Линейный тракт. ФП1П-041. Упи н. П. Никитин, В. В. Кийко проектирование радиоприемных устройств на базе аналоговых блоков учебное пособие Научный редактор доц канд техн наук В. И. Елфимов Екатеринбург 2004 2
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
Н.П.Никитин, В.В. Кийко Проектирование радиоприемных устройств на базе аналоговых блоков 1 Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет – УПИ» Н.П.Никитин, В.В.Кийко ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ АНАЛОГОВЫХ БЛОКОВ Учебное пособие Научный редактор доц. канд. техн. наук В.И. Елфимов Екатеринбург 2004 2 УДК 621.396. 62.001. 63 ББК 32.849-02 Н 62 Рецензенты кафедра физики Уральской государственной горно-геологической академии Доц. канд. физмат. наук В.И. Бочаров доц. канд. физмат. наук ГЛ. Штрапенин (УрГУПС) Авторы Н.П. Никитин, В.В. Кийко Н 62 Проектирование радиоприемных устройств на базе аналоговых блоков учебно-методическое пособие /Н.П. Никитин, В.В. Кийко. Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. 113 с. JSBN 5-321-00501-x Излагаются вопросы эскизного и электрического проектирования радиоприемных устройств. Рекомендуются программы проектирования платна ЭВМ. Приведены типовые задания на проектирование. Пособие предназначено для студентов дневного, вечернего и заочного обучения специальностей 200700 – Радиотехника, 201200 – Средства связи с подвижными объектами, 201600 – Радиоэлектронные системы. Библиогр.: 19 назв. Табл. Рис. Прил. УДК 621.396. 62.001. 63 ББК 32.849-02 JSBN 5-321-00501-x ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет – УПИ», 2004 Авторы, 2004 3 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ ..... КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ .................................................................. 4 ПАРАМЕТРЫ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ ........................................................................... 5 ОСНОВНЫЕ СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ .................................................................................. 9 РАДИОВЕЩАТЕЛЬНЫЕ ПРИЕМНИКИ ....................................................................................... 10 ПРИЕМНИКИ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ ........................................................................... 13 МАГИСТРАЛЬНЫЕ ПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА ......................................................................... 16 РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ПРИЕМНИКИ ...................................................................................... 24 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ ...................................................... 32 СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ......................................................... 42 1.10. Т ЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ....................................................................... 49 2 . ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ................................................................................. ВЫБОР ТИПА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ...................................................................................... 51 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ПОДДИАПАЗОНОВ .............................................................................. 54 РАСЧЕТ СКВОЗНОЙ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ ПРИЕМНИКА .................................................... 55 ВЫБОР СТРУКТУРЫ ПРЕСЕЛЕКТОРА И ЧИСЛА ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ЧАСТОТЫ .......................... 56 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗБИРАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ТРАКТА ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ ................ 57 ВЫБОР ПЕРВЫХ КАСКАДОВ ПРИЕМНИКА ............................................................................... 64 ВЫБОР ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ТРАКТА .................................. 65 РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УСИЛЕНИЯ МЕЖДУ ТРАКТАМИ РАДИОПРИЕМНИКА .................................. 67 ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ПРИЕМНИКА .......................................................... 69 ВЫБОР РЕГУЛИРОВОК ПРИЕМНИКА ..................................................................................... 72 ВЫБОР ТРАКТА УСИЛЕНИЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ ..................................................................... 74 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА. РАБОЧЕЕ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ) ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОПРИЕМНИКА ... РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ .................................................................. 