Выбор и расчет схемы демодулятора

 

Возможно применить для детектирования непрерывных амплитудно-модулированных сигналов диодные или транзисторные детекторы. Главный недостаток транзисторных коллекторных детекторов – большой уровень нелинейных искажений. Правда, для них К_д>1, но усиление сигнала до нужного уровня можно произвести потом в УПЧ, при этом суммарные искажения сигнала будут меньше.

Диодные детекторы могут быть параллельного и последовательного типа. Предпочтительнее последовательные детекторы, имеющие относительно большое входное сопротивление. Параллельные детекторы применяют лишь тогда, когда контур последнего каскада УПЧ находится под напряжением питания и сигнал на детектор подается через разделительный конденсатор.

Итак, выбираем последовательный диодный детектор, изображенный на рис.6. Входное напряжение на детектор подается с контура последнего каскада УПЧ (L_к С_к).

 

Рис. 6 Схема последовательного детектора

Конденсатор С₁ способствует повышению коэффициента передачи детектора, звено С₂ R₁ является фильтром промежуточной частоты. Вообще, схема последовательного детектора обеспечивает лучшую фильтрацию напряжения промежуточной частоты, чем параллельная.

Как правило, постоянная составляющая выпрямленного напряжения детектора в последующих каскадах приемника не используется и является нежелательной. Для ее устранения в схему вводится разделительный конденсатор С_р, реактивное сопротивление которого на низкой частоте мало. Введение разделительного конденсатора уменьшает нагрузку детектора на частоте модуляции и может привести к большим нелинейным искажениям принимаемого сигнала. Для уменьшения нелинейных искажений в детекторе по указанной причине прибегают к разделению нагрузки детектора.

Выбираем диод D95, т.к. он обладает малым внутренним сопротивлением R_i = 10 Ом, большим обратным сопротивлением R_обр = 0,4·10⁶ Ом и сравнительно небольшой емкостью С_D = 1·10^-12 Ф. Примем коэффициент частотных искажений М_В = М_Н = 1,06.

Требуемое входное сопротивление детектора:

 

, где:

 

d_э – затухание последнего контура УПЧ с учетом R_{вх д};

d – затухание того же контура без учета действия детектора:

 

.

 

В узкополосных УПЧ можно принять

.

 

Сопротивление нагрузки последовательного детектора:

 

,

 

т.к. R_н>200 кОм, применяем полное подключение диода к контуру.

Рассчитаем эквивалентную емкость нагрузки детектора из условий отсутствия нелинейных искажений.

 

 

Исходя из соотношения  по рис.9.2 [1] находим, что  - динамическое внутреннее сопротивление детектора.

Рассчитаем эквивалентную емкость нагрузки детектора, исходя из допустимых частотных искажений М_В.

 

Из значений С_Н, найденных по формулам (1’) и (2’)выбираем наименьшую, т.е. С_Н = 137 пФ.

 

, где:

 

R_{Б max} – максимально допустимое сопротивление в цепи базы следующего транзистора.

 

Емкости конденсаторов:

 

, где:

 

С_м2 = 15…20 пФ – емкость монтажа входной цепи УНЧ

 

Коэффициент фильтрации напряжения промежуточной частоты для последовательного детектора:

 

При рассчитанном К_Ф обеспечится заданное в ТЗ ослабление на промежуточной частоте S_пч = 40 dВ.

Из соотношения  по рис. 9.2 [1] находим К_д = 0,798 ≈ 0,8.

 

Выбор и расчет схемы АРУ

 

АРУ обеспечивает требуемое относительное постоянство выходного напряжения приемника в условиях изменения мощности принимаемых сигналов.

Инерционные системы АРУ с обратной связью представляют собой замкнутую нелинейную систему автоматического регулирования, содержащую усилительный тракт приемника с регулируемым коэффициентом усиления и цепь регулирования. Последняя состоит из детектора АРУ, фильтра и усилителя. В общем случае, может быть еще схема задержки.

Um вых

Характеристики такой системы и ее динамические свойства определяются видом регулировочной характеристики регулируемого усилительного тракта и свойствами цепи регулирования, обеспечивающей формирование регулирующего напряжения U_р. Регулировочная характеристика УПЧ, реализованного в микросхеме К174ХА2.

Имеющаяся в нашем распоряжении регулировочная характеристика является нелинейной. Наиболее часто при анализе и расчете систем АРУ пользуется ее кусочно-линейной аппроксимацией. В подавляющем большинстве случаев для инженерного расчета оказывается вполне допустима аппроксимация тремя отрезками прямой (рис.8). Основным параметром регулировочной характеристики является ее крутизна S_р. Требования к эффективности системы АРУ определяются заданием коэффициентов:

;          .

 

В процессе работы системы АРУ усиление каскадов приемника, охваченных цепью регулирования, изменяется от максимального значения К_о до некоторого минимального значения К_min, определяемого наибольшим уровнем входного сигнала. Относительное изменение усиления представляет собой глубину регулирования

 

 

Она определяется только регулируемыми каскадами. Коэффициенты D и В определяют необходимые требования к глубине регулирования, а тем самым и к виду регулировочной характеристики.

