме «поиск» основан на использовании направленных свойств антенны и усиления этих свойств схемотехническими методами.

Диаграмма направленности магнитной антенны в свободном пространстве имеет вид восьмерки, причем минимум приема совпадает с направлением оси сердечника (рас. 2, кривая1). При расположении приемника на груди оператора диаграмма направленности антенны за счет отражения волн от тела человека приобретает вид кардиоиды с максимумом лепестка, направленным вперед (рис. 2, кривая 2). Но, поскольку ширина лепестка велика, а максимум и минимум выражены не ярко, с такой диаграммой трудно осуществлять поиск передатчика.

Для улучшения направленных свойств антенны в режиме «поиск» используется схема обострения диаграммы направленности, увеличивающая коэффициент усиления приемника при увеличении входного сигнала. В результате диаграмма направленности антенны сужается (рис. 2, кривая 3). Одновременно со схемой обострения включается RC-цепь, увеличивающая постоянную времени системы АРУ до 4 – 5 секунд. В течение этого времени, пока не работает система АРУ, эффект действия которой противоположен эффекту действия схемы обострения, и должно производиться определение направления на источник сигнала.

В режиме «прием» схема обострения не включается, АРУ имеет малую постоянную времени и диаграмма направленности антенны обладает слабо выраженными направленными свойствами.

Принципиальная электрическая схема приемника Р-254М показана на рис. 3. В приемнике используется ферритовая антенна WA1, основу которой составляет сердечник из феррита марки 30В Ч2, обладающего повышенной магнитной проницаемостью и малыми потерями.

Входная цепь (ВЦ) состоит из катушек ферритовой антенны, конденсаторов С1 – С9 и варикапа VD1. Она выполнена по схеме с распределенными параметрами, что значительно повышает эффективность антенны. Общая емкость основного контура около 500 пФ. Конденсатор С7 дополнительного контура служит для настройки ВЦ на граничную частоту, обеспечивающую равномерность выходного напряжения по диапазонам.

С помощью варикапа VD1 производится ступенчатая перестройка ВЦ на 400 кГц при переходе с 1 – 4 каналов на 5 – 8 каналы. Коммутация рабочих каналов осуществляется переключателем SА1, выведенным на переднюю панель приемника. Вне зависимости от положения переключателя на электроды варикапа VD1 от источника питания GB1 подаются напряжения положительной полярности: на катод – через резистор R1, на анод – с делителя R4 R10 R11 через резисторR2. Включение переключателя SA1 на

1 – 4 каналы не изменяет этих напряжений, результирующее запирающее напряжение на варикапе в этом случае равно ~0.5 В. При переключении приемника на 5 – 8 каналы параллельноцепи R10 R11 делителя подключается один из резисторов микросхемы DA2 (R27, R32, R37, R41 – в зависимости от номера канала). Отпирающее напряжение на аноде варикапа уменьшается, а результирующее запирающее напряжение увеличивается до 2.5 В. Это приводит к увеличению частоты настройки ВЦ на 400 кГц.

Полоса пропускания ВЦ около 500 кГц. Связь ВЦ с УРЧ внутриемкостная, через конденсатор С9.

УРЧ выполнен на транзисторах VT1 и VT2 микросхемы DA1 по каскадной схеме ОЭ – ОБ с последовательным питанием транзисторов. Транзистор VT1 включен с ОЭ, а транзистор VT2 – с ОБ. Достоинством схемы ОЭ – ОБ является малая склонность к самовозбуждению, что позволяет получить на частотах порядка 50 МГц достаточно большое усиление. Нагрузкой УРЧ служит контур L1 С13, настроенный на среднюю частоту рабочего диапазона, с полосой пропускания 1 МГц. В цепь питания УРЧ включен развязывающий фильтр R8 C11.

Принятый сигнал со входного контура поступает на базу транзистора VT2. Сюда же через резистор R5 подается начальное смещение 1.6 – 1.9 В (при отсутствии сигнала) от источника питания GB1 и управляющее напряжение от усилителя АРУ, выполненного на транзисторах VT21 и VT22 микросхемы DA4. Усиленный сигнал через навесной разделительный конденсатор С18 поступает на первый смеситель.

Первый смеситель (См. 1) собран по схеме с ОБ на резисторе VT3 микросхемы DA1.

