Приёмник двухполосных одноканальных телефонных амплитудно-модулированных сигналов

Государственный комитет РФ по высшему образованию

Уральский государственный технический университет

Кафедра “РЭИС”

Приёмник двухполосных одноканальных телефонных амплитудно-модулированных сигналов

Курсовой проект

Пояснительная записка

Руководитель Лузин

Канд.техн.наук, доц.

Студент Дмитриев Г.А.

Р-408а

2008

Задание на проектирование

Спроектировать приёмник двухполосных одноканальных телефонных амплитудно-модулированных сигналов.

Настройка приёмника плавная и выполняется оператором по принимаемому сигналу. В приёмнике должна быть предусмотрена система автоматической регулировки усиления (АРУ). Чувствительность приёмника задана в предположении, что единственной помехой является собственный шум приёмника.

Технические параметры устройства:

1. Частота сигнала f_с=3.6-3.65 МГц

2. Относительная нестабильность частоты принимаемых сигналов _с=310^-5

3. Частота модуляции F=0,15-4,0 кГц

4. Коэффициент модуляции m=0,8

5. Отношение сигнал/шум на входе приёмника =18 дБ

6. Чувствительность приёмника Е_а=15 мкВ

7. Допустимый коэффициент гармоник v=12 %

8. Допустимый уровень амплитудно-частотных искажений М=6 дБ

9. Расстройка соседнего канала f_с=10 кГц

10. Ослабление соседнего канала S_ск=20 дБ

11. Ослабление зеркального канала S_зк=32 дБ

12. Ослабление по промежуточной частоте S_пч=40 дБ

13. Диапазон действия АРУ А/В=40/6 дБ

14. Выходная мощность приёмника Р_вых=0,2 Вт

Выбор и обоснование структурной схемы приёмника

Для приёма радиотелефонных сигналов с амплитудной модуляцией (АМ) с частотой несущей до 30 МГц, обычно используется типовая супергетеродинная схема (рис. 1) так как частота несущей составляет 3,6-3,65 МГц то систему АПЧ частоты гетеродина можно не использовать.

ВЦ- Входная цепь, УРЧ- усилитель радиочастоты, СМ- смеситель, Г- гетеродин, УПЧ- усилитель промежуточной частоты, АД- амплитудный детектор, АРУ- автоматическая регулировка усиления, УНЧ- усилитель мощности низкой частоты, ОА- оконечный аппарат.

Такая структурная схема позволяет воспользоваться стандартными интегральными микросхемами, выполняющими роль сразу нескольких узлов приёмника.

Расчёт необходимой полосы пропускания линейного тракта приёмника

Ширина полосы пропускания линейного тракта П складывается из ширины спектра радиочастот принимаемого сигнала (П_С), доплеровского смещения частоты сигнала ( f_д) и запаса полосы, требуемого для учёта нестабильности и неточностей настроек приёмника (П_нс), т.е.

Величина П_нс определяется по формуле

где f_с и f_г - нестабильности частот сигнала f_c и гетеродина f_г ; f_н и f_п - неточности настроек частот гетеродина f_г и УПЧ f_п .

Относительную нестабильность частоты гетеродина можно определить из табл. 1.1.[1]. Для однокаскадного гетеродина без кварцевой стабилизации нестабильность составляет 10^-3-10^-4 . Согласно ТЗ нестабильность частоты входного сигнала составляет 3*10^-5. Величина f_н=(0,003…0,01)f_г ( её прием равной нулю так как производится ручная перестройка частоты оператором) , а f_п=(0,0003…0,003)f_п . Примем частоту гетеродина стандартную для заданного в ТЗ диапазона частот: f_г=465 кГц(она удовлетворяет условию применения контуров с реализуемой добротностью). Будем считать, что приёмник и передатчик неподвижны относительно друг друга, т.е. доплеровское изменение частоты равно нулю. Тогда:

Гц

Тогда полоса пропускания линейного тракта П:

Гц

Выбор средств обеспечения избирательности приёмника

В супергетеродинных приёмниках частотная избирательность определяется в основном ослаблениями зеркального S_ЗК и соседнего (или соседних) S_СК каналов.

