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.
|
|
. Преобразователь частоты может работать на гармониках частоты гетеродина. При этом, как правило, уменьшается коэффициент передачи преобразователя, но возрастает крутизна регулировочной характеристики. Важнейшей характеристикой системы АПЧ является ее статическая характеристика Статической характеристикой системы АПЧ называют зависимость остаточной расстройки по частоте Δf ОСТ от начальной расстройки Δf НАЧ в установившемся режиме. Для основного канала приема характеристика приведена на рисунке 21. АГ РЧ Р f Г Рис. Функциональная схема ГУН Рис. Регулировочная характеристика 46 Основными параметрами системы АПЧ являются полоса захвата, полоса удержания и коэффициент автоподстройки частоты . Все эти параметры могут быть определены по статической характеристике АПЧ. Полоса захвата – это диапазон начальных расстроек частоты, в пределах которого система АПЧ переходит в режим слежения, если этот режим не был установлен ранее. Полоса удержания – это диапазон начальных расстроек частоты, в пределах которого возможно сохранение режима слежения, если этот режим был установлен ранее. Коэффициент автоподстройки частоты определяет, во сколько раз система АПЧ уменьшает начальную расстройку по частоте. Он рассчитывается как отношение начальной расстройки Δf НАЧ к остаточной Δf ОСТ в установившемся режиме ОСТ НАЧ АПЧ f f К Величина коэффициента автоподстройки определяется параметрами системы K АПЧ = 1 + S РЧ S ЧД , где S РЧ – крутизна характеристики регулятора частоты S ЧД – крутизна характеристики частотного дискриминатора. При изменении знака обратной связи на противоположный (прием сигнала по зеркальному каналу) вид статической характеристики АПЧ изменяется. Во всех точках характеристики система АПЧ увеличивает начальную расстройку ОСТ > НАЧ. Возможен ложный захват сигнала, когда система АПЧ поддерживает приблизительно постоянную, но далекую от нуля остаточную расстройку, а входной сигнал принимается по зеркальному Δf ОСТ Δf НАЧ Δf ЗАХВ Δf УД Рис. Статическая характеристика системы АПЧ 47 каналу. Вследствие частотной избирательности преселектора, чувствительность приемника при этом будет понижена. Вид статической характеристики системы АПЧ при работе на зеркальном канале показан на рис. Рассмотрим систему АПЧ с интегрирующим фильтром. Допустим, что соблюдаются условия, когда характеристики ЧД и РЧ могут быть линеаризованы. Тогда в случае возникновения начальной расстройки по частоте величина мгновенной расстройки будет изменяться по закону АПЧ НАЧ 1 1 t e D D f t f , где НАЧ – начальная расстройка D – петлевое усиление по постоянному току = S РЧ S ЧД ) , t – текущее время ПЧ А – постоянная времени системы АПЧ, T – постоянная времени интегрирующего фильтра. Величина постоянной времени системы АПЧ D T А 1 ПЧ Характер переходного процесса показан на рис. 23, где У – время установления НАЧ начальная расстройка ОСТ – установившееся значение остаточной расстройки. В установившемся режиме остаточная расстройка и коэффициент автоподстройки равны соответственно Рис. 23. Переходный процесс в системе АПЧ ∆f ∆f ∆f t t у Рис.22. Зависимость остаточной расстройки от начальной при приеме сигнала по зеркальному каналу Δf ОСТ Δf НАЧ ∆f 48 D f f 1 НАЧ ОСТ , K АПЧ = 1 + D. Временем установления t У называют промежуток времени, необходимый для уменьшения расстройки от НАЧ до ОСТ. Благодаря действию обратной связи, время установления процессов в системе АПЧ значительно меньше, чем время установления процессов в интегрирующей цепочке. Действие системы АПЧ может привести к возникновению искажений ЧМ- сигнала. При недостаточной инерционности системы АПЧ напряжение регулировки Р начинает изменяться с частотой модуляции входного сигнала. Поскольку в системе реализуется отрицательная обратная связь, изменение частоты гетеродина, вызванное изменением Р, снижает индекс частотной модуляции преобразованного сигнала по сравнению с индексом частотной модуляции сигнала на входе смесителя. Это приводит к уменьшению выходного напряжения частотного детектора в информационном канале приемника. Эффект проявляется тем сильнее, чем ниже частота модуляции. В области верхних частот модуляции инерционность АПЧ обычно достаточна, напряжение Р практически не изменяется во времени и уменьшения выходного напряжения частотного детектора за счет действия АПЧ не происходит. Таким