Предварительное проектирование

Техническое задание

Рассчитать радиовещательный приемник АМ-сигналов.

Диапазон рабочих частот: 6-30 МГц

Чувствительность: = 1,0 мкВ

Ослабление по зеркальному каналу: S_lзк = 45 дБ

Ослабление по соседнему каналу: S_lск = 30 дБ

Ослабление помехи на промежуточной частоте: 40 дБ

Выходная мощность: 0,2 Вт

Полоса пропускания приемника: Δf_с = 7,0 кГц

Эффективность АРУ: 40 дБ/ 10 дБ

Введение

Радиоприемное устройство – это комплекс электрических цепей, функциональных узлов и блоков, предназначенный для улавливания распространяющихся в открытом пространстве электромагнитных колебаний искусственного или естественного происхождения в радиочастотном и оптическом диапазонах и преобразования их к виду, обеспечивающему использование содержащейся в них информации.

По назначению различают приемники связные, радиовещательные, телевизионные, радиорелейных и телеметрических линий, радиолокационные, радионавигационные и др. Связные радиоприемники чаще всего служат для приема одноканальных непрерывных сигналов с амплитудной модуляцией, однополосной модуляцией и частотной модуляцией. Радиовещательные приемники принимают одноканальные непрерывные сигналы с АМ на длинных, средних и коротких волнах и с ЧМ на ультракоротких волнах.

Весь спектр радиочастот делится на диапазоны. Приведем в таблице названия этих диапазонов:

Волны	Название диапазона волн	Частоты
100 – 10 км 10 – 1 км 1000 – 100 м 100 – 10 м 10 – 1 м 100 – 10 см 10 – 1 см 10 – 1 мм 1 – 0,1 мм	Мириаметровые Километровые (Длинные - ДВ) Гектометровые (Средние - СВ) Декаметровые (Короткие - КВ) Метровые Дециметровые Сантиметровые Миллиметровые Децимиллиметровые	3 – 30 кГц 30 – 300 кГц 300 – 3000 кГц 3 – 30 МГц 30 – 300 МГц 300 – 3000 МГц 3 – 30 ГГц 30 – 300 ГГц 300 – 3000 ГГц

Процесс проектирования радиоприемника можно разделить на следующие стадии:

 

1. Предварительное проектирование.

2. Проектирование и расчет входной цепи.

3. Расчет усилителя радиочастоты.

4. Выбор микросхемы.

5. Расчет фильтра.

6. Расчет гетеродина и сопряжения настроек с входной цепью.

 

Предварительное проектирование

По способу построения все приемники делятся на две большие группы:

- приемники прямого усиления;

- гетеродинные приемники.

В приемниках первого вида тракт радиочастот осуществляет усиление и избирательность прямо на несущей частоте входного колебания. Эти приемники просты в построении, однако обладают рядом существенных недостатков:

- с ростом частоты принимаемого сигнала труднее обеспечивать высокий коэффициент усиления, т.к. падают усилительные свойства активных элементов. Как следствие, необходимо применение многокаскадных структур усилителей, для которых существует проблема обеспечения устойчивости.

- с ростом частоты входного колебания труднее обеспечивать высокую избирательность, т.к. с ростом частоты возрастает влияние потерь в реактивностях, на основе которых реализуются частотно – избирательные цепи.

В гетеродинных приемниках присутствует тракт промежуточных частот, содержащий смеситель, гетеродин и усилитель промежуточной частоты. Смеситель преобразует входное колебание в колебание с низкой несущей частотой. Такая структура позволяет избежать недостатков приемников прямого усиления, а именно, поскольку промежуточная частота намного ниже несущей частоты входного колебания, то как избирательность, так и основное усиление проводится на низкой частоте. Ввиду этих причин, гетеродинные схемы получили широкое распространение.

Возможность использования схемы прямого усиления можно установить из соотношения полосы пропускания линейного тракта с величиной разноса между несущими частотами соседних станций, которая для КВ диапазона составляет 10 кГц.

Полосу пропускания линейного тракта для схемы прямого усиления можно оценить по формуле:

,

где f_с – несущая частота сигнала, Q_э - эквивалентная добротность наиболее распространенного типа входной цепи в виде одиночного колебательного контура. Для КВ диапазона величину Q_э не рекомендуется брать больше 120, зададимся значением 80.

Гц

Полученная оценка полосы пропускания линейного тракта схемы прямого усиления превосходит 10 кГц, следовательно, использование схемы прямого усиление невозможно.

Изобразим обобщенную структурную схему приемника, предназначенного для приема одноканального АМ-сигнала.

 

В схеме:

ВЦ – входная цепь;

УРЧ – усилитель радиочастоты;

СМ – смеситель;

УПЧ – усилитель промежуточной частоты;

Д_АМС – детектор АМ-сигналов;

УНЧ – усилитель низких частот;

Г – гетеродин;

В_АРУ и Ф_АРУ – выпрямитель и фильтр системы автоматической регулировки усиления.

В такой схеме входную цепь и усилитель радиочастоты называют преселектором, т.к. здесь обеспечивается предварительная селекция входного сигнала. Кроме этого преселектор обеспечивает предварительное усиление входного колебания. Основная селекция и усиление сосредоточены в тракте промежуточной частоты, а именно в УПЧ.

Для перестройки приемника на другой канал необходимо сделать перестраиваемыми по частоте входную цепь, усилитель радиочастоты, а также гетеродин. В процессе проектирования может оказаться так, что приемник, реализованный по такой схеме, не может одновременно обеспечить выполнение требований к избирательности по зеркальному и соседнему каналам, тогда следует перейти к схеме с двойным преобразованием частоты.

