2. Выбор структурной и расчёт функциональной схемы

2.1 Выбор структурной схемы

ТВ передатчик изображения

Радиосигнал изображения образуется с помощью амплитудной модуляции несущей канала изображения полным телевизионным сигналом, причем максимум мощности соответствует синхроимпульсу (СИ), а минимум – уровню белого.

Для экономии полосы частот, занимаемой каналом телевизионного вещания в спектре АМ сигнала, подавляется часть нижней боковой полосы, расположенные ниже 0,75 МГц относительно несущей. Это позволяет сократить полосу частот ТВ вещания до 8 МГц на канал. Однако в отличие от однополосных передатчиков в данном случае предъявляются жесткие требования не только к АЧХ, но и к ФЧХ результирующего тракта передатчик-приемник. Нестабильность несущей частоты канала изображения должна быть не более 100 Гц.

Жёсткие требования предъявляются к линейности АХ на участке от уровня белого до черного, т.к. нелинейность приводит к нарушению градаций яркости.

Схема тракта усиления передатчика изображения в значительной степени зависит от выбора места и способа осуществления амплитудной модуляции и формирования требуемой АЧХ. В данной структурной схеме модуляция осуществляется на очень малом уровне мощности на постоянной не зависящей от рабочего канала промежуточной частоте (ПЧ) f_ПЧ=38 МГц, что позволяет уменьшить уровень нелинейных искажений, паразитной ФМ, повысить стабильность. Для этого использовали балансный модулятор (БМ).

В тракте видеочастоты 6 (рис.1) формируется, специальным образом обрабатывается и усиливается видеосигнал, а затем подается на БМ (7), на другой вход которого поступают колебания с кварцевого автогенератора (9) с частотой f_ПЧ.

В балансном модуляторе производится амплитудная модуляция, выделяется разностная частота f_ПЧ-f_из. В тракте ПЧ (8) формируется и усиливается АЧХ (включая подавление части одной боковой полосы) и происходит необходимая коррекция линейных и нелинейных искажений.

Модулированные колебания ПЧ и колебания ВЧ, сформированные в другом кварцевом автогенераторе (1) и усиленные в усилительно-умножительных каскадах (2), подаются на вход смесителя (3), на выходе которого выделяется разностная частота, равная несущей частоте изображения данного телевизионного канала f_ИЗ=nf₀-f_ПЧ, и восстанавливается нормальный спектр частот видеосигнала. Для удаления побочных продуктов работы смесителя предусмотрен полосовой фильтр (4).

В усилителе модулированных колебаний (5) происходит необходимое усиление по мощности.

2

3

4

5

1

6

8

7

Вход видео

9

Рис. 5. Структурная схема ТВ передатчика изображения:

1 – кварцевый автогенератор;

2 – усилительно - умножительные каскады;

3 – смеситель;

4 – полосовой фильтр;

5 – усилитель модулированных колебаний;

6 – тракт видеочастоты;

7 – балансный модулятор;

8 – тракт ПЧ;

9 –кварцевый автогенератор.

ТВ передатчик звука

Структурные схемы передатчиков с УМ, а именно с частотной, весьма разнообразны. Они различаются числом каскадов, уровнем проведения модуляции, структурными схемами возбудителей .Передатчики с ЧМ нашли широкое применение на практике из-за существенных преимуществ по сравнению с амплитудной модуляцией (АМ) :

• хорошая помехоустойчивость;

• использование АЭ в выгодном энергетическом режиме.

Тракт формирования ЧМ сигнала обычно является маломощным, т.к. к уровню вносимых искажений и стабильности характеристик предъявляются наиболее высокие требования. В настоящее время применяется почти исключительно фильтровой метод (метод повторной балансной модуляции), характеризуемый высокой стабильностью качественных показателей основных узлов тракта формирования .

