Анализ проектирования радиоприемного устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Описание существующего аналога проектируемого радиоприемника

Вещательное радиоприемное устройство «Любава».

Назначение:

Вещательное радиоприемное устройство «Любава» предназначено для установки в кают -- компаниях, салонах и других помещениях на судах морского, промыслового и речного флотов для приема передач радиовещательных станций в режиме А3 в диапазонах длинных (ДВ), средних (СВ), промежуточных (ПВ), коротких (КВ) волн и в режиме F3 в диапазоне ультракоротких (УКВ) волн.

Технические данные:

Частотная шкала приемника разбита на диапазоны, указанные в таблице:

Диапазон	Частота, МГц	Длина волн, м
ДВ	150-408 кГц	2000,0-735,3
СВ	525-1605 кГц	751,4-186,9
ПВ	2,3-5,06	1060-1690
КВ:
Полурастянутый №1	5,9-7,35	50,9-40,8
Полурастянутый №2	9,5-9,8	31,61-30,62
Полурастянутый №3	11,7-12,075	25,63-24,82
Растянутый №4	15,1-15,55	19,88-19,3
Растянутый №5	17,7-17,9	16,95-16,75
Растянутый №6	21,45-21,75	13,95-13,8
Растянутый №7	25,6-26,1	11,72-11,5
УКВ1	65,8-73	4,56-4,12
УКВ2	87,5-108	3,415-2,78

Радиоприемник рассчитан на работу с судовыми несимметричными антеннами любого типа в диапазонах ДВ, СВ, ПВ, КВ и внутренней или внешней судовой УКВ -- антенной.

Сохранность входных цепей устройства обеспечивается при подведении к его входу высокочастотных напряжений с уровнем до 100 В.

Чувствительность приемника в диапазонах УКВ при отношении сигнал + шум/шум =26 дБ составляет 2 -- 4 мкВ, а в диапазонах ДВ, СВ, ПВ, КВ при отношении сигнал + шум/шум =20 дБ составляет 10 -- 40 мкВ.

Ослабление чувствительности по зеркальному каналу и промежуточной частоте составляет 30 -- 60 дБ.

Избирательность по соседнему каналу при расстройке на ± 10 кГц равна 60 -- 80 дБ.

Диапазон эффективно воспроизводимых частот равен:

60 -- 6000 Гц в диапазонах ДВ, СВ, ПВ и КВ;

60 -- 15000 Гц в диапазонах УКВ и при воспроизведении граммофонной и магнитной записи.

Кроме ручной регулировки усиления в приемнике может регулироваться тембр низких и высоких звуковых частот в пределах 16 -- 20 дБ.

Управление устройством местное с передней панели.

Устройство питается от сети переменного тока с напряжением 110, 127, 220 или 237 В и частотой 50 Гц.

Потребляемая от сети мощность не превышает 50 Вт.

Блоки устройства имеют следующие габаритные размеры и массу:

приемник -- 690*175*315 мм, 14 и 15 кг;

звуковая акустическая колонка -- 510*330*180 мм, 16 кг

Радиоприемное устройство имеет выходы:

· на широкополосную закрытую акустическую систему объемом 36 л;

· на динамик;

· на магнитофон;

· на электропроигрыватель.

Максимальная выходная мощность при коэффициенте нелинейных искажений, не превышающем 10 %, составляет 15 -- 16 ВА, номинальная выходная мощность при коэффициенте нелинейных искажений, равном 2,5%, составляет 4 -- 6 ВА.

В устройство входят приемник и акустическая система.

Устройство включает в себя отдельные тракты и блоки

· Блоки УКВ

· Высокочастотную часть АМ тракта

· Блоки УПЧ

· Усилитель НЧ

· Акустическую систему

На рисунке 1 представлена структурная схема радиоприемного устройства «Любава».

2. Выбор номиналов промежуточных частот и количества преобразователей

При проектировании профессиональных судовых РПУ следует иметь ввиду, что многие из них имеют двухкратное, а иногда и трехкратное, преобразоваие частоты. В этом случае первая промежуточная частота выбирается как можно большей, исходя из требований подавления зеркальной помехи.

