ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ:
«Устройстваприема и обработки сигналов»
Студент Шмыренков С.А.
Группа 311 Специальность 201700
2007
Содержание
1. Выписка из ГОСТа
2. Введение
3. Технико-экономическое обоснованиеи расчёт структурной схемы приёмника
4. Расчет входной цепи
5. Выбор источника питания
6. Заключение
7. Библиографический список
приемник цепьчастота гетеродин
1. Выписка из ГОСТа
1. Видмодуляции А3J
2.Чувствительность приемника, мкВ 1
3. Избирательность приемника пососеднему каналу, дБ 80
4. Избирательность приемника попобочным каналам, дБ 66
5. Избирательность приемника позеркальному каналу, дБ 66
6. Динамический диапазон входныхсигналов, дБ 60
7. Динамический диапазон выходныхсигналов, дБ
8. Диапазон модулирующих частот, Гц 300-3400 Гц
9. Нестабильность частоты гетеродина />
10. Сопротивление антенны, Ом 75
2. Введение
Радиоприемное устройство– одно из важнейших и необходимых элементов любой радиотехнической системыпередачи информации. Оно обеспечивает: улавливание энергии электромагнитного поля,несущего полезные сообщения; усиление мощности полезного радиосигнала;детектирования; усиление мощности сигнала и преобразования его в сообщение,поступающее получателю.
В месте приемасуществуют посторонние электромагнитные поля, создаваемые источникамирадиопомех естественного и искусственного происхождения. Эти радиомагнитныеполя искажают полезный сигнал и вызывают ошибки в приеме сообщения. Учитывая,что реальные условия приема сигналов изменяются во времени, структура приемникаи режимы его элементов должны оптимизироваться, с целью обеспечить минимальнуювеличину ошибки в приеме сообщений. В приемнике могут предусматриватьсяавтоматические регулировки усиления, избирательности, формы характеристик,обеспечивающие адаптацию приемника к изменяющимся условиям приема сигналов.Необходимое усложнение приемника обусловлено повышенными требованиями ккачеству приема сообщений. Это усложнение особенно характерно дляпрофессиональных приемников связных, радиолокационных, радионавигационных,телеметрических и других специальных систем.
Радиоприемное устройствоэто одно из важнейших и необходимых элементов любой радиотехнической системыпередачи информации. Оно обеспечивает: улавливание энергии электромагнитногополя, несущего полезные сообщения; усиление мощности полезного радиосигнала;детектирования; усиление мощности сигнала и преобразования его в сообщение,поступающее получателю.
Радиоприемники можноклассифицировать по ряду признаков, из которых основным являются:
1) тип схемы;
2) вид принимаемыхсигналов;
3) назначение приемника;
4) диапазон частот;
5) вид активныхэлементов, используемых в приемнике;
6) тип конструкцииприемника.
По типу схем различаютприемники детекторные, прямого усиления, сверхрегенеративные исупергетеродинные приемники, обладающие существенными преимуществами передприемниками других типов и широко применяемые во всех диапазонах частот.
Основнымиузлами и блоками приёмника являются: приёмная антенна, усилители радиочастоты(УРЧ), промежуточной частоты (УПЧ), низкой частоты (УНЧ), детектор, и оконечноеустройство.
Структурнаясхема приёмника в значительной степени определяется его назначением и видоммодуляции сигнала. Из технического задания (ТЗ) следует что приёмник долженобеспечивать приём сигналов с однополосной амплитудной модуляцией (A3J). Применение однополосных сигналов целесообразно, в связи стем, что при этом значительно увеличивается чувствительность приёмника(приблизительно в 2 раза). Так же стоит иметь в виду что для профессиональнойаппаратуры запрещается использовать двух полосные сигналы.
Прииспользовании амплитудно-модулированных сигналов необходимо помнить что для ихнормального детектирования глубина модуляции не должна превышать 30%.
Дляупрощения схемы некоторые блоки приёмника целесообразно заменить аналоговымиинтегральными микросхемами.
Вданном курсовом проекте будет разрабатывается приемник службы радиомониторинга.
3.Технико-экономическое обоснование и расчет структурной схемы приемника.
