Работа курс. Пояснительная записка Шифр работы кр 02068999 32 01 пз специальность 210300. 62 Радиотехника

• Название: Пояснительная записка Шифр работы кр 02068999 32 01 пз специальность 210300. 62 Радиотехника
• Анкор: Работа курс
• Дата: 03.06.2020
• Размер: 380.28 Kb.
• Имя файла: 274429.docx
• Тип: Пояснительная записка; #127604
• страница: 3 из 3

5. Выбор и обоснование гетеродина

Основное требование к гетеродинам — стабильность частоты вырабатываемых колебаний. Для приемников любительской радиосвязи это требование существенно выше, чем к гетеродинам радиовещательного приемника (радиовещание на ведется с амплитудной модуляцией). При приеме сигналов с AM частота выделенного на выходе приемника напряжения ЗЧ определяется разностью частот несущей и боковых составляющих, излучаемых передающей станцией, и не зависит от стабильности частот гетеродинов приемника с амплитудным детектором. Стабильность настройки такого приемника должна только обеспечить нахождение спектра принимаемого сигнала внутри полосы пропускания приемника, и уход частоты настройки на единицы килогерц вполне допустим.. Поэтому принципиальные трудности при создании приемников возникают именно в обеспечении кратковременной стабильности частот гетеродинов. Приняв допустимый абсолютный уход частот гетеродинов приемника за несколько минут равным 50 Гц, получим требование кратковременной стабильности частоты высокочастотного гетеродина приемника при работе на диапазоне 10 м 50 Гц/20•10⁶Гц = 2,5•10^-6. Такое значение кратковременной относительной стабильности легко реализуется в генераторах с кварцевой стабилизацией. Поэтому в современных профессиональных приемниках частоты гетеродинов формируются из частоты высокостабильного кварцевого генератора в синтезаторах частоты, имеющих дискретную установку частоты с шагом до 10 Гц.

Спектральная чистота— это наличие в спектре сигнала только одной синусоидальной составляющей. Если вблизи этой составляющей имеются, пусть и очень слабые (которые можно обнаружить только специальными анализаторами спектра), составляющие шумов, то они могут существенно снизить чувствительность приемника.

Наличие в сигнале гетеродина его гармонических составляющих и остатков сигналов комбинационных частот, возникших при синтезировании частоты, приведет к появлению большого числа пораженных внутренними помехами точек в рабочих диапазонах. Требуемые характеристики гетеродинов можно получать, используя приведенную ниже схему (рис. 6).



Рис. 6. Гетеродин

На рис.6 приведена схема транзисторного автогенератора, перестраиваемого в диапазоне частот, который определяется параметрами колебательного контура. Напряжение, подаваемое на преобразователь частоты, снимается с резистора R_Э4 в эмиттерной цепи транзистора, что обеспечивает хорошую развязку цепей автогенератора и преобразователя.

Амплитуда напряжения обратной связи, подаваемого на эмиттер (амплитуда напряжения в точке А при R_Э2 = 0), необходимая для получения устойчивой генерации приблизительно равна 70...100 мВ. Если на преобразователь частоты нужно подать такое же напряжение, то резистор R_Э3 может отсутствовать.

Наличие сопротивления R_Э2 не является необходимым условием для работы гетеродина. Однако при его отсутствии требуемый коэффициент включения контура во входную цепь транзистора p₁ может оказаться столь малым, что его будет трудно реализовать (т.е. выполнить катушку связи). Включение R_Э2 позволяет увеличить p₁, так как оно принимает на себя избыточное напряжение обратной связи. Кроме того R_Э2 создает некоторую отрицательную обратную связь по переменному току и этим несколько уменьшает амплитуды высших гармоник автогенератора. Рекомендуется выбирать значение R_Э2 порядка нескольких десятков ом.

