коу Саня. Состав курсового проекта

• Название: Состав курсового проекта
• Дата: 10.04.2023
• Размер: 443.24 Kb.
• Имя файла: коу Саня.docx
• Тип: Документы; #1050329

Состав курсового проекта.
Введение.

1. 
   Основные типы приемников.
   
2. 
   Расчет входного устройства.
   
3. 
   Расчет усилителя радиочастоты.
   
4. 
   Расчет детектора.
   
5. 
   Расчет усилителя низкой частоты.
   

Приложение. Принципиальная схема приемника.

Список используемых источников.

Введение
7 мая 1895 года русский ученый Александр Степанович Попов продемонстрировал на заседании, Русского физико-химического общества первый в мире радиоприемник, названный им грозоотметчиком, показав возможность приема радиосигналов, создаваемых грозовым разрядами. Открытие А.С. Попова явилось крупным событием в развитии знаний об электромагнетизме. Это был переход от использования свойств медленно меняющихся электромагнитных полей к технике высоких частот, переход, явившийся результатом больших достижений физики ХIХ века в области электротехники.

Осенью 1895 года А.С. Попов совместно со своим ассистентом П.Н. Рябкиным провел ряд успешных опытов по передаче телеграфных сигналов и 24 марта 1896 года продемонстрировал первую в мире передачу текста по радио с помощью кода азбуки Морзе на расстоянии порядка 250 метров. С тех пор одним из направлений развития радио является увеличение протяженности линии связи.

Одним из преимуществ радиосвязи по сравнению с проводной связью является возможность организации связи с подвижными объектами. Первая практическая радиосвязь была организована А.С. Поповым в 1897 году между кораблями русского флота на расстоянии до 5 километров.

Бурное развитие радиотехники создало все предпосылки для широкого использования радиосредств на железнодорожном транспорте. Массовое внедрение радиосвязи на железнодорожном транспорте началось с 1948 года, когда с целью повышения производительности работы маневровых локомотивов и ускорения обработки составов на сортировочных станциях начали широко применять стационарную радиосвязь. Радиотелефонная связь между машинистами маневровых и горочных локомотивов, с одной стороны, и маневровым диспетчером или соответствующим дежурным по парку, или горке, с другой, позволила повысить экономические показатели, характеризующие технологический процесс работы железнодорожных станций.

С 1945 года на транспорте широко стала применяться поездная радиосвязь. Двусторонняя радиотелефонная связь между машинистом локомотива, движущегося по перегону, и дежурным по станции или диспетчером в большой степени содействует выполнению графика движения поездов и является средством, повышающим безопасность движения. К началу 1981 года поездной радиосвязью было оборудовано более 130 тысяч километров наиболее грузонапряженного пути.

В 1956 году на железнодорожном транспорте была построена первая радиорелейная линия связи ни 24 канала между Москвой и Рязанью. В последующие годы радиорелейная аппаратура нашла практическое применение на транспорте для организации магистральной, дорожной и отделенческой связи.

На некоторых направления магистральная и дорожная кабельная связь резервируется коротковолновой радиосвязью с целью повышения надежности. Для ускорения процесса сортировки и формирования поездов на крупных железнодорожных станциях и сортировочных горках применяется громкоговорящая связь. При организации этой связи используется мощная усилительная аппаратура. Громкоговорящая связь применяется также на вокзалах для информации пассажиров о прибытии и отправлении поездов, передачи различных служебных сообщений и трансляции радиовещания и звукозаписи.

Увеличение размера движения поездов, повышение их веса и скорости вызовет необходимость еще более широкого применения на железнодорожном транспорте различных радиотехнических средств.

