Устройства приема и преобразования сигналов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройства приема и преобразования сигналов

1. Выбор типа приёмника

приемник транзистор частота

Исходные данные:

1. Частота сигнала =115 МГц

2. Вид модуляции: ЧМ

3. Параметры модуляции: =3 кГц ш=4 - индекс модуляции

4. Заданная чувствительность =2 мкВ

5. Отношение сигнал/шум: 11

6. Заданное подавление по соседней станции =42 дБ

7. Заданное подавление канала прямого прохождения =60 дБ

8. Заданное подавление зеркального канала =62 дБ

9. Входное сопротивление антенны =50 Ом

10. Рабочий диапазон температур: -25…+55 С

Т.к. необходимо обеспечить достаточно высокую избирательность и чувствительность, целесообразно будет применение супергетеродинного приемника.

Основные достоинства супергетеродинного приёмника:

1. высокая избирательность;

2. высокая чувствительность;

3. большое устойчивое усиление;

4. удобство перестройки при работе в различных частотных диапазонах.

Эти достоинства обусловлены тем, что основное усиление осуществляется на постоянной промежуточной частоте . Обычно выбирают <<. В каскадах УПЧ с постоянной настройкой можно использовать сложные резонансные системы, обеспечивающие высокую избирательность приёмника.

Недостаток супергетеродинного приёмника - его относительная сложность реализации и наличие дополнительных (по сравнению с другими схемами приёмников) помеховых каналов.

2. Расчёт полосы пропускания приёмника

=115 МГц

=3 кГц

ш=4

Ширина спектра сигнала

Д f_С = 2 F _В (1 + ш + ), Д f_С = 42кГц

При нестабильности частоты передатчика и приёмника для обеспечения приёма без поиска и подстройки требуется расширить полосу пропускания. Т.о. необходимо проделать следующие вычисления:

б _ПЕР = 10 ^{- 7} - относительный уход частоты передатчика при изменении температуры на 1 С

- перепад температур относительно 20 С

Т.о. возможный температурный уход частоты передатчика:

Д f _ПЕР = б _ПЕР f_С Дt°, Д f _ПЕР = 517,5Гц

б _ГЕТ = 10^-7 - относительный уход частоты гетеродина при изменении температуры на 1 К (для гетеродинов с кварцевой стабилизацией)

Т.о. возможный температурный уход частоты гетеродина (гетеродин с кварцевой стабилизацией):

Д f _ГЕТ = б _ГЕТ f_С Дt°, Д f _ГЕТ = 517,5Гц

Неточность настройки фильтра на промежуточной частоты:

Д f _ПР = 2 10^-4 f_С Д f _ПР = 23кГц

В результате с учётом нестабильности частот всех устройств получим требуемую полосу приёмника:

П = Д f_С + 2 П = 88кГц

3. Расчёт промежуточной частоты

При выборе промежуточной частоты учитывают два противоположных требования:

1. Промежуточная частота должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить заданное подавление зеркального канала при реализуемой эквивалентной добротности контуров преселектора.

2. Промежуточная частота должна быть достаточно малой для того, чтобы могла быть обеспечена заданная полоса пропускания приёмника при использовании на этой частоте фильтров с их совместной эквивалентной добротностью .

Чтобы обеспечить необходимое подавление зеркального канала при использовании в преселекторе n одиночных контуров, промежуточною частоту нужно выбирать следующим образом:

Q _ЭС = 50 - ориентировочное значение эквивалентной добротности контура преселектора

n=3 - число контуров

=62 дБ - подавление по зеркальному каналу, которое нужно обеспечить

= 1,26 10³ - подавление по зеркальному каналу, которое нужно обеспечить в разах по напряжению

f _П1 = . f _П1 = 6 Мгц

Промежуточная частота должна быть больше либо равна 6 Мгц (при n=3).

Для обеспечения заданной полосы приёмника промежуточную частоту выбирают следующим образом:

Q_К = 250 - собственная ненагруженная добротность контуров, составляющих ФСС

f _П2 ? П Q _{Э ПР}

Q_ФСС = Q_К / 2,82

f _П2 = 6.6 Мгц

Промежуточная частота должна быть меньше либо равна 6.6 МГц.