Так как сумма сопротивлений R_Э2, R_Э3 и R_Э4 может оказаться недостаточной для стабилизации режима транзистора по постоянному току, то необходимо ввести резистор R_Э1, зашунтированный конденсатором C_Э. Эту цепочку можно было бы включить между R_Э4 и корпусом, однако практика показывает, что включение дополнительных элементов во входную цепь транзистора смесителя нежелательно.

6. Выбор фильтра

Выберем кварцевый фильтр исходя из технического задания. Кварцевый фильтр ФП1П-024б своими характеристиками полностью подходит для решения поставленной задачи.

Основные параметры кварцевого фильтра ФП1П-024б:

Средняя частота полосы пропускания, кГц: 465

Полоса пропускания по уровню 6дБ, кГц: 8,5 .. 12,5

Затухание при отстройке от центральной частоты ± 9кГц,S_ck дБ: 60

Вносимое затухание в полосе пропускания дБ: 9,5

Входное сопротивление кОм: 2

Выходное сопротивление кОм: 2

7. Выбор и расчет усилителя промежуточной частоты
Рассчитаем резонансный усилитель промежуточной частоты (рис. 7)



Рис. 7. Резонансный УПЧ
В качестве усилительного элемента выберем транзистор КТ382Б с характеристиками:

Максимально допустимое напряжение коллектор-база U_кбо=15В

Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер U_кэо =10В

Максимально допустимый постоянный ток коллектора I_кmax = 20мА

Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером h_21э =40-330

Зададим ток коллектора 3мА, а напряжение питания 12В.

1) Определим ток базы:

, (20)

где ток коллектора I_к = 3 мА;

А;

2) ток делителя определим по соотношению:

, (21)

А;

3. 
   находим сопротивление резистора R8:
   

, (22)



, (23)

Ом;

4) используя полученные величины, определим сопротивление резистора R7 и R6 :

, (24)

где ΔU_бэ= 0,6 – 0,7В



(25)



5) определим емкость конденсатора:

(26)



6) найдем коэффициент усиления:

, (27)

где , ; .

8. Выбор и обоснование преобразователя частоты
Функционально преобразователь частоты включает в себя три составные части — гетеродин, смеситель и выходной полосовой фильтр. Гетеродин представляет собой генератор сигнала синусоидальной формы, настраиваемый либо с фиксированной частотой. Смеситель — основная часть преобразователя, нелинейное электронное устройство, в котором происходит образование нужного спектра. Принцип действия смесителя состоит в том, в результате нелинейных процессов образуются комбинационные гармоники, частоты которых равны разностям или суммам частот гармоник входных сигналов, либо частот кратных частотам исходных гармоник. Амплитуды полученных комбинационных гармоник пропорциональны амплитудам исходных, таким образом, каждый из наборов комбинационных гармоник (разностных, суммарных, разностных и суммарных кратным) эквивалентен спектру входного сигнала, сдвинутому по частоте. Полосовой фильтр предназначен для селекции нужного набора гармоник, обычно выполнен по стандартной схеме полосового фильтра на LC-элементах.

Конструктивно преобразователь частоты может быть выполнен в виде единого устройства, в том числе на интегральной микросхеме с дополнительными элементами, в виде двух блоков (блок гетеродина и блок смесителя с фильтром) либо, в некоторых случаях, в разнесённом виде, например, в установках для измерения ослаблений смеситель и фильтр представляют собой обособленные устройства, а в качестве гетеродина используется сторонний измерительный генератор, не входящий в комплект установки.

Преобразователь частоты применяется, главным образом, в супергетеродинных радиоприёмниках, а также в различных радиоизмерительных - селективных вольтметрах, анализаторах спектра, модулометрах и девиометрах, установках для измерения ослаблений. Его применение в этих случаях позволяет снизить рабочую частоту основного тракта усиления и селекции сигнала (тракта ПЧ), также сделать этот тракт неперестраеваемым, то есть, для настройки радиоприёмника на разные несущие частоты изменяется частота гетеродина преобразователя, несущая частота выходного сигнала, называемая промежуточной частотой (ПЧ), остаётся неизменной. 