1) Разбивказаданного диапазона приемника на поддиапазоны (при Кд>2) и расчетграниц поддиапазонов с 2-3% запасом. Дальнейший расчет на максимальной частотеприемника.
./>
Отсюда видно, что Кд>2,значит, разбиваем диапазон приемника на поддиапазоны. Дальнейший расчетпроизводится на максимальной частоте приемника.
По ТЗ задан вид модуляцииA3J.
Разобьем заданный рабочийдиапазон приемника на 2 поддиапазона.
Используемкомбинированный метод разбивки, с разными коэффициентами поддиапазона.
/>/> 2
/>/>/>/> 1
/>/>/>/>/>/> /> /> МГц
5 8,5 12
Рис.1
Fниж1= 5*0,98=4,9МГц /> />
Fниж2=8,5*0.98=8,33МГц
Fверх1=8,5*1,02=8,67МГц
Fверх2=12*1,02=12,24МГц
2) Расчет ширины спектра принимаемого сигнала с учетомвида, параметров модуляции и диапазона модулирующих частот.
Для A3J (однополосная модуляция с подавлением нижней боковой инесущей полностью (подавление на 40дБ))
/>.
3) Расчетнастабильностей частоты передатчика и гетеродина приемника. Выбор типагетеродина и трнбований к нему.
Зададимся стандартнойпромежуточной частотой fпр= 10.7 МГц.Частота гетеродина должна превышать частоту сигнала fгет > fс, отсюда получаем:
/>
Относительнаянестабильность частоты согласно ГОСТ/>.Рассчитаем полосу нестабильности:
Пнестаб-ти=/>=/>= 154 Гц.
Для обеспечения заданнойнестабильности частоты и требуемой сетки частот с шагом в Δf = 5 кГц необходимо проектируемыйприемник снабдить синтезатором частот на интегральной микросхеме.
4) Расчеттребуемой полосы пропускания приемника. Проверка полосы канала связи изащитного интервала.
По ТЗ, избирательность по соседнему каналу не менее 60дБ.
П0,7=Пспектра+Пнестаб-ти=3100+154=3254Гц.
Проверка полосы канала связи:
П0,7
5) Сравнитьполосу пропускания и расстройку по соседнему каналу. В случае их равенства (илипревышения) скорректировать полосу пропускания приемника и сравнить их.
П0,7=3254Гц.
Псосед.кан.=5000Гц.
П0,7
Пзащ.инт=Пканала-П0,7=5*103-3,254*103=1,746кГц.
Расчет допустимого коэффициента шума приемника при заданныхЭДС на его входе и соотношении с/ш на входе детектора.
Определив необходимую полосу линейного тракта, нужно перейтик выбору первых каскадов приемника, обеспечивающих требуемую чувствительность.Коэффициент шума можно характеризовать реальной чувствительностью приемника.Если раельная чувствительность задана в виде велечины ЭДС ЕА сигналав антенне, при которой отношение эффективных значений напряжений с/п на выходеприемника больше минимально допустимого отношения />/> или равно ему, то можновычислить допустимый коэффициент шума Nд из условия
NД/>.
/> - минимально допустимое отношение эффективныхнапряжений с/п на входе приемника;
Пш/> -шумовая полоса линейного тракта;
Пш=1,1*3254 = 3579Гц;
К=1,38*10-23Дж/град – постоянная Больцман;
Т0=2900К – стандартная температураприемника;
RA=75Ом – внутреннее сопротивлениеприемной антенны.
/>.
Пвых/>1,1*Fmax – полоса пропускания УНЧ.
Пвых=1,1*3400=3,74кГц.
/>=4*/>/>4,1.
NД=/>=152,3
/>
6) Выбортранзистора (ИМС) первого каскада приемника (УРЧ) по максимальной частоте икоэффициенту шума.
Допустимый коэффициентшума транзистора />
Выберем подходящийтранзистор: 2Т368А (КТ368А).
Его электрическиепараметры:
— fгр, не менее 900 МГц, fгр>Fmax, значит, по частотным параметрамтранзистор подходит;
— Кш не более3.3 дБ, Кш
— Uгр не менее 15 В, значит можноиспользовать источник питания из стандартного ряда Eпит=12 В.