Так как промежуточная частота выбрана в предыдущем пункте выберем эквивалентное затухание d_ЭР из условия d_ЭР0,02…0,01, примем d_ЭР=0,013, и воспользуемся формулами для расчёта обобщённой расстройки зеркального канала при верхней настройке гетеродина:

и при нижней настройке гетеродина:

По нормированным частотным характеристикам преселекторов рис.1 (а) [1] и по полученной расстройке при верхней настройке гетеродина определяем, что необходимое ослабление по зеркальному каналу S_зк=32 дБ обеспечивает с большим запасом входная цепь, построенная по простейшей схеме.

Для выбранного преселектора вычисляем обобщённую расстройку для краёв полосы пропускания приёмника П из выражения:

Для полученной расстройки находим из рис. 1,б ослабление S_ПР создаваемое преселектором:

дБ

Рассчитаем ослабление S_пп , которое можно допустить в ФСС:

дБ

Определим обобщённые расстройки для соседнего канала:

Для вычисленного значения _cк находим ослабление соседнего канала создаваемое преселектором S_ск=1,1 дБ.

Определяем ослабление соседнего канала S_скп, требуемое от ФСС:

дБ.

Выбор средств обеспечения усиления линейного тракта

Необходимое усиление сигналов в линейном тракте следует обеспечить при достаточной устойчивости каскадов (возможно меньшем их количестве), используя экономичные электронные приборы. Если чувствительность приёмника задана в виде э.д.с. сигнала в антенне , то коэффициент усиления линейного тракта К_0л должен быть равен

где U_п - амплитуда сигнала на выходе УПЧ приёмника, воспользуемся многофункциональной микросхемой К174ХА2, для неё примем U_п=60 мВ, тогда

дБ

Выбор средств обеспечения усиления линейного тракта можно начать с определения коэффициента усиления преселектора (ВЦ и УРЧ). В транзисторных приёмниках коэффициент усиления преселектора К_опс можно найти из выражения:

где К_овц - коэффициент передачи входной цепи, К_урч - коэффициент усиления УРЧ.

Для одноконтурных входных цепей

Примем К_урч =10 (20 дБ) , тогда

Требуемый коэффициент усиления по напряжению УПЧ и преобразователя частоты равен

где k_З =2…3 - коэффициент запаса усиления, учитывающий старение электронных приборов, расстройку контуров и уменьшение напряжений питания в процессе эксплуатации, примем k_З =2, тогда

дБ

Расчёт входной цепи приёмника

Будем использовать входную цепь с настроенной антенной, так как приёмник работает в достаточно узком диапазоне частот. Связь входной цепи с антенной - автотрансформаторная.

Примем величину C_сх =150 пФ (полная ёмкость схемы, [1] таблица 4.4 для диапазона 1,5-6 МГц). Будем считать, что фидер выполнен из коаксиального кабеля с волноводным сопротивлением W=75 Ом, затуханием на метр длины =0,1 дБ/М, и длиной l=10 М. Из таблицы 4.5 [1] возьмём собственное затухание контура d=0.005. Тогда коэффициент включения фидера m_a и входа УРЧ m_урч :



Ёмкость контура

где С_L =3 пФ - паразитная ёмкость катушки контура, С_M =3 пФ - монтажная ёмкость, С_ВХ - входная ёмкость УРЧ

пФ

Индуктивность контура

мкГн

Индуктивность катушки связи

мкГн

Для снижения паразитной ёмкости между катушкой связи и L коэффициент связи между ними, обеспечивая согласование, должен быть наименьшим. Вычисляем минимальный коэффициент связи, при котором обеспечивается согласование:

Так как рассчитанная ёмкость не может быть реализована с достаточной точностью из-за разброса значений элементов контура, используем два параллельно соединённых конденсатора. Один из конденсаторов будет переменным, а второй дискретным из стандартного ряда значений. Примем С1=130 пФ, а С2 меняющимся от 4 до 25 пФ, таким образом, ёмкость контура будет лежать в пределах от 134 до 155 пФ.

