Устройства приёма-обработки сигналов УПОС

Техническое задание.

Назначение радиовещательный

Диапазон принимаемых частот, МГц 3,95 – 15,8

Чувствительность, мкВ 200

Ослабление зеркального/соседнего канала 12/34

Ослабление помехи на промежуточной частоте 30

Выходная мощность, Вт 0,5

Полоса пропускания, кГц 9,5

Эффективность АРУ, дБ (Uвх/Uвых) 26/12

Программа работы.

1. Введение ………………………………………………………………………...3

2. Анализ технического задания……...…………………………………………3

3. Разработка структурной схемы приемника…………………………………4

4. Разработка и расчет принципиальной схемы приемника……………….6

5. Выбор промежуточной частоты (обоснование)……………………………9

6. Расчёт входных параметров микросхемы………………………………….9

Сопряжение настроек Входных и Гетеродинных контуров...…………..15

Выбор керамического фильтра………………………………..…………...18

7. Параметры Микросхемы К174ХА2………………………………………….19

8. Расчётная схема включения Микросхемы К174ХА2…………………….23

9. Выводы. ………………………………………….……………………………..24

1. Введение.

Задачей курсовой работы является разработка радиовещательного приёмника коротковолнового диапазона радиоволн, (диапазон: 3,95 – 15,8 МГц; длины волн: 76 – 19 метров) удовлетворяющего требованиям технического задания и проектируемого с использованием современной элементной базы.

В процессе разработки структуры приёмника составляется структурная схема приёмника, определяются методы обработки сигналов в приёмном тракте, анализируются требования к избирательным свойствам, рассчитываются требования к отдельным элементам структурной схемы, определяются общие качественные показатели приёмного устройства и разрабатывается принципиальная схема радиоприёмника.

Программа работы построена следующим образом: первые три раздела рассматривают заданные характеристики радиоприёмника, структуру приёмного тракта, обеспечивающего заданные параметры. Далее на их основе выводятся основные требования к построению приёмного тракта.

2. Анализ технического задания.

Рассмотрим основные характеристики радиоприёмников коротковолнового диапазона, описанные в техническом задании.

Чувствительность:

Возможность приёмника улавливать слабые электромагнитные сигналы характеризуется таким параметром как чувствительность. Существует реальная и максимальная чувствительность: реальная определяет минимальный уровень входного сигнала, при котором обеспечивается стандартная мощность при заданном отношении сигнал/шум на выходе радиоприёмника. Заданное отношение сигнал/шум для радиоприёмников АМ сигналов коротковолнового диапазона составляет величину не менее 6 dB. Чувствительность приёмника (по напряжению) при наружной антенне измеряется в микровольтах. Её величина как бы обратна напряжению: чем ниже напряжение, тем выше чувствительность.

Максимальная чувствительность радиоприёмника также определяется минимальным уровнем входного сигнала, но с условием: при максимальном усилении отношение сигнал/шум на выходе линейной части приёмника должно быть равно 0 dB.

В соответствии с техническим заданием чувствительность разрабатываемого радиоприёмника составляет 200 мкВ.

Избирательность:

Избирательность – способность приёмника выделять полезный сигнал из всего эфира. Выделение полезного сигнала осуществляется благодаря различию направлений прихода и поляризации в антенне, а также различию частот полезного сигнала и помехи. Частотная полоса пропускания приёмника определяется по уровню 0,707.

Избирательность показывает во сколько раз резонансный коэффициент усиления на частоте настройки приёмника больше коэффициента усиления на других частотах. Для радиоприёмников коротковолнового диапазона избирательность нормируется по зеркальному, соседнему и сквозному каналам.

Для зеркального канала расстройка между частотами полезного сигнала и помехи равна удвоенной промежуточной частоте.

Частота сквозного канала соответствует промежуточной частоте, на которой осуществляется основное усиление принимаемого сигнала.

В соответствии с техническим заданием избирательность по зеркальному каналу – 12 dB, соседнему каналу – 34 dB.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ):

АРУ оценивается соотношением изменения напряжения на входе и выходе радиоприёмника. Этот «механизм» используется для защиты от перегрузок усилительного тракта при перестройке (движении) приёмника от источника слабого сигнала к источнику сильного. Под воздействием АРУ усиление тракта на приёме мощных сигналов по достижении некоторого уровня автоматически уменьшается в такой пропорции, чтобы сигнал на выходе оставался относительно постоянным (по уровню напряжения). Блок АРУ используется во всех радиовещательных приёмниках.