Первый гетеродин (Г1) состоит из двух высокочастотных генераторов, выполненных на транзисторах VT4 и VT5 микросхемы DA1. На 1 – 4 каналах гетеродин работает на транзисторе VT4, транзистор VT5 при этом заперт, так как напряжение, поступающее на его базу с делителя, состоящего из резисторов R3, R18, R17 и одного из резисторов микросхемы DA2 (R27, R32, R37, R41 – в зависимости от канала), недостаточно для его отпирания. На 5 – 8 каналах гетеродин работает на транзисторе VT5, а транзистор VT4 заперт (аналогично VT5). Для обеспечения требуемой стабильности частоты первый гетеродин стабилизирован кварцем, включенным в цепь коллектор – база (ZQ1 для транзистора VT4 и ZQ2 для транзистора VT5). Гетеродин работает на 3-й гармонике частоты кварцевого резонатора, для выделения которой служит катушка L3 (для VT4) или L2 (для VT5). Напряжение частоты fг1 (100 – 150 мВ) через конденсатор С23 или С22 подается на эмиттер смесительного транзистора VT3. Сюда же через конденсатор С18 заводится напряжение сигнала с УРЧ.

Нагрузкой См. 1 является двухконтурный полосовой фильтр, состоящий из катушкой L4, L5, конденсаторов С26, С27, С30, С31 и варикапов VD2 и VD3. Связь между контурами индуктивная, меньше критической. Варикапы VD2 и VD3 используются для настройки полосового фильтра на требуемое значение первой промежуточной частоты (fпр1=5.9 МГц на 1-м и 5-м каналах; 6.0 МГц – 2-м и 6-м; 6.1 МГц – на 3-м и 7-м; 6.2 МГц – на 4-м и 8-м каналах). Управляющие напряжения на варикапы подаются с далителей напряжения, образованных резисторами R19 – R23 и резисторами микросхемы DA2 (R27, R32, R37, R41). Диод VD4 используется как вентиль для исключения влияния резистора R37 на на управляющее напряжение на всех каналах кроме 3-го и 7-го. Полоса пропускания первой промежуточной частоты около 100 кГц.

Усилитель первой промежуточной частоты (УПЧ1) собран по схеме резистивного усилителя с ОЭ на транзисторе VT6 микросхемы DA2. Напряжение fпр1 со вторичного контура полосового фильтра через конденсатор С32 подается на базу этого транзистора. Усиленное напряжение выделяется на нагрузочным сопротивлении R30 и через разделительный конденсатор С32 поступает на вход второго смесителя. Начальное смещение (1.6 – 1.9 В) и регулирующее напряжение от усилителя АРУ подаются на базу транзистора VT6 через развязывающий фильтр R25 С35 и резистор R26. Элементы R29, С34 образуют развязывающий фильтр в цепи питания транзистора.

Второй смеситель (См. 2) выполнен на транзисторе VT7, включенном по схеме с ОЭ.

Второй гетеродин (Г2) состоит из четырех генераторов, выполненных на транзисторах VT9 - VT11 микросхемы DA2, с кварцевой стабилизацией частоты резонаторами ZQ3 – ZQ6 в цепях коллектор – база. Все четыре транзистора имеют общую резистивную нагрузку R44. При переключении рабочих частот транзисторы работают поочередно (VT8 – на 1-м и 5-м каналах, VT9 – на 2-м и 6-м и так далее). Включение соответствующего транзистора осуществляется подачей на его базу напряжения смещения +2 В через переключатель каналов SA1.

Напряжения частот fпр1 и fпр2 подаются на базу смесительного транзистора VT7 через разделительные конденсаторы С37 и С48 соответственно.

Нагрузкой См. 2 являются два пьезокерамических фильтра Z1 и Z2, выделяющие напряжение второй промежуточной частоты fпр2=465 кГц. Полоса пропускания фильтров около 25 кГц. R39 С43 – фильтр в цепи питания смесительного транзистора.

Усилитель второй промежуточной частоты (УПЧ2) собран по резистивной схеме на шести ранзисторах VT12 – VT17 микросхемы DA3. Коэффициент усиления УПЧ2 порядка 80 дБ. В целях компенсации технологических разбросов параметров транзисторов и элеменов микросхемы в усилителе предусмотрена возможность регулирования коэффициента усиления путем подключения различных комбинаций из резисторов микросхемы DA3 (R54 – R56) к конденсатору С52 и подбора резистора R65*, которые меняют глубину отрицательной обратной связи в каскадах. Для повышения устойчивости усилителя в его схему введены цепи отрицательной обратной связи, охватывающие по два каскада R53, R60, R64, R66, R67. Цепи R51 С51, R69 С57, R71 С58 – развязывающие фильтры по напряжению.