В транзисторных приёмниках КВ диапазона преобразователь частоты выполняется, как правило, по схеме с общим гетеродином (рис. 8), что позволяет получить более высокие качественные показатели приёмника и создать оптимальные условия работы для транзисторов гетеродина и смесителя. В нагрузке преобразователя частоты включается резонансная система, настроенная на промежуточную частоту.



Рис. 8. Преобразователь частоты
9. Выбор и обоснование детектора

Амплитудным детектором (АД) называется устройство, предназначенное для получения на выходе напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции амплитуды входного гармонического сигнала. Процесс детектирования амплитудно-модулированных (АМ) сигналов вида

u_c (t)  u_a(t)cos(ω_ct) , (28)

где u_a(t)U_c[1m_ax(t)], m_a  1 – коэффициент глубины модуляции; U_c – амплитуда несущего колебания с частотой ω_c, заключается в воспроизведении модулирующего сообщения x(t) с наименьшими искажениями. Спектр сообщения x(t) сосредоточен в области низких частот (частот модуляции), а спектр сигнала u_c (t) – в области частоты ω_c, значение которой обычно намного превышает значение наивысшей частоты модуляции. Преобразование спектра при демодуляции возможно только в устройствах, выполняющих нелинейное или параметрическое преобразование входного сигнала u_c(t).

При использовании нелинейного устройства, обладающего квадратичной вольт-амперной характеристикой, выходной токимеет вид:

, (29)

где В – постоянный коэффициент. После устранения фильтром низких частот (ФНЧ) составляющей с частотой 2ω_c получим:

. (30)

В этом токе содержится составляющая вида , пропорциональная передаваемому сообщению, а также составляющая , которая определяет степень нелинейных искажений модулирующего сообщения x(t).

Параметрическое преобразование осуществляется путем умножения u_c (t) на опорное колебание, имеющее вид: u₀(t)U₀cos(ω_ct). В этом случае результат перемножения определяется следующим выражением:

u_c(t)u₀(t)u_a(t)U₀ [0,5+0,5cos(2ω_ct)]. (31)

Составляющая с частотой 2ω_c устраняется ФНЧ и в результате формируется низкочастотный сигнал вида 0,5U₀u_a(t). Отделяя постоянную составляющую 0,5U₀U_c, например, при помощи разделительного конденсатора, получаем сигнал вида 0,5U₀U_cm_ax(t), форма которого определяется передаваемым сообщением x(t).

К основным характеристикам и параметрам амплитудного детектора относятся:

1. 
   Детекторная характеристика представляет собой зависимость постоянной составляющей U₌ выходного напряжения от изменения амплитуды U_с немодулированного сигнала u_c(t)U_ccos(ω_ct). Уровень нелинейных искажений, имеющих место при детектировании, определяется видом детекторной характеристики. По детекторной характеристике можно определить диапазон изменения амплитуды u_a(t) модулированного сигнала (1), при котором нелинейные искажения модулирующего сообщения x(t) не будут превышать определенного предела.
   
2. 
   Крутизна детекторной характеристики определяется как производная:
   

. (32)

3. 
   Крутизна детекторной характеристики является безразмерной величиной и по аналогии с показателями любого усилительного узла характеризует передаточные свойства детектора.
   
4. 
   Коэффициент нелинейных искажений является численной мерой нелинейных искажений модулирующего сообщения x(t) при гармонической модуляции с частотой   2F:
   

, (33)

где U_n – амплитуда колебания с частотой n на выходе амплитудного детектора.

5. 
   Коэффициент передачи амплитудного детектора определяется при гармонической модуляции с частотой  отношением:
   

, (34)

где U_ – амплитуда колебания с частотой  на выходе амплитудного детектора.

6. 
   Частотная характеристика является зависимостью коэффициента передачи амплитудного детектора от частоты модуляции k_f().
   
