РПУ Курсовой проект Задание 6. Задача проектирования 4 Исходные данные 4 Эскизное проектирование 5 Структурная схема приёмника 5

• Название: Задача проектирования 4 Исходные данные 4 Эскизное проектирование 5 Структурная схема приёмника 5
• Дата: 29.12.2020
• Размер: 452 Kb.
• Имя файла: РПУ Курсовой проект Задание 6.doc
• Тип: Задача; #165116

Оглавление

Задание на проектирование 4

Задача проектирования 4

Исходные данные 4

Эскизное проектирование 5

Структурная схема приёмника 5

Выбор значения промежуточной частоты 5

Выбор избирательной системы тракта ПЧ 6

Структура преселектора 7

Выбор способа и элемента настройки 8

Выбор детектора сигнала 9

Распределение усиления по каскадам 10

Выбор ИМС УНЧ, динамической головки и узлов блока питания 14

Расчёт преселектора 15

Принципиальная схема преселектора 15

Расчёт входной цепи 15

Расчёт резонансного УРЧ 17

Расчёт элементов цепи питания 19

Расчёт преобразователя частоты 20

Выбор схемы ПрЧ 20

Расчёт подключения нагрузки 21

Усиление ПрЧ 22

Расчёт гетеродина 23

Схема гетеродина 23

Расчёт сопряжения настроек гетеродина и преселектора 23

Расчёт частотного детектора 27

Расчёт усилителя промежуточной частоты 29

Требуемый коэффициент усиления в тракте ПЧ 29

Схема и характеристики УПЧ 29

Расчёт каскада УПЧ с резистивной нагрузкой 30

Усилитель низкой частоты 30

Список литературы 31

Задание на проектирование

Задача проектирования

Необходимо спроектировать и рассчитать приёмник стереофонических УКВ сигналов.

Исходные данные

1. 
   Характеристики принимаемых сигналов
   

• 
  диапазон частот, МГц 68,5…74; 78…108
  
• 
  вид модуляции ЧМ
  
• 
  девиация частоты, кГц 130
  
• 
  диапазон воспроизводимых частот, Гц 30…15000
  
• 
  частота поднесущей, кГц 38
  
• 
  модуляция поднесущей АМ с подавленной поднесущей
  
• 
  тип антенны штырь 50 см
  

2. 
   Характеристики помех
   

• 
  вид помехи внутриприёмный шум
  

3. 
   Качественные характеристики приёмника
   

• 
  чувствительность, мкВ 10
  
• 
  отношение сигнал/шум на выходе приёмника, дБ 26
  
• 
  ослабление по СК, дБ 46
  
• 
  ослабление по ЗК, дБ 46
  
• 
  динамический диапазон входных сигналов, дБ 40
  
• 
  динамический диапазон выходных сигналов, дБ 6
  
• 
  выходная мощность, Вт 5
  

Эскизное проектирование

Структурная схема приёмника

Типичная структурная схема радиоприёмника представлена на рисунке 1. Количество и характеристики отдельных узлов схемы будут уточнены в процессе расчёта.



Рисунок 1 – Структурная схема приёмника

В состав приёмника входят:

• 
  входная цепь (ВЦ);
  
• 
  усилитель радиочастоты (УРЧ);
  
• 
  преобразователь частоты (ПрЧ);
  
• 
  избирательная система тракта ПЧ;
  
• 
  усилитель ПЧ;
  
• 
  частотный детектор (ЧД);
  
• 
  фильтр низкой частоты (ФНЧ);
  
• 
  усилитель низкой частоты (УНЧ).
  

Приёмники с частотной модуляцией, как правило, не имеют в своём составе цепи автоматической регулировки усиления (АРУ).

Выбор значения промежуточной частоты

Выбор числа преобразований частоты и значения (значений) промежуточной частоты производится с учётом требований к избирательности приёмника по зеркальному и соседнему каналу. Рекомендованным номинальным значением промежуточной частоты для радиоприёмников, работающих в указанном в задании диапазоне частот (УКВ), является промежуточная частота в 10,7 МГц.

