Проектирование радиоприемного устройства импульсных сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект по дисциплине:

«УСТРОЙСТВА ПРИЕМА и преобразования СИГНАЛОВ»

на тему

«ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Выбор типа приемника, обоснование его структурной схемы

2 Расчет основных РТП схемы приемника

2.1 Определение полосы пропускания приемника

2.2 Расчет чувствительности приемника

2.3 Определение предельной чувствительности приемника

2.4 Выбор промежуточной частоты

2.5 Динамический диапазон

2.6 Расчет блоков УПЧ

2.7 Расчет диодного АД

3 Выбор способа защиты приемника от перегрузки с помощью АРУ

4 Защита от ухода частоты (ЧАПЧ)

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Радиоприемные устройства являются неотъемлемой частью большинства радиотехнических систем. Они входят в состав систем радиолокации, радиоуправления, радионавигации, радиоразведки, радиовещания, телевидения, радиосвязи. Специальные виды приемников используются в астрономии, гидролокации, гидроакустике, медицине, физике и многих других областях. Таким образом, проектирование радиоприемников является актуальной задачей во многих сферах.

При рассмотрении радиолокационных приемников их особенностью является решение задач по обнаружению средств противника. Для ее решения используется основной принцип радиолокации, отражение радиоволн от различных неоднородностей.

Из отраженного радиолокационного сигнала можно извлечь информацию об угловых координатах цели, анализируя его пространственные характеристики: направление, с которого приходит отраженный сигнал. Анализ более тонкой структуры отраженного сигнала дает возможность извлекать дополнительную информацию о цели, ее координатах, скорости, типе.

Инженерный расчет радиоприемника выполняется для того, чтобы на основе требуемых (заданных) характеристик на приемник получить:

1) Обоснованный и наиболее оптимальный вариант структурной схемы с выбором электронных приборов, схем и основных характеристик каждого каскада;

2)характеристики и параметры всех элементов (катушек индуктивности, резисторов, конденсаторов) каждого каскада приемника, включая выбор оптимального режима работы электронного прибора;

3)принципиальную схему приемника и спецификацию к ней.

В соответствии со сказанным расчет приемника состоит из трех этапов:

- расчет структурной схемы;

- расчета отдельных каскадов;

- составления принципиальной схемы и спецификации к ней.

Расчет отдельных каскадов начинают с выбора наиболее экономичного режима работы электронного прибора и определения его параметров в рабочем диапазоне частот, обеспечивающего требуемые характеристики каскада. Затем определяют сопротивления резисторов и емкостей конденсаторов схемы, при которых достигается выбранный режим работы электронного прибора и требуемая стабилизация коллекторного тока. При этом в каждом отдельном случае по сортаментам, приводимым в справочниках, выбирают необходимый тип резистора или конденсатора. После этого рассчитываются параметры нагрузки каскада, и проверяется соответствие реальных и требуемых характеристик каскада. На основе расчета составляется принципиальная схема каскада и спецификация к ней.

При расчете структурной схемы на основе сравнения нескольких вариантов радиоприемников, обеспечивающих требуемые характеристики, выбирается оптимальный, т.е. наиболее выгодный, который позволяет применить более простые (электронные приборы и селективные системы при наименьшем числе каскадов.

Данная курсовая работа посвящена вопросам проектирования радиоприемного устройства (РПрУ) импульсных сигналов.

1 ВЫБОР ТИПА ПРИЕМНИКА, ОБОСНОВАНИЕ ЕГО СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

При применении суперрегенеративных приемников номинальная мощность должна быть не ниже на сантиметровых волнах и на дециметровых и метровых волнах. Поэтому суперрегенеративные приемники применяются почти исключительно в переносных радиолокационных маяках, где можно допустить некоторое снижение чувствительности приемников. В тоже время существенное достоинство - их компактность и простота осуществления схемы приема-передачи.

Детекторные приемники применяются лишь в случае необходимости использования простого и весьма компактного приемника и допустимости весьма низкой его избирательности и чувствительности.

