Проектирование радиоприемного устройства

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Основная задача радиосвязи на железнодорожном транспорте - обеспечение безопасности движения поездов и маневровой работы.

Радиосвязь все более широко и повсеместно входит во все структуры железнодорожного транспорта. Использование радиосвязи в станционной работе улучшает технологию обработки вагонов, благодаря чему сокращается их простой и время маневровой работы, ускоряются остальные технологические процессы.

Таким образом, внедрение и применение средств радиосвязи на железнодорожном транспорте обусловлено экономически и технологически.

Целью данного курсового проекта является проектирование радиоприемного устройства, с техническими требованиями, данными в задании.

В данном курсовом проекте предлагается разработать радиоприемное устройство.

Радиоприемным называется устройство, предназначенное для приема сообщений, передаваемых с помощью электромагнитных волн. Радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника и оконечного устройства. В приемной антенне под действием электромагнитного поля возникают электрические колебания, которые являются входными сигналами для приемника. В качестве оконечного устройства, воспроизводящего или регистрирующего переданные сообщения, используют громкоговоритель, кинескоп, буквопечатающий аппарат, электронно-вычислительное устройство и т. д. Основными функциями, выполняемыми приемником, являются:

- выделение принимаемых сигналов из множества сигналов других радиостанций и помех (фильтрация по частоте);

- усиление принимаемых сигналов, мощность которых на входе обычно весьма мала;

- детектирование высокочастотных сигналов для выделения переносимых этими сигналами сообщений;

- обработка принимаемых сигналов с целью уменьшения влияния помех. Радиоприемники классифицируют по их назначению, диапазону принимаемых частот, виду модуляции и т. д. Различают также приемники ламповые и транзисторные, стационарные и переносные.



1. Предварительный расчет радиопринимающего устройства

1.1 Выбор промежуточной частоты

Промежуточная частота выбирается из условий, что она:

* должна быть вне диапазона рабочих частот приемника;

* должна обеспечивать заданное ослабление зеркального канала;

* должна быть достаточно низкой, чтобы обеспечить необходимое устойчивое усиление приемника при наиболее простых и дешевых электронных приборах и избирательных системах;

* иметь одну из следующих стандартных величин: 110 кГц; 625 кГц; 0.9 МГц; 1.6 МГц; 2.5 МГц; 6.5 МГц; 8.5 МГц; 24 МГц; 30 МГц;60 МГц; 100 МГц.

По заданию рабочая частота равна 2,15 МГц. Выбираем первую промежуточную частоту 2,5 МГц.

1.2 Определение количества каскадов для обеспечения заданной чувствительности

Чем выше чувствительность приемника, тем большее усиление потребуется от него, тем большее количество каскадов необходимо.

Необходимый для обеспечения чувствительности коэффициент усиления тракта высокой частоты (ТВЧ):

где - напряжение, подводимое к детектору, В,

- чувствительность приемника, В.

.

Усиление тракта высокой частоты в схеме однократного преобразования обеспечивается входной цепью с коэффициентом передачи , усилителем высокой частоты с коэффициентом усиления , преобразователем частоты с коэффициентом преобразования , усилителем промежуточной частоты .

Следует выбрать необходимое количество каскадов, обеспечивающих необходимое усиление ТВЧ, при некотором превышении реального коэффициента над требуемым, то есть при соблюдении условия:

Зададимся значениями коэффициентов передачи каскадов ТВЧ:

К_ВЧ =2, К_УВЧ =5, К_ПР =7, К_УПЧ =15

Для получения заданного усиления будем использовать два каскада УПЧ. Таким образом,

.

Очевидно, что требуемое условие Ктвч >К'твч выполняется.



1.3 Расчет полосы пропускания приемника и определение полос пропускания его отдельных трактов

Для повышения избирательности приемника ЧМ колебаний стремятся уменьшить полосу пропускания его линейной части. Однако для избежания искажений ограничиваются допустимыми значениями. При полосе пропускания, соответствующей так называемой реальной ширине спектра колебаний, еще должны восприниматься с умеренными частотными искажениями те гармоники спектра, интенсивность которых превышает 1% от интенсивности суммарных колебаний.

Полоса пропускания приемника определяется требуемой полосой воспроизводимых частот:

где П - полоса пропускания ТВЧ,

ширина спектра принимаемого сигнала,

нестабильность, определяемая уходом частоты гетеродина и частоты передатчика.

Нестабильность частоты гетеродина определяется по формуле:

,

где Г = 0,3…0,7 - коэффициент совпадения уходов частот передатчика и гетеродина,

- максимальный уход частоты передатчика,

- максимальный уход частоты гетеродина.

,

где - частота гетеродина,

- коэффициент нестабильности.