Использование в разрабатываемом радиоприёмнике стандартного значения промежуточной частоты позволяет использовать в схеме приёмника в качестве фильтров сосредоточенной избирательности (ФСИ) промышленно выпускаемые интегральные пьезоэлектрические фильтры, а также облегчает задачу реализации избирательности по промежуточной частоте, т.к. ведение радиопередач на частотах, рекомендованных в качестве промежуточных, запрещено.

Выбор избирательной системы тракта ПЧ

Избирательная система тракта промежуточной частоты строится с учётом требуемой сквозной полосы пропускания радиоприёмника.

Сквозная полоса пропускания приёмника рассчитывается с помощью выражения:

Полоса частот принимаемого сигнала при использовании частотной модуляции определяется выражением:

, где

• 
  Гц – верхняя частота диапазона воспроизводимых звуковых частот;
  
• 
  – максимальный индекс частотной модуляции.
  

кГц

кГц
На основе рассчитанных и заданных значений для реализации ФСИ в тракте ПЧ целесообразно выбрать пьезокерамический фильтр типа SFELF10M7GA00-B0 (производства фирмы Murata).

Характеристики SFELF10M7GA00-B0:

• 
  средняя частота, МГц 10,7
  
• 
  полоса пропускания на уровне 6 дБ, кГц 420
  
• 
  подавление при отстройке ±220 кГц, дБ 40
  
• 
  входное сопротивление, кОм 1,5
  
• 
  выходное сопротивление, кОм 1,5
  
• 
  входная ёмкость, пФ 5,3
  
• 
  выходная ёмкость, пФ 5,3
  
• 
  коэффициент передачи на средней частоте, дБ –10
  

Коэффициент передачи ФСИ на средней частоте в относительных единицах 0,32. Обеспечиваемое фильтром гарантированное затухание при отстройке ±300 кГц составляет 80 дБ.

Структура преселектора

Назначение преселектора состоит в обеспечении необходимого ослабления по зеркальному каналу и на промежуточной частоте. Практическое значение конструктивной добротности резонансных контуров на заданных частотах составляет 100..200, в расчетах используется значение 170.

Эквивалентная добротность контура:



Средняя частота настройки:

МГц

Полоса пропускания на средней частоте настройки:

МГц

Крутизна характеристики избирательности преселектора (в децибелах на декаду), обеспечивающая выполнение требований по ослаблению зеркального канала:



Число контуров преселектора:



Таким образом, преселектор разрабатываемого приёмника будет состоять из входной цепи и усилителя радиочастоты.

Подавление помехи промежуточной частоте определяется на нижней частотной границе (ближайшей к ПЧ):



дБ

Выбор способа и элемента настройки

Коэффициент перекрытия диапазона по ёмкости настроечного конденсатора входной цепи:







Для заданного диапазона частот практические и рекомендованные значения ёмкости составляют (в скобках указаны значения, используемые в дальнейших расчётах):

• 
  постоянная емкость монтажа, пФ 25…35 (30)
  
• 
  ёмкость подстроечного конденсатора, пФ 1…5 (3)
  
• 
  минимальная ёмкость настроечного КПЕ, пФ 3…7 (5)
  
• 
  максимальная ёмкость настроечного КПЕ, пФ 10…50 (40)
  

Максимальная ёмкость контуров ВЦ:

пФ

Минимальная ёмкость контуров ВЦ:

пФ

Коэффициент перекрытия диапазона по ёмкости:



Коэффициент перекрытия диапазона по частоте:



Выбранные значения ёмкости обеспечивают перекрытие всего диапазона.

Выбор детектора сигнала

С учётом назначения приёмника – приём стереосигналов ЧМ – детектор целесообразно выполнить на интегральном стереофоническом частотном демодуляторе. В этом качестве используется ИМС типа BA1332 производства ROHM Semiconductors.

Характеристики BA1332 :

• 
  входное напряжение ПЧ, мкВ, не более 100
  
• 
  выходное напряжение, мВ 145
  
• 
  напряжение питания, В 5…14
  
• 
  потребляемая мощность, мВт 150
  
• 
  подавление АМ, дБ 30
  

Распределение усиления по каскадам

Сквозной коэффициент передачи ВЧ тракта

Требуемый сквозной коэффициент передачи высокочастотного тракта приёмника определяется исходя из заданной чувствительности и необходимого уровня входного напряжения на ИМС частотного детектора.

