Курсовой проект по дисциплине Устройства приема и преобразования сигналов

• Название: Курсовой проект по дисциплине Устройства приема и преобразования сигналов
• Дата: 30.05.2019
• Размер: 0.52 Mb.
• Имя файла: zhikharev_3.docx
• Тип: Курсовой проект; #79566

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВО «ВГТУ», ВГТУ)

Факультет радиотехники и электроники

Кафедра РЭУС

Курсовой проект
по дисциплине «Устройства приема и преобразования сигналов»

Тема: «Проектирование супергетеродинного приемника АМ сигналов»

Расчетно – пояснительная записка
Выполнил студент гр. _____________________________

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Руководитель _____________________________

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Подпись, дата Инициалы, фамилия

Защищена_____________________________ Оценка__________________________

дата

Воронеж 2019

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на курсовой проект по дисциплине

«Устройства приема и преобразования сигналов»
Студент группы РП-154 Жихарев А.М.

Общая формулировка задания

Проектирование супергетеродинного приёмника АМ сигналов на полупроводниковых приборах. Радиоприёмник должен обладать следующими характеристиками:

1 Чувствительность 0,7мВ/м;

2. 
   Диапазон 0,15 - 26,1 МГц;
   
3. 
   Избирательность по зеркальному каналу 30 дБ;
   
4. 
   Избирательность по соседнему каналу 46 дБ;
   
5. 
   Полоса усиливаемых частот 300 - 3500 Гц;
   
6. 
   Чувствительность по входу УНЧ 0,2 В;
   
7. 
   Выходная мощность 0,25 Вт;
   
8. 
   Коэффициент частотных искажений на всё устройство 10 дБ;
   
9. 
   Допустимое частотное искажение НЧ тракта 3 дБ;
   
10. 
    Коэффициент нелинейных искажений 6,0 %;
    
11. 
    Постоянное напряжение источника питания 9 В;
    
12. 
    Требование к АРУ: на входе 26, на выходе 6;
    
13. 
    Поддиапазон для окончательного расчета СВ;
    
14. 
    Тип приёмной антенны: внутренняя;
    
15. 
    Тип усилительного элемента: ГТ-309Е;
    
16. 
    Сопротивление нагрузки: 0.5ГД-20;
    
17. 
    Окончательный электрический расчет преселектор.
    

Задание получил 25.02.2019 __________________ А.М. Жихарев

Руководитель __________________ Е.А. Москалева

Замечания руководителя

Содержание

Список принятых сокращений 7

1 Определение числа поддиапазонов и их границ 8

2 Выбор промежуточной частоты 10

3. Расчет полосы пропускания 11

4. Выбор схемы преселектора по требованиям к избирательности и полосе пропускания 13

5.Выбор избирательных систем тракта промежуточной частоты. 14

6. Выбор транзисторов и расчет их параметров 17

7. Выбор и распределение усиления приемника 19

8. Предварительный расчет АРУ 21

9.Выбор схемы детектора 22

10. Эскизный расчет УНЧ 23

11.Предварительный расчёт источников питания 24

12. Описание структурной схемы 26

Заключение 28

Список используемой литературы 29

Список принятых сокращений
АД – амплитудный детектор;

АМ – амплитудная модуляция;

АПЧ – автоматическая подстройка частоты;

АРУ – автоматическая регулировка усиления;

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика;

АХ – амплитудная характеристика;

ВАХ – вольт-амперная характеристика;

ВЦ – входная цепь;

ВЧ – высокая частота;

Г – гетеродин;

ГВЧ – гипервысокая частота;

ГОСТ – государственный отраслевой стандарт;

ГКРЧ – государственный комитет по радиочастотам;

ГТИ – генератор тактовых импульсов;

ГТП – главный тракт приёма;

Д – детектор;

ДВ – длинная волна;

ДД – динамический диапазон;

ИКМ – импульсно-кодовая модуляция;

ИМС – интегральная микросхема;

КПД – коэффициент полезного действия;

КПЕ – конденсатор переменной ёмкости;

ЛТП – линейный тракт приёма;

ММВ – миллиметровая волна;

МОП – металл-окисел-полупроводник;

МП – микропроцессор;

МПЭФ – монолитный пьезоэлектрический фильтр;

МШУ – малошумящий усилитель;

НЧ – низкая частота;

НЭ – нелинейный элемент;

ОБ – общая база;

ОБП – одна боковая полоса;

ОВ – очень высокая частота;

ОГ – опорный генератор;

ОИ – общий исток;

ОК – общий коллектор;

ОНЧ – очень низкая частота;

ООС – отрицательная обратная связь;