В соответствии с техническим заданием эффективность АРУ 26/12 dB.

Максимальная неискаженная выходная мощность:

Максимальная неискаженная мощность на выходе – это мощность, которая может быть получена на выходе приёмника при заданной величине искажений. Величина её зависит от вида усилительных элементов и правильности построения оконечных каскадов радиоприёмника. В соответствии с техническим заданием выходная мощность должна быть равна 0,5 Вт.

3. Разработка структурной схемы приемника

Сигнал от приемной антенны поступает на вход приемника и, в первую очередь подается на блок преселектора. В преселекторе осуществляется выделение спектра полезного высокочастотного сигнала от определенного источника, выбор которого производится с помощью элементов перестройки контуров преселектора. В преселекторе осуществляется также предварительное усиление сигнала Необходимо отметить, что от построения блока преселектора зависят такие качественные показатели приемника как избирательность по зеркальному и сквозному каналам приема и чувствительность. Избирательность обеспечивается за счет амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) входной цепи (ВЦ) и резонансных контуров усилителя высокой частоты (УВЧ). Чувствительность приемника обеспечивается применением в УВЧ активных малошумящих элементов в сочетании с максимально возможным коэффициентом передачи входной цепи в полосе пропускания. Структура приемника приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема радиоприемника.

С выхода преселектора сигнал поступает на блок преобразования частоты (ПЧ), в состав которого входят смеситель (СМ) и гетеродин. Здесь производится перенос спектра сигнала на промежуточную частоту (465 кГц). Основное требование к этому блоку - низкий коэффициент шума, малый коэффициент нелинейных искажений в полосе перестройки приемника, постоянство промежуточной частоты. Далее сигнал поступает

на усилитель промежуточной частоты (УПЧ). В УПЧ осуществляется основное усиление сигнала в заданной полосе частот, которая для коротковолновых приемников примерно равна удвоенной полосе пропускания усилителя низкой частоты, т.е. - 2 кГц. Существует два вида схем обеспечения требуемой полосы усиливаемых частот. УПЧ с распределенной избирательностью и УПЧ с сосредоточенной избирательностью. В настоящее время наибольшее распространение получили схемы УПЧ с сосредоточенной избирательностью, благодаря широкому применению интегральных микросхем, реализующих блок УПЧ и фильтров сосредоточенной селекции (ФСС) на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) с пьезокерамическими преобразователями, образующими частотно избирательные микроблоки (ЧИМ), которые позволяют получить очень высокую добротность и высокий коэффициент передачи в полосе пропускания. УПЧ. УПЧ характеризуется такими качественными характеристиками как номинальное значение промежуточной частоты, полосой пропускания, коэффициентом усиления, устойчивостью работы, коэффициентом шума и линейностью фазочастотной характеристики (ФЧХ).

После усиления на промежуточной частоте принятый сигнал детектируется и усиливается в усилителе низких частот.

4. Разработка и расчет принципиальной схемы приемника

Для выбора элементов преселектора необходимо рассчитать следующие величины: Полоса пропускания линейного тракта приемника:

П = П_с + 2f_д + П_нс,

где П_с – ширина полосы частот спектра принимаемого сигнала – 9,5кГц,

f_д – возможное доплеровское смещение частоты принимаемого сигнала,

П_нс - запас полосы, требуемый для учета нестабильности и неточности настроек приемника.

В данном случае доплеровское смещение частоты f_д отсутствует, так как приемник и источник сигнала неподвижны относительно друг друга. Пусть, суммарная нестабильность радиолинии и погрешность гетеродина составляет величину в 500 Гц. Тогда:

П = 2 кГц + 500 Гц. = 2,5 кГц.

Шумовая полоса П_ш определяется по формуле:

П_ш =1,1 1,2 a = 3 кГц.