1.Основные типы приемников
Устройство, обеспечивающее усиление слабых сигналов и выделение переданных сообщений называется радиоприемником. Основными показателями приемника являются:

1. 
   Чувствительность
   
2. 
   Избирательность
   
3. 
   Выходная мощность
   

Чувствительностью называется величина минимальной ЭДС на входе приемника, при которой он отдает номинальную выходную мощность при заданном превышении сигнала над помехой. Чувствительность лучших профессиональных приемников достигает десятых долей 1 мкВ, а у бытовых приемников она может составлять величину в единицы и даже десятки милливольт.

Избирательностью называют свойство приемника выделять заданный частотный диапазон из всего спектра частот на его входе. Количественно избирательность определяется по формуле:


К_р – коэффициент усиления схемы при резонансе

- абсолютное значение коэффициента усиления при заданной расстройте –у

В настоящие время используется два основных типа приемников:

1. 
   Приемники прямого усиления
   
2. 
   Супергетеродинные приемники
   

Приемники прямого усиления



Рис.1.1. Структурная блок-схема приемника прямого усиления.
Схема работает следующим образом:

Наводимые в антенне ЭДС от разных источников поступают на входное устройство (ВУ), основным назначением которого является предварительное очищение сигнала от помех, то есть предварительная избирательность. Для осуществления избирательности обязательным элементом входного устройства является колебательный контур, обладающий нелинейной амплитудно-частотной характеристикой. Затем сигнал поступает на усилитель радиочастоты (УРЧ), где подвергается окончательной избирательности и усилению. Нагрузкой усилителя радиочастоты так же служит колебательный контур. Детектор (Д) преобразовывает высокочастотный сигнал в колебания низкой или звуковой частоты, несущие в себе переданную информацию. Для осуществления этого преобразования детектор должен обладать нелинейной вольтамперной характеристикой.

Поскольку сигнал на входе детектора мал, он обычно усиливает в усилителе низкой частоты (УНЧ), число каскадов и схема которого определяется назначением приемника.

Преимущества приемника прямого усиления:

1. 
   Простота схемы;
   
2. 
   Малые габариты и вес;
   
3. 
   Высокая аппаратная надежность;
   
4. 
   Относительно низкая стоимость.
   

Недостатки приемника прямого усиления:

Низкая чувствительность и плохая избирательность.
Супергетеродинные приемники


f1
f3=|f1-f2|



Рис.2. Структурная блок-схема гетеродинного приемника.
С – смеситель, Г – гетеродин (маломощный автогенератор), УПЧ – усилитель промежуточной частоты.

Первые два блока работают также как в предыдущей схеме. Затем сигнал принимаемой радиостанции с частотой f1 поступает на один из входов смесителя, на второй вход которого подается сигнал с частотой f2 от гетеродина. На выходе сумматора получается частота f3.

f3=|f1 - f2|

Для осуществления этого преобразования сумматор должен иметь нелинейную вольтамперную характеристику. Частота f3 обычно ниже f1, но выше звуковой, поэтому она называется промежуточной. Эта частота (f3) усиливается в усилителе промежуточной частоты, схема которого аналогична усилителю радиочастоты, но в качестве нагрузки обычно используются системы связанных колебательных контуров. Последние два блока работают как в приемнике прямого усиления.

Преимущества:

Более высокие значения чувствительности и избирательности объясняются переносом принимаемых высоких частот в более низкую область и введение в схему усилителя промежуточной частоты, который не только имеет принципиально более высокий коэффициент усиления, чем усилитель радиочастоты, но и сопровождает усиление избирательностью.

Основным недостатком приемника является наличие «зеркальной» помехи.

Поскольку:

f3=|f1 – f2|;

то очевидно, что она (f3) будет появляется на выходе смесителя как при приеме нужной нам частоты:

f1=f2 + f3;

так и при приеме мешающей частоты:

f₁^’=f2 – f3.

Частота f₁^’ отличается от принимаемой f1 на величину 2f3 или от частоты гетеродина наf3 называется зеркальной помехой.