75 РАСЧЕТ ВХОДНЫХ ЦЕПЕЙ ...................................................................................................... 77 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ РАДИОЧАСТОТЫ .................................................................................... 78 РАСЧЕТ СМЕСИТЕЛЯ .............................................................................................................. 81 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ ................................................................ 82 РАСЧЕТ ДЕТЕКТОРА ............................................................................................................... КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ ...................... МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СХЕМ ............................................ 86 СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ .............................................................................. 88 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧАТНЫХ СТРУКТУР ............................................................................. 89 ПОДГОТОВКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ К ПРОИЗВОДСТВУ ................................................................ 91 ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ........................................................................................ 91 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ .................................................. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА ... ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ................................................................... 93 ТЕМАТИКА КУРСОВЫХ ПРОЕКТОВ ......................................................................................... 93 КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА .................................................. 94 ОФОРМЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ .................................................................... 95 ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ. ПРИЛОЖЕНИЕ 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ РЭА В САПР P-CAD Х ..................................................................................................................... 101 4 ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ ДЛЯ РАДИОТРАКТА ВЕЩАТЕЛЬНЫХ ПРИЕМНИКОВ ....................................................................................... БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................................... 120 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ 1.1. Классификация радиоприемных устройств Радиоприемное устройство состоит из антенны, радиоприемника и оконечного устройства. В пособии рассматриваются только вопросы проектирования радиоприемников. Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основными являются назначение приемника диапазон принимаемых частот вид принимаемых сигналов тип структурной схемы форма выполнения основных операций над сигналом вид активных элементов, используемых в приемнике тип конструкции приемника. По назначению различают приемники связные, радиовещательные, телевизионные, радиолокационные, ретрансляционные и многие другие. Назначение приемника во многом определяет технические решения, выбираемые при проектировании. Диапазон частот радиосигналов весьма широк от 30 кГц до 300 ГГц, что соответствует волнам от 10 км до 1 мм. Приемник может быть предназначен для работы на одной или нескольких фиксированных частотах, или в некотором диапазоне частот. От диапазона частот напрямую зависит выбор активных элементов (транзисторов и микросхем) и резонансных систем (с сосредоточенными или распределенными постоянными. Вид принимаемых сигналов определяется видом модуляции или ее отсутствием. Используются непрерывные, дискретные и цифровые сигналы. В случае непрерывных сигналов применяют амплитудную, частотную или фазовую модуляцию. В случае дискретных сигналов применяют аналогичные виды манипуляции. Радиолокационный импульсный сигнал может быть немодулированным. Кроме простых сигналов, имеющих базу порядка 5 единицы, применяют сложные сигналы, база которых значительно больше единицы по порядку величины. Полоса пропускания главного тракта приемника всегда согласуется с шириной спектра принимаемого сигнала. Способ детектирования определяется видом модуляции. По типу структурной схемы различают приемники прямого усиления, прямого преобразования и супергетеродинные приемники. Наилучшие качественные показатели обеспечивает применение супергетеродинной схемы. В профессиональных приемниках используют двойное и тройное преобразование частоты. Основные операции над сигналом могут выполняться в