 

Обеспечение чувствительности

 

Для обеспечения заданного значения чувствительности собственные шумы приемника не должны превышать порогового уровня, задаваемого предельным коэффициентом шума линейного тракта

,

где Дж/К - постоянная Больцмана; К - стандартная температура приемника; - активное сопротивление приемной антенны, значение которого складывается из сопротивления излучения и сопротивления потерь; - шумовая полоса линейного тракта приемника; - минимально допустимое отношение напряжения полезного сигнала к среднеквадратическому значению шума на выходе линейного тракта. Возьмем дБ (3,16 раза). На этапе предварительного проектирования для допустимо использовать типовое модельное значение для настроенной антенны Ом.

Коэффициент шума линейного тракта, состоящего из ВЦ, одного каскада УРЧ, преобразователя частоты и УПЧ, определяется по формуле:

,

где , , , - коэффициенты шума ВЦ, УРЧ, преобразователя частоты и УПЧ; , , - коэффициенты передачи ВЦ, УРЧ и преобразователя частоты по мощности.

С учетом того что:

- для одноконтурной входной цепи N ≈ 1,5, К ≈ 0,6;

- для УРЧ на транзисторе по схеме с ОЭ N ≈ 2 , К ≈ 100 ( - коэффициент шума транзистора или микросхемы);

- для преобразователя частоты на транзисторе по схеме с ОЭ N ≈ 2 ;

- шумовые и усилительные параметры УПЧ не оказывают заметного влияния на общий коэффициент шума линейного тракта, можно сказать, что при использовании малошумящей микросхемы УРЧ будет соблюдаться неравенство:

,

что говорит о том, что рассматриваемая структура линейного тракта может обеспечить заданную чувствительность.

 

Предварительное проектирование тракта радиочастоты

В гетеродинных приемниках избирательность определяется в основном ослаблениями зеркального (S_lзк) и соседнего (S_lск) каналов. Ослабление зеркального канала обеспечивает преселектор, ослабление соседнего канала – в основном УПЧ и частично преселектор. Приведем типовые структурные схемы преселекторов радиовещательных приемников.

Частотные характеристики этих схем приведены на рисунке:

Рис.1 Структурные схемы преселекторов

Положим в основу нашего приемника, например, схему 3. Из характеристики определим требуемую обобщенную расстройку для частоты зеркального канала: ξ ≈ 20 дБ = 10 Положив эквивалентные добротности контуров Qэк = 100 рассчитаем промежуточную частоту: fпч ≈ 0,25ξfc / Qэк fпч = 0,25∙10∙30∙106/100 = 0,75 МГц где в качестве частоты сигнала выбрана максимальная частота из диапазона, т.е. 30 МГц. Из ряда стандартных значений для fпч выбираем 750 кГц. Выбранная fпч удовлетворяет условию: МГц, Откуда можно сделать вывод, что выбранная схема преселектора обеспечивает выполнение требований к чувствительности и избирательности по соседнему каналу.

Предварительное проектирование тракта промежуточной частоты

Тракт УПЧ может быть построен по схеме с равномерным распределением избирательности и усиления или по схеме с разделением функций избирательности и усиления. В первом случае УПЧ представляет собой многокаскадный резонансный усилитель, в котором функции избирательности и усиления обеспечиваются в каждом каскаде. Во втором случае необходимая избирательность создается высокодобротной частотно-избирательной системой, включенной между смесителем и первым каскадом УПЧ.

Каскады УПЧ с распределенной избирательностью представляют собой транзисторные одноконтурные или двухконтурные резонансные усилители, выполненные, как правило, по схеме с ОЭ. Необходимая избирательность по соседнему каналу обеспечивается за счет последовательного ослабления помехи в контурах резонансных усилителей. Существенно более высокие возможности по ослаблению соседнего канала предоставляют УПЧ с разделением функций избирательности и усиления. Функция избирательности по соседнему каналу в них реализуется высокодобротными частотно-избирательными системами (так называемыми фильтрами сосредоточенной селекции – ФСС) на многозвенных LC-контурах, активных RC-фильтрах, электромеханических, пьезокерамических, пьезоэлектрических и кварцевых фильтрах или фильтрах на ПАВ. Фильтры ФСС включаются либо непосредственно после смесителя, либо в одном из первых каскадов усиления (обычно в качестве нагрузки первого каскада УПЧ). Если в качестве элементной базы УПЧ планируется использовать аналоговые интегральные микросхемы, наиболее предпочтительными являются ФСС на основе пьезоэлектрических (кварцевых) и активных фильтров, совместимых с микросхемами по своим параметрам.

Линейный тракт должен усиливать напряжение сигнала уровня чувствительности до величины, требуемой для работы детектора . Значение для детектора АМ-сигнала, работающего в линейном режиме рекомендуется брать на уровне 0,5 – 1 В. Оценим требуемый коэффициент передачи линейного тракта по усилению:

;

 

Разбиение рабочего диапазона частот на поддиапазоны.

Рассчитаем коэффициент перекрытия диапазона для нашего случая:

;

При таком значении коэффициента перекрытия необходимо разбиение всего диапазона частот на поддиапазоны, для каждого из которых коэффициент перекрытия не должен превышать значений 2 – 2,5. Будем использовать способ равных коэффициентов перекрытия поддиапазонов. Разделим весь диапазон частот на 3 поддиапазона с коэффициентами перекрытия

При этом крайние частоты поддиапазонов выберем с запасом:

Поддиапазон 1: 5,9…10,2 МГц, Поддиапазон 2: 10…17,6 МГц, Поддиапазон 3: 17,4…30,2 МГц,

На уровне принципиальных схем переход с одного поддиапазона на другой осуществляется скачкообразным изменением индуктивности контура Lк при помощи переключателя (рис. а). Также широко распространена схема переключения поддиапазонов подключением контуров (рис. б).