Допустимый коэффициент шума приемника можно определить по формуле:

N_д  Е² а /²_вх/(4kТ₀ П_шR_а),

где Е_а - реальная чувствительность, заданная в виде ЭДС сигнала в антенне, _вх - минимально допустимое отношение эффективных напряжений сигнал/помеха на входе приемника ( пусть это отношение составляет величину _вх = 10 дБ.), k - постоянная Больцмана, Т₀ = 290° Кельвинов – стандартная температура приемника, R_a - внутренне сопротивление приемной антенны (R_a = 100 Ом). Тогда:

N_д  [(1 х10^-6 )²/ 10] / [ 1,3810^-232903³100] = 83 (38 дБ.)

Следует отметить, что полученный коэффициент шума приемника не

особенно регламентирует шумовые свойства приемника.

Коэффициент шума приемника N₀ = N_Bц + (N_p -1)/ K_рвц + N_p2 /К_рвц К_р +

где N_Bц, N_p, N_p2 - коэффициенты шума входной цепи и усилительных

каскадов УВЧ, К_рвц, К_р - коэффициент передачи мощности входной цепи и

коэффициент усиления первого каскада УВЧ.

Так как входная цепь пассивная, для нее N_вц = 1/ К_рвц, тогда формулу

для коэффициента шума можно записать:

N₀= Np/К_рвц + (N_p2-1)/(К_рвцК_р)+

Реальное значение для К_рвц = 0,4 ....0,7, тогда для обеспечения заданной чувствительности нет необходимости использовать УВЧ с малым N_p и достаточно большим К_р. При достаточно большом К_р основное влияние на N₀ оказывает первое слагаемое в сумме, а на долю остальных приходится примерно 9% от первого. Если задаться К_рвц - 0,5, тогда N_p УВЧ может быть порядка 2, что возможно.

В супергетеродинных приемниках частотная избирательность определяется ослаблением по зеркальному, соседнему и сквозному каналам приема. В приемниках с одинарным преобразованием частоты ослабление зеркального канала обеспечивает преселектор и резонансный УВЧ. Резонансные характеристики преселектора и УВЧ должны быть такими, чтобы линейный тракт обладал полосой пропускания не меньше заданной (2,5 кГц.). Процедура определения средств обеспечения избирательности заключается в следующем:

Выбирается эквивалентное затухание контуров преселектора для приемников коротковолнового диапазона волн d_эр = 0,006.... 0,01. Для обеспечения требуемой избирательности контура преселектора и УВЧ должны быть высокодобротными, поэтому d_эp = 0,006. Далее определяется обобщенная расстройка зеркального канала  _зк

 _зк = 4(f_п/f_c)[(f_c-f_п)/(f_c-2f_п)]/d_эр,

где - промежуточная частота (465 кГц), - максимальная частота из диапазона принимаемых частот (15,8 МГц.). Тогда:

 _зк = 446510³/ 15.810⁶[(15.8⁶ - 46510³)/(15.8⁶ – 246510³)] / 0,006 =

= 20,23 раз или 26,1 дБ.

Далее, по полученному значению обобщенной расстройки
выбирается схема обеспечения требуемой избирательности. Так как к
приемнику предъявляются достаточно невысокие требования по

чувствительности и необходимо обеспечить низкую избирательность, то требуемому значению  _зк = 12 дБ будет соответствовать меньшее эквивалентное затухание контуров преселектора, что соответствует большей добротности контура. Реализация контура с вдвое большей добротностью вполне возможна, так как в расчете эквивалентное затухание численно характеризует контур со средней добротностью. Схема преселектора представленная на рис. 2. Поскольку избирательность по зеркальному каналу обеспечивается не только входной цепью, то должен быть использован резонансный УВЧ, что несколько усложнит конструкцию приемника. Данная схема обеспечивает одновременно нужную избирательность и чувствительность, кроме того, позволяет реализовать схему, в которой УВЧ состоит из одного каскада. Каскад входит в состав интегральной микросхемы и охвачен цепью АРУ. Правильность такого технического решения подтверждают результаты моделирования входной цепи на прикладном пакете "Electronics Workbench", приведенные в приложении к пояснительной записке.

Входная цепь должна обладать резонансным коэффициентом передачи не менее 0,5 и обладать достаточно высокой избирательностью. Данным требованиям удовлетворяет входная цепь с емкостной связью с антенной и индуктивной связью с первым каскадом УВЧ.