Ориентировочно, номинал первой промежуточной частоты должен удовлетворять:

fс.max = 26, 1 МГц - максимальная частота настройки радиоприёмника на КВ диапазоне (на которой ожидается наихудшее подавление зеркальной помехи).

Dз.к. = 35дБ =10^(35/20)=10^1.75=56,2 раза - заданное техническими условиями подавления зеркальной помехи.

Qэ.с.ч. = Q0/q=250/2,5=100 - реально допустимая добротность контуров в тракте сигнальной частоты.

Q0 = 250…300 - конструктивная добротность.

q = 2,5 - коэффициент шунтирования для биполярных транзисторов (из таблицы).

fпр.1 =489 кГц

Номинал второй промежуточной частоты должен обеспечивать требуемую избирательность приёмника по соседнему каналу. Для этого значение промежуточной частоты берётся как можно меньшим и при этом оно должно удовлетворять условию:

П2 п.ч.=9 кГц - полоса пропускания радиоприёмника на уровне 3 дБ.

Qэ2.п.ч.= 80…100 - эквивалентная добротность контуров тракта второй промежуточной частоты (из таблицы).

ш =2,7 коэффициент, зависящий от числа каскадов и контуров тракта второй промежуточной частоты (для УПЧ и ФСС);

П2п.ч. = 2Fmax для радиовещательных приёмников

Fmax =4,5 кГц- максимальная частота спектра модулирующего сигнала.



fпр2 =1944 кГц

Поскольку, значения промежуточных частот должны находиться вне диапазона рабочих частот приемника и отстоять как можно дальше от его границ, то конкретные значения выбрано в соответствии с условиями по ГОСТ:

fПЧ =500 кГц

3. Определение числа каскадов высокочастотного тракта

Исходя из заданной чувствительности приемника и значения напряжения, необходимого для нормальной работы демодулятора, можно определить требуемый коэффициент усиления высокочастотного тракта РПУ:

Где:

· 3 - коэффициент, учитывающий возможный разброс параметров транзисторов и ИМС;

· напряжение промежуточной частоты, подводимое к частным трактам, для стационарных радиоприемников ;

· Ea 0 = 25мкВ = 25•10-6 В - чувствительность радиоприемника, ;

,

Найдем общее значение коэффициента усиления радиотракта:

,



- входная цепь

- транзисторный УРЧ по схеме с ОЭ

- кольцевой балансный смеситель

- транзисторный УПЧ с ФСИ

- транзисторный УПЧ с полосовым фильтром

=8

Данное количество каскадов достаточно для обеспечения заданной чувствительности.

4. Определение числа контуров преселектора и структуры тракта сигнальной частоты

Число контуров преселектора выбирается из требуемого значения полосы пропускания входной цепи и УРЧ и заданной величины подавления зеркальной помехи.

Избирательность по зеркальному каналу, обеспечиваемая входной цепью, может быть приблизительно определена в децибелах по формуле:

, где

- относительная расстройка для частоты зеркального канала

=, где

- частота зеркальной помехи, Гц (при верхней или нижней расстройке гетеродина)

;



=26, 1 МГц - частота настройки приемника (проверка по зеркальному каналу производится на максимальной частоте диапазона);

- эквивалентная добротность контура в тракте сигнальной частоты (определена в пункте 2)

,

.=

В радиовещательных приемниках преселекторов содержит два контура - входная цепь и нагрузка УРЧ. Избирательность по зеркальному каналу, обеспечиваемая входной цепью и нагрузкой УРЧ может быть приблизительно определена в дБ по формуле:

2)

Заданная избирательность по зеркальному каналу = 35 дБ

Таким образом, преселектор содержит 2 контура - одноконтурная входную цепь и УРЧ. В п 8.2 доказано, что УРЧ посторен на каскодной схеме.

Окончательно определим число контуров тракта сигнальной частоты - при этом расчет избирательности проводим по каналу ПЧ при помощи относительной расстройки для канала ПЧ:

fпр.1 =489 кГц

,

что удовлетворяет заданному условию.