7. 
   Коэффициент фильтрации амплитудного детектора задается отношением:
   

, (35)

где U_ – амплитуда первой гармоники высокочастотного колебания на выходе амплитудного детектора.
В данном радиоприёмнике необходимо использовать амплитудный детектор, так как сигнал, который он демодулирует является амплитудно- модулированным (рис. 9).



Рис. 9. Амплитудный детектор

9.1. Принцип действия и характеристики диодного детектора

С
хема амплитудного диодного детектора изображена на рис. 10. На вход детектора поступает высокочастотный сигнал u_c(t). Детектор представляет собой последовательное соединение диода VD и нагрузочной цепи (фильтра): конденсатора С_н и резистора R_н, включенных параллельно. С нагрузочной цепи снимается выходное колебание u_вых(t).

Значение тока через диод i_g для режима покоя (u_c(t)=0) может быть найдено из уравнений:


(36)

где U_g – напряжение на диоде VD (рис. 10).

Первое уравнение является уравнением вольтамперной характеристики (ВАХ) диода как безынерционного нелинейного элемента. Из-за нелинейного характера ВАХ , форма тока через диод i_g при синусоидальной форме сигнала u_c(t) не является синусоидальной. В составе тока появляется постоянная составляющая, которая, протекая по резистору R_н, создает падение напряжения U₌, смещающая положение рабочей точки. При увеличении амплитуды входного напряжения смещение рабочей точки увеличивается, и ток через диод будет приближаться по форме к однополярным импульсам.

Н
(1)
а рис. 11 приведены формы напряжений и токов на входе детектора для двух случаев, когда амплитуды входных сигналов удовлетворяют неравенству U_c⁽¹⁾ <U_c⁽²⁾. Тогда постоянные составляющие напряжений U₌⁽¹⁾<U₌⁽²⁾ и I₌⁽¹⁾<I₌⁽²⁾. На этом же рисунке условно изображена зависимость i_g=f(t).



Вольтамперная характеристика диода в широком диапазоне токов достаточно точно аппроксимируется экспоненциальной зависимостью:

, (37)

где I_об – абсолютное значение величины обратного тока диода, φ_ – температурный потенциал, равный при Т293˚  примерно 26 мВ.

Зависимость постоянной составляющей U₌ от амплитуды приложенного напряжения U_c дается детекторной характеристикой (рис. 3).

Анализ выражения (6) позволяет сделать два основных вывода:

1. 
   с увеличением R_н возрастает крутизна детекторной характеристики,
   
2. 
   с увеличением уровня сигнала снижается степень нелинейности детекторной характеристики, и наоборот, детектирование «слабых» сигналов сопровождается значительными нелинейными искажениями закона модуляции.
   
3. 
   В этой связи различают два режима работы диодного амплитудного детектора:
   
4. 
   детектирование «слабых» сигналов,
   
5. 
   детектирование «сильных» сигналов.
   
6. 
   в режиме «слабых» сигналов, нетрудно показать, что детекторная характеристика имеет квадратичный вид, т.е.
   

, (38)

и, соответственно, коэффициент нелинейных искажений в этом случае при x(t) = 0 равен:

. (39)

Например, допустимое значение k_н в системах радиовещания не превышает нескольких процентов (k_н  5 %), что налагает ограничения на допустимый коэффициент глубины амплитудной модуляции в передатчике. Дополнительным недостатком работы на квадратичном участке детекторной характеристики является малый коэффициент передачи, затрудняющий работу последующих усилительных каскадов.

В режиме «сильных» сигналов вольтамперная характеристика диода аппроксимируется линейной зависимостью i_g=f(u_g). В этом случае появляется заметное напряжение смещения на анод диода из-за значительной величины U₌, т.е. диод работает в режиме отсечки, и ток проходит через него только в течение тех интервалов времени, когда . На рис. 11 показан угол отсечки θ тока диода. На интервале времени, соответствующем углу 2θ, происходит быстрый заряд конденсатора C_н (рис. 1) через открытый диод. В течение времени, когда диод закрыт, конденсатор C_н разряжается через резистор R_н.