аналоговой, цифровой или цифроаналоговой форме. Усилительно-преобразовательный тракт обычно является аналоговым, демодуляция и последующая обработка сигналов в современных приемниках часто делается цифровой. В качестве активных элементов широко применяются полевые и биполярные транзисторы и интегральные микросхемы. Элементная база постоянно обновляется. Конструктивно приемники выполняются на основе печатного или объемного монтажа с использованием интегральных микросхем, представляющих собой каскады, узлы приемников и даже целые приемники. При учебном проектировании целесообразно начать работу с ознакомления с типовыми решениями, применяемыми в приемниках определенного назначения. Эти решения выверены многолетней практикой, и их стоит придерживаться. 1.2. Параметры радиоприемных устройств В техническом задании на проектирование обычно указываются электрические, конструктивно-эксплуатационные и производственно- экономические показатели. К основным электрическим характеристикам относятся верность воспроизведения сообщения, диапазон рабочих частот, чувствительность, избирательность, динамический диапазон, помехоустойчивость, эффективность регулировок и электромагнитная совместимость. К конструктивно-эксплуатационным характеристикам относятся масса, габариты, экономичность питания, надежность, ремонтопригодность, 6 эргономические показатели и стабильность характеристик при изменении условий эксплуатации. В производственно-экономические показатели входят стоимость, степень интеграции и унификации узлов, серийноспособность, вид технологического процесса при изготовлении и сроки разработки. В задании на учебное проектирование приводится только некоторая часть этих показателей, остальные дорабатываются студентом в процессе проектирования. Заданные показатели обязательно должны быть выдержаны, желательно с некоторым запасом, учитывающим старение элементов и различия в условиях эксплуатации. Однако значительное превышение качественных показателей недопустимо. Это связано стем, что улучшение одних характеристик всегда сопровождается ухудшением других. Например, при увеличении чувствительности приемника может ухудшиться его избирательность, уменьшиться динамический диапазон, возрасти стоимость и т.д. При проектировании необходимо достигнуть некоторого компромисса, обеспечивающего достаточно высокие показатели по всей совокупности параметров. Качественные показатели супергетеродинного приемника определяются следующими электрическими характеристиками 1. Чувствительность ─ способность приемника принимать слабые сигналы. Количественно для радиоприемников умеренно высоких частот чувствительность оценивается минимальной ЭДС в антенне Е А нормально модулированного сигнала, при которой на выходе приемника сигнал воспроизводится с требуемым качеством. Под требуемым качеством можно понимать получение заданного уровня сигнала на выходе приемника (так определяется максимальная чувствительность получение определенного отношения мощности сигнала к мощности шумов на выходе приемника так определяется реальная чувствительность); выполнение одного из вероятностных критериев качества приема вероятность правильного приема, вероятность ошибки. 2. Избирательность селективность – способность приемника выделять полезный сигнал, ослабляя действие помех. Основное значение имеет частотная избирательность. Различают односигнальную и многосигнальную эффективную) частотную избирательность. 7 Односигнальная избирательность определяется амплитудно-частотной характеристикой фильтров усилительно-преобразовательного тракта приемника при действии на его входе одного малого сигнала, не вызывающего нелинейных эффектов. Она оценивается по нормированной амплитудно-частотной характеристике γ (f) 0 ) ( K f K , где К f ) ─ модуль коэффициента усиления по напряжению на произвольной частоте f , К - резонансный коэффициент усиления. Селективность оценивается обратной величиной Se = K 0 / K( f ) и определяет ослабление помехи при заданной расстройке Δf = f - Обычно избирательность выражается в децибелах Se = 20 lg (K 0 / K( f )) дБ. Методом односигнальной избирательности оценивается также избирательность по побочным каналам приема супергетеродинного приемника по зеркальному каналу, по каналу прямого прохождения, по каналам преобразования частоты, образованным гармониками частоты гетеродина. В условиях действия сильных помех, приводящих к эффектам блокирования сигнала, перекрестной модуляции и интермодуляции, используется понятие эффективной или многосигнальной избирательности. Блокированием называют уменьшение коэффициента усиления усилительно-преобразовательного тракта под действием сильных мешающих сигналов с частотами, отличающимися от частот основного и побочного каналов приема. Перекрестная модуляция проявляется в переносе модуляции помехи на несущую полезного сигнала за счет нелинейности усилительно-преобразовательного тракта. Интермодуляция заключается в том, что при воздействии на нелинейный элемент усилительно- преобразовательного тракта двух или более помех различных частот, на его выходе в спектре интермодуляционных колебаний вида m f 1 ± n f 2 ± p f 3 ±… возникает составляющая, совпадающая либо с частотой настройки приемника, либо с частотой какого-то побочного канала приема. 