Приемники прямого усиления также не целесообразны для использования из - за относительно невысоких избирательности и чувствительности. Однако при всем разнообразии схем радиолокационные приемники почти всегда выполняются по супергетеродинной схеме, что можно объяснить в основном повышенной чувствительностью супергетеродинных приемников, а также и их избирательностью.

Для приема радиолокационных сигналов с помощью супергетеродинного приемника достаточно, что бы номинальная мощность сигнала в импульсе на входе приемника достигала на сантиметровых волнах и на дециметровых и метровых волнах.

Таким образом, выбранная схема имеет вид представленный на рис 1.

Преобразователь частоты, состоящий из гетеродина, смесителя и УПЧ переносит спектр сигнала на промежуточную частоту и строится на основе нелинейного элемента и фильтра, настроенного на ПЧ: частота сигнала гетеродина.



Рисунок 1 - Схема супергетеродинного приемника

УВЧ совместно входной цепью образует преселектор супергетеродинного приемника.

УПЧ осуществляет основное усиление и избирательность приемника в целом. В данном случае используется УПЧ-I.

УПЧ - I представляет собой резонансные усилители радиосигналов с одноконтурными, настроенными на одну промежуточную частоту fпр каскадами, позволяющие получить форму АЧХ, близкую к колоколообразной. При этом он обладает самым большим коэффициентом усиления при достаточно узкой полосе пропускания. Однако к данной схеме предъявляются достаточно мягкие требования к частотной избирательности, что вызвано колоколообразной формой АЧХ.

радиоприемный устройство импульсный сигнал

2 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РТП СХЕМЫ ПРИЕМНИКА

2.1 Определение полосы пропускания приемника

Для радиоприемных устройств импульсных РЛС полоса пропускания выбирается из соотношения

где - длительность импульсов.

При определение полосы пропускания необходимо учитывать относительную нестабильность частот передатчика, гетеродина приемника и изменение несущей частоты за счет доплеровского эффекта. С учетом этих факторов полоса пропускания должна быть равной:

Относительные нестабильности частот для РЛС:

Fпер - считаем =

fгет=2,510-5 - величина максимального ухода частоты гетеродина; выбирается из таблицы относительной нестабильности частоты (гетеродина с отражательным клистроном):

fгет=10 кГц

- коэффициент учитывающий вероятность одновременного ухода частоты передатчика и гетеродина в противоположные стороны .

Полоса пропускания преселектора:

Полоса пропускания УПЧ и апериодического тракта:

2.2 Расчет чувствительности приемника

Расчет чувствительности осуществляется с помощью основного уравнения радиолокации

,

где DMAX - максимальная дальность обнаружения РЛС;

РИ - импульсная мощность радиопередатчика;

ц -эффективная отражающая поверхность цели;

РП - чувствительность радиоприемного устройства;

АЭФ - эффективная площадь раскрыва антенны;

Коэффициент усиления антенны, равный 40м2 при ЭПР=1м2

2.3 Определение предельной чувствительности приемника

Величина сигнала в антенне приемника, обеспечивающая на выходе линейной части приемника отношение сигнал/шум равное 1 называется предельной чувствительностью:

где k - постоянная Больцмана k=1,38 10-23Дж/град

Т0 - шумовая температура антенны (Т0=230К)

Кш - коэффициент шума приемника без учета шумов реальной антенн, Кш=10;

2.4 Выбор промежуточной частоты

Промежуточная частота должна удовлетворять следующим условиям:

- быть вне диапазона рабочих частот;

- обеспечить необходимую полосу пропускания;

- в приемниках импульсных сигналов удовлетворять неравенству



Следовательно выбираем значение 20МГц.

Теперь необходимо решить, будет ли подавлен зеркальный канал преселектором при выбранной промежуточной частоте. Для этого необходимо найти частоту зеркального канала fзерк= fс +2fпр; fзерк=400+40=360 и 440 МГц; полоса пропускания преселектора приблизительно 500кГц, следовательно зеркальный канал вне полосы пропускания.

2.5 Динамический диапазон

Определяется теми предельными изменениями входного напряжения (или мощности), которые допустимы для нормальной работы приемного и оконечного устройства:

,

Dmin=25*103*0.34=8.55*103

где HMAX - максимальная высота обзора,

- максимальный угол места.