Существует два основных способа борьбы с зеркальной помехой:

1. 
   Преселекция – то есть очень точная настройка контуров входного устройства и усилителя радиочастоты в резонанс на принимаемую частоту f1 и уменьшение полосы пропускания этих контуров;
   
2. 
   Двойное преобразование частоты, когда в схеме используется по два смесителя, гетеродина и усилителя промежуточной частоты.
   

Первая промежуточная частота обычно выбирается достаточно большой для лучшей отстройки от зеркальной помехи, а вторая промежуточная частота более низкой для улучшения избирательности.

2. Входное устройство приемника.
Часть схемы приемника от антенны до первой лампы или транзистора называется входным устройством. Основным назначением входного устройства является предварительная избирательность, а основными показателями – коэффициент передачи и избирательность. Связь входного устройства с антенной может быть:

1. 
   Взаимоиндуктивной
   
2. 
   Индуктивной
   
3. 
   Емкостной
   
4. 
   Комбинированной
   

Во всех антенна связывается с колебательным контуром слабо (К_св<1) для того чтобы вносить в него возможно меньше значения активного и реактивного сопротивления антенны.
Рассчитаем параметры входного устройства приемника по следующим данным:

1. 
   Вид связь ВУ с антенной – емкостная;
   
2. 
   частота входного сигнала: f₀ = 1,6 МГц;
   
3. 
   полоса пропускания частот: 2Δf = 12 кГц;
   
4. 
   избирательность: V =1,8;
   
5. 
   коэффициент связи ВУ с антенной: К_св =0,4;
   
6. 
   ЭДС в антенне: Е_а = 10 мВ;
   
7. 
   величина элемента связи: С₀ = 15 пФ;
   

Требуется определить:

Индуктивность L_k, емкость C_k, сопротивление потерь r_п, резонансное сопротивление Z_p, коэффициент передачи контура К_пер, напряжение на входе УРЧ U_вх.

Электрическая принципиальная схема входного устройства с емкостной связью с антенной представлена на рис.2.1.



Рис.2.1. Схема входного устройства электрическая принципиальная.

Относительная частота расстройки контура:

Добротность контура вычислим исходя из формулы избирательности:







Вычисляем коэффициент передачи:

Напряжение на входе усилителя радиочастоты:



Резонансная частота:
рад/с

Емкостное сопротивление:

Ом
Для вычисления резонансного сопротивления контура воспользуемся формулой:
Ом

Чтобы вычислить индуктивность L_k, составим систему:
Гн
Емкость С_к определим из формулы резонансной частоты:


Ф
Сопротивление потерь r_пвычислим из формулы добротности:
Ом

3. Расчет параметров усилителя радиочастоты.
Усилитель радиочастоты (УРЧ) – это устройство, обеспечивающее усиление мощности или умножения частоты высокочастотных колебаний.

УРЧ практически не отличается от генераторов с внешним возбуждением. Для уменьшения опасности самовозбуждения в УРЧ используются пентоды или транзисторы с минимальным значением коллекторно-базовой ёмкости.

Рассмотрим схему на пентоде (рис.3.1.).


Рис.3.1. Схема УРЧ на пентоде электрическая принципиальная.
Условием самовозбуждения такой схемы является неравенство:

,

где Д – проницаемость лампы;

S – крутизна лампы;

Z_p – резонансные сопротивление контура.

Для обеспечения устойчивости необходимо, чтобы:



Поскольку у пентода , условие устойчивости принимает вид:

- для лампы,

- для транзистора,

где S_к – крутизна коллекторного перехода.

Анализируя схему с учетом того, что и получим максимально допустимое значение резонансного сопротивления контура, при котором усилитель будет устойчив.

,

где ω – частота входного сигнала.

Это же условие можно записать через ограничение коэффициента усиления:



Для обеспечения некоторого запаса устойчивости полученные значения Z_p и К_у уменьшают в 2 раза.