Таким образом, преселектор содержит два контура - входную цепь и нагрузку УРЧ. В п 8.2 доказано, что УРЧ построен на каскодной схеме

5. Определение структуры тракта промежуточной частоты

Тракт ПЧ в зависимости от числа преобразований частоты подразделяется на тракты первой, второй и т.д. промежуточных частот, последний из которых обычно являнется трактом основной промежуточной частоты. Поскольку в данном варианте используется одно преобразование частоты (обосновано в п 2), то тракт промежуточной частоты содержит

· транзисторный усилитель ПЧ с ФСИ

· усилитель ПЧ с полосовым фильтром

6. Определение структуры частных трактов

Частные тракты радиоприёмников служат для демодуляции всех видов принимаемых излучений и непосредственного воспроизведения принятой информации на предусмотренных выходных устройствах.

В зависимости от вида принимаемых колебаний формируются соответствующие частные тракты радиоприёмника.

Поскольку в данном варианте класс излучения А3Е, то структура тракта будет следующей:



7. Составление полной структурной схемы проектируемого радиоприемника

1) Преселектор содержит 2 контура - входную цепь и нагрузку УРЧ

2) Один УРЧ по схеме с ОЭ

3) Смеситель

4) Состав тракта УПЧ:

· 1 каскад - транзисторный УПЧ с полосовым фильтром

· 2 каскад - транзисторный УПЧ с ФСИ

5) Каскады УПЧ охвачены АРУ

6) Тип преобразователя: транзисторный преобразователь с отдельным гетеродином

7) Промежуточная частота 465 кГц.

На рисунке представлена общая схема радиоприемника:

8. Электрический расчёт каскадов радиоприёмника

Расчёт входной цепи:

Расчет одноконтурной входной цепи с внешнеемкостной связью с антенной.

Поскольку в Части 1 п. 4 я рассчитывала по формуле

2),

то входная цепь - одноконтурная.

На рисунке представлена схема одноконтурной входной цепи с внешнеемкостной связью с антенной.

Это наиболее простой вид связи антенны с входной цепью приемника. Применяется на ДВ, СВ, КВ при небольших коэффициентах перекрытия поддипазонов.

Определение оптимальной емкости конденсатора связи Ссв входного контура.

С увеличение Ссв растет вносимое в контур входной цепи из антенны активное и реактивное сопротивление, что ухудшает ее избирательные свойтсва и ведет к смещению настройки. Малая емкость связи вызывает уменьшение коэффициента передачи входного устройства. Поэтому емкость связи выбирают в пределах 10…20 пФ на диапазоне КВ.

Ссв=20пФ

Рассчет величины полной емкости входного контура для трех точек поддиапазона с учетом влияния емкостей антенны и конденсатора связи:

Рассчитаем входные данные

а) f min=12,45 МГц и f max=21,75 МГц

б) Параметры указанной приёмной антенны:

ra=(20…500)Ом, возьмем ra=200 Ом;

La?15 мкГн

Ca=(55…100) пФ, возьмем Ca=80 пФ

в) Эквивалентная добротность контуров в тракте сигнальной частоты Qэ.с.ч.=100 - определена в Части I п 2

г) Емкости схемы:

СЭ max и СЭ min - соответственно минимальная и максимальная емкости контура на крайних частотах поддиапазона, они определяются по соотношениям:

СЭ max= СКПЕ max+ Сcx

СЭ min = СКПЕ min+ Сcx

Здесь СКПЕ max и СКПЕ min - минимальная и максимальная емкости КПЕ, определяемые в зависимости от диапазона частот:

СКПЕ min = 8…12 пФ, возьмем СКПЕ min= 10 пФ

СКПЕ max = 150…250 пФ, возьмем СКПЕ max=200 пФ

Cсх = CМ+ CL+ Cп ср+ m2 Cвх

Cсх - ёмкость схемы, которая включает в себя ёмкость монтажа СМ (из таблицы), межвитковую ёмкость катушки CL (из таблицы), среднюю ёмкость подстроечного конденсатора Сп.ср. (из таблицы), входную ёмкость последующего каскада Свх (С11) (из таблицы)

СМ =2…7 пФ, возьмем СМ =4 пФ

CL = 3…5 пФ, возьмем CL =4 пФ

Тип подстроечного конденсатора выберем КПК-1,

Сп.ср = 6…25 пФ, возьмем Сп.ср =10 пФ

Входная ёмкость усилителя радиочастоты (смесителя) определена типом усилительного элемента и схемой его включения. У меня усилительный элемент - биполярный транзистор. Величина включения контура в цепь усилительного элемента m может быть предварительно принята m = 0,5.