- fнор. =60 МГц
7) Расчетизбирательности по зеркальному каналу тракта радиочастоты (ТРЧ). Выбор схемы трактаи количества его контуров.
Зададимся эквивалентнымзатуханием />. Рассчитаем обобщеннуюрасстройку зеркального канала:
/>.
/>
/> (дБ) = 20*log8=18,1дБ.
На основании номограммырис.1.8 а) [1] определяем избирательность по зеркальному каналу />, при этих условиятехническому заданию удовлетворяет схема №7, представленная на рис.2:
/>
Рис.2
8) Проверкаизбирательности тракта радиочастоты по каналу прямого прохождения.
Обобщенная расстройка,соответствующая частоте дополнительного канала приема fдк=500кГц – промежуточная частота, равна:
f00=6,5 МГц – наиболее опасная частотанастройки приемника, лежащая ближе всего к fДК
/>= -495 раз.
/>= 495 раз.
Ослабление для одногоконтура будет равно />. Для трехконтуров общее ослабление />,значит, подавление выполняется на необходимом уровне.
9) Расчетизбирательности приемника по соседнему каналу в тракте промежуточной частоты(ТПЧ). Выбор вида и количества контуров (фильтров), схемы каскадов и ихколичества.
/>.
а) Проверка УПЧ-Р потаблице не дала результатов т.к. все Кп0,001>1,54.
Таб.1
/>
m
/>
Кп0,1
Кп0,01
Кп0,001
/>
Кп0,1
Кп0,01
/> Кп0,001
УПЧ с одноконтурными каскадами, настроенными на три частоты (/>)
УПЧ с чередующимися одноконтурными и двухконтурными каскадами (/>)
3 0,50 2,15 4,64 10,0 0,50/ 0,58 2,15/ 1,67 4,64/ 2,49 10,0/ 3,66 6 0,58 1,67 2,49 3,66 0,63 1,55 2,07 2,69 9 0,63 1,55 2,07 2,69 0,66/ 0,69 1,50/ 1,47 1,90 /1,82 2,33/ 2,15 12
0,66
-------1/"' 1,50 1,90 2,33 0,71 1,45 1,76 2,05 /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
б) Проведем проверку наосуществимость УПЧ с ФСС:
/>.
Следовательно, УПЧ с ФССне реализуем, т.к. Qэ очень большое, è дорогостоящий приемник. Реальное жезначение Qэ/>130.
в) Остается выбратьЭлектромеханический фильтр, который поставим после смесителя.
Электромеханические фильтры (ЭМФ) позволяютпроизводить частотную селекцию колебаний в диапазоне частот 0,1 кГц...1 МГцпри относительной полосе пропускания 0,1… 12 %.
В ЭМФ в качестве колебательных системиспользуются механические резонаторы (трубчатые сердечники, стержни, пластины,диски), изготовленные из специальных сплавов. Это позволяет получать колебательныесистемы с высокой добротностью (Q=104...105), высоким коэффициентомполезного действия и малыми массой и габаритами.
Функциональнаясхема полосового электромеханического фильтра в общем, виде показана на рис. 3.Символами П1, МР и П2 обозначены соответственнопреобразователь электрических колебаний в механические, механический резонатори преобразователь механических колебаний в электрические.
П2
МР
П1 UВХ UВЫХ
/>/>/>/>/>
Рис.3.
Для преобразования энергии электрических колебаний в энергиюмеханических колебаний и наоборот применяются устройства, работа которыхоснована на использовании электростатических,электромагнитных, магнитоэлектрических, пьезоэлектрических имагнитострикционных эффектов.
В настоящее время наиболее широкое распространение получилимагнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Как известно, эффектмагнитострикции заключается в том, что при намагничивании металлического телапроисходит изменение его геометрической формы и размеров. Этот эффектобусловлен деформацией решетки монокристалла, которая происходит вследствиеизменения магнитных или электрических обменных сил. В процессе намагничиванияферромагнетиков вплоть до режима насыщения магнитострикция обусловлена восновном магнитными силами решетки.
Выберем тип фильтра: ФЭМ– 031. Его основные параметры:
- fномин-ая=500 кГц;
- />=0,5…3,1кГц;
- подавление неменее 60 дБ;
- затухание вфильтре не более 0,3 дБ.