Из формулы видно, что для обеспечения устойчивости необходимо уменьшать . Этого можно добиться увеличением r и С, и уменьшениемL. Все это приводит к уменьшению добротности . Поэтому в схемах УРЧ обычно используют частотное включение колебательного контура в анодную или коллекторную цепь, что уменьшает Z_p, не влияя на добротность.

Произведем расчет параметров усилителя радиочастоты на транзисторе, схема которого представлена на рис.3.2.

Lк₁


Рис.3.2. схема УРЧ на транзисторе электрическая принципиальная.
Исходные данные для расчета:

1. 
   ёмкость коллектор-база – С_к-б = 5 пФ;
   
2. 
   сопротивление потерь - r_п = 2 Ом;
   
3. 
   входное сопротивление – R_вх = 10 кОм;
   
4. 
   коэффициент усиления – К_у = 25;
   
5. 
   крутизна коллекторного тока – S_к = 15 мА/В.
   

Исходя из заданных значений и результатов расчета ВУ определим:

1. 
   число каскадов на выбранном типе транзистора;
   
2. 
   параметры колебательного контура УРЧ - L_K1, C_K1, Q₁, Z_p1;
   
3. 
   избирательность усилителя – V₁;
   
4. 
   выходное напряжение УРЧ – U_вых;
   
5. 
   проводить выполнение устойчивости УРЧ и сделать вывод о способе подключения колебательного контура;
   
6. 
   для уточнения напряжения УРЧ учесть его входное сопротивление R_вх, то есть найти эквивалентную добротность ВУ Q_э и уточнить коэффициент передачи К_пер.
   

Эквивалентная добротность рассчитывается по формуле:

,

где Q – добротность входного контура,

Z_p– его входное сопротивление.


Коэффициент передачи:



Входное напряжение УРЧ:

В

Выходное напряжение усилителя радиочастоты найдем по формуле:
В
Ом

Условие устойчивости усилителя радиочастоты определяется по формуле:
Ом

Так как то усилитель радиочастоты неустойчив и контур включается частично.
Гн


Ф



4. Расчет детектора.
Важнейшей задачей любого радиоприемника является преобразование тока высокой частоты на входе приемника в колебания звуковой частоты на его выходе. Этот процесс называется детектированием.

Для осуществления такого преобразования один из элементов детектора должен иметь нелинейную ВАХ. В качестве таких элементов могут использоваться полупроводниковые диоды, электронные лампы или транзисторы. Все эти элементы при небольшом напряжении U_вх < 0,2-0,5 В имеют ВАХ вида: ,

где i – выходной ток,

U – входное напряжение,

А и В – постоянные коэффициенты.

При увеличении входного сигнала имеем:

i = A·U, при U > 0,5 В

i = 0, при U < - 0,5 В

Детектор первого типа, то есть при малых входных сигналах называется квадратичным, а детектор второго типа, при больших входных сигналах – линейным.

Важнейшей характеристикой любого детектора является коэффициент передачи, то есть отношение низкой или звуковой частоты к входному напряжению высокой частоты.

Из приведенных выше формул видно, что коэффициент передачи квадратичного детектора пропорционален величине входного напряжения, а у линейного детектора он является величиной постоянной.

Преимуществом квадратичного детектора является возможность прием более слабых сигналов, а недостатком – нелинейные и частотные искажения, поскольку кроме полезного тока звуковой частоты на выходе схемы будет протекать и ток двойной звуковой частоты.

Если в передатчике использовалась амплитудная модуляция, то детектирование так же должно быть амплитудным. Их основные типы:

1.детектор на полупроводниковом или ламповом диоде;

2.анодный, катодный, сеточный детекторы;

3.коллекторный и эмиттерный детекторы.

Рассмотрим схему на полупроводниковом диоде (Рис.4.1.).


Рис.4.1. Схема детектора на полупроводниковом диоде.