Требуемый коэффициент передачи ВЧ тракта приёмника:

Коэффициент передачи входной цепи

Коэффициент передачи ВЦ зависит от степени подключения активного элемента к контуру входной цепи. Использование в усилителе радиочастоты полевого транзистора позволит, за счёт его высокого входного сопротивления полностью включить его в контур ВЦ, что повышает её коэффициент передачи. Ориентировочное значение коэффициента передачи входной цепи приёмника составит примерно 1,0..1,5.

Выбор активного прибора и оценка коэффициента передачи УРЧ

В качестве активного прибора УРЧ целесообразно использование полевого транзистора. Преимущества полевого транзистора заключаются в его высоком входном сопротивлении, позволяющем полностью включить его в контур ВЦ, повысив тем самым коэффициент передачи, высоких показателях много сигнальной избирательности и низкими собственными шумами.

В УРЧ может быть использован малошумящий транзистор типа NE3210S01 – кремний-арсенид-галлиевый гетеороструктурный полевой транзистор. Транзисторы этого типа предназначены для использования во входных усилителях высокой и низкой частоты.

Характеристики NE3210S01:

• 
  крутизна характеристики, мА/В 6..12 (8,5)
  
• 
  входная ёмкость, пФ 5 пФ
  
• 
  выходная ёмкость, пФ 5
  
• 
  проходная ёмкость, пФ 1,5
  
• 
  выходная проводимость, мкСм 200
  
• 
  входная проводимость, мкСм 0,1
  
• 
  постоянная рассеиваемая мощность 150 мВт
  
• 
  коэффициент шума, дБ, не более 6
  

Коэффициент устойчивого усиления и предельный коэффициент усиления транзистора:

мкСм





Ориентировочное значение коэффициента передачи УРЧ 4.

Выбор активного прибора и оценка коэффициента передачи преобразователя частоты

В качестве преобразователя частоты целесообразно выбрать схему на основе ИМС типа К174ПС1 (аналог S042P). Эта микросхема пригодна к использованию на частотах до 200 МГц в качестве смесителя в приёмниках с частотной и амплитудной модуляцией.

Характеристики К174ПС1:

• 
  крутизна преобразования, мА/В, не менее 4,5
  
• 
  коэффициент шума, дБ, не более 7
  
• 
  напряжение стабилизации, В, не более 1
  
• 
  входное напряжение, В, не более 1
  
• 
  верхняя частота входного сигнала, МГц, не менее 200
  
• 
  напряжение питания, В 7..12 (9)
  
• 
  потребляемый ток, мА, не более 2,5
  

При работе в режиме преобразования частоты в диапазоне УКВ ИМС К174ПС1 обеспечивает коэффициент передачи по напряжению до 4..6, расчётное значение – 2,5.

Структура и коэффициент передачи тракта УПЧ

Структура тракта УПЧ во многом определяется предъявляемыми к нему требованиями по усилению, которые зависят от предварительно оценённого уровня напряжения на выходе преобразователя частоты и необходимого уровня на входе ИМС частотного детектора (включая усилитель-ограничитель промежуточной частоты).

Требуемый коэффициент передачи тракта УПЧ:



Требуемый коэффициент передачи УПЧ может быть реализован в УПЧ, состоящем из одного усилительного транзисторного каскада. Стабильная работа каскада может быть обеспечена при коэффициент усиления, равном 4.

Проверка требуемого усиления

Предварительно рассчитанное усиление всего высокочастотного тракта определяется общим усилением всех каскадов от входной цепи до усилителя промежуточной частоты включительно:

Проверка реализации требуемого отношения сигнал/шум

Первым активным прибором высокочастотного тракта приёмника является ИМС преобразователя частот. Согласно её справочным данным, обеспечиваемый ИМС этого типа коэффициент шума в режиме преобразования частот не превышает 6 дБ (5 «в разах») при оптимальной по шумам проводимости в 1 мСм.