образом, действие АПЧ проявляется в завале нижних частот модуляции сигнала. В системе АПЧ возможно возникновение самовозбуждения. Допустим, что на вход смесителя системы АПЧ подан немодулированный сигнал. Инерционные элементы в кольце АПЧ (ФНЧ, УПТ) приводят к фазовым сдвигам сигнала. Если на некоторой частоте дополнительный фазовый сдвиг достигает 180°, а петлевое усиление на этой частоте превышает единицу, тов системе АПЧ возникает самовозбуждение. Оно проявляется в возникновении и поддержке кольцом АПЧ паразитной частотной модуляции выходного напряжения гетеродина приемника. Преобразованный сигнал также оказывается промодулированным по частоте, и на выходе частотного детектора появляется переменное напряжение. Условие устойчивости системы АПЧ с интегрирующим фильтром записывается в виде 49 З Т К 2 АПЧ , где T = RC – постоянная времени фильтра З – дополнительная задержка сигнала, обычно вызванная избирательными системами УПЧ, а также инерционными цепями ЧД и РЧ. Если петлевое усиление АПЧ невелико, более точный результат дают формулы З 1 0 , 2 0 К АПЧ 2 КР, где F 0 – частота самовозбуждения K АПЧ КР – критический коэффициент автоподстройки. Система АПЧ проектируется с запасом по устойчивости. Величина устойчивого коэффициента автоподстройки больше у инерционных систем и меньше у безынерционных. Введение в кольцо АПЧ звеньев, увеличивающих запаздывание З, снижает устойчивость системы. 1.10. Технико-экономическое обоснование В конце проектирования выявляется техническая и экономическая целесообразность внедрения проекта. В технико-экономическом обосновании приводятся необходимые экономические расчеты себестоимость изделия, стоимость его эксплуатации сравнение с аналогами по технико-экономическим характеристикам возможность внедрения результатов проектирования. При расчете себестоимости изделия можно пользоваться упрощенными методами. В качестве примера приведем метод приравнивания удельных весов. Известно, что удельный вес покупных готовых изделий и полуфабрикатов для приемной аппаратуры радиосвязи составляет примерно 25% себестоимости. При проектировании радиоприемного устройства оказалось, что стоимость по этой статье расхода составила 500 рублей. Тогда себестоимость изделия можно ожидать порядка X = 500/0,25 = 2 000 рублей. Технико-экономические показатели сами по себе не могут служить подтверждением правильности выбора проектного варианта. Они только 50 позволяют сравнить предлагаемый вариант с уже существующим образцом или другим возможным вариантом. Результаты сравнительного анализа обычно оформляются в виде таблиц, диаграмм, графиков. Например, для радиоприемного устройства профессиональной связи можно основные характеристики свести в табл. Основные показатели радиоприемного устройства. Таблица 1 № Наименование показателя Единица измерения Достигнутые показатели Показатели аналога 1 Диапазон принимаемых частот МГц 3 – 30 3 – 30 2 Чувствительность мкВ 10 6 3 ……………………………… …………… ……… ……….. … ……………………………… …………… ………. ……….. 19 ……………………………… …………… ………. ……….. 20 Стоимость руб. 2 000 8 000 На основании таблицы формулируются сильные и слабые стороны проекта, оценивается возможность внедрения спроектированного устройства. Стоимость радиоприемного устройства чаще всего находится в противоречии с другими характеристиками, и для ее снижения без существенного ухудшения электрических параметров приходится, в частности, повышать степень интеграции приемника, что, в свою очередь, требует новых схемотехнических решений и перехода к новым технологиям. Существенным показателем является стоимость разработки и эксплуатации изделия. Оценка стоимости эксплуатации включает в себя стоимость потребляемой энергии, стоимость профилактических и ремонтных работ, квалификацию обслуживающего персонала. В условиях рыночной экономики стоимостным показателям следует уделять достаточно серьезное внимание. Важными факторами являются также такие, как соответствие мировым стандартами сроки морального износа. 51 2 . ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ При эскизном проектировании решаются следующие вопросы – выбор и обоснование структурной схемы приемника – определение числа поддиапазонов, расчет сквозной полосы пропускания приемника – выбор структуры первых каскадов преселектора и числа преобразований частоты – выбор первых каскадов приемника – определение избирательной системы тракта промежуточной частоты – выбор электронных приборов для высокочастотного тракта – распределение усиления между трактами приемника – оценка динамического диапазона приемника – выбор тракта усиления низких частот – выбор регулировок приемника. 