В целях достижения высокой стабильности частоты современные передатчики чаще всего строят как многокаскадные. Устройство представляет собой цепочку резонансных усилителей и модулятор на определённом уровне (частотно-модулированный автогенератор). Сигнал, снимаемый с источника информационных частот, поступает на усилитель (6) (рис.1) с целью повышения уровня мощности принимаемого сигнала. В частотно-модулированном автогенераторе (7) производится преобразование частоты (ЧМАГ задаёт f_ПЧ=31,5 МГц), в результате которого образуется набор гармоник с частотами f_ПЧ-f_ЗВ , f_ПЧ+f_ЗВ , f_ПЧ-2f_ЗВ , f_ПЧ+2f_ЗВ , f_ПЧ-3f_ЗВ , f_ПЧ+3f_ЗВ и т.д.

В тракте ПЧ (8,9) формируется и усиливается АЧХ и происходит необходимая коррекция линейных и нелинейных искажений . Модулированные колебания ПЧ и колебания ВЧ, сформированные в кварцевом автогенераторе (14) и усиленные в усилительно-умножительных каскадах (13), подаются на вход смесителя (10), на выходе которого выделяется разностная частота, равная несущей частоте звука данного телевизионного канала f_ЗВ=nf₀-f_ПЧ, и восстанавливается нормальный спектр частот сигнала звука. Для удаления побочных продуктов работы смесителя предусмотрен полосовой фильтр (11).

В усилителе модулированных колебаний (12) происходит необходимое усиление по мощности.

В данной схеме предусмотрена также реализация ФАПЧ для ЧМГ. ФАПЧ состоит из кварцевого автогенератора (1), делителей частоты (2) и (5), фазового детектора (3) и фильтра нижних частот (4).

Усиление ЧМ сигнала осуществляется в двух ступенях: в предварительных усилителях или усилителях промежуточной частоты и в оконечных каскадах усилителя мощности. Главными требованиями для усилителей является высокая линейность и надёжность.

3

1

2

13

14

5

4

7

8

9

10

6

11

12

Вход

звука

Рисунок 6 Структурная схема ТВ передатчика звука:

1 – кварцевый автогенератор;

2 – делитель частоты;

3 – фазовый детектор;

4 – ФНЧ;

5 – делитель частоты;

6 – усилитель мощности звуковой частоты;

7 – частотно-модулированный автогенератор;

8 – буферный каскад;

9 –усилитель ПЧ;

10 –смеситель;

11 –полосовой фильтр;

12 –усилитель модулированных колебаний;

13 –усилительно - умножительные каскады;

14 –кварцевый автогенератор.

2.2 Расчёт функциональной схемы

Сначала рассмотрим тракт изображения. Т.к. проектируемый передатчик будет работать в трех каналах : 3-ем, 4-ом и 5-ом, то в нашей схеме будем использовать 4 кварцевых автогенератора (4-ый будет задавать промежуточную частоту тракта изображения). При этом частота генерации каждого автогенератора будет равна уменьшенной вдвое центральной частоте диапазона соответствующего канала, т.е. автогенераторы будут задавать частоты соответственно 40 МГц, 44МГц и 48МГц. Уменьшение частоты в 2 раза связано с тем, что КВАГ на меньшей частоте технически реализуется гораздо проще. Выберем схему построения КВАГ на биполярном транзисторе (БТ). Выбираем транзистор малой мощности КТ 326. Его граничная частота f_t = 450 МГц, что намного превышает его частоту генерации, равную 40 МГц. Выходная мощность КВАГ при этом будет равна 0,01 Вт. Далее следует буферный каскад – схема усилителя, построенного по схеме с общим коллектором (повторитель напряжения). Данный каскад необходим для стабилизации уровня выходного напряжения КВАГ. В нём также будем использовать БТ КТ 326, частота же в этом блоке не изменяется. Т.к. данный транзистор является маломощным, то выходная мощность после буферного каскада также крайне мала ( k_p = 1,5…2 => выходная мощность = 0,015 Вт).