10) Определениеобщего коэффициента усиления линейной части приемника при выбранном типадетектора и напряжения на его входе.
Для детектированиянепрерывных АМ сигналов с ОБП целесообразно использовать полупроводниковыедиоды, которые дают наименьшие искажения. Для обеспечения устойчивого илинейного режима работы на вход гетеродинного детектора подаем Uвх =60 mВ, что характерно для однополосной модуляции. Коэффициентобщего усиления – считается от антенны до входа детектора, линейного усилениятракта.
Кз=1,5…3 –коэффициент запаса; Берем Кз=2.
Еа=1мкВ –реальная чувствительность приемника;
/>.
11) Распределениеобщего усиления приемника между трактами радио- и промежуточной частоты (ТРЧ иТПЧ). Составление примерной структурной схемы приемника и уточнения числакаскадов и вида контуров в них.
Соотношение междукоэффициентами усиления ТПЧ и ТРЧ должно лежать в пределах: 100…10000, исходяиз этого условия, задаём коэффициенты усиления ТРЧ и ТПЧ равными:
Ктрч = 8,5;
Ктпч = 10000.
12) Распределениеусиления в ТРЧ и ТПЧ, уточнение числа каскадов по усилению и по избирательностив них.
Нарисуем схему (Рис.5)супергетеродинного приемника.
Распределим все коэффициентыпрохождения сигнала по блокам схемы:
КВЦ = 0,1-0,5;
КУРЧ = 5-10;
КСМ = 3-5;
КФ = 0,1-0,2;
КУПЧ = 20-50;
/>
Рис.4
Выберем />, />, />; отсюда реальныйкоэффициент передачи ТРЧ равен:
/>
Тогда коэффициентпередачи ТПЧ должен составлять:
/>
Коэффициент передачифильтра ФЭМ4-031 составляет />. Тогданеобходимый общий коэффициент усиления каскадов УПЧ равен />. />, следовательно, дляобеспечения необходимого, минимального напряжения на входе детектора надо включитьпоследовательно три каскада УПЧ, усилением в 12 раз каждый.
Выбрав такие параметрыдля ТПЧ, необходимо обеспечить усиление в 10000 раз, это возможно прииспользовании трёх УПЧ, с коэффициентом усиления равным 35. Так как былосказано выше, что необходимо использовать два ЭМФ, то следовательно необходимоучитывать коэффициент прохождения через каждый фильтр, равный 0,2.
13). Составлениепримерной структурной схемы приёмника и уточнение числа каскадов и видаконтуров в них. Определение входных напряжений в каскадах и трактах приема.Выбор типов транзисторов.
Для построения каскадовУПЧ подходят транзисторы типа КТ315Б, у которого все параметры удовлетворяютнеобходимым требованиям. В частности:
— fгр, не менее 250 МГц, fгр>10.7МГц, значит, по частотным параметрамтранзистор подходит;
— Uгр не менее 20 В, значит можноиспользовать источник питания из стандартного ряда Eпит=12 В.
Примерная структурная схемаприемника имеет вид (рис.5).
/>
Рис.5
Видно, что на входедетектора обеспечен запас по напряжению 0.17В>0.06В.
14).Замена транзисторов в каскадах на микросхемы.
Ориентируемся на ИМСсерии К174. Это серия представляет собой комплект ИМС, преднозначенных длявысококачественной радиовещательной аппаратуры, в том числе звуковоспризводящей.Микросхемы выполнены на биполярных транзисторах с изоляей p-n перехода.
Схема включениямикросхемы с предварительным усилением на полевом транзисторе приведена нарисунке ниже. Селекцию входного сигнала осуществляет контур L2C1C2.1. Частотаколебаний гетеродина определяется контуром L3C2.2C6C7. Сигнал разностной частоты выделяется контуром L5C9 и последующим полосовым фильтром Z1. С усилителя ПЧ через контур L7C15 сигналприходит в детектор на диоде VD1. RC фильтр R10C16 выделяетнапряжение АРУ и оно подается на вывод 9.