Расчёт допустимого коэффициента шума

Если реальная чувствительность задана в виде величины ЭДС Е_А сигнала в антенне, при которой отношение эффективных значений напряжений сигнал/помеха на входе приёмника больше минимально допустимого _ВХ или равно ему, то следует вычислить допустимый коэффициент шума N_Д из условия

где П_Ш- 1,1П шумовая полоса линейного тракта; k=1,3810^-23 Дж/град - постоянная Больцмана; Т₀=293 К - стандартная температура приёмника; R_A - внутреннее сопротивление приёмной антенны.

Минимально достижимый коэффициент шума транзистора в любой схеме включения в усилителе РЧ составляет около 6 ([1], таблица 1.3 и приложение 4), то есть подходит с огромным запасом любой транзисторный УРЧ.

Выбор схемного решения радиоприёмного устройства

В качестве основного элемента схемы будем использовать интегральную микросхему К174ХА2 , специально предназначенную для приёма и обработки АМ-сигналов.

В состав микросхемы входит: преобразователь частоты (смеситель), регулируемый апериодический усилитель радиочастоты (УРЧ), трёхкаскадный регулируемый усилитель промежуточной частоты (УПЧ), два амплитудных детектора, три усилителя постоянного тока (УПТ) и три стабилизатора напряжения.

Приёмник, выполненный на микросхеме К174ХА2(структурная схема и типовое включение микросхемы приведены в приложении), отличается хорошей линейностью, обусловленной, отрицательной обратной связью (ООС). Поскольку действие ООС усиливается при повышении уровня сигнала, приёмник устойчив к воздействию сильного сигнала. При подаче на вход ИС сигнала с напряжением 0,5 В и глубиной модуляции 80% коэффициент гармоник сигнала на выходе не превышает 10%. Тракт устойчив также к изменению напряжения питания. Так, при изменении напряжения питания от 15 до 4.5 В коэффициент усиления снижается не более чем на 6 дБ. В результате действия системы АРУ изменение напряжения сигнала на выходе не превышает 10 дБ, если напряжение сигнала на входе изменяется на 80 дБ.

В качестве усилителя низкой частоты будем использовать интегральную микросхему К174УН7. Эта микросхема в диапазоне частот 40…20000 Гц при нагрузке 4 Ом имеет выходную мощность 2 Вт при коэффициенте гармоник не более 10%. Входное сопротивление микросхемы более 50 кОм, напряжение питания 15 В 10%. Принципиальная схема микросхемы приведена в приложении.

Так как некоторые параметры микросхем необходимые для расчёта, неизвестны (их не удалось найти в справочной литературе), будем выбирать их исходя из типовой схемы включения микросхемы и примерно близкими к параметрам транзисторов приведённым в [1].

Выбор фильтра сосредоточенной селекции

Вместо многозвенных LC-фильтров в схемах УПЧ с сосредоточенной избирательностью с успехом можно применять пьезоэлектрические, электромеханические и пьезомеханические фильтры. Указанные фильтры, имея малые габариты и массу, обладают близкой к идеальной кривой избирательности.

Все параметры которым должен удовлетворять фильтр сосредоточенной селекции рассчитаны ранее (затухание в полосе пропускания не более 2,75 дБ и ослабление по соседнему каналу не менее 18,9 дБ). Данным условиям удовлетворяет пьезомеханический фильтр ПФ1П-4-1, его параметры: средняя частота полосы пропускания f₀ - 4652 кГц, ширина полосы на уровне 6 дБ 7-10 кГц, затухание на частоте f₀ 10 кГц более 18 дБ, вносимое затухание в полосе пропускания менее 3 дБ, выходное характеристическое сопротивление W_Б=1 кОм, входное характеристическое усиление W_К=2 кОм, масса 1,8 г.

Вход фильтра подключают к предыдущему каскаду через широкополосный контур (так как входное характеристическое сопротивление фильтра отличается от выходного сопротивления транзисторного каскада), а малая критичность пьезомеханических фильтров к изменению нагрузочных сопротивлений позволяет подключать их к входу следующего каскада непосредственно.

Весь расчёт ФСИ сводится к определению элементов связи.