Далее следует усилительный каскад - схема усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В нём также будем использовать БТ КТ 326, т.к. мощность в тракте по-прежнему крайне мала, частота же в этом блоке не изменяется. Выходную мощность возьмём равной 0,02 Вт. Далее следует каскад удвоителя частоты – в качестве активного элемента возьмём в нём также БТ КТ 326. В нём происходит удвоение частоты ,т.е. на выходе будет частота = 80 МГц, мощность же будет равна 0,03 Вт. Далее снова следует усилительный каскад - схема усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В нём также будем использовать БТ КТ 326, т.к. мощность в тракте по-прежнему крайне мала (входная мощность равна 0,03Вт), частота же в этом блоке не изменяется. Выходная мощность после усилителя будет равна 0,05 Вт. Абсолютно такие же рассуждения можно произвести и для 2-ух аналогичных трактов, отличающихся только выходными частотами, равными соответственно 88МГц и 96МГц , выходные мощности в этих трактах будут также равны 0,05 Вт.

Далее рассмотрим тракт промежуточной частоты. В нём также будем использовать кварцевый автогенератор на основе БТ КТ 326, т.к. данный тракт будет также маломощным. Частота генерации КВАГ будет равна уменьшенной вдвое промежуточной частоте тракта изображения, т.е. равна 19 МГц. Уменьшение частоты в 2 раза связано с тем, что КВАГ на меньшей частоте технически реализуется гораздо проще. Выходная мощность КВАГ при этом будет равна 0,01 Вт. Далее следует каскад удвоителя частоты – в качестве активного элемента возьмём в нём также БТ КТ 326. В нём происходит удвоение частоты ,т.е. на выходе будет частота = 38 МГц (f_{пр из}), мощность же будет равна 0,015 Вт. Далее следует усилительный каскад - схема усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В нём также будем использовать БТ КТ 326, т.к. мощность в тракте по-прежнему крайне мала, частота же в этом блоке не изменяется. Выходную мощность возьмём равной 0,02 Вт. Затем этот сигнал подаётся на один из входов балансного модулятора. Балансный модулятор представляет собой простейший диодный мост, в котором используем 4 диода А310. Выходная мощность балансного модулятора (БМ) будет равна 24,5 мВт, то на каждом диоде будет падать допустимая мощность. На другой же вход БМ будет подаваться сигнал с частотой f_из ,предварительно обработанный в соответствующем тракте.

Входной сигнал с частотой f_из будет иметь мощность равную 12,5 мВт. Тракт обработки такого сигнала будет начинаться с усилительного каскада - схемы усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В нём будем использовать БТ КТ 326, т.к. мощность в тракте мала, частота же в этом блоке не изменяется. Выходная мощность будет равна 2,5 мВт ( k_p = 10…12). Далее следует каскад фазовой коррекции, состоящий целиком из пассивных элементов R, L, C. Данный блок необходим для фазовой коррекции сигнала (для уменьшения уровня нелинейных продуктов сигнала, образованных после усиления сигнала в усилительном каскаде). Выходная мощность при этом несколько уменьшается и становится равной 2мВт. Это связано с потерями на вышеперечисленных пассивных элементах. Далее следует ещё один усилительный каскад - схема усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В нём также будем использовать БТ КТ 326, т.к. мощность в тракте по-прежнему мала, частота же в этом блоке не изменяется. Выходную мощность возьмём равной 5 мВт. Далее следует ещё один каскад фазовой коррекции, состоящий целиком из пассивных элементов R, L, C. Выходная мощность после этого каскада несколько уменьшается и становится равной 4,5 мВт. Это связано с потерями на вышеперечисленных пассивных элементах. С учетом изложенных выше замечаний после фазовой коррекции должно быть мВт 30. Тогда с учетом потерь на выходе будет 20-25 мВт.