Если к зажимам VD приложено переменное напряжение небольшой амплитуды, то выходной ток детектора так же будет периодическим, но не будет синусоидальным. (Рис.4.2.). За счет нелинейной характеристики диода в детекторе будет протекать высокочастотный ток i с частотами ω, 2ω, 3ω, …, где ω – частота входного ток i, а так же постоянный ток I₀ (Рис.4.2.).


Рис.4.2. Картина токов и напряжений на диоде, выходе и входе детектора.
При правильном выборе параметров детектора высокочастотные составляющие тока замыкается через конденсатор С, а постоянная составляющая выделяется на активном сопротивлении r (Рис.4.1.).

Если входной сигнал прерываются в такт с передаваемыми импульсами, то на выходе детектора получим импульсы постоянного тока (Рис.4.3.).



Рис.4.3. Импульсы напряжений детектора на входе и выходе.
Эти импульсы используются для приведения в действие телеграфного аппарата. Если на входе детектора подается высокочастотный сигнал модулированный по амплитуде, то на сопротивлении нагрузки будет выделяться напряжение низкой или звуковой частоты, несущее переданную информацию (Рис.4.4.).

Рис.4.4. Графики импульсов напряжений детектора на входе и выходе.
Последний представляет собой реальный вид импульса выходного напряжения.

Для нормальной работы необходимо иметь быстрый заряд конденсатора С, то есть малое прямое сопротивление r.

Произведем расчет параметров детектора на полупроводниковом диоде, схема которого приведена на рис.4.5.


Рис.4.5. Схема детектора на полупроводниковом диоде.

Данные для расчета:

1. 
   частоты модулируемого сигнала: F_н = 100 Гц, F_в = 5000 Гц;
   
2. 
   сопротивление: R₂ = 6 кОм.
   

Требуется определить:

1. 
   величины C, R_н, C, параметры колебательного контура детектора L_к2, K_к2, r_п2.
   
2. 
   по входной частоте f₀ и прямому току выбрать тип диода.
   

Круговые частоты определяются из соотношений:

рад/с

рад/с

Из соотношения определим R_н:
Ом



Из соотношения найдем С:


Из соотношения найдем С_р:
Ф

Как видно из схемы, входное напряжение детектора:


Выходное напряжение детектора найдется как:


Это напряжение на входе УНЧ. При его определении мы пренебрегли падением на прямом сопротивлении диода.

Для нахождения прямого тока схему детектора сворачиваем к виду:

Эквивалентное сопротивление имеет вид:



где









Прямой ток детектора:

По входной частоте и прямому току выберем тип диода:

Диод Д10Б – средний выпрямленный ток 10 мА, частота до 150 МГц.

5. Расчет усилителя низкой частоты.
УНЧ используется в преемниках для усиления результатов детектирования и передатчиков для усиления колебаний звуковой частоты, получаемых от микрофона.

УНЧ используется также как устройства самостоятельные функционально для усиления речи и музыки.

Условно все УНЧ делятся на усилители напряжения и усилители мощности.

Первые каскады УНЧ создающие напряжения достаточные для нормальной работы усилителя мощности называют усилителями напряжения.

Последний каскад УНЧ обеспечивающий выходную мощность достаточную для работы громкоговорителя или дальнейшей передачи сигнала по проводным линиям связи называется усилителем мощности.

Поскольку нагрузка в усилителях обычно низкоомная, она, как правило, включается через понижающий трансформатор.

Усилители напряжения.

Наиболее распространена схема однокаскадного усилителя напряжения на рис.5.1.

Рис.5.1. Схема усилителя напряжения.
Для уменьшения частотных искажений нагрузкой усилителя напряжения обычно служат резисторы. Ёмкость С_р не пропускает постоянную составляющую с выхода детектора на базу транзистора VT. Сопротивления R₁ и R₂ представляют собой делитель напряжения, создающий определенный потенциал на базе VT, то есть задающий его рабочую точку. R_к – коллекторная нагрузка, то есть обеспечивает усиление по напряжению. R_э – отрицательная обратная связь или цепочка автоматического смещения на базе, которое стабилизирует режим работыVTпри изменении внешних условий. С_э используется для устранения ОС по переменному току.