Показатель связи фильтра с усилителем:

где



d- конструктивное затухание контура d0,01

Индуктивность контурной катушки:

Коэффициент включения:

индуктивность катушки связи фильтра с контуром (коэффициент связи фильтра с контуром примем k₁=0.8):

ёмкость контура:

где С_М- ёмкость монтажа 10 пФ, С₂₂-выходная ёмкость транзистора 10 пФ.



Выбор и расчёт схемы амплитудного детектора

В транзисторных приёмниках для детектирования непрерывных амплитудно-модулированных сигналов используют диодные и транзисторные детекторы. Диодные полупроводниковые детекторы могут иметь как последовательные, так и параллельные схемы включения. 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 передаётся через разделительный конденсатор. Обычно диодные полупроводниковые детекторы работают в режиме линейного детектирования при входном напряжении сигналов 0,51 В.

Итак, выбираем последовательный детектор, который нагружен на контур последнего каскада УПЧ.

(Параметры контура возьмём из типовой схемы включения: C_K=1,5 нФ, L_К=2,5310⁴/С_К[f_ПЧ]²=78 мкГн.)

В качестве детектора выберем германиевый диод Д9Б, его параметры: внутреннее сопротивление R_i=10 Ом, ёмкость С_Д=2 пФ, обратное сопротивление R_ОБР=2 МОм.

Требуемое входное сопротивление детектора:

где d и d_Э затухания контура без учёта и с учётом действия детектора соответственно.

В узкополосных УПЧ отношение d_Э/d берут в интервале 12.

Тогда:

сопротивление нагрузки:

Так как получили R_Н 200 кОм, примем R_Н =200 кОм, применим автотрансформаторное подключение детектора к контуру с коэффициентом включения:

Эквивалентная ёмкость нагрузки детектора из условий отсутствия нелинейных искажений:

где m_макс =0,8 - максимальный индекс модуляции, F_макс= 4000 Гц - максимальная частота модуляции.

Исходя из отношения R_Н/ R_i по рисунку 9.2 [1] находим, что R_iD/ R_i=20 , R_iD=200 Ом - динамическое внутреннее сопротивление детектора и К_Д=0,9 - коэффициент передачи диодного детектора.

Эквивалентная ёмкость нагрузки детектора из условий допустимых частотных искажений:



где М_В=1,05 - коэффициент частотных искажений (обычно 1,051,2)

Выбираем наименьшую из двух рассчитанных емкостей С_Н=149,2 пФ.

Рассчитаем сопротивления:

где R_БМАКС - максимально допустимое сопротивление в цепи базы следующего транзистора.

ёмкости конденсаторов:

где С_М2=15 пФ - ёмкость монтажа входной цепи УНЧ.

где М_Н=1,05 - коэффициент частотных искажений (обычно 1,051,2).

Коэффициент фильтрации напряжения промежуточной частоты:

Выбор и расчёт схемы автоматической регулировки усиления

Для того чтобы освободить оператора от операций регулировки усиления, применяют автоматические регулировки усиления (АРУ). С помощью АРУ обеспечивается необходимое для нормальной работы оконечных устройств систем постоянство выходных сигналов при значительных изменениях интенсивности принимаемых сигналов, АРУ предотвращает перегрузки приёмного устройства сильными сигналами и тем самым устраняет нелинейные искажения в приёмном канале, которые могут возникать при приёме амплитудно-модулированных сигналов.

Инерционные системы АРУ с обратной связью представляют собой замкнутую нелинейную систему автоматического регулирования, содержащую усилительный тракт приёмника с регулируемым коэффициентом регулирования и цепь регулирования. Последняя состоит из детектора АРУ, фильтра нижних частот и усилителя постоянного тока (смотри рисунок 1).



Рис 1. Функциональная схема системы АРУ.

В нашем случае регулировкой охвачено четыре каскада в составе ИМС К174ХА2- УРЧ и три каскада УПЧ. Изначально подразумевалось использование двухпетлевой АРУ (АРУ УПЧ и АРУ УРЧ), однако глядя на регулировочные характеристики усилителей ясно, что достаточно только АРУ УПЧ. Усилители постоянного тока входящие в состав системы АРУ встроены в микросхеме.