Итак, на выходе балансного модулятора выходная мощность равна 24,5 мВт (сумма мощностей двух сигналов, поступающих на БМ, ), а частота равна комбинации частот f_{пр из} и f_из ,т.е. 38 МГц + (-) f_из. Далее следует полосовой фильтр, представляющий собой фильтр Кауэра, состоящий только из пассивных элементов L и C. Выходная мощность после этого каскада несколько уменьшается и становится равной 20 мВт. Это связано с потерями на вышеперечисленных пассивных элементах. Частота же после этого каскада не изменяется и остаётся равной 38 МГц + (-) f_из. Далее следует усилительный каскад - схема усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В нём будем использовать БТ КТ 326, т.к. мощность в тракте мала, частота же в этом блоке не изменяется. Выходная мощность будет равна 50 мВт. Далее следует каскад фазовой коррекции, состоящий целиком из пассивных элементов R, L, C. Выходная мощность после этого каскада несколько уменьшается и становится равной 45 мВт. Это связано с потерями на вышеперечисленных пассивных элементах. Далее следует ещё один усилительный каскад - схема усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В нём также будем использовать БТ КТ 326, т.к. мощность в тракте по-прежнему мала, частота же в этом блоке не изменяется. Выходную мощность возьмём равной 100 мВт. Далее следует ещё один каскад фазовой коррекции, состоящий целиком из пассивных элементов R, L, C. Выходная мощность после этого каскада несколько уменьшается и становится равной 95 мВт. Это связано с потерями на вышеперечисленных пассивных элементах. Затем сигнал с каскада фазовой коррекции подаётся на один из входов смесителя (СМ).

На второй вход СМ подаётся сигнал, полученный в тракте формирования сигала с частотой f_к . При этом сигнал с частотой необходимого нам канала (3-го, 4-го или 5-го) снимается с коммутатора под воздействием определённого сигнала с блока управления. Выберем схему построения смесителя на основе полевого двухзатворного транзистора с барьером Шотки средней мощности 3 П604А-2, у которого выходная мощность равна 0,2 Вт, а коэффициент усиления по мощности k_p составляет 3 дБ. Его граничная частота f_t = 18 ГГц, что намного превышает его рабочую частоту. На выходе смесителя получаем сигнал с мощностью равной

0,2 Вт и частотой f_к + f_из - f_{пч из} или f_к + f_из – 38 МГц. Далее следует полосовой фильтр, представляющий собой фильтр Кауэра, состоящий только из пассивных элементов L и C. Данный фильтр необходим для фильтрации трёх сигналов с частотами f_к3 + f_из – 38 МГц, f_к4 + f_из – 38 МГц и f_к5 + f_из – 38 МГц. Выходная мощность после этого каскада уменьшается на 20% и становится равной 0,16 Вт. Это связано с потерями на вышеперечисленных пассивных элементах. Частота же после этого каскада не изменяется и остаётся равной f_к + f_из – 38 МГц. Далее следует предварительный усилитель изображения – схема усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В качестве усилительного элемента возьмём биполярный транзистор большой мощности КТ 920Б. Его граничная частота f_t = 800 МГц, что намного превышает его рабочую частоту, равную либо 42 МГЦ, либо 50 МГц, либо 58 МГц в зависимости от выбранного нами канала. Коэффициент усиления по мощности k_p у него на рабочей частоте составляет 10 дБ (10раз). Выходная мощность после этого каскада будет уже составлять 1,6 Вт, частота же после этого каскада не изменяется и остаётся равной f_к + f_из – 38 МГц. Далее следует усилитель мощности – схема усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В качестве усилительного элемента возьмём биполярный транзистор большой мощности КТ 921А. Его граничная частота f_t = 60 МГц, что превышает его рабочую частоту, зависящую от выбранного нами канала. Коэффициент усиления по мощности k_p у него на рабочей частоте составляет 8. Выходная мощность после этого каскада будет равна 12,5 Вт, частота же после этого каскада не изменяется и остаётся равной f_к + f_из – 38 МГц. Далее следует цепь согласования, состоящая только из пассивных элементов L и C. Выходная мощность после этого каскада уменьшается на 20% и становится равной 10 Вт, частота же остаётся равной f_к + f_из – 38 МГц. Затем сигнал подаётся на сумматор сигналов звука и изображения. Данный сумматор является обычным разделительным фильтром (мостом), построенным на отрезках коаксиальных линий.