Выберем биполярный транзистор тип ГТ313Б, для этого транзистора на заданном диапазоне частот входная емкость Cвх=50 пФ - по таблице 14 М1

Cсх=Cм+CL+Cп.ср.+m2Cвх= 4+4+10+0,52·50 = 30,5 пФ

Посчитаем значения СЭ max и СЭ min :

СЭ max= СКПЕ max+ Сcx = 10+30,5=40,5 пФ

СЭ min = СКПЕ min+ Сcx = 200+30,5=230,5 пФ

Рассчет величины полной емкости входного контура для начала поддиапазона f min=21,45 МГц

,

=56,5 пФ

Рассчет величины полной емкости входного контура для начала поддиапазона f ср=21,6 МГц

f ср=( 21,45 +21,75)/2 = 21,6 МГц

,

=56,10 пФ

Рассчет величины полной емкости входного контура для начала поддиапазона f max=21,75 МГц

,

=55,72 пФ

Определение индуктивности контурной катушки

Данное значение входит в допустимый диапазон на КВ - 0,1…20мкГн.

Расчет характеристического сопротивления контура

=207,44 Ом

Расчет сопротивления потерь контура

2,074 Ом

Вычисление коэффициента передачи по напряжению входного устройства для трех точек поддиапазона



= пФ

Для f min=21,45 МГц

,

,

Для f ср=21,6 МГц

,

,

Для f max=21,75 МГц

,

,

Таблица результатов расчета в пункте 8.1.5

f, кГц	21,45	21,6	21,75
Кв.ц.	285,2	283,18	287,15

Исходя из полученных данных, строю график зависимости коэффициенты передачи двухконтурного фильтра от частоты:



По таблице определяем неравномерность коэффициента передачи входной цепи в пределах поддиапазона

.

=1,0068

Рассчет коэффициента частотных искажений, вносимых контуром

,

Пср - среднее значение полосы пропускания УПЧ

Пср=9кГц

,

,

Полученное значение коэффициента входит в обычный диапазон 0,95…0,99.



9. Расчет усилителя принимаемой частоты

Расчет диапазонного УРЧ с двойным автотрансформаторным включением контура.

Выбор транзистора и его основные параметры:

Я выбрала транзистор ГТ313Б

Параметры данного транзистора:

· Коэффициент передачи тока

· Предельная частота

· Сопротивление базы

· Выходная емкость

· Проходная емкость

· Обратный ток коллектора

· Входная проводимость транзистора

· Выходная проводимость транзистора

· Входная емкость транзистора

· Проводимость прямой передачи

Исходные данные:

· Собственное затухание контура

· Граничные частоты поддиапазона

· Полоса пропускания приемника П = 9 кГц

· Промежуточная частота приемника

· Избирательность по зеркальному каналу усилителя радиочастоты , 2/3 так как у меня двухконтурная входная цепь

·

Значение индуктивности контурной катушки принимается такое же, как и в контуре входной цепи:

,

Из условия обеспечения заданной полосы пропускания приемника и избирательности по зеркальному каналу определение эквивалентного затухания контура:

,

:

- эквивалентное затухание контуров УРЧ, обеспечивающее заданную полосу пропускания и избирательность по зеркальному каналу.

эквивалентное затухание каждого из контуров УРЧ, обеспечивающее требуемую полосу пропускания.

,

Где: n - число каскадов УРЧ; n=1

,

- эквивалентное затухание каждого из контуров УРЧ, обеспечивающее необходимую избирательность по зеркальному каналу.

,

,



Получается:

,

Выбираю

Определение коэффициенты включения из условия обеспечения требуемых полосы пропускания УРЧ, избирательности по зеркальному каналу и режима согласования на минимальной частоте поддиапазона:

,

Поскольку m1>1, то m1 возьмем равное 1 и расчет m2 произведем по формуле

,

,

Рассчет эквивалентного затухания контура на трех частотах поддиапазона: радиоприемный преобразователь сигнальный катушка

,

Вместо в формулу необходимо подставить значения

,

Для быстроты расчетов приведу формулу к удобному виду. Поскольку отличаться будут только частоты, то можно один раз перемножить все множители второго слагаемого, а далее умножать на необходимую частоту:

[МГц]

Для

,

Для

,

Для

,

Рассчитет резонансного коэффициента усиления в наихудшей точке поддиапазона (на ):

,

,

Определение предельно устойчивого коэффициента усиления УРЧ на максимальной частоте поддиапазона (при включении транзистора с ОЭ):



,

Сравнивая с получаю, что:

, причем , следовательно, целесообразен переход к каскодной схеме УРЧ.