Напряжение шума приемника, приведенное ко входу активного прибора первого каскада:

В

Отношение сигнал / шум на входе приемника при уровне сигнала равном чувствительности:



Шум на выходе приёмника для частотной модуляции:



кГц



Полученное отношение сигнал/шум на выходе приёмника в логарифмических единицах составляет 26 дБ и соответствует требованиям, приведённым в задавании на проектирование. Соответствие достигнуто за счёт включения в состав преселектора УРЧ, построенного на полевом транзисторе с низким уровнем собственного шума.

Выбор ИМС УНЧ, динамической головки и узлов блока питания

Оконечный усилитель звуковой частоты может быть реализован с использованием ИМС типа ILA7052.

Характеристики ILA7052 :

• 
  напряжение питания, В 3,0..18,0
  
• 
  полоса частот, Гц 20..20000
  
• 
  коэффициент усиления по напряжению, дБ 38..40
  
• 
  потребляемый ток, мА, не более 8
  

В качестве динамической головки следует выбрать широкополосный громкоговоритель соответствующей мощности. В качестве источника питания, в соответствии с заданием, используется гальванический элемент (батарея) номинальным напряжением 9 В (например, типа «Корунд»).

Расчёт преселектора

Принципиальная схема преселектора

Принципиальная электрическая схема преселектора включает одноконтурную входную цепь и резонансный усилитель.



Рисунок 2 – Преселектор.

Расчёт входной цепи

На расчёт входной цепи радиоприёмника влияет то, что приёмник Работает от ненастроенной антенны, т.е. в сопротивлении антенны присутствуют резистивная и емкостная составляющие. Проводимость ненастроенной антенны рассчитывается с учётом её резистивного сопротивления, а также её ёмкости и индуктивности. Антенна подключена к контуру ВЦ через разделительный конденсатор. Его ёмкость выбирается малой для ослабления влияния изменения параметров антенны на настройку контура.

Пусть пФ.

Емкость антенны: пФ

Емкость антенны величина переменная.

Минимальное значение ёмкости:

пФ

Максимальное значение ёмкости:

пФ

Введение ёмкостной связи между антенной и ВЦ уменьшает влияние изменения параметров антенны на входную цепь.

Ёмкостное сопротивление антенны на средней частоте рабочего диапазона приёмника:

Ом

Ёмкостное сопротивление значительно выше индуктивного и резистивного, так что последними можно пренебречь.

мСм

Минимальная ёмкость ВЦ была рассчитана на этапе эскизного проектирования, и составляет пФ. Фактический коэффициент перекрытия диапазона по частоте рассчитывается с учётом необходимости перекрытия соседних диапазонов по 3%.

МГц

МГц



Необходимая максимальная ёмкость контура:

пФ

Индуктивность контура ВЦ:

нГн

Коэффициент связи с антенной выбирается меньшим для ослабления вносимых ненастроенной антенной потерь:



Коэффициент подключения ВЦ к активному прибору следующего каскада:



Коэффициент передачи ВЦ:

Расчёт резонансного УРЧ

Резонансный усилитель радиочастоты выполнен на полевом транзисторе, включённом по схеме с общим истоком и нагруженном на резонансный LC-контур. Колебательный контур в нагрузке усилителя выполнен по схеме контура ВЦ и имеет те же характеристики.

Проводимость контура на средней частоте рабочего диапазон:

мСм



Из условия допустимого влияния внутренней обратной связи на устойчивость работы УРЧ:



Из условия расстройки контура не более, чем на половину полосы пропускания за счет подключения к нему :





Из условия допустимого расширения полосы пропускания:



Из условия допустимой расстройки контура:





Подключение резонансного контура к активному элементу и следующему каскаду целесообразно выполнить в виде автотрансформаторной связи.

Расчёт параметров контура выполняется для трёх точек рабочего диапазона частот – верхней, средней и нижней.

Таблица 1 – Расчёт параметров контура УРЧ.

Частота, МГц	, мкСм	, мкСм		, кГц
78	159,77	175,57	155	565,59	4,9
91,8	149,12	164,92	154	609,88	5,2
108	139,80	155,60	153	654,70	5,5

Полученные значения в целом соответствуют предварительно рассчитанным на этапе эскизного проектирования и позволяют обеспечить требуемое результирующее усиление.