 

 

В нашем случае:

, т.к. , то работа системы АРУ будет проходить на «хвосте» регулировочной характеристики с меньшим значением ее крутизны и большим регулирующим напряжением. При таком режиме работы необходимую эффективность системы АРУ можно реализовать с помощью дополнительного усиления в цепи регулирования. Требования к усилению в цепи регулирования, т.е. к произведению коэффициента передачи детектора АРУ К_д и коэффициента усиления усилителя АРУ К_у можно найти:

, где:

 

В = 1,995 – из ТЗ

U_{m вых min} – напряжение на выходе последнего каскада, охваченного цепью регулирования, при входном сигнале приемника, соответствующем его чувствительности. Из [5] находим, что U_{m вых min} ≈ 63 мВ.

 

 

Такое усиление (К_у) должен обеспечить усилитель АРУ, реализованный в микросхеме К174ХА2. Очевидно, что такое усиление достижимо, т.е. обеспечена заданная глубина регулировки.

В используемой микросхеме охвачены регулировкой n=3 каскада УПЧ.

Динамические свойства системы АРУ с ОС определяются, с одной стороны, постоянными времени фильтров и других инерционных элементов цепи регулирования, а с другой некоторым обобщенным параметром системы М = К_дК_уS_рu_mвх. Максимальное быстродействие системы АРУ будет иметь место при наибольшем значении указанного параметра, которое приближенно для n ≤ 6 можно считать равным:

 

Т.к. нам не заданы требования к длительности переходного процесса t_АРУ, а имеются требования к уровню нелинейных искажений в виде коэффициента гармоник К_г=0,12, то при выборе постоянной времени фильтра АРУ будем исходить из обеспечения К_г. В приемниках АМ сигналов АРУ является причиной связи (ОС) по огибающей входного сигнала, особенно на ее НЧ составляющих и их гармониках. Такая ОС вызывает изменение коэффициента модуляции принимаемого сигнала, вносит дополнительные фазовые и нелинейные искажения. Степень этих искажений зависит от постоянной времени фильтра и М_max. Поэтому для АРУ 1 ^го порядка постоянную времени выбирают по формуле:

 

;

 

Пусть С_Ф = 5∙10^-6 Ф, тогда .

 

Выбор схемы УНЧ

 

Для обеспечения малых массогабаритных показателей приемника, повышения его надежности, обеспечения требуемых в ТЗ параметров и получения дополнительных возможностей в регулировках используем в качестве УНЧ микросхему К174УН7. Это распространенная ИС, ее применение обосновано как технически, так и экономически.

Данный усилитель состоит из трех каскадов. Входным каскадом усилителя является составной эмиттерный повторитель (VT1 и VT2). Входное сопротивление этого каскада более 50 кОм. В коллектор транзистора VT2 включена динамическая нагрузка, построенная на транзисторе VT3. Этот транзистор является генератором постоянного тока. Стабилизация тока обеспечивается транзисторами VT4 и VT5. Входной каскад дает большое усиление. Сигнал с коллектора транзистора VT2 проходит через составной эмиттерный повторитель VT6, VT7, VT8, VT10. Далее сигнал поступает на оконечный двухтактный каскад, транзисторы VT14, VT16 которого образуют одно плечо, а транзисторы VT15 и VT17 – другое. Этот каскад обеспечивает выходной ток усилителя. Для стабилизации рабочей точки служит составной каскад на VT11 и VT12.

Основные параметры усилителя: напряжение питания 15В; ток потребления без входного сигнала 20 мА; коэффициент гармоник для выходной мощности 4,5 Вт; выходная мощность 4,5 Вт; полоса частот 40 – 20000 Гц; входное сопротивление 50 кОм; коэффициент усиления 40 dВ.

Практически схема усилителя приведена на рис. 9.

Выходная мощность усилителя на нагрузке 8 Ом составляет 1,5 Вт; коэффициент гармоник не более 1%; диапазон частот от 50 до 12000 Гц; чувствительность усилителя 20 мВ. Тембр регулируется потенциометром R4: при уменьшении R4 снижается уровень высокочастотных составляющих; при увеличении R4 снижаются низкочастотные составляющие.

 

Рис. 9 Схема включения микросхемы К174УН7

 

 

Список используемых источников

 

1. Проектирование радиоприемных устройств: Учебное пособие для ВУЗов / Под ред. А.П. Сиверса. М: Сов. радио, 1976. 488 с.

2. Лузин В.И., Никитин Н.П. Проектирование радиоприемных устройств: Методические указания. Свердловск: УПИ, 1990. 20 с.

3. Бобров Н.В., Максимов Г.В., Мичурин В.Н. Расчет радиоприемников. М: воениздат, 1971, 180с.

4. Гершелев В.Д., Красноцветова З.Г., Федорцев Б.Ф. Основы проектирования радиоприемников. М: Энергия, 1977. 384 с.

5. Горшков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств. Справочник. М: ”Радио и связь”, 1988 - 316 с.

Приложение

 

Структурная схема интегральной микросхемы К174ХА2