Выбираем промежуточную частоту равную:

f_П = 6.5 Мгц

4. Выбор транзисторов

1) УВЧ

Транзистор для УВЧ выбирают исходя из обеспечения минимума коэффициента шума N на его рабочей частоте . Возьмём транзистор КТ368А.

Рис. 1. Зависимость коэффициента шума от частоты для транзистора КТ368А.

h_21э= 15 - статистический коэффициент усиления тока по схеме с ОЭ

в₀ = h_21э в₀ = 15 - значение статического коэффициента усиления тока по схеме с ОЭ

б₀ = в₀ /1+ в₀ б₀ =0,93 - значение статического коэффициента передачи тока по схеме с ОБ

f_T = 900 Мгц - предельная частота усиления тока по схеме с ОЭ

= 967,7 МГц - граничная частота коэффициента передачи по току при включении транзистора по схеме с ОБ

f_Ш = 0,24 fб f_Ш = 232 Мгц верхняя граница области минимального значения коэффициента шума транзистора

, рабочая частота лежит в области частот с минимальным значением коэффициента шума

2) УПЧ

Транзистор для УПЧ выбирают исходя из обеспечения максимума коэффициента усиления.

I_упч=3 мА - значение тока Э, обеспечивающее максимум коэффициента усиления

r_{Э упч} = 25,6/ I_{Э УВЧ} = 8.55 Ом - сопротивление эмиттерного перехода

о = 3 - коэффициент зависящий от типа транзистора

C_К = 1.7 10^-12 Ф - емкость коллекторного перехода

ф_К = 7 10¹² с - постоянная времени цепи обратной связи

r_б = оф_К/ C_К = о r_б = 12 Ом - сопротивление базы

h_{11б упч}= 25,6 Ом - входное сопротивление транзистора в схеме с ОБ на низкой частоте

f_{S упч} = f_Т h_{11б упч} /r_б f_{S упч} = 1,9 ГГц - граничная частота транзистора по крутизне s в схеме с ОЭ

0,6f_с=69 МГц. Необходимое условие выполняется.

5. Расчёт параметров транзисторов

1) Расчёт параметров транзисторов для УВЧ

I_увч=1 мА - значение тока Э, обеспечивающее минимальный коэффициента шума

r_{Э увч} = 25,6/ I_{Э УВЧ} = 25,6 Ом

о = 3 - коэффициент зависящий от типа транзистора

C_К = 1.7 10^-12 Ф - емкость коллекторного перехода

ф_К = 7 10¹² с - постоянная времени цепи обратной связи

r_б = оф_К/ C_К = о r_б = 12 Ом - сопротивление базы

h_{11б увч}= 25,6 - - входное сопротивление в схеме с ОБ на низкой частоте

f_{S увч} = f_Т h_{11б увч} /r_б f_{S увч} = 1,9 ГГц - граничная частота транзистора по крутизне s в схеме с ОЭ

щ_S= 11,932 ГГц - циклическая граничная частота транзистора по крутизне s

щ_Т= 5,652 ГГц - циклическая предельная частота усиления тока по схеме с ОЭ

щ_увч = 2рf щ_увч = 0,722 ГГц - циклическая частота сигнала

Собственно расчёт параметров транзисторов для УВЧ:

g₂₁ = в₀/((1+в₀) h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = 1/r₂₁

g₁₂ = - щф_К(в₀щ/щ_Т - щ/щ_S)/(в₀h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = 1/r₁₂

g₂₂ = щф_К(щ/щ_S)/(h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = 1/r₂₂

g₁₁ = (1+в₀щ²/(щ_Sщ_Т))/(в₀h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = 1/r₁₁

g₂₁ = 0,0362

g₁₂ = -2,01 10^-5

g₂₂ = 9,04 10^-4

g₁₁ = 0,0028

r₂₁ = 27 Ом

r₁₂ = 625 кОм

r₂₂ = 1,2 кОм

r₁₁ = 384 Ом

b₂₁ = -в₀(щ/щ_S)/(((1+в₀) h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = щC₂₁

