3 Разработка принципиальной схемы супергетеродинного приемника

3.1Разработка входного цепи приемника

3.1.1 Входная цепь приемника состоит из трансформатора, конденсатора С₁ и входного колебательного контура.

Трансформатор нужен для согласования симметричного кабеля с несимметричным входом колебательного контура с антенной, а также согласует сопротивление кабеля и входного колебательного контура. Конденсатор С₁ ослабляет связь кабеля с входным колебательным контуром.

Входной колебательный контур нужен для того чтобы пропускать нужные две частоты f1=26970 и f2=27120,а остальные не пропускать. Характеристиками контура являются резонансная частота и добротность.

Резонансная частота зависит от емкости, ее можно регулировать подстроечным конденсатором С9. С уменьшением емкости частота колебаний в контуре возрастает. Наиболее сильные колебания в контуре приемника возникают только в момент резонанса. Резонанс- это частота, при которой достигается максимум напряжения.

Добротность показывает во сколько раз напряжение на контуре больше входного напряжения.

Сигнал с антенны приходит на емкость С. Она нужна для связи с антенной. С емкости С сигнал идет на входной контур, который состоит из катушки индуктивности L=500 нГ, конденсаторов С =22 пФ С=40пФ и шунтирован сопротивлением R=10кОм. На рисунке 3.2 изображен входной колебательный контур.

Рисунок 3.1 – Входной колебательный контур

По конструктивным соображениям выберем суммарную емкость C=50пФ и вычислим величину L по формуле .

Отсюда следует, что L=500нГн

На рисунке 3.2 изображен сигнал с входного колебательного контура

Рисунок 3.3 –сигнал с входного колебательного контура

После этого в собранной в Multisim 10 схеме получим реальную резонансную кривую. Для этого возьмем частоты: 24000, 24500, 25000, 25500, 26000, 26500, 26600, 26700, 26800, 26850, 26900, 26950, 27000, 27100, 27200, 27300, 27400, 27500 при входном напряжении1мкВ и измерим амплитуду. Графики, полученные в программы Multisim 10, приведены в приложении 2.

График резонансной кривой построим в Microsoft Excel.

На рисунке 3.4 изображен график резонансной кривой.

Рисунок 3.4 – График резонансной кривой

Из графика следует, что полоса пропускания. Это нас устраивает.

При резонансной частоте амплитуда колебаний в контуре в Q раз превышает амплитуду внешней ЭДС, отсюда из графика получим Q=45.

3.2Повторитель на микросхеме HA1-2539-5

3.2.1Повторитель выполнен на основе дифференциального усилителя.

Опишем схему дифференциального усилителя в качестве повторителя.

Нужно подключить усилительные каскады так, чтобы они не влияли на входной контур. Для этого был использован повторитель на операционном усилителе HA1-2539-5. Его входное сопротивление большое, а выходное маленькое. Выход усилителя соединим с инверсным входом. На рисунке 3.5 изображен повторитель на микросхеме HA1-2539-5.

Рисунок 3.5 - Повторитель на микросхеме HA1-2539-5

Тогда усилитель подключенный таким образом будет работать как повторитель, что даст возможность подключить усилительные каскады, не влияя на входной контур.

На рисунке 3.6 изображен сигнал с выхода повторителя.

Рисунок 3.6 – сигнал с выхода повторителя

С помощью Multisim 10 было проверено, что подключение без повторителя снижает добротность Q и понижает избирательность.

3.3 Усилитель на микросхеме HA1-2539-5

3.3.1Теперь, когда поставили повторитель, можем усиливать сигнал. К повторителю через сопротивление R10=200 Ом подключим операционный усилитель HA1-2539-5, работающий как инвертирующий усилитель.

Рисунок 3.7 – Усилитель на микросхеме HA1-2539-5

Выход соединим с инвертирующим входом, используя сопротивление R6=3.8 кОм. Сопротивления подобраны так, чтобы получить коэффициент усиления К_у≈ 20 рассчитываемый по формуле:

Ку=-(Rоос/Rвх) (1)

Знак минус говорит о том, что выходной сигнал инвертирован.

Из формулы получим что Ку=-19.

На рисунке 3.8 изображен сигнал с выхода усилителя.

Рисунок 3.8 – Сигнал с выхода усилителя

С первого усилителя высокой частоты (УВЧ) сигнал поступает на второй усилитель высокой частоты (УВЧ), аналогичный усилителю на микросхеме HA1-2539-5. Коэффициент усиления будет Ку=-19.

На рисунке 3.9 изображен сигнал с выхода усилителя.

Рисунок 3.9 – Сигнал с выхода усилителя

3.4Колебательный контур УВЧ

3.4.1Затем ко второму усилительному каскаду через конденсатор С4=15пФ подключим колебательный контур УВЧ аналогичный входному контуру, состоящий из катушки индуктивности, конденсаторов и шунтированный сопротивлением. Колебательный контур УВЧ изображен на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 –Колебательный контур УВЧ

Колебательный контур УВЧ нужен для того чтобы усилить сигнал и отсечь боковые частоты. На рисунке 3.11 изображен сигнал с колебательного контура УВЧ.

Рисунок 3.11 –Сигнал с колебательного контура УВЧ

С колебательного контура сигнал поступает на вход повторителя собранного на микросхеме HA1-2539-5 аналогичного описанного нами ранее. На рисунке 3.12 изображен сигнал с выхода повторителя.

Рисунок 3.12 –Сигнал с выхода повторителя

На этом усиление по высокой частоте окончено и нам нужно преобразовать высокую частоту в промежуточную. Первым элементом, осуществляющим это преобразование, будет смеситель.

3.5 Смеситель

3.5. Опишем основные функции смесителя.