/>
Назначение выводов ИМСК174ХА2:
1 – Вход УРЧ;
2 – Вход УВЧ;
3 – Вход УПТ;
4 – Вывод;
5 – Вывод;
6 – Вывод;
7 – Выход УПЧ;
8 – Общий;
9 – Вход УПТ;
10 – Индикаторный вывод;
11 – Вход УПТ;
12 – Вход УПТ;
13 – Вывод;
14 - +Uист.пит.;
15 – Выход смесителя;
16 – Выход смесителя;
Оба УРЧ (рис.8) выполнимна микросхеме К174ПС1, которая представляет собой двойной балансный смесительдля частот до 200 МГц и предназначена для преобразования частот УКВ-диапазона врадиоприемной и связной аппаратуре.
/>
Коэффициент шумамикросхемы не более 8 дБ, что удовлетворяет требованиям, но на пределе.
УНЧ строится намикросхеме К174УН5 (рис.10), это операционный усилитель, нагруженный нанизкоомную нагрузку.
/>
15) Сравнениеполученных результатов с заданными и окончательный вариант структурной схемыприемника.
Замена транзисторов намикросхемы значительно упростила конструкцию, и структурную схему приемника. Вкаждом контуре входной цепи и в контурах УРЧ в качестве элемента управленияперестройкой ставиться варикапная матрица. Управляющее напряжения на варикапныематрицы подается от блока управления (БУ) через резисторы сопротивлением в 100кОм. Блок управления также обеспечивает работу синтезатора частот (СЧ). В целомполученные результаты соответствуют ранее заданным и следовательно, можноприступить к окончательному варианту структурной схемы приемника.
17) Нарисоватьполученную структурную схему, написать типы транзисторов (ИМС) в каскадах(трактах), частоты, величины входных сигналов каскадов и коэффициент усиления вних.
Окончательный вариантструктурной схемы приемника представлен на рис.11.
/>
Рис.11
4. Расчет входнойцепи.
Выберем трансформаторнуюсвязь приемника с настроенной антенной. Схема имеет вид:
/>
Рис.12
1).Из табл. 4.4 [1]выбираем полную емкость схемы />.
2).Из табл. 4.5 [1]выбираем собственное затухание контура />.
/> — коэффициент включения фидера
/>.
/>.
/> — коэффициент входу УРЧ
/>.
/>.
Рассчитываем емкостьконтура />:
/>где />-паразитная емкость катушки контура
/>.
Находим индуктивностьконтура />
/>/>
Рассчитываем коэффициентпередачи напряжения входной цепи
/>.
/> — коэффициент передачи входной цепипри рассогласовании
/>.
/>.
/> — коэффициент передачи фидера. Онопределяется из зависимости /> от />
/> значит />.
/>.
Перестройку входной цепибудем осуществлять с помощью варикапных матриц.
5. Выбор источникапитания
Источник питания долженвыдавать постоянные стабилизированные напряжения для трактов ТРЧ и ТПЧ (+9 и +12В), а также на УНЧ. В качестве первичного источника питания (ПИП) можетиспользоваться сеть 220 В, батарея из гальванических элементов илиаккумуляторная батарея. Если в качестве ПИП выбран аккумулятор, то должнабыть предусмотрена возможность его заряда.
6. Заключение
Разработанный приемникрадиостанции РЭБ удовлетворяет всем требованиям технического задания.Достоинством схемы является достаточно малое число элементов, что произошло благодаря использованию интегральныхмикросхем. Приемник построен на современных микросхемах серии К174, чтообеспечивает их легкое сопряжение и не сложную настройку собранного приемника.Разработка также обладает неплохими показателями по чувствительности иизбирательности, а использование синтезатора частоты позволяетперестраиваться по диапазону с малым шагом и большой точностью.
7. Библиографическийсписок
1.Проектирование радиоприемныхустройств.Под ред. А.П. Сиверса Учебное пособие для вузов. — М.,”Сов.радио”,1976.
2. Аналоговые интегральныемикросхемы. Д.И.Атаев, Б.А.болотников. – М.: МЭИ 1999.
3.Изделия электронной техники.:Справочник/Ладик А.И. Сташкевич А.И.-
М.: Радио иСвязь,1993.
4.Радиоприемные устройства. ЧистяковН.И. Сидоров В.М. Учебное пособие для вузов. — М.,”Связь”,1974.