D=1.748

Теперь определим тип УПЧ, необходимого для усиления сигнала.

Используется УПЧ третьего типа.

УПЧ - I представляет собой резонансные усилители радиосигналов с одноконтурными, настроенными на одну промежуточную частоту fпр каскадами, позволяющие получить форму АЧХ, близкую к колоколообразной. При этом он обладает самым большим коэффициентом усиления при достаточно узкой полосе пропускания. Однако к данной схеме предъявляются достаточно мягкие требования к частотной избирательности, что вызвано колоколообразной формой АЧХ.

2.6 Расчет блоков УПЧ

Для расчета УПЧ выбираем транзистор в зависимости от промежуточной частоты и его усилительных свойств.

Параметры выбранного транзистора ГТ310В.

- основное назначение: для усиления сигнала на высокой и промежуточной частоте;

- обратный ток коллектора IКБ0= 5 мкА при Uкб=10В;

- напряжение коллектора UК=5 В; ток коллектора Iк=1 мА;

- входное сопротивление h11Б=38 Ом;

- модуль коэффициента усиления на высокой частоте h21б=8;

- выходная проводимость h22Б=3 мкСм;

- граничная частота коэффициента передачи fгр=50 МГц;

- емкость коллекторного перехода Ск=4 пФ;

- постоянная времени цепи обратной цепи обратной связи Lк=300пс;

- коэффициент шума Км=3дБ;

- постоянное напряжение К-Б Uкбmax =12В;

- постоянное напряжение К-Э Uкэmax =10B;

- постоянный ток коллектора Ikmax =10мА;

- тип перехода, материал: р-п-р, германий.

Расчет коэффициентов усиления каскадов. Выбираем схему включения транзистора с общим эмиттером. Поэтому коэффициент устойчивого усиления находим из формулы:

Для линейного режима работы детектора на выходе УПЧ необходимо иметь амплитуду сигнала 0,4…0,6В для детекторов на полупроводниковых диодах. На входе приемного устройства величина мощности сигнала определяется значением предельной чувствительности. Для усилителя высокой частоты собранного по схеме малошумящего усилителя значение коэффициента усиления известно и в зависимости от типа составляет обычно 100-500, т.е. мощность сигнала на входе УПЧ:

Полагая, что смеситель согласован с кабелем волновым сопротивлением Zв=75 Ом, определим амплитуду сигнала на входе УПЧ:

Чтобы на выходе УПЧ обеспечить напряжение Uвых.=0.6В нужно иметь коэффициент усиления:

Определение числа каскадов УПЧ. Чтобы обеспечить на входе детектора напряжение Uвых=0,6В с коэффициентом усиления всех каскадов УПЧ равным 6403, нужно взять 3 каскада УПЧ:

Расчет полосы пропускания одного каскада УПЧ. Полоса пропускания одного каскада находится по формуле:



где N - число каскадов

Теперь определение максимально возможного коэффициента усиления каскада для данного транзистора можно получить по формуле:

где Смин=Свых1+Свх2+См=(4+4+7)пФ=15пФ;

Отсюда максимальный коэффициент усиления будет равен:

2.7 Расчёт АД

Исходные данные:

fпр = 20 МГц - промежуточная частота;

И = 4 мкс - длительность импульса;

tСП = 0.3?И =1.2 мкс - допустимое время спада видеоимпульса на выходе детектора;

Uвых УПЧ=Uвх Д=0,6 В - напряжение на выходе УПЧ;

Cвх=4…6 пФ - входная емкость следующего каскада;

Выбираем диод Д9Ж и определим его параметры. Прямой постоянный ток IПР=100 мА при UПР=1В. Обратное постоянное напряжение UОБР=100 В при IОБР=250 мкА. Расчетные данные:

- внутреннее сопротивление диода;

 - обратное внутреннее сопротивление диода;

Емкость анод-катод САК=3 пФ. Емкость диода в закрытом состоянии СкЗ=1 пФ.