Расчёт элементов цепи питания

Сопротивление, обеспечивающее падения напряжения смещения:

Ом

Напряжение на стоке относительно корпуса:

В

Так как ток затвора ПТ пренебрежимо мал, то R_З не влияет на режим по постоянному току и его следует выбирать так, чтобы оно меньше шунтировало колебательный контур предшествующего каскада:

кОм

мкА

МОм

Расчёт преобразователя частоты

Преобразователь частот (смеситель) предназначен для переноса спектра принимаемого сигнала с настраиваемой несущей частоты на фиксированную промежуточную частоту. Усиление и фильтрация сигнала на фиксированной частоте технически проще реализуема, т.к. для ненастраиваемого контура проще получить узкую и равномерную полосу пропускания.

Выбор схемы ПрЧ

Преобразователь частоты выполнен на интегральной микросхеме типа К174ПС1. ИМС этого типа позволяют реализовать различные схемы преобразователя частоты, в т.ч. различные варианты включения контура УРЧ, гетеродина и нагрузки, реализация совмещённого (на интегральных транзисторах, входящих в состав ИМС) и внешнего (на дискретных активных приборах) гетеродина. В данном случае используется схема с несимметричным включением УРЧ и нагрузки и совмещённым гетеродином. Нагрузкой ПрЧ фильтр сосредоточенной избирательности – пьезокерамический интегральный фильтр.



Рисунок 3 – Преобразователь частоты на ИМС типа К174ПС1

Расчёт подключения нагрузки

Полоса пропускания согласующего контура выбирается существенно больше, чем полоса пропускания ФСИ, чтобы избежать влияния согласующего контура на полосу пропускания тракта ПЧ. С другой стороны она не должна быть слишком большой, так как это приведет к снижению коэффициента усиления ПрЧ и к ухудшению избирательности при больших отстройках.

Полоса пропускания согласующего контура:

кГц

Требуемое значение эквивалентной добротности контура:



Типичное значение ёмкости конденсатора контура ПрЧ при ПЧ 10,7 МГц составляет 75..150 пФ. Подходящее стандартное значение 100 пФ.

Емкость контура с учётом ёмкости монтажа и выходной ёмкости ИМС преобразователя частоты:

пФ

Индуктивность контура:

мкГн

При конструктивной добротности контура и эквивалентной добротности проводимости ненагруженного и нагруженного (эквивалентного) контура:

мкСм

мкСм

Сопротивление шунтирующего резистора:

кОм

Коэффициент включения согласующего контура во входную цепь ФСИ, при котором обеспечивается согласование ФСИ на его входе:



Индуктивность катушки связи:

мкГн

Усиление ПрЧ

Коэффициент усиления преобразователя частоты:



Напряжение сигнала на входе УПЧ:

мкВ

Расчёт гетеродина

Схема гетеродина

Гетеродин выполнен по совмещённой схеме на базе ИМС К174ПС1 – с использование водящих в её состав интегральных транзисторов.



Рисунок 4 – Гетеродин на ИМС К174ПС1

Расчёт сопряжения настроек гетеродина и преселектора

Задача расчёта

Параметры элементов колебательного контура гетеродина при известных параметрах контура преселектора выбирают из соображений обеспечения сопряжения настроек гетеродина и преселектора с допустимой погрешностью.

Контур гетеродина перестраивается в диапазоне частот:

МГц

МГц

Коэффициент перекрытия диапазона гетеродина по частоте:



Погрешность сопряжения определяется выражением:

Выбор числа точек точного сопряжения

Число точек точного сопряжения определяется значением коэффициента перекрытия по частоте рассчитываемого диапазона. При оно равно 2.

При условии равенства абсолютных погрешностей сопряжения в худших точках диапазона максимальная относительная погрешность сопряжения в двух точках:





Частота в точках сопряжения:

МГц

МГц

Параметры контура гетеродина

При сопряжении в двух точках структура контура гетеродина совпадает со структурой контура преселектора.

Ёмкость контура гетеродина:

пФ

пФ

Индуктивность контура гетеродина:

нГн

Расчёт автогенератора

Автогенератор гетеродина выполнен по совмещённой схеме на интегральных транзисторах из состава ИМС ПрЧ К174ПС1.

У транзисторов ИМС значение эмиттерного тока при отсутствии генерации ориентировочно мА.