2.1. Выбор типа структурной схемы Радиовещательные приемники обычно выполняются по схеме с однократным преобразованием частоты (рис. 24). Варианты a и б отличаются наличием и отсутствием УРЧ. Следует его ставить или нет, определяется его назначением введение УРЧ позволяет улучшить реальную чувствительность и избирательность по побочным ВЦ См УПЧ Д УНЧ Г АРУ ВЦ УРЧ См УПЧ Д Г АРУ УНЧ a б Рис. 24. Типовые структурные схемы радиовещательных приемников ВЦ – входная цепь, УРЧ – усилитель радиочастоты, См – смеситель, Г – гетеродин, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, Д – детектор, УНЧ – усилитель низких частот 52 каналам приема, но может уменьшить динамический диапазон приемника из- за перегрузки смесителя. На рис. 25 представлена типовая структурная схема УКВ-ЧМ-приемника. При приеме сигналов стереовещания схема дополняется стереодекодером, имеющим выходы на два канала усиления звуковых частот (рис. 26). Профессиональные приемники КВ-диапазона обычно выполняются по супергетеродинной схеме с двукратным преобразованием частоты (рис. 27). Первая промежуточная частота выбирается равной 35-50 МГц, что позволяет обеспечить высокую избирательность по зеркальному каналу (схема инфрадинного приема. Основная селекция осуществляется уже в тракте первой ПЧ приемника, для чего используются либо кварцевые, либо монолитные фильтры. При выборе второй ПЧ руководствуются соображениями обеспечения избирательности по соседнему и второму зеркальному каналам приема. Вторая ПЧ варьируется в пределах от 0,1 до 1,6 МГц. Проектирование профессионального приемника начинают со схемы однократного преобразования частоты и переходят к схеме с двукратным преобразованием в случае, если невозможно выполнить заданные технические требования. Рис. 25. Структурная схема УКВ-ЧМ-приемника: ВЦ – входная цепь, УРЧ – усилитель радиочастоты, См – смеситель, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, АО – амплитудный ограничитель, ЧД – частотный детектор, УНЧ – усилитель низких частот, АРУ – автоматическая регулировка усиления, АПЧ – автоматическая подстройка частоты ВЦ УРЧ См М УПЧ Ч АО Г АРУ ЧД УНЧ АПЧ ВЦ УРЧ См УПЧ-1 См Г Д УПЧ-2 УНЧ АРУ Г АРУ 53 Типовая структурная схема радиоканала телевизионного приемника приведена на рис. Отличительной особенностью телевизионного приемника является наличие во входном сигнале одного частотного канала двух информационных колебаний сигналов изображения и звукового сопровождения. Эти два вида информации передаются на разных несущих частотах. Разность несущих частот изображения и звука строго постоянна в любом телевизионном стандарте. В стандартах D / Кона составляет 6,5 МГц, в стандартах B / G – 5,5 МГц, в стандарте М – 4,5 МГц. В приемнике с совмещенными каналами звука и изображения суммарный сигнал проходит сначала через общий высокочастотный тракт. Видеодетектор выполняет функцию детектирования сигнала изображения и функцию преобразования частоты для сигнала звука. В качестве колебаний гетеродина при преобразовании частоты используются колебания несущей сигнала изображения. Поэтому промежуточная частота звукового сопровождения оказывается равной 6,5 МГц (стандарты D / Кили МГц (стандарты B / G) независимо от точности настройки приемника на станцию. Сигналы изображения и звука после ВД разделяются частотными фильтрами (РФ и ПФ, после чего сигнал изображения поступает в видеоусилитель, а сигнал звука – в канал сигналов звукового сопровождения (УПЧЗ, ЧД и УНЧ). В современных телевизионных приемниках используются квазипараллельная или комбинированная схемы усиления сигналов изображения и звукового сопровождения, в которых эти сигналы разделяются СК УПЧИ ВД РФ АРУ ПФ ЧД АПЧГ УПЧЗ УНЧ Выход звука Выход изображения Настройка на станцию Рис. 28. Структурная схема радиоканала телевизионного приемника Рис. 27. Структурная схема КВ-приемника c двойным преобразованием частоты 54 сразу после селектора каналов. В этих схемах функции детектирования сигнала изображения и преобразования частоты сигнала звукового сопровождения выполняются различными устройствами. Типовая структурная схема селектора телевизионных каналов приведена на рис. 