Главным предназначением смесителей является перемножение двух сигналов, один из которых входной, другой — сигнал с гетеродина, с целью получения на выходе промежуточной частоты (ПЧ). Частоту гетеродина возьмем 25400кГц. В качестве гетеродина берем кварцевый генератор.

Гетеродин - маломощный генератор электрических колебаний, применяемый для преобразования частот сигнала.

Образование промежуточной частоты с одновременным подавлением колебаний других частот, но с сохранением передаваемого сообщения представляет собой довольно сложный физический процесс.

В общем случае преобразование частоты можно рассматривать как результат перемножения двух высокочастотных напряжений:

Напряжения входного сигнала:

(2)

и напряжение гетеродина

(3)

В результате такого перемножения на выходе преобразователя получается напряжение вида:

, (4)

где А - коэффициент, зависящий от параметров преобразователя.

Перейдем к описанию работы смесителя в нашем приемнике.

Радиосигнал с повторителя подаётся на вход смесителя. Смеситель, собранный на транзисторах Q1 и Q2, выполнен по каскодной схеме ОЭ-ОБ, т.е. последовательное соединение ОЭ-ОБ. На рисунке изображен схема смесителя выполненного по каскодной схеме.

Рисунок 3.13– Схема смесителя выполненного по каскодной схеме

Каскодные усилители примечательны тем, что в каскадах почти полностью развязаны входная и выходная цепи, т.к. база транзистора каскада с ОБ имеет неизменный потенциал. Следовательно, не проявляется эффект Миллера. Эффект Миллера — увеличение эквивалентной ёмкости. Поскольку входное сопротивление каскада с ОБ ничтожно мало, каскад с ОЭ работает в режиме короткого замыкания на выходе (т.е. работает как каскад с ОК), обеспечивая такое же усиление, как идеализированный каскад с ОЭ. Входное сопротивление на высоких частотах выше, т.к. существенно уменьшается входная ёмкость каскада. Благодаря этому смеситель имеет большое выходное сопротивление, что позволяет включить контур C13=330пФ, C12=133 пФ, L2=26 мкГ, R151 кОм, настроенный на промежуточную частоту, в коллекторную цепь транзистора Q1. На второй вход смесителя подаётся сигнал с гетеродина. На рисунке 3.14 изображен сигнал с гетеродина на входе смесителя.

Рисунок 3.14 - Сигнал с гетеродина на входе смесителя

Таким образом, на выходе смесителя образуются сигналы с частотой, равной сумме и разности частот принимаемой радиостанции и гетеродина. Режимы работы транзисторов смесителя по постоянному току определяются сопротивлением резисторов R1 и R2. На рисунке 3.15 изображен выходной сигнал смесителя.

Рисунок 3.15 – Выходной сигнал смесителя

На рисунке 3.16 изображен выходной сигнал смесителя в установившемся режиме.

Рисунок 3.16 – выходной сигнал смесителя в установившемся режиме

В программе Multisim 10 был сделан подбор напряжения питания каскада смесителя для получения наибольшего значения напряжения на выходе усилителя промежуточной частоты. На рисунке 3.17 изображена осцилограмма наибольшего значения напряжения на выходе усилителя промежуточной частоты.

Рисунок 3.17 – Осцилограмма наибольшего значения напряжения на выходе усилителя промежуточной частоты

При питании 2,5В смеситель выдает наибольшее напряжение промежуточной частоты.

Осциллограммы выходного напряжения в зависимости то напряжения питания смесителя приведены в приложении 2.

На рисунке 3.18 изображен график зависимости выходного напряжения от напряжения питания смесителя.

Рисунок 3.18 – График зависимости выходного напряжения от напряжения питания смесителя

Наибольший сигнал будет при U=2.5В

С выхода колебательного контура сигнал поступает на вход повторителя, применение которого аналогично первому повторителю на микросхеме HA1-2539-5.

На рисунке 3.19 изображен выходной сигнал с повторителя.

Рисунок 3.19– Выходной сигнал повторителя

3.6 RC фильтр низких частот

3.6.1С выхода повторителя сигнал поступает на RC фильтр низких частот (ФНЧ), который подавляет высокие частоты. На рисунке 3.20 изображен выходной сигнал с ФНЧ.

Рисунок 3.20 – Выходной сигнал с ФНЧ

С ФНЧ сигнал поступает на усилительные каскады, собранные на микросхемах HA1-2539-5 по схеме инвертирующих усилителей. Коэффициент усиления третьего усилительного каскада Ку3=-10, а четвертого – Ку=-30.

3.7Детектор

3.7.1В результате получим усиленный сигнал промежуточной частоты, который подадим на частотный детектор на выходе, которого мы хотим получить напряжение разных знаков в зависимости от частоты принимаемого сигнала. На рисунке 3.21 изображена электрическая схема детектора.

Рисунок 3.21 –Схема электрическая детектора

Контуры C15 L3 и C18 L5 настроим на частоты f1 и f2, одна из которых f1=1700, а другая f2=1550. В контуре, собственная частота которого равна частоте подаваемого на детектор сигнала амплитуда колебаний возрастет и, наоборот, в контуре, собственная частота которого не совпадает с амплитудой колебаний сигнала, амплитуда уменьшается. Высокочастотное напряжение, имеющееся на контурах, выпрямляется диодами, сглаживается конденсаторами и вычитается друг из друга. Вследствие этого появляется напряжение на выходе частотного детектора, причем знак зависит от частоты приходящей на детектор. На рисунке 3.22 изображен сигнал с выхода детектора.

Рисунок 3.22 – Сигнал с выхода детектора

Продетектированный низкочастотный сигнал поступает на формирователь уровня на операционном усилителе HA1-2539-5.