Одним из основных параметров УНЧ является частотная характеристика, то есть зависимость коэффициента усиления от принимаемой частоты (Рис.5.2.).


Рис.5.2. Частотная характеристика УНЧ.
Сплошной линией показана идеальная частотная характеристика, а пунктирной – реальная.

В реальном усилителе максимальный коэффициент усиления обеспечивается на средних частотах, а на нижних и верхних он уменьшается. «Завал» на нижних частотах объясняется наличием разделительной ёмкости С_р, а на верхних – шунтирующем действием входной ёмкости С_р и ёмкости С_э. увеличения коэффициента усиления на верхних частотах можно добиться последовательным включением с сопротивлением R_k индуктивности L_k.
Усилитель тока

Одним из основных требований к усилителям мощности является отсутствие нелинейных искажений, поэтому такой УНЧ должен работать в режиме класса А, то есть на линейном участке анодно-сеточной характеристике лампы или проходной характеристике транзистора.

Наиболее распространена схема однокаскадного усилителя мощности представлена на рис.5.3.


Рис.5.3 Схема усилителя мощности.

Основной недостаток этой схемы – низкий КПД, который принципиально не может быть больше 50%.

Для увеличения КПД целесообразно использовать двухтактную схему, работающую в режиме класса В (Рис.5.4.).


Рис.5.4. Двухтактная схема УНЧ.
В данной схеме при угле отсечки θ = 90⁰ в течение одного полупериода работает транзистор VT1, а в течение второго - VT2. сигналы с них суммируются, и выходная синусоида будет тем менее искажена, чем ближе параметры VT1VT2. КПД такого усилителя может достигать 80%.
Произведем расчет параметров УНЧ, схема которого представлена на рис.5.5.

Рис.5.5 схема УНЧ электрическая принципиальная.
Определим параметры всех элементов схемы и выходную мощность УНЧ.

Входная мощность УНЧ определяется:


Выходная мощность:



где К_у – коэффициент усиления УНЧ, зададимся К_у =900 и тогда Р_вых:

Выбираем напряжение питания Е_к = 20 В.

Зададимся напряжением в точке О. для того чтобы каскад УНЧ работа в режиме класс А, то есть искажений, необходимо выполнение условия: |

Выберем U₀ = 3,5 В.

Определим ток делителя напряжения R₁, R₂:



тогда:


Ток коллектора транзистора VT выбираем из соотношения:


Пренебрегая падение напряжения на переходе база-эмиттер вычисляем R_э:


Пренебрегая падение напряжения на переходе коллектор-база найдем R_k:


Для исключения обратной связи по переменному току величина С_э определяется из условия:



Разделительная ёмкость С_р1 выбирается из соотношения:






Расчет второго каскада осуществляется аналогично первому, но напряжение в точке О^’ должно быть в 2-3 раза выше, чем напряжение в точке О:


ток делителя выбираем равным коллекторному току первого транзистора:



тогда




Коллекторный ток транзистора VT2 выбираем из соотношения:

мА

тогда

Ом

Значение ёмкости определяем из :

Ф

Параметры выходного трансформатора не рассчитываем.

Далее составим принципиальную схему приемника, последовательно, каскадно соединяя все рассмотренные устройства (приложение).

Список используемых источников.

1. 
   «Радиосвязь на железнодорожном транспорте» под ред. П.Н. Рамлау. М.; Транспорт, 1983г.
   
2. 
   Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам под ред. Н.Н. Горшкова. М.; Энергия, 1979г.
   
3. 
   Курс лекций по дисциплине «Каналообразующие устройства систем железнодорожной автоматики, телемеханике и связи» под руководством В.Б. Гуменникова.