По техническому заданию эффективность системы АРУ составляет А/В=40/6 дБ. Это значит что при изменении входного сигнала на 40 дБ (100 раз) выходной должен изменится на 6 дБ (2 раза). При минимальном сигнале на входе приёмника (чувствительность) 15 мкВ сигнал на выходе составляет около 60 мВ (для типовой схемы включения).

В процессе работы системы АРУ усиление каскадов приёмника, охваченных цепью регулирования, изменяется от максимального значения К₀ до некоторого минимального значения К_МИН, определяемого наибольшим уровнем входного сигнала. Относительное изменение усиления представляет собой глубину регулирования:

Глубина регулирования требуемая по ТЗ:



При расчёте распределения усиления по ЛТП, было установлено, что в УРЧ должно быть усиление 20 дБ, а в УПЧ 57 дБ, если на входе минимальный сигнал -15 мкВ. С учётом требуемой глубины регулирования, получим, что коэффициент усиления ЛТП должен меняться от 43 до 77 дБ. И, следовательно, а коэффициент усиления УПЧ должен регулироваться от 23 до 57 дБ.

Найдём коэффициент усиления, который должен обеспечить УПТ АРУ УПЧ:

Такое усиление должен обеспечить УПТ микросхемы К174ХА2, очевидно, что такое усиление достижимо, то есть, достижима и заданная глубина регулировки.

Динамические свойства системы АРУ определяются некоторым обобщённым параметром системы М, его максимальное значение:

Так как нам не заданы требования к длительности переходного процесса, а задан уровень коэффициента гармоник, постоянную времени фильтра АРУ будем считать по формуле:

Примем С_Ф=10 мкФ, тогда R_Ф=Т/ С_Ф=39,7 кОм.

Заданное усиление в УРЧ обеспечим с помощью резистивного делителя: напряжение регулировки Е_Р при котором обеспечивается усиление 20 дБ, составляет 0,225 В. С помощью делителя надо получить это напряжение из напряжения питания 9 В, то есть коэффициент передачи делителя должен быть равен 0,225/9=0,025. Пусть R1=1 кОм, тогда R2=39 кОм.

Выбор схемы УНЧ

При выборе схемотехнического решения, отмечалось, что УНЧ будет выполнен на интегральной микросхеме К174УН7. Эта микросхема широко распространена в малогабаритной бытовой технике, она обладает хорошими параметрами удовлетворяющими ТЗ.

Микросхему включим по типовой схеме из справочников, так как оно удовлетворяет всем параметрам ТЗ. Типовое включение микросхемы подразумевает использование радиатора, однако при выходной мощности менее 0,27 Вт можно обойтись и без него.

Рассмотрим работу микросхемы, принципиальная схема которой приведена на рисунке .

Рисунок 2.Принципиальная схема ИМС К174УН7.

Входным каскадом микросхемы 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. Сигнал с коллектора VT2 проходит через составной эмиттерный повторитель VT8, VT9, VT10, VT14. Далее сигнал поступает на оконечный двухтактный каскад, транзисторы VT17, VT18 которого образуют одно плечо, а транзисторы VT21, VT22 - другое. Этот каскад обеспечивает выходной ток усилителя. Для стабилизации рабочей точки служит составной каскад на VT15, VT16.

Заключение

В результате выполнения работы удалось спроектировать малогабаритный и сравнительно недорогой приёмник АМ - сигналов. Все его технические характеристики удовлетворяют параметрам, заданным в техническом задании: приёмник имеет требуемую чувствительность, выходную мощность, глубину действия автоматической регулировки усиления и так далее. Приёмник выполнен на малогабаритных и широко распространённых микросхемах и дискретных элементах. Схема аналогичная схеме приёмника в данной работе очень широко распространена в бытовой аппаратуре.

Список используемых источников

1. Проектирование радиоприёмных устройств: Учебное пособие для вузов/Под редакцией А.П. Сиверса. М: «Советское радио», 1978.

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

3. Б.П. Кудряшов и др., Аналоговые интегральные микросхемы: Справочник, изд. «Радио и связь», 1981.

4. Р.М. Терещук, К.М. Терещук и др., Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя, изд. «Наукова думка», 1981.