8 Количественно многосигнальная избирательность может быть оценена полосой забития сигнала, коэффициентом перекрестной модуляции или допустимым уровнем взаимомодулирующих сигналов. 3. Помехоустойчивость ─ способность приемника обеспечивать нормальное функционирование в условиях воздействия определенной совокупности помех. Существуют различные критерии количественной оценки помехоустойчивости вероятностный, энергетический, артикуляционный. 4. Электромагнитная совместимость ─ возможность приемника работать совместно с другими радиоэлектронными устройствами и системами. 5. Верность воспроизведения сообщений. Количественно верность воспроизведения оценивается искажениями выходного сигнала приемника по отношению к модулирующей функции. К статическим искажениям относятся линейные (амплитудно-частотные и фазовые) и нелинейные (коэффициенты гармоник основной частоты модуляции. К динамическим искажениям относятся переходные искажения, характеризующие временную зависимость выходного напряжения приемника при подаче на его вход радиоимпульса время запаздывания импульса, время нарастания переднего фронта, выброс переходной характеристики, спад плоской вершины импульса. 6. Динамический диапазон характеризует допустимый минимальный и допустимый максимальный уровни входных сигналов. Динамический диапазон по основному каналу приема ─ это пределы изменения уровня входных сигналов, при которых потеря информации не превышает заданного значения. Нижняя граница динамического диапазона по основному каналу приема ограничена шумами приемника, верхняя ─ нелинейными искажениями. Динамический диапазон по соседним каналам приема ограничен искажениями информации, возникающими за счет действия мощных помех, действующих в соседних каналах. Среди других электрических характеристик отметим характеристики частотной настройки (диапазон или набор рабочих частот, параметры регулировок, выходную мощность, параметры системы питания. Кроме электрических характеристик большое значение имеют конструктивно - эксплуатационные и производственно - экономические характеристики. 9 1.3. Основные стадии проектирования Согласно ЕСКД проектирование включает в себя составление технического задания, технического предложения, эскизного и технического проектов. Техническое задание (ТЗ) составляется на стадии проектирования связной или радиолокационной системы в целом. При учебном проектировании оно задается преподавателем. В ТЗ содержатся общие характеристики приемного устройства, характеристики принимаемых сигналов и помех, электрические характеристики приемника, конструктивные и эксплуатационные требования. На стадии технического предложения выполняют анализ ТЗ, осуществляют подбор необходимой литературы, приводят и сравнивают различные варианты структурных схем радиоприемного устройства. При учебном проектировании техническое предложение завершается представлением черновых материалов преподавателю. На стадии эскизного проектирования выбирают и обосновывают функциональную схему радиоприемного устройства, составляют принципиальную схему и производят ее расчет, разрабатывают конструкции отдельных узлов и всего радиоприемного устройства. При учебном проектировании эту стадию целесообразно разделить на два этапа этап эскизного и этап рабочего проектирования. Первый этап относится к составлению и расчету структурной схемы, второй - к составлению и расчету принципиальной схемы. Стадия эскизного проектирования завершается разработкой конструкции. При создании технического проекта составляют рабочие чертежи деталей, узлов и самого приемника, приводят методику настройки и регулировки, климатических и механических испытаний, а также контроля параметров, составляют техническую документацию, содержащую технический паспорт, описание и инструкцию по эксплуатации радиоприемного устройства. 