При верхней настройке гетеродина

,

где = 2,15 МГц - частота сигнала,

= 2,5 МГц - промежуточная частота.

Частота гетеродина:

МГц.

Максимальный уход частоты гетеродина:

Гц.

Нестабильность частоты гетеродина равна:

Гц.

Таким образом, полоса пропускания приемника:

Гц.

1.4 Определение количества фильтров, обеспечивающих заданную избирательность и полосу пропускания в тракте сигнальной частоты и ПЧ при однократном преобразовании частоты

Избирательность по соседнему каналу обеспечивается, в основном, фильтрами промежуточной частоты, а по зеркальному каналу - фильтрами, настроенными на частоту принимаемого сигнала. Однако не только обеспечить требуемую избирательность приемника, но и полосу пропускания. Требования эти противоречивы: обычно чем больше избирательность, тем уже полоса и наоборот.

Для обеспечения высокой избирательности добротность контура должна быть высокой, а для расширения полосы пропускания - низкой.

,

где Q - добротность контура,

- резонансная частота,

- полоса пропускания контура.

Из условия обеспечения избирательности по зеркальному каналу добротность Q должна быть не менее:

,

где n - количество трактов сигнальной частоты, принимаем n=1,

- избирательность по зеркальному каналу в разах.

Избирательность по зеркальному каналу, дБ:

S_ЭК = 20 * lg, откуда

.

.

Из условия обеспечения полосы пропускания, добротность контуров тракта сигнальной частоты должна быть не более

где Мк - частотные искажения тракта сигнальной частоты в разах.

Принимаем частотные искажения на уровне 0.707, равными 3дБ (М_ДБ=3дБ), тогда:

Мк =10^0,3/20 =1,035.

Искомая величина эквивалентной добротности определяется с учетом обеспечения как избирательности по зеркальному каналу, так и полосы пропускания:

.

Учитывая то, что практически реализуемой эквивалентной добротностью является Q_э ?100, принимаем Q_э = 78.

Фильтры промежуточной частоты определяют полосу пропускания приемника и его избирательность по соседнему каналу.



2. Составление структурной электрической схемы

Структурная схема приемника представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема приемника

Антенна (А) преобразует электромагнитные колебания в токи ВЧ, поступающие во входную цепь (ВЦ). ВЦ представляет собою полосовой фильтр, настроенный на частоту принимаемого сигнала. Затем принятые колебания усиливаются усилителем высокой частоты (УВЧ). УВЧ иногда называют усилителем сигнальной частоты (УСЧ).

Затем следуют преобразователь частоты, состоящий из смесителя (См), нагрузкой которого является ПФ_См, и гетеродина (Г), амплитудный и резонансный усилители промежуточной частоты (УПЧ1 и УПЧ2) с полосовыми фильтрами (ПФ1 И ПФ2). В результате преобразования частота принимаемого сигнала перемещается в новую область, называемую промежуточной частотой.

Далее модулированные колебания ВЧ поступают на дробный детектор (ДД), который преобразует их в колебания НЧ, соответствующие модулирующему сигналу. Эти колебания усиливаются сначала усилителем напряжения низкой частоты (УННЧ), а затем усилителем мощности низкой частоты (УМНЧ). Полученный сигнал воспроизводится громкоговорителем (Гр). радиопринимающий устройство каскад электрический



3. Разработка принципиальной схемы приемника

3.1 Выбор и обоснование входной цепи

Входная цепь должна обеспечивать, возможно, большую избирательность при допустимой неравномерности усиления в полосе пропускания и максимальный коэффициент передачи напряжения. При этом изменение коэффициента передачи по напряжению в пределах рабочего диапазона частот должно быть как можно меньшим. А также должна согласовывать фидерную линию с входом первого усилительного каскада с целью повышения отношения сигнал/шум.

Входные цепи классифицируются по двум основным признакам: по виду колебательной системы, настроенной на частоту принимаемого сигнала, и по способу связи этой системы с антенной. В качестве колебательных систем во входных цепях применяют как одиночные контуры, так и различные системы связанных контуров. Одноконтурная входная цепь получила широкое применение из-за простоты конструктивного выполнения, более высокого и постоянного по диапазону коэффициента передачи, удобства настройки по сравнению с многоконтурными.

По виду связи антенны с контуром различают схемы с индуктивной, емкостной, индуктивно-емкостной и автотрансформаторной связью. Недостатком входной цепи при емкостной связи является непостоянство коэффициента передачи по диапазону.

Во входных цепях метровых и дециметровых волна наиболее распространены автотрансформаторная и трансформаторная связь контура с антенной и неполное подключение контура к усилительному прибору УВЧ, что ослабляет его влияние на контур.