Частотный детектор (ЧД) приемника выполнен на диодах VD5 и VD6 по схеме детектора отношений. Благодаря наличию фильтра R73 С63 с большой постоянной времени детектор отношений почти не чувствителен к быстрым изменениям амплитуды сигнала на выходе (т. е. к паразитной амплитудной модуляции) и поэтому не нуждается в предшествующем ограничителею Предшествующий детектору каскад, нагрузкой которого являются два индуктивно связанных контура L6 С59 и L7 С60, настроенных на fпр2, работает в усилительном режиме.

Нагрузочные конденсаторы С61 и С62 заряжаются через диоды VD5 и VD6 соответственно, а разряжаются через нагрузочное сопротивление R73 и внутреннее сопротивление того диода, который не заряжает данный конденсатор. Цепи заряда и разряда конденсаторов проходят также через катущку связи L8 и половину катушки индуктивности второго контура L7. Продетектированное напряжение на конденсаторах С61 и С62 пропорциональны напряжениям, подводимым к диодам VD5 и VD6 соответственно, но их сумма приложенная к конденсатору большей емкости С63, остается примерно постоянной.

Напряжение частоты модуляции с выхода ЧД (точка соединения конденсаторов С61и С62) через конденсатор С64 подается на вход усилителя низкой частоты.

Постоянное напряжение на конденсаторе С63 пропорционально среднему значению амплитуды детектируемого напряжения, оно используется в качестве напряжения АРУ.

Усилитель низкой частоты (УНЧ) со схемой обострения конструктивно размещен в микросхеме DA4. УНЧ собран на транзисторах VT18 и VT19, имеет большое входное сопротивление, поскольку его первый каскад (на транзисторе VT18) представляет собой эмиттерный повторитель. Нагрузкой УНЧ служит телефон BF1 типа ТМ-3. Конденсаторы С68 и С69 включены для коррекции частотной характеристики.

Каскад на транзисторе VT20 служит для стабилизации коэффициента усиления УНЧ. Если под воздействием дестабилизирующих факторов (изменение питающих напряжений, температуры и т. д.) ток транзистора VT20 уменьшится, то это вызовет повышение его коллекторного напряжения, которое передается через резистор R80 на базу транзистора VT18 и смещает рабочую точку усилителя в область больших токов.

В режиме «поиск» на базу транзистора VT20 дополнительно подается положительное смещение от источника питания GB1 через резисторы R92* и R88. Величина этого смещения такова, что в исходном состоянии ток усилителя порядка 1 мА. При резком возрастании сигнала, обусловленном ориентацией на передатчик, приращение постоянной составляющей сигнала с ЧД через конденсатор большой емкости С64 передается на базу транзистора VT18, смешая его рабочую точку в область больших токов и увеличивая тем самым усиление УНЧ. В результате выходное напряжение возрастает быстрее входного, т. е. происходит обострение диаграммы направленности антенны приемника.

Время, в течение которого происходит обострение максимума и минимума сигнала, определяется постоянной времени системы АРУ и составляет 3 – 5 секундю По истечении этого времени система АРУ вернет рабочую точку усилителя в исходное положение. Для обеспечения большой постоянной времени системы АРУ в режиме «поиск» к усилителю АРУ подключается цепочка, состоящая из резистора R74 и конденсатора С66 больших номиналов.

Цепь R78, R79, С67 на входе усилителя служит для коррекции частотной характеристики УНЧ. Подбором величины сопротивления этой цепи (путем коммутации выводов 1, 3, 4 микросхемы DA4) устанавливают требуемый завал частотной характеристики на верхних частотах (14±3 дБ). Для этих же целей служит резистор R87* в цепи контура телефона.

Усилитель АРУ собран на транзисторах VT21 и VT22 микросхемы DA4. На его вход подается напряжение с конденсатора С63. С выхода усилителя (точка 14 микросхемы DA4) регулирующее напряжение поступает на базы транзисторов УРЧ и УПЧ1. При возрастании сигнала на входе приемника увеличивается регулирующее напряжение обратной полярности, смещая рабочие точки регулируемых каскадов в область меньших токов. В результате коэффициент передачи высокочастотного тракта приемника уменьшается. Динамический диапазон системы АРУ не менее 70 дБ.