10 1.4. Радиовещательные приемники Основное назначение радиовещательных приемников ─ высококачественное воспроизведение музыкальных и речевых передач. Радиовещательный прием осуществляется в километровом (150…300 кГц, гектометровом (300…3000 кГц, и метровом (66…108 МГц) диапазонах радиочастот. Для звукового вещания выделены определенные области частот, которые традиционно характеризуют как диапазоны длинных волн ДВ, средних волн СВ, коротких волн КВ и ультракоротких волн УКВ. Коротковолновый диапазон разбивается наряд поддиапазонов, расположенных вблизи волн с длиной 75, 49, 41, 31, 25, 19, 16, 13 и 11 метров. В зависимости от условий эксплуатации радиоприемные устройства подразделяются на стационарные, переносные, автомобильные и миниатюрные. По электроакустическим параметрами по комплексу потребительских удобств они делятся на четыре группы сложности 0, 1, 2 и 3. Аналоговые сигналы звукового вещания имеют следующие виды модуляции АМ, ЧМ, ЧМ - стерео и АМ - стерео. В развитых странах наряду с аналоговыми используются цифровые сигналы. В России Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) приняла решение об организации в ряде регионов опытных зон экспериментального цифрового звукового радиовещания стандарта DRM в диапазоне 3,95 ─ 26,1 МГц. Приемники должны иметь достаточно высокие качественные показатели, обладая приемлемой стоимостью. Они должны также иметь простое управление и отличаться высокой надежностью, так как эксплуатируются неквалифицированными пользователями. Для измерения чувствительности АМ - приемников используется модулированный гармоническим колебанием сигнал с глубиной модуляции несущей m = 0,3 и частотой модуляции F = 400 или 1000 Гц. Стандартную выходную мощность принимают равной 50 мВт для приемников с выходной мощностью больше 150 мВт и 5 мВт для приемников с выходной мощностью не превышающей 150 мВт. Требуемое отношение сигнал/шум на выходе приемника составляет 20 дБ. Для ЧМ - приемников ультракоротковолнового диапазона в качестве испытательных используют сигналы с девиацией частоты 15 кГц (при пиковой девиации 50 кГц, которая принимается в диапазоне частот 64…74 МГц) или 11 22,5 кГц (при пиковой девиации 75 кГц, которая принимается в диапазоне частот 88…108 МГц. Отношение сигнал/шум на выходе приемника должно быть не менее 26 дБ. Для характеристики односигнальной линейной) селективности используют следующие параметры 1. Селективность по соседнему каналу. Частота соседнего канала отличается от частоты настройки в диапазонах АМ на ± 9 кГц (в Европе) или ± 10 кГц (в США и Японии, а в диапазонах ЧМ на ± 180 или ± 300 кГц. 2. Селективность по зеркальному каналу. Частота зеркального канала выше частоты настройки на удвоенное значение промежуточной частоты (при верхней настройке гетеродина. 3. Селективность по промежуточной частоте. 4. Селективность по дополнительным каналам приема, образованным взаимодействием гармоник частоты сигнала и частоты гетеродина. Наиболее опасные из них располагаются между соседними зеркальным каналами приема. Ширина спектра принимаемого сигнала в случае АМ равна удвоенной верхней частоте модуляции, в случае ЧМ она составляет 180 кГц в отечественном УКВ - диапазоне и 250 кГц в зарубежном FM - диапазоне. На рис. 1 приведена типовая структурная схема радиовещательного приемника сигналов с частотной модуляцией. Современные радиовещательные приемники, как правило, строятся по супергетеродинной схеме с однократным преобразованием частоты. Прямое усиление используется лишь в миниатюрных переносных приемниках с низкими показателями качества, а двукратное ─ в дорогих приемниках, приближающихся по показателям к профессиональным. Станции, работающие в ДВ и СВ - диапазонах, принимаются на встроенную ферритовую (магнитную) антенну. Программы КВ и УКВ - диапазона принимаются на штыревую (телескопическую) антенну. В приемнике может быть предусмотрена работа и от внешней антенны. Сигнал от антенны поступает на входную цепь, представляющую собой узкополосный фильтр, и далее на усилитель радиочастоты. После преобразования частоты сигнал усиливается в усилителе промежуточной частоты, детектируется и поступает на усилитель звуковых частот. Радикальным методом улучшения звучания радиоприемного устройства является переход к стереофоническому вещанию. Разделение сигналов левого и правого каналов происходит в стереодекодере. Автоматическая 12 подстройка частоты обеспечивает точность и стабильность настройки на станцию. Автоматическая регулировка усиления обеспечивает стабильность уровня сигнала на входе демодулятора. Паразитная амплитудная модуляция устраняется за счет применения схемы частотного детектора, нечувствительной к ней. Для удобства слушателя вводятся дополнительные схемы схема бесшумной настройки и схема слежения за настройкой. Рис. 1. Структурная схема радиоприемного тракта вещательного приемника БшН ─ бесшумная настройка, ССН - схема слежения за настройкой, СтД ─ стереодекодер, ВЦ ─ входная цепь, УРЧ ─ усилитель радиочастоты, См ─ смеситель, УПЧ ─ усилитель промежуточной частоты, ЧД ─ частотный детектор, Г ─ гетеродин, АРУ ─ автоматическая регулировка усиления, АПЧ автоматическая подстройка частоты При приеме АМ - сигналов промежуточная частота чаще всего выбирается равной 465 кГц, при приеме ЧМ - сигналов ─ 10,7 МГц. В стереовещании используются сигналы с полярной модуляцией и с пилот- тоном. Для современных радиовещательных приемников наиболее характерны следующие особенности улучшение основных показателей качества, отказ от механических и электромеханических узлов и деталей, применение цифровых Сигнал фиксации настройки |