29. Сигнал от антенны проходит через входную цепь, усилитель радиочастоты и полосовой фильтр. Смеситель и гетеродин образуют преобразователь частоты. Сигналы промежуточных частот изображения и звукового сопровождения выделяются фильтром промежуточных частот. Напряжения автоматической регулировки усиления и автоматической подстройки частоты поступают из блока промежуточных частот или от процессора системы управления тюнером. Радиолокационные приемники обычно выполняются по супергетеродинной схеме с однократным преобразованием частоты (рис. 30). Общая для приемника и передатчика антенна подключается с помощью антенного переключателя АП. Для повышения чувствительности приемника перед смесителем может использоваться малошумящий УРЧ. 2.2. Определение числа поддиапазонов Разделение общего диапазона на поддиапазоны производится в области коротких волн. Определяются число поддиапазонов, их границы и коэффициенты перекрытия. В радиовещательных приемниках чаще АРУ АПЧГ УРЧ ПФ См М Г ФПЧ ВЦ Рис. 29. Структурная схема селектора телевизионных каналов АП УПЧ См Д Г БВС АРУ От передатчика Рис. 30. Структурная схема радиолокационного приемника АП – антенный переключатель, См – смеситель, Г – гетеродин, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, Д – детектор, АРУ – автоматическая регулировка усиления, БВС – блок видеосигналов 55 производится разбивка КВ диапазона по методу одинаковых коэффициентов перекрытия, в профессиональных — по методу равных частотных интервалов. 2.3. Расчет сквозной полосы пропускания приемника Полоса пропускания высокочастотного тракта приемника П определяется шириной спектра сигналов C f и нестабильностью частот настройки узлов приемопередающего тракта Н f Н C 2 П f f Полоса сигнала C f определяется видом сигнала и характером его модуляции. Примеры выбора C f приведены в табл. 1. При амплитудной модуляции ширина спектра сигнала определяется только значением верхней частоты модуляции B F . При частотной модуляции следует также учитывать индекс модуляции ψ. Определение полосы частот, занимаемой импульсным сигналом, производится либо по его длительности τ (в приемниках обнаружения цели, либо повремени установления выходного импульса приемника у (в измерительных приемниках. Таблица 1 Расчет ширины спектра сигнала Вид модуляции Расчетная формула Двухполосная АМ Однополосная АМ Частотная модуляция B C 2F f ( 1 ) Ширина полосы ТВ-канала стандарты D / K; B / G; М) 8 МГц 7/8 МГц 6 МГц Импульсный сигнал / ) 2 1 ( C f У C / 1 f Современная профессиональная приемопередающая аппаратура имеет высокую частотную стабильность, что связано с применением синтезаторов частот. Поэтому для профессиональных приемников нестабильность Н f можно не учитывать. Для радиовещательных и телевизионных приемников, не имеющих синтезатора частоты, нестабильности настройки отдельных узлов суммируются в среднеквадратичном, что связано со случайным характером нестабильностей. Обычно это приводит к расширению требуемой полосы высокочастотного тракта приемника на 10 – 20 %. Поэтому допустимо принимать в эскизном расчете П = (1,1…1,2) C f 56 Более значительное расширение полосы пропускания требует, как правило, применения системы АПЧ. 2.4. Выбор структуры преселектора и числа преобразований частоты Преселектор супергетеродинного приемника обеспечивает заданную избирательность по побочным каналам приема, в первую очередь по зеркальному каналу и каналу прямого прохождения. Частота зеркального канала при простом преобразовании частоты П C З 2 f f f , где C f - частота сигнала, П - промежуточная частота, знак плюс или минус ставится в зависимости от верхней или нижней настройки гетеродина. Частота канала прямого прохождения равна промежуточной частоте. Под избирательностью понимают отношение коэффициентов передачи по основному и побочному каналам приема. На рис. 31 приведены наиболее употребительные схемы преселекторов. Самый простой преселектор состоит из одноконтурной входной цепи риса. Избирательность одиночного контура 2 0 0 2 Э ОК ) ( 1 f f f f Q В случае n одиночных контуров (рис. 31, б n = 2) имеем n n ОК Для двухконтурной системы с одинаковыми контурами при критической связи (рис. 31, в) 4 0 0 Э 2 1 f f f f Q , Рис. 31. Типовые схемы преселекторов К – колебательный контур, КК – система двух связанных контуров, УРЧ и ПЧ – активные элементы усилителя радиочастоты и преобразователя частоты К |