Теперь переходим к описанию тракта звуковой частоты. Сигнал звука мощностью равной примерно 10 мВт и с частотой равной f_зв поступает на усилительный каскад - схему усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В качестве усилительного элемента возьмём биполярный транзистор малой мощности КТ 326. Его граничная частота f_t = 450 МГц, что намного превышает его рабочую частоту, равную f_зв. Т.к. данный транзистор является маломощным, то выходная мощность после такого каскада мала ( k_p = 5 => выходная мощность = 50 мВт). Далее следует частотно – модулированный автогенератор (ЧМАГ). Частота настройки данного автогенератора определяется резонансной частотой колебательной системы данного каскада, она должна быть равна промежуточной частоте тракта звука и равна 31,5 МГц.В качестве активного элемента возьмём биполярный транзистор малой мощности КТ 326. Его граничная частота f_t = 450 МГц, что намного превышает его рабочую частоту, равную 31,5 МГц. Выходная мощность после данного каскада будет равна 12 мВт, частота же выходного сигнала будет равна f_{пч зв} +(-) f_зв или 31,5 МГц +(-) f_зв. В данном каскаде также использованы 2 одинаковых варикапа КВ 104Е : один – в системе фазовой автоподстройки частоты, второй – в качестве элемента колебательной системы. Максимально допустимая рассеиваемая мощность на таком варикапе равна P_доп = 100 мВт , максимально допустимое напряжение, которое можно подавать на варикап U_доп = 45 В.? Т.к. выходная мощность автогенератора составляет 6 мВт, то на варикапах будет рассеиваться мощность, значительно ниже допустимой. Далее следует буферный каскад – схема усилителя, построенного по схеме с общим коллектором (повторитель напряжения). Данный каскад необходим для стабилизации уровня выходного напряжения ЧМАГ. В нём также будем использовать БТ КТ 326, частота же в этом блоке не изменяется. Т.к. данный транзистор является маломощным, то выходная мощность после буферного каскада также мала ( k_p = 1,5…2 => выходная мощность = 24 мВт). Далее следует каскад усилителя промежуточной частоты - схема усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В нём также будем использовать БТ КТ 326, т.к. мощность в тракте по-прежнему мала (входная мощность равна 25 мВт), частота же в этом блоке не изменяется и остаётся равной 31,5 МГц +(-) f_зв. Выходная мощность после усилителя будет равна 48 мВт. Затем сигнал с каскада усилителя промежуточной частоты подаётся на один из входов смесителя (СМ).

На второй вход СМ подаётся сигнал, полученный в тракте формирования сигала с частотой f_к . При этом сигнал с частотой необходимого нам канала (3-го, 4-го или 5-го) снимается с коммутатора под воздействием определённого сигнала с блока управления. Выберем схему построения смесителя на основе полевого двухзатворного транзистора с барьером Шотки средней мощности 3 П604А-2, у которого выходная мощность равна 0,2 Вт, а коэффициент усиления по мощности k_p составляет 3 дБ. Его граничная частота f_t = 18 ГГц, что намного превышает его рабочую частоту. На выходе смесителя получаем сигнал с мощностью равной