Наибольшим постоянством коэффициента передачи по диапазону обладает схема индуктивной связи контура с ненастроенной антенной при удлиненной антенной цепи.

Выбранная входная цепь включает в себя колебательный контур LC, соединенный с антенной и с входом УВЧ емкостной связью (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема электрическая принципиальная входной цепи

3.2 Выбор схемы каскада УВЧ

Усиление радиочастотных колебаний в приемнике осуществляется с помощью УВЧ. Схема УВЧ собрана на транзисторе с общим эмиттером. Для достижения высокой избирательности необходимо сохранить за счет изменения коэффициента включения контура LC в коллекторную цепь.

К УВЧ прежде всего предъявляется требование постоянства коэффициента усиления по диапазону. Коэффициент усиления на резонансной частоте зависит в основном от крутизны характеристики транзистора и резонансного сопротивления контура. Резонансное сопротивление зависит от частоты, поэтому коэффициент усиления зависит также от частоты.

Резонансные УВЧ повышают избирательность по зеркальному и усиливают сигнал, способствуя повышению чувствительности приемника. Поэтому для обеспечения наибольшей чувствительности и избирательности будем применять резонансный усилитель (рисунок 3).



Рисунок 3 - Схема электрическая принципиальная УВЧ

3.3 Выбор и обоснование схемы ПЧ

Существуют ПЧ на полупроводниковых диодах и транзисторах. ПЧ на транзисторах характеризуется значительно большим коэффициентом передачи, чем диодные, и большим уровнем шумов. Транзисторные ПЧ содержат два основных устройства: смеситель и гетеродин.

К смесителю предъявляются следующие требования: минимальный уровень вносимых шумов и искажений при наименьшей зависимости его от частоты настройки приемника, как можно меньшее количество побочных каналов приема.

В качестве смесителя будем использовать схему на биполярном транзисторе (рисунок 4). Синусоидальные колебания с гетеродина подаются на эмиттер транзистора смесителя , что обеспечивает смещение рабочей точки с частотой гетеродина и в конечном счете сдвиг спектра сигнала в область низких частот.

Нагрузкой смесителя является фильтр, настроенный на частоту f_пр = f_г - f_с, он отделяет составляющую тока с промежуточной частотой от составляющей с частотами f_c и f_с+f_г .



Рисунок 4 - Схема электрическая принципиальная ПЧ

Гетеродин, применяемый в преобразователе частоты супергетеродинного приемника, должен генерировать в заданном диапазоне частот колебания достаточно стабильной частоты с примерно постоянной амплитудой, необходимой для работы смесителя. При этом не должно быть паразитной генерации. Гетеродины ЧМ приемников не должны иметь паразитной частотной модуляции. Принципиальная схема гетеродина проиллюстрирована на рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема гетеродина



3.4 Выбор УПЧ

Основные требования, предъявляемые к усилителям промежуточной частоты (УПЧ),-- обеспечение избирательности по соседнему каналу, формирование полосы пропускания, обусловливающей необходимую точность воспроизведения на выходе передаваемого сообщения, и основное усиление принимаемого сигнала до детектора.

Частотная избирательность УПЧ определяется крутизной ската резонансной кривой, а полоса пропускания -- шириной этой кривой на заданном уровне. Избирательность усилителя иногда характеризуют коэффициентом прямоугольности резонансной характеристики.

Из предварительного расчета выяснилось, что для реализации необходимого усиления используем два УПЧ. Апериодический усилитель промежуточной частоты выполнен на резисторах и приведен на рисунке 6. У резонансного усилителя нагрузкой является резонансная система

Рисунок 6 - Схема электрическая принципиальная апериодического УПЧ



3.5 Выбор детектора

Детектирование частотно-модулированных сигналов производится с помощью частотных детекторов. К частотным детекторам предъявляются следующие основные требования: 1) изменение выходного напряжения во времени должно по возможности более точно повторять закон изменения частоты подводимого на вход сигнала; 2) коэффициент передачи напряжения должен быть возможно большим; 3) выходное напряжение должно оставаться по возможности постоянным при изменении амплитуды входного сигнала.

Наибольшее применение в приемниках получил детектор отношений. Один из вариантов схемы детектора отношений приведен на рисунке 7. По сравнению с другими частотными детекторами он обладает следующими преимуществами: 1) работает при более слабых входных сигналах; 2) подавляет паразитную амплитудную модуляцию при более слабых входных сигналах и в более, широкой полосе частот. Дробный детектор не требует установки перед ним ограничителя амплитуды, так как эффективно подавляет паразитную амплитудную модуляцию.