Определение емкости нагрузки и емкости дополнительного конденсатора. Емкость нагрузки:

Емкость дополнительного конденсатора:

С=С0-Скз-См=30-1-4=25пФ,

где СМ = 4пФ монтажная емкость.

Теперь определим сопротивление нагрузки:

Коэффициент передачи детектора значительно снижается, если постоянная времени цепи нагрузки (?=RнC) становится сравнимой с периодом промежуточной частоты:

т.е. неравенство будет выполнено.

Определение коэффициента передачи детектора:



где - крутизна характеристики диода в области прямых токов;

- крутизна характеристики диода в области обратных токов

Определение входного сопротивления детектора:

Rвх=Rн/2=9.1 кОм

Определение входной емкости детектора:

Определение время установления:

,

где RiД - внутреннее сопротивление детектора

значит:

Получим время установления:



Расчет фильтра:

,

собственная емкость катушки индуктивности фильтра

fф-резонансная частота фильтра:

.

Определим коэффициент фильтрации:

Кф=(Сак +С0)/Сак=(3+30)/3=11

Определение величины разделительной емкости:

G - допустимый завал плоской части вершины импульса, обычно равный: G=0,01%

Rу - сопротивление утечки следующего каскада равное: Rу=0,1 Мом

Определение амплитуды напряжения на выходе

Uвых=2Uвх*Кд=2*0.6*0.7*0,99=0,84В

3 ВЫБОР СПОСОБА ЗАЩИТЫ ПРИЕМНИКА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ АРУ

Существует два основных способа построения схем АРУ:

АРУ с обратной связью - «АРУ-назад » (рис 2.)

АРУ без обратной связи - «АРУ-вперед» (рис 3.)

Наибольшее распространение из-за своей простоты получила схема «АРУ-назад». В ней управление коэффициентами усиления каскадов осуществляется с помощью регулирующего напряжения Uр(t), снимаемого с выхода регулируемого усилителя.

В «АРУ-вперед» регулирующее напряжение Uр(t) формируется от входного сигнала регулируемого усилителя.

Для того, чтобы Uр(t) успевало своевременно изменить усиление регулируемых каскадов, требуется достаточно сложная реализация схем АРУ, что ограничивает ее применение.

Различают три типа схем АРУ с ОС:

- простую;

- задержанную;

- усиленно-задержанную (рис 4).

Схема усиленно-задержанной АРУ включает в свой состав детектор АРУ, ФНЧ, Усилитель АРУ и устройство, формирующее напряжение задержки.

Детектор АРУ может быть совмещен с детектором приемника, с которого часть напряжения, пропорционально амплитуде сигнала, отводится в цепь ОС АРУ либо представляет собой отдельное устройство. В качестве усилителя АРУ применяется либо УНЧ (если он стоит до детектора), либо усилитель постоянного тока (если он стоит после детектора). В задержанной схеме отсутствует усилитель в цепи АРУ, а в простой схеме усилитель и напряжение задержки.

Принцип работы АРУ с ОС и регулировка усиления за счет изменения крутизны активных элементов. Регулирующее напряжение формируется схемой АРУ под действием выходного сигнала регулируемого усилителя. Если выходной сигнал усилителя имеет тенденцию к увеличению амплитуды то, схема АРУ вырабатывает такое регулирующее напряжение, которое приводит к уменьшению крутизны активных элементов в регулируемых каскадах, что приведет к уменьшению коэффициента передачи усилителя, вследствие чего амплитуда выходного сигнала будет стабилизирована. При уменьшении амплитуды выходного сигнала действие схемы АРУ направлено на увеличение коэффициента усиления регулируемых каскадов.

Степень стабилизации амплитуды выходного сигнала приемника с различными схемами АРУ показывает его амплитудные характеристики.

Как видно из амплитудных характеристик простая схема АРУ имеет очевидный недостаток:

- она ослабляет и слабые сигналы при которых приемник далек от перегрузки, что существенно ухудшает его чувствительность. От указанного недостатка свободны схемы задержанной и усиленно - задержанной АРУ. В них регулирующее напряжение формируется лишь тогда, когда амплитуда выходного сигнала усилителя превышает величину напряжения Uз, запирающего детектор АРУ. Из-за наличия усилителя схема усиленно - задержанной АРУ обеспечивает лучшую стабилизацию амплитуды выходного сигнала чем схемы простой и задержанной АРУ.