0,2 Вт и частотой f_к - f_{пч зв} или f_к – 31,5 МГц. Далее следует полосовой фильтр, представляющий собой фильтр Кауэра, состоящий только из пассивных элементов L и C. Данный фильтр необходим для фильтрации трёх сигналов с частотами f_к3 – 31,5 МГц, f_к4 – 31,5 МГц и f_к5 – 31,5 МГц. Выходная мощность после этого каскада уменьшается на 20% и становится равной 0,16 Вт. Это связано с потерями на вышеперечисленных пассивных элементах. Частота же после этого каскада не изменяется и остаётся равной f_к – 31,5 МГц. Далее следует предварительный усилитель звука – схема усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В качестве усилительного элемента возьмём биполярный транзистор большой мощности КТ 911А. Его граничная частота f_t = 1,8 ГГц, что намного превышает его рабочую частоту, равную либо 48,5 МГЦ, либо 56,5 МГц, либо 64,5 МГц в зависимости от выбранного нами канала. Коэффициент усиления по мощности k_p у него на рабочей частоте составляет 3 дБ (усиление в 2 раза). Выходная мощность после этого каскада будет уже составлять 0,32 Вт, частота же после этого каскада не изменяется и остаётся равной f_к – 31,5 МГц. Далее следует усилитель мощности – схема усилителя, построенного по схеме с общим эмиттером. В качестве усилительного элемента возьмём биполярный транзистор средней мощности КТ 607А. Его граничная частота f_t = 1 ГГц, что значительно превышает его рабочую частоту, равную либо 48,5 МГЦ, либо 56,5 МГц, либо 64,5 МГц в зависимости от выбранного нами канала. Коэффициент усиления по мощности k_p у него на рабочей частоте составляет 6 дБ (усиление в 4 раза). Выходная мощность после этого каскада будет равна примерно 1,25 Вт, частота же после этого каскада не изменяется и остаётся равной f_к – 31,5 МГц. Далее следует цепь согласования, состоящая только из пассивных элементов L и C. Выходная мощность после этого каскада уменьшается на 20% и становится равной 1 Вт, частота же остаётся равной f_к – 31,5 МГц. Затем сигнал подаётся на сумматор сигналов звука и изображения.

Рассмотрим систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Сигнал с кварцевого автогенератора с частотой настройки 19 МГц подаётся на цифровой делитель частоты с коэффициентом деления n = 1900. На выходе делителя частоты получаем сигнал с частотой 10 кГц.

Рис. 7 Структурная схема цифрового делителя частоты

Кроме счётчика и дешифратора делитель содержит здесь 2 логических ключа. Нормально ключ К1 открыт (замкнут), а К2 закрыт (разомкнут). Поток входных импульсов через К1 поступает на счётчик. Дешифратор опознаёт (n – 1) состояние счётчика, и логическая единица, появляющаяся на его выходе, закрывает ключ К1 и открывает К2. В результате n – й входной импульс проходит через К2 непосредственно на выход с минимальной задержкой – только в К2. Этот же импульс переводит счётчик в состояние 2ⁿ, вновь открывает К1 и закрывает К2.

На выходе делителя частоты получаем сигнал с частотой 10 кГц, который затем поступает на один из входов фазового детектора. В фазовом детекторе будем использовать 2 диода А310. Граничная частота такого диода f_t = 1 ГГц, что значительно превышает его рабочую частоту, равную либо 10 кГц, выходная мощность равна 0,1 Вт. Т.к. выходная мощность кварцевого автогенератора равна 0,01 Вт, то на каждом диоде будет падать допустимая мощность. Далее с буферного каскада в тракте звуковой частоты часть сигнала поступает на ещё один цифровой делитель частоты с коэффициентом деления m = 3150. Т.к. частота сигнала на выходе буферного каскада равна 31,5 МГц, то на выходе второго делителя частоты получаем сигнал с частотой 10 кГц, который затем поступает на второй вход фазового детектора (ФД). ФД сравнивает фазы 2-ух сигналов, пришедших на его входы, и на выходе выдаёт уровень постоянного напряжения пропорционального разности фаз этих сигналов. Это постоянное напряжение затем через фильтр нижних частот подаётся на варикап, являющийся элементом колебательного контура частотно – модулированного автогенератора. Фильтр нижних частот с граничной частотой равной 12 или 14 Гц состоит только из пассивных элементов L и C и служит для фильтрации постоянного напряжения, снимаемого с фазового детектора. Если частота сигнала на выходе буферного каскада отклонилась по каким-либо причинам от заданного значения, равного 31,5 МГц, то на выходе делителя частоты с коэффициентом деления m = 3150 частота сигнала уже не будет равна 10 кГц ,а => и уровень постоянного напряжения на выходе фазового детектора будет отличен от 0. Подавая это напряжение на варикап, расположенный в колебательном контуре частотно –модулированного автогенератора, мы будем изменять ёмкость этого варикапа, а => изменять и суммарную ёмкость всей колебательной системы, => будем изменять и частоту генерируемых колебаний, приближая её значение к 31,5 МГц. В этом и состоит принцип фазовой автоподстройки частоты.