Рисунок 7 - Схема электрическая принципиальная дробного детектора



3.6 Выбор УНЧ

Тракт низкой частоты состоит из усилителя напряжения низкой частоты и усилителя мощности низкой частоты. Основное требование, предъявляемое к ТНЧ, - получение необходимой мощности при заданных допустимых искажениях сигнала и максимальном КПД. УННЧ представляет собой апериодический усилитель. В качестве УМНЧ используем схему апериодического усилителя (рисунок 8), нагрузка которого - активное сопротивление, для согласования с динамиком применяем трансформатор.

Рисунок 8 - Схема электрическая апериодического усилителя

Схемы выбранных каскадов соединяем в одну единую схему приемника, при этом обеспечиваем единое питание всех каскадов постоянным напряжением равным 12В (см. Приложение).



4. Расчёт апериодического усилителя

Рисунок 9 - Апериодический усилитель на биполярном транзисторе

Расчёт схемы апериодического усилителя разделяется на расчёт по постоянному току, при котором определяются резисторы R_б1, R_б2, R_э и расчёт по переменному току, при котором определяются C_р1, C_р2 и выбирается резистор R_к.

Расчёт элементов по постоянному току:

Резистор в эмиттере

,

где Е_n - напряжение питания;

I_k - ток коллектора транзистора (обычно I_k =1…5 мА) принимаем

равным 4 мА.

кОм.

Выберем R_э=1 кОм.

Базовый резистор

где R_б - сопротивление базы транзистора, представляющее собой параллельно включённые Rб1 и Rб2.

S_нст - коэффициент нестабильности (выбирается в пределах 2…5),

Принимаем равным 5.

кОм

Резисторы R_б1, R_б2 рассчитываются по формулам:

,

,

кОм,

кОм.

Расчёт схемы по переменному току:

Выбираем транзистор малой мощности с fгр ? 10Fв,

где Fв - верхняя гармоническая частота усилителя.

Выбираем транзистор ГТ309Б с fгр?120МГц

h_21э = 60…180

h_{21э min} = 60

Рассчитаем значения конденсаторов C_р1, C_р2 по следующим формулам:

,

,

,

где F_н - нижняя граничная частота усиления,

R_вх - входное сопротивление каскада (зависит от тока коллектора)

При I_k=1…5 мА принимаем R_вх=1 кОм.

S_э - крутизна тока эмиттера;

М_н1, М_н2, М_н3 - частотные искажения на низких частотах, приходящихся на каждый из конденсаторов.

Общие искажения М_ндб = 6дБ переведем в разы:

М_н=10(М_ндб/20) = 10(6/20) = 2.

Распределим М_н на каждый из конденсаторов:

М_н= М_н1*М_н2*М_н3=1,03*1,2*1,6,

М_н1=1,03; М_н2=1,2; М_н3=1,6;

Определим емкость конденсаторов:

Выберем С_р1=5 мкФ.

Выберем С_р2=1 мкФ.

Определим:

Sэ= h_{21э min}/R_вх=60/1000=60 мА/В. Тогда

Выберем С_бл=5 мкФ.

3. Рассчитаем коэффициент передачи по напряжению:

где h_21Э - коэффициент передачи по току транзистора;

Rн - сопротивление нагрузки (принимаем равным 0,5 кОм)

4 Частотные искажения каскада на высоких частотах:

где С₀ - паразитная емкость (10…20 пФ), выберем С₀ = 15 пФ.

Эти искажения должны быть меньше заданных:

М_в=10(М_ндб/20) = 10(2/20)=1,41

Условие выполняется, т.е. М_в>М_врасч



Заключение

В данном курсовом проекте было разработано радиоприемное устройство по супергетеродинной схеме, которая обеспечивает необходимое усиление тракта сигнальной частоты.

Радиоприемник обладает достаточной избирательностью и чувствительностью, что определяет его способность принимать слабые станции, выбирать их из множества других. Чувствительность ограничивается лишь собственными шумами. Основное усиление в приемнике обеспечивают каскады УСЧ.

Разработана электрическая принципиальная схема радиоприемного устройства, а также структурная схема. Выбраны наиболее подходящие в соответствии с заданием схемы каскадов.



Литература

1. Расчет узлов каналообразующих устройств. Часть 1. Расчет узлов и каскадов радиоприемника: Методические указания для курсового и дипломного проектирования. / Б. А. Богосов; РГУПС, Ростов н/Д,1994.

2. Б. А. Богосов, Х. Ш. Кульбикаян, М. М. Скрыпник: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию «Предварительный расчет приемников железнодорожной радиосвязи».

3. Р.М. Терещук, К.М. Терещук, А.Б. Чаплинский:”Малогаборитная радиоаппаратура”- справочник радиолюбителя. Киев 1972г.

4. В.Г. Борисов: “Юный радиолюбитель ”- Москва “Радио и связь” 1986г.

Размещено на Allbest.ru