При переходе к каскодному УРЧ следует учесть, что Величина проходной емкости:

,

Выходная проводимость транзистора

,

а) Определение предельно устойчивого коэффициент усиления УРЧ на максимальной частоте поддиапазона, учитывая переход к каскодному УРЧ:

,

,

б) Пересчет коэффициентов включения контуров:



,

Так как , то полагают что

,

,

в) Подключение к контуру резистора (шунта с проводимостью):

г) РАссчет коэффициент усиления каскодного УРЧ с учетом новых значений коэффициентов включения контуров :

,

д) Сравнение полученного значения каскодного УРЧ:



следовательно, ,

а значит, можно окончательно перейти к каскодному варианту УРЧ.

Определение резонансного коэффициента усиления на подставляя в формулу соответствующие значения частоты и затухания контура :

,

,

,

,

Сведение полученных результатов в таблицу:

и постороение графика зависимости коэффициента усиления каскада от частоты:

Определение емкости подстроечного конденсатора:

,

,



Cp=12•4•10-12+0.112•50•10-12+4•10-12+4•10-12 = 12,6 пФ

=57,75-12,6=45,12 пФ

Сп <50пФ, а значит нет необходимости включать в котур постоянный конденсатор (М1 с. 57)

Определение изменения обратного тока коллектора, вызванное изменением температуры:

,

,

Определение температурного смещения напряжения базы по соотношению:

,

Определение нестабильности коллекторного тока:

,

,

Определение сопротивления резистора эмиттерной цепи:

,

,

r11 - входное сопротивление транзистора

,

,

Рассчет сопротивления резистора

, гле Uкэ1 =Uкэ2

,

Нахождение суммарного сопротивления делителя напряжения базового смещения R0=R1+R2+R3 , то есть:

,

,

Определение сопротивление резисторов

,

,

,

,

,

,

Рассчет емкости блокирующих конденсаторов



,

,

,

,

Схема каскодного УРЧ представлена на рисунке

10. Расчет УПЧ с фильтром сосредоточенной избирательности

УПЧ с ФСИ применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую избирательность тракта при небольшом числе каскадов. В качестве ФСИ применяют цепь связанных контуров, характеристическое сопротивление которой согласовано с выходным сопротивлением VT1 и входным сопротивлением VT2 за счет автотрансфотматорной связи. Число контуров не превышает шести, т.к. с увеличением числа контуров ФСИ, усиление каскада уменьшается.

Расчет производится методом круговых диаграмм

Исходные данные:

Пупч ср=9 кГц

fпр=500кГц

Дf=±10кГц

Q0=120, то собственное затухание контура

Ослабление при расстройке ±10кГц не менее 50 Дб

Выбор транзистора

Я выбрала транзистор ГТ308В. Исходные данные:

· Выходная емкость

· Проходная емкость

· Обратный ток коллектора

· Входная проводимость транзистора

· Выходная проводимость транзистора

· Входная емкость транзистора

· Проводимость прямой передачи

· Характеристическое сопротивление фильтра с = 30 кОм

· Исходный рабочий режим транзистора I0к = 5 мА; Uк-э = 6 В

Проверка целесообразность применения ФСИ

Для того, чтобы обеспечить ту же ширину полосы, что и в полосовом фильтре, ширина полосы контура ФСИ должна быть в два раза больше, чем ширина полосы пропускания одиночного контура:

Учитавая, что ФСИ содержит ряд колебательных контуров, ширина ПП суммарной резонансной характеристики которых будет в 2-3 раза меньше ПП каждого из контуров следует ширину ПП каждого из контуров увеличить в два раза: . Тогда или ;

Для придания определенности, основываясь на реальных значениях добротности контуров и принимая Qкр=160

;



55,5?57 - применение ФСИ целесообразно

Для получения частотной характериски с узкой ПП могут быть использованы узкополосные фильтры, обладающие минимальным затуханием в ПП и крутыми спадами характеристики на граничных частотах. Я выберу фильтр типа III2I со следующей схемой звена:

Необходимо рассчитать соотношения , и

f=fпр = 500 кГц;

f1=500-4,5=495,5 кГц;

f2 = 500+4,5=504,5 кГц

Определение затухания на частотах.