b₁₂ = - щC_К+щ ф_К(1+в₀щ²/(щ_Sщ_Т))/(в₀h_11б(1+(щ/щ_S)²))=щC₁₂

b₂₂ = щC_К+щ ф_К/(h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = щC₂₂

b₁₁ = (в₀щ/щ_Т - щ/щ_S)/(в₀h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = щC₁₁

b₂₁ = -0.002

b₁₂ = 0,0011

b₂₂ = 0,0013

b₁₁ = 0.0044

С₂₁ = 2,06 10^-12 Ф

С₁₂ = 1,7 10^-12 Ф

С₂₂ = 1,9 10^-12 Ф

С₁₁ = 4,41 10^-12 Ф

| y₂₁| = в₀/((1+в₀) h_11б )

| y₁₂| ? щC_К

| y₂₂| ? щC_К(1+3/о)

| y₁₁| =

| y₂₁| = 0,0363

| y₁₂| = 0,0011

| y₂₂| = 0,0013

| y₁₁| = 0,0026

S_увч = 0,036 А/В

2) Расчёт параметров транзисторов для УПЧ

щ_S= 11,932 ГГц - циклическая граничная частота транзистора по крутизне s

щ_Т= 5,652 ГГц - циклическая предельная частота усиления тока по схеме с ОЭ

щ_упч= 40,82 Мгц - циклическая частота сигнала

Собственно расчёт параметров транзисторов для УПЧ:

g₂₁ = в₀/((1+в₀) h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = 1/r₂₁

g₁₂ = - щф_К(в₀щ/щ_Т - щ/щ_S)/(в₀h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = 1/r₁₂

g₂₂ = щф_К(щ/щ_S)/(h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = 1/r₂₂

g₁₁ = (1+в₀щ²/(щ_Sщ_Т))/(в₀h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = 1/r₁₁

g₂₁ = 0,0372

g₁₂ = -5 10^-9

g₂₂ = 0,7 10^-4

g₁₁ = 1,3 10^-4

r₂₁ = 26 Ом

r₁₂ = 200 МОм

r₂₂ = 1,4 кОм

r₁₁ = 5,4 кОм

b₂₁ = -в₀(щ/щ_S)/(((1+в₀) h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = щC₂₁

b₁₂ = - щC_К+щ ф_К(1+в₀щ²/(щ_Sщ_Т))/(в₀h_11б(1+(щ/щ_S)²))=щC₁₂

b₂₂ = щC_К+щ ф_К/(h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = щC₂₂

b₁₁ = (в₀щ/щ_Т - щ/щ_S)/(в₀h_11б(1+(щ/щ_S)²)) = щC₁₁

b₂₁ = -8,63 10^-6

b₁₂ = 8 10^-5

b₂₂ = 7 10^-5

b₁₁ = 0,002

С₂₁ = 0,2 10^-12 Ф

С₁₂ = 0,19 10^-12 Ф

С₂₂ = 1,95 10^-12 Ф

С₁₁ = 4,8 10^-11 Ф

| y₂₁| = в₀/((1+в₀) h_11б )

| y₁₂| ? щC_К

| y₂₂| ? щC_К(1+3/о)

| y₁₁| =

| y₂₁| = 0,037

| y₁₂| = 7 10^-5

| y₂₂| = 2,5 10^-6

| y₁₁| = 0,002

S_увч = 0,037 А/В

6. Расчёт реальной чувствительности

П_Ш ? 1,1 П = 96,8 кГц - эквивалентная шумовая полоса приёмника

kT₀ = 4•10^-21 Вт / Гц

= 50 - активное сопротивление антенны подключённой к приёмнику

P _С / P_Ш = 11 - отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе линейной части приёмника

r_{И ОПТ} . r_{И ОПТ}= 93 Ом - оптимальное по шуму сопротивление

r_И = r_{И ОПТ}

I_К0 = 0,5 10⁶ А

N_ТР = 1 +++

N_ТР = 1,78 - коэффициент шума первого каскада

Реальную чувствительность приемника в единицах напряжения рассчитывают по формуле:

E _{А min} = ,

E _{А min} = 0,8 мкВ

Выполнение неравенства обеспечено.