Рис 2. Преселектор.

Недостаток цепи данного типа, заключающийся в большой неравномерности параметров цепи по диапазону. Схема входной цепи представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема входной цепи с внешнеемкостной связью с антенной и индуктивной связью с каскадом УВЧ.

5. Выбор промежуточной частоты (обоснование)

Для расчёта промежуточной частоты КВ-приёмника радиовещательного типа целесообразнее всего использовать частоту 465 килогерц по причине того, что данная частота является Российской общепринятой промежуточной частотой. Кроме того, микросхема К174ХА2 (её типовое включение) рассчитано именно на эту частоту.

Расчёт входных параметров микросхемы

Так как отношение максимальной частоты заданного диапазона к минимальной больше 3 – следует разбить весь диапазон на 2 поддиапазона, причём с увеличеним максимальной частоты до 30,5 МГц для достижения требуемой полосы пропускания в 9,5 кГц.

Для первого поддиапазона (3,95 – 11,1 МГц)

Возможны два случая:

эквивалент антенны - активное сопротивление

Ra < 1/(6.28*Cin), где Cin - емкость входа,

эквивалент антенны - емкость (короткая штыревая антенна) Ca=Cin.

С учетом Cin параметры нового эквивалента определяются

Ca1 = Ca+Cin,

Dca1 = Dca+Dci.

ВВОД ИСХОДНЫХ ДАННЫХ:

Диапазон частот (в Мгц.) - fmin = 3.95

fmax = 11,1

Чувствительность (в мкв.) - Е = 200

Избирательность по зеркальному каналу (dB.) - d = 12

Растянутый диапазон Т=1. /нерастянутый Т=2. Т = 2

/ При ошибке в данных повторите ввод - " Esc ",

для продолжения нажмите любую другую клавишу./

1.Определяем коэффициент перекрытия диапазона

Kd = N * fmax / fmin = 2.95 и

полагаем максимальную конструктивно осуществимую добротность

Q = 150.

2.Находим наименьшее значение показателя связи входной цепи

транзистора с контуром -amin:

Введите параметры входного транзистора:

Активная составляющая проводимости (в Мсим) - g11 = 0.33

и ее относительное изменение - dg11 = 0.1

Реактивная составляющая проводимости (в Мсим) - b11 = 470

и ее относительное изменение - db11 = 10

Коэффициент шума (разы) - N = 1.3

Оцениваем

а).влияние изменения активной составляющей проводимости

транзистора на полосу a1= 4.0*dg11-1 = -0.600,

b).влияние изменения реактивной составляющей проводимости

db11 транзистора на частоту настройки

a2= 1.25*b11/g11*db11-1 = 17802.030,

c).Задаем допустимое значение коэффициента расширения полосы

S = 1.25-2 и находим значение a3 ,

а) Если эквивалент антенны - емкость a3=1/(S-1).

б) Если эквивалент антенны - сопротивление

a3=[3*SQRT(Kd * Kd * Kd)+s-1]/[Kd * Kd*(S-1)].

Выбираем тип антенны:

открытая антенна - Ra<<1./(2.*pi*f*Cin) R = 1,

короткая штыревая антенна - Ca = Cin R = 2.

Введите значение (целое) R = 2

Введите емкость антенны (в пф) - Ca = 80

ее нестабильность (в пф) - Dca = 20

емкость входа (в пф) - Cin = 45

ее нестабильность (в пф) - Dcin = 5

a3 = 1.600.

amin = max(ai), i=1,2,3; amin = 17802.030 .

3.Выбираем настроечный конденсатор Cmin, Cmax ,

удовлетворяющий условию Cmax/Cmin > [3-6]*Kd*Kd , Kd= 2.95

и определяем для него значение неравномерности изменения

емкости настройки с углом поворота - H.

Введите значение H = 65

Дальнейший расчет схемы определяется значением величины

h0=Exp[Ln(0.9*H)/3] = 3.88196803832761E+0000

4.Случай Kd < h0. Cck включается в схему.

Введите (в пф.) значение Cmin = 10

Введите (в пф.) значение Cmax = 600

4.1