По таблице 1 М4 определим затухание на частотах.

f1=500-4,5=495,5 кГц;



f2 = 500+4,5=504,5 кГц

По рисунку 52 М4 на f1 = 495.5 кГц при Q = 160

b =3,8 дБ; 6b = 22,8 дБ;

По рисунку 51М4 на f2 = 504.5 кГц при Q = 160

b =3.4 дБ; 6b = 20,4 дБ;

По рисунку 54 М4 на

определим наименьшее затухание фильтра в ПП:

b =1,8 дБ; 6b = 10,8 дБ;

Таким образом, для получения требуемого затухания в 50 дБ следует взять шесть звеньев фильтра.

Определение по годографам затухания на частотах f<f1 и f>f2

Поскольку на рисунке нет линии Q=160, будем определять чуть левее линии Q=150, при этом погрешность будет несоизмеримо мала и ею можно пренебречь

Затухание на частотах f>f2 (по рисунку 25) при Q=160:

f, кГц	450	460	470	480	485	490	450
f2/f	0,91001	0,930233	0,950455	0,970677	0,980789	0,9909	0,91001
b, дБ	50	47	45	40	37	35	50
6b, дБ	300	282	270	240	222	210	300

Затухание на частотах f<f1 (по рисунку 10) при Q=160:

Постоим частотную характеристику фильтра

Определение элементов схемы

пФ

нФ

мГн

Схема УПЧ с ФСИ



11. Тракт НЧ на интегральной микросхеме

Из условия обеспечения выходной мощности 6 Вт на нагрузке 4 Ом микросхему УЗЧ сконструирую на двух микросхемах: предварительный усилитель на микросхеме К235УН5и оконечный на К237УН1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрические параметры ИМС К235УН5

-напряжение питания - 6,3±0,63 В;

-потребляемый ток не более - 2,2 мА ;

-коэффициент усиления по напряжению не менее 400;

-нижняя частота -не более 25 Гц;

-входное сопротивление - не менее 4 кОм;

-потребляемая мощность -не более 14мВт.

Типовая схема включения



Размещено на http://www.allbest.ru/

12. Дополнение - блоки РПУ, не вошедшие в расчет

Кольцевой балансный смеситель

В данном варианте будет мостовая схема. Достоинства этой схемы - хорошая развязка гетеродина от цепей тракта и промежуточной частоты, отсутствие потребления мощности от источников питания, меньший уровень комбинационных искажений.

Схема кольцевого балансного смесителя

УПЧ с двухконтурным полосовым фильтром

Полосовые усилители сочетают получение достаточно высокого коэффициента усиления с хорошей избирательностью тракта УПЧ.

Чтобы точно определить схему, необходимо узнать значение соотношения

В п 8.2.8 я рассчитала Ку = 16,23

В качестве усилительного элемента я выбрала транзистор ГТ313Б

,

, то переходить к каскодному варианту усилителя нет необходимости.

Схема УПЧ с двухконтурным полосовым фильтром

АРУ

АРУ будет спроектирован на микросхеме К224ЖА3. Данная микросема предназначена для детектирования АМ сигналов и усиление напряжения АРУ. Принципиальная схема и схема включения приведены ниже:



Список используемой литературы

1. Марков В.А. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию радиоприёмных устройств. - СПб.: ГМА, 1996. - 60 с.

2. Марков В.А. Проектирование судовых радиоприёмных устройств. Учебное пособие. - М.: В/О “Мортехинформреклама”, 1992. - 57 с.

3. Семёнов К.А. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию на тему “Расчёт полосовых фильтров сосредоточенной избирательности”. - Ленинград, 1990. - 76 с.

Размещено на Allbest.ru