7. Расчёт коэффициента усиления высокочастотной части приёмника

= 0,4 В-амплитуда напряжения промежуточной частоты на входе детектора (предполагаем, что приемник не имеет АРУ)

Коэффициент усиления до детекторного тракта приёмника можно рассчитать по формуле:

= 1,4 10⁵

Из-за существующего значительного разброса параметров транзисторов коэффициент усиления должен иметь запас до 10 раз. Вследствие этого коэффициент усиления высокочастотной части приёмника полагаем равным:

К_общ = 10,

= К_ВХ К_УВЧ К_ПР К_УПЧ

- коэффициент передачи входной цепи приёмника

- коэффициент усиления УВЧ

- коэффициент передачи преобразователя частоты

- коэффициент усиления УПЧ

8. Расчёт коэффициента усиления и полосы отдельных каскадов, проверка их устойчивости

1) Входная цепь.

Q_ЭС = 50

Q₀ = 100 - собственная добротность ненагруженных контуров УВЧ

К_ВХ = 1 - Q_Э/Q₀ К_ВХ = 0,5

- число контуров преселектора

- функция, зависящая от вида резонансной системы и от числа контуров

Полосу преселектора определяют по формуле:

П_ПРЕС = (f_С/Q_Э)

П_ПРЕС = 1,17 МГц

2) Усилитель высокой частоты.

ОЭ:

Коэффициент усиления первого каскада УВЧ можно рассчитать по формуле:

K₁ = | y₂₁| (1 - ),

K₁ = 20

K_УСТ = 0,43 А

K_УСТ = 2,5

Применим для большего усиления коррекцию типа С (обеспечивает новое значение устойчивого коэффициента усиления K*_УСТ = (2…3) K_УСТ);

K*_УСТ = 5

3) Фильтр сосредоточенной селекции

П ? П _ФСС П _ФСС = 88кГц - полоса ФСС

Д f _П = П _ФСС Д f _П = 88 кГц - расстройка относительно

a = 2 Д f _ПР / П _ФСС

f _П = 6,5 МГц

в = 2 f _П / (П _ФСС Q_К) - параметр, определяющий близость резонансной кривой ФСС к прямоугольной

в = 0,6

Таким образом, по графику можно определить затухание одного звена на частоте соседней станции и далее рассчитано необходимое число звеньев. Т.е.:

=10 дБ - затухание одного звена на частоте соседней станции

=42 дБ

n = n_ФСС = у_СС/ у₁ - необходимое число звеньев

n_ФСС = 5 Округляем в большую сторону

Коэффициент передачи фильтра (без учёта влияния подключаемых нагрузок со стороны входа и выхода фильтра) находят с помощью графика

К_ФСС(n_ФСС,в)=0,17

4) Преобразователь частоты

S_ПР = 0,5*0,037 - крутизна преобразователя, рассчитанная на частоте сигнала

r_{ВХ УПЧ} = r_{11 УПЧ} r_{ВХ УПЧ} = 1,4 кОм - входное сопротивление УПЧ

r_{ВЫХ ПР} = (1,25…2) r₂₂ r_{ВЫХ ПР} = 7,7 кОм - выходное сопротивление транзистора на промежуточной частоте

Для того, чтобы стало возможным согласование транзистора с характеристическим сопротивлением ФСС - , необходимо выход транзистора зашунтировать сопротивлением. Значение его находят из соотношения

Т.к. обычно >>, то выбирают сопротивления шунта =, и коэффициент передачи преобразователя можно рассчитать по формуле:

с_ФСС= 1,4 кОм

K_ПР = S_ПР К_ФСС. K_ПР = 20,6

5) Усилитель промежуточной частоты

Необходимый коэффициент передачи УПЧ:

К_УПЧ = К_УПЧ = 2,7 10⁴

Проектирование УПЧ с апериодическими каскадами выполняют в такой последовательности.