4 ЗАЩИТА ОТ УХОДА ЧАСТОТЫ (ЧАПЧ)

В процессе работы РЛС частоты передатчика fo(t) и гетеродина приемника fг(t) изменяются под воздействием различных факторов, т.е. случайными функциями времени. В результате изменяется и значение промежуточной частоты приемника fпр(t), в результате общее отклонение fпр(t) может достигать единиц-десятков МГц, что может привести к ухудшению чувствительности приемника или полному прекращению приема сигнала.

Для обеспечения нормального приема сигнала будем поддерживать постоянное значение fпр(t)=. Это достигается путем стабилизации частот fг(t) и fo(t).

В состав любой системы АПЧ входят: Дискриминатор, фильтр, усилитель ошибки, исполнительный элемент.

В системе ЧАП в качестве дискриминатора используем частотный детектор, формирующий сигнал ошибки:

Рисунок 3 - Структурная схема ЧАПЧ

Частотный детектор настроен на частоту f, для которой и . При отклонении мгновенного значения частоты f(t) от fн на выходе ЧД формируется напряжение Uчд(t)=, величина и знак которого зависят от . После фильтрации в ФНЧ и усиления управляющее напряжение Uy действует на перестраиваемый элемент колебательной системы генератора, изменяя частоту генератора так, чтобы свести к нулю сигнал ошибки. При будет обеспечено равенство мгновенной частоты генератора номинальному значению.

Системы ЧАП имеют сравнительно широкую полосу охватывания, что является их неоспоримым преимуществом, но ошибка слежения у них значительно больше, чем у систем ФАП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе написания курсового проекта обобщены знания, полученные на учебной дисциплине «УПиПС», изучена дополнительная литература, практически рассчитано радиоприёмное устройство импульсных сигналов.

Приёмное устройство выполнено по супергетеродинной схеме с однокаскадным УВЧ и однократным преобразованием частоты. УПЧ - трёхкаскадный первого типа по схеме с общим эмиттером на транзисторе ГТ310В.

При проектировании приёмника были учтены все требования, в результате чего получились оптимальные характеристики (произведён расчёт и получен результат, который полностью удовлетворяет требованиям при проектировании СГП).

В настоящее время самой лучшей структурой является супергетеродинная структура приёмника. В отличие от приёмника прямого усиления и детекторного, эта схема содержит дополнительные элементы, которые улучшают работу СГП.

Кроме того рассмотрены варианты защиты приемника от перегрузки и от ухода частоты. Нами применена автоматическая регулировка усиления и система фазовой автоподстройки частоты.

В ходе выполнения работы были получены следующие данные:

- общая полоса пропускания

- предельная чувствительность Pп=1.08;

- максимальная мощность принятого сигнала Рmax=1.9Вт;

- динамический диапазон D=14.73дБ;

- коэффициент устойчивого усиления Куст=10.2;

- напряжение на входе УПЧ Uвх.упч=93.7мкВ;

- количество каскадов УПЧ, необходимых для получения необходимого усиления n=3;

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Почекутов В.Ю. Радиоприемные устройства РЭС. ВВКУРЭ ПВО 1980 г.

2. Ржевкин В.А. Приемные устройства радиоэлектронных систем. БГТУ 1993 г.

3. Бобров Н.В., Максимов Г.В., Мичурин В.И., Николаев Д.П., Расчет радиоприемников. М. Воениздат 1971 г.

4. Горшелев В.Д., Красноцветова З.Г., Федорцов Б.Ф. Основы проектирования радиоприемников. Л., Энергия 1977 г.

5. Акимцев В.В. Радиоприемные устройства Часть I, Часть II, СПВУРЭ ПВО 1995 г.

6. Радиоприемные устройства / Под ред. А.П. Жуковского. М., Высшая школа, 1989 г.

7. Охрименко А.В. Радиоприемные устройства радиоэлектронной техники. М. Воен. издательство, 1992 г.

Размещено на Allbest.ru