Т.о., несмотря на наличие угла отсечки, диодный детектор и в режиме «сильных» сигналов является линейным детектором и при малых значениях угла  не создает нелинейных искажений модулирующего сигнала x(t).

Нелинейные искажения при детектировании «сильных» сигналов определяются:

1. 
   нелинейностью начального участка вольтамперной характеристики диода. При этом, чтобы гарантировать работу вне существенно нелинейного участка, например, в области 0≤U_c≤U_c⁽¹⁾ на рис. 10, необходимо выбирать значение U_c исходя из неравенства:
   

. (40)

2. 
   различием сопротивлений детектора по постоянному и переменному токам.
   
3. 
   При использовании усилителя с входным сопротивлением
   

R_УНЧ  (5 – 10)R_н и выборе величины емкости разделительного конденсатора C_p, обеспечивающей его малое сопротивление по переменному току по сравнению с R_{УНЧ из условия:}

, (41)

где Ω_min – минимальная частота модулирующего сигнала,

этим видом нелинейных искажений можно пренебречь.

4. 
   нелинейностью процесса заряда и разряда конденсатора C_н. При этом возникает фазовый сдвиг между напряжениями U₌ и u_a(t). В моменты времени, когда u_a(t)  U₌, конденсатор C_н будет разряжаться через резистор R_н по экспоненциальному закону. Анализ показывает, что малый уровень нелинейных искажений этого вида обеспечивается при условии:
   

, (42)

где Ω_max – максимальная частота модулирующего сигнала.

Кроме рассмотренных выше нелинейных искажений в режиме детектирования «сильных» сигналов возникают частотные искажения, обусловленные присутствием в выходном напряжении гармоник высокочастотного колебания. С целью уменьшения уровня колебания высокой частоты на выходе амплитудного детектора величина емкости конденсатора C_н выбирается из условия:

, (43)

а коэффициент фильтрации в этом случае определяется выражением:

k_ф  ω_cC_нr_g, (44)

где r_g – сопротивление диода в открытом состоянии.

10. Анализ результатов

В результате было спроектировано РПУ полностью соответствующее заданным характеристикам:

Избирательность по соседнему каналу σзк(2) = 182 превышает заданную σ_ЗК=60 σ_ЗК= 20lg182 = 90,42дБ

Общий коэффициент усиления К_У=3.981 10⁶, превышает ориентировочный .

Список литературы

1. 
   Аржанов В.А. Устройства приёма и обработки сигналов: Учеб.-метод. пособие.-Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. - 68 с.
   
2. 
   Аржанов В.А. Проектирование радиоприёмных устройств: учеб. пособие / В.А. Аржанов, А.П. Науменко. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 312 с.
   
3. 
   Аржанов В.А. Нелинейные эффекты в линейном тракте радиоприёмного устройства: Учеб. пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 1998. – 104 с.
   
4. 
   Аржанов В.А. Резонансные усилители: Учеб. пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. – 128 с.
   
5. 
   Аржанов В.А., Науменко А.П. Проектирование устройств приема радиосигналов: Учеб.пособие. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 1994. - 136 с.
   
6. 
   Курсовое и дипломное проектирование. Метод. указания / Сост.: В.А. Аржанов, Ю.М. Вешкурцев, И.В. Никонов, М.Г. Семенов. Омск: – Изд-во ОмГТУ, 1997. – 44 с.
   
7. 
   Горшелев В.Д. и др. Основы проектирования радиоприёмников.-Л.: «Энергия», 1977. – 384 с. с ил.
   
8. 
   Богданович Б.М., Окулич Н.И., Радиоприемные устройства: Учеб.пособие для вузов. Под общ.ред. Б.М. Богдановича. – Мн.: Выш. шк., 1991. – 418 с.: ил.
   
9. 
   Радиоприемные устройства: Учебник для вузов/Н.И.Фомин, Н.Н.Буга, О.В.Головин и др.; Под. ред. Н.Н.Фомина.- М.: Радио и связь, 1996.-512 с.