E_П = 12 В-питающее напряжение

U _К = (0,2…0,6) E_П U _К = 6 В-напряжение на нагрузке

I _К = 3 мА

g _К = I _К /U _К g _К = 5 10^-4 Си - проводимость входа

Рассчитаем коэффициент усиления одного апериодического каскада:

К = К = 17,4

Находим необходимое число каскадов УПЧ:

n _К =

n _К = 3,6

Округляем в большую сторону, получаем n _К = 4

Электрический расчет входной цепи и первого каскада УВЧ

1. Расчет входной цепи

Из эскизного расчёта известны:

R_а=50 Ом - сопротивление антенны

Q_к = 208 - ненагруженная добротность контура

Q _кэ = 47 - эквивалентная добротность контура

=115 МГц - частота сигнала

С₁₁ = 4,41 10^-12 Ф - входная емкость каскада УВЧ

r₁₁ = 384 Ом - входное сопротивление каскада УВЧ

r_{И ОПТ} = 93 Ом - оптимальное по шуму сопротивление

П_кэ = f_с / Q _кэ = 2,45 10⁶ Гц - эквивалентная полоса контура

П_к = f_с / Q _к = 0,55 10⁶ Гц - полоса контура

Найдём допустимый разброс величины Скэ. На частотах около 100 МГц

Ск мин=5…10 пФ и можно принять Скэ мин=1,3*Ск мин, если Свх относительно невелика.

L_{к мин}= 0,03мкГн

С_{кэ макс} = = 6,39 10^-11 Ф

С_{к мин} = 5 10^-12 Ф

С_{кэ мин} = 6,5 10^-12 Ф

Основные соотношения при расчете входной цепи с учетом согласования по шуму:



R_кэ = = 13,015 кОм

R_к == 57,6 кОм

Находим коэффициенты трансформации

m₁ == 0,06

m₂ = = 0,33

2. Расчет первого каскада УВЧ

m₁ =1

m₁ ==0,57

С_{кэ мин} = 1,3 (С+ ) С_{кэ мин} = 2,35 10^-12

С_{кэ макс} = = 6,39 10^-11 Ф

^K_фикс= ^K_уст С_{кэ макс} = 5 10^-11 Ф

R_кэ = = 2,46 кОм

= К_фикс/()

=0,205

m₁ =0,65

m₂ = m₁=0,35

R_к ==5,76 кОм

=0,000028 См

R_ш= 2368 Ом

Расчет по постоянному току

Режим работы предусматривает параметры: Uкэ=5В, Iк=1мА, тогда по выходным характеристикам находим, что ток базы Iб=0,01 мА.

Найдём сопротивление R5. Возьмём падение напряжения на нём равным 1В, т.к. на транзисторе напряжение 5В.

U_R5=1 В

R5= U_R5/(I_б +I_к)

R5 = 990 Ом

Возьмём стандартный резистор R5=1КОм.

Ток делителя определяется:

I_дел=10I_б

I_дел=10^-4 А

Отношение сопротивлений делителя равно отношению напряжений на транзисторе и на R5

R3 = U_кэ/ I_дел

R3 = 50 кОм

R4 = U_R5/(I_дел-I_б)

R4 = 11 кОм

Выберем стандартные резисторы R3=51 кОм, R4=1.1 кОм

Резистор фильтра рассчитаем исходя из того, что на нём падение напряжения примерно 0.5В

R78 = 0.5/(I_б +I_к)

R78 = 454 Ом

Выбираем стандартный резистор 450 Ом

Вычислим емкости конденсаторов:

C5 == 2,90*10^-10 Ф

Выберем по ГОСТ С5=330 пФ

С67 = = 6,34*10^-10 Ф

Выберем по ГОСТ С67=680 пФ

C74= 2,976 10^-12 Ф

Выберем по ГОСТ С74=3,3 пФ

Размещено на Allbest.ru