Амплитуда первой гармоники эмиттерного тока транзисторов гетеродина выбирается, исходя из условия:

мА

Амплитуда напряжения на контуре гетеродина выбирается, исходя из условия уменьшения наводок на другие каскады приемника и паразитного излучения:

Пусть конструктивная добротность контура гетеродина , тогда резонансное сопротивление контура гетеродина на минимальной частоте:

кОм

Коэффициент включения контура гетеродина в цепь эмиттеров транзисторов ИМС с учетом шунтирующего действия интегральных резисторов:



Коэффициент включения контура между базами транзисторов из условия обеспечения устойчивой работы генератора:



Суммарная ёмкость конденсаторов контура гетеродина:

пФ

Стандартные значения ёмкостей конденсаторов контура гетеродина 22 пФ, 15 пФ и 22 пФ.

Расчёт частотного детектора

Работа ЧД К174УР7 основана на преобразовании частотно-модулированного колебания (ЧМК) в колебание с частотно-фазовой модуляцией (ЧФМК) и последующего фазового детектирования путем перемножения принятого и преобразованного колебаний.



Рисунок 5 – Детектор ЧМ

Ёмкость конденсатора должна составлять 300...470 пФ, стандартное значение 330 пФ. С учетом влияния емкости монтажа и входной емкости ИМС значение емкости контура составит приблизительно на 10...15 пФ больше емкости конденсатора, т.е. 350 пФ.

Полоса пропускания эквивалентного контура:

кГц

Добротность эквивалентного контура:



Индуктивность контура ЧД:

мкГн

При конструктивной добротности контура 90 значения проводимости контура ЧД:

мСм

мкСм

Сопротивление шунтирующего резистора:

кОм

Сопротивление цепи коррекции предыскажений:

кОм

Ёмкость цепи коррекции предыскажений при постоянной времени цепи 50 мкс:

нФ

Стандартное значение конденсатора 6300 пФ.

мВ

Требуемый коэффициент усиления УНЧ:

Расчёт усилителя промежуточной частоты

Требуемый коэффициент усиления в тракте ПЧ

На этапе эскизного проектирования был предварительно рассчитан требуемый коэффициент передачи. Результаты расчётов предыдущих каскадов позволяют уточнить это значение:



Требуемый коэффициент усиления, необходимый для обеспечения стабильной работы ЧД и УНЧ, может быть обеспечен одним усилительным каскадом.

Схема и характеристики УПЧ

В качестве усилителя промежуточной частоты целесообразно использование однокаскадного транзисторного усилителя с резистивной нагрузкой, типичной для приёмников ЧМ-сигналов.



Рисунок 6 – Усилительный каскад на БТ с ОЭ

Каскад УПЧ построен на транзисторе типа NE3210S01. Его данные были определение на этапе эскизного пректирования.

Расчёт каскада УПЧ с резистивной нагрузкой

Суммарная выходная ёмкость каскада:

пФ

Оценочное значение проводимости нагрузки:

мСм

Сопротивление резистора R_К:

Ом

Коэффициент усиления каскада:



Напряжение на входе детектора:

мВ

Усилитель низкой частоты

Усилитель низкой (звуковой) выполнен на ИМС типа ILA7052. требуемый уровень усиления обеспечивается характеристиками ИИС. Для регулировки уровня усиления (ИМС обеспечивает его изменение в широких пределах) предусмотрен регулировочный резистор.

Список литературы

1. 
   М.А. Кузнецов, Р.С Сенина. Радиоприемники АМ, ОМ, ЧМ сигналов: методические указания к курсовому проектированию. СПб.: СПбГУТ, 2005.
   
2. 
   Радиоприёмные устройства: учебник для вузов / Н.Н. Фомин, Н.Н. Буга, О.В. Головин и др.; под ред. Н.Н. Фомина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 520 с.
   
3. 
   Проектирование радиоприёмных устройств. Под ред. А.П. Сиверса. Учебное пособие для вузов. М.: «Сов. радио», 1976.
   
4. 
   Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник / В.Л. Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др. под общ. ред. Н.Н. Горюнова. – М.: Атомэнергоиздат, 1985. – 904 с.