ОС – обратная связь;

ОСП – отношение сигнал-помеха;

ОСШ – отношение сигнал-шум;

ОУ – операционный усилитель;

ОЭ – общий эмиттер;

ПАВ – поверхностная акустическая волна;

ПДУ – пульт дистанционного управления;

ПКФ – пьезокерамический фильтр;

ПОС – положительная обратная связь;

ПФ – полосовой фильтр;

РЛС – радиолокационная станция;

РПрУ – радиоприёмное устройство;

РЭА – радиоэлектронная аппаратура;

СВ – средняя волна;

СВЧ – сверхвысокая частота;

СДВ – сверхдлинная волна;

См – смеситель;

СМВ – сантиметровая волна;

СЦ – согласующая цепь;

СЧ – синтезатор частоты;

УВЧ – ультравысокая частота;

УЗВ – усилитель звуковой частоты;

УКВ – ультракороткая волна;

УПТ – усилитель постоянного тока;

УПЧ – усилитель промежуточной частоты;

УРЧ – усилитель радиочастоты;

УУ – узкополосный усилитель;

УУПЧ – узкополосный усилитель промежуточной частоты;

УЧ – умножитель частоты;

УЧМ – усилитель частот модуляции;

ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты;

ФВЧ – фильтр верхних частот;

ФД – фазовый детектор;

ФМ – фазовая модуляция;

ФНЧ – фильтр нижних частот;

ФОЧ – формирователь опорных частот;

ФЧХ – фазово-частотная характеристика;

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;

ЦАПЧ – цифровая автоматическая подстройка частоты;

ЧАПЧ – частотная автоматическая подстройка частоты;

ЧИС – частотно-избирательная система;

ЧД – частотный детектор;

ЧДс – частотный дискриминатор;

ЧМ – частотная модуляция;

ШИМ – широтно-импульсная модуляция;

ШУ – широкополосный усилитель;

ЭМФ – электромеханический фильтр.

Введение
1.4.3. Курсовой проект

Целью курсового проекта является углубленное изучение дисциплины и приобретение навыков самостоятельного решения задач проектирования устройства приема и преобразования сигналов.

В данной курсовом проекте будет спроектирован супергетеродинный приемник АМ сигналов, отвечающий требованиям технического задания, составлена принципиальная схема разработанного устройства.

1 Определение числа поддиапазонов и их границ

При проектировании радиоприемника, предназначенного для работы в широком диапазоне частот, общий диапазон разбивают на поддиапазоны для повышения точности настройки приемника. Увеличение числа поддиапазонов позволяет получить более высокие и равномерные по диапазону чувствительность и избирательность, но одновременно усложняет схему, систему коммутации, увеличивает объёмы и массу приёмника, его стоимость. В свою очередь усложнение схемы и конструкции снижает надёжность приёмника, удорожается его производство, увеличивается время перестройки приёмника.

При делении диапазона частот радиоприёмника на поддиапазоны определяется число поддиапазонов, их границы и коэффициенты перекрытия всех диапазонов.

При разбиении диапазона рабочих частот радиовещательного приёмника на поддиапазоны учитывают, что для радиовещания выделены отдельные участки частотного спектра: для ДВ: 148÷285кГц, для СВ: 525÷1607кГц, для КВ: 3,95÷26,1МГц. Радиовещание в диапазонах ДВ, СВ, КВ ведётся с использованием амплитудной модуляции. Диапазоны ДВ и СВ обычно не разбивают на поддиапазоны, так как соответствующие им коэффициенты перекрытия (1.1), не превышают значений, допускаемых для вещательных приёмников.

(1.1)

где и – верхняя и нижняя частоты поддиапазона.

Для диапазона ДВ, по формуле (1), коэффициент перекрытия равен:



Для диапазона СВ, по формуле (1), коэффициент перекрытия равен:



Для диапазона КВ, по формуле (1), коэффициент перекрытия равен:

Диапазон	fmin, кГц	fmax, кГц
ДВ	148	285	1,93
СВ	525	1607	3,1
КВ	3950	18000	4,6

Согласно техническому заданию необходимо выбрать окончательный диапазон для расчета СВ.

В современных радиовещательных приемниках в качестве органа настройки в диапазонах ДВ, СВ, КВ используются блоки конденсаторов переменной емкости, которые при сравнительно небольших габаритах обеспечивают необходимое перекрытие по частоте.

При выборе конденсатора переменной ёмкости проверяют возможность достижения выбранных значений на поддиапазоне с наибольшим коэффициентом перекрытия (1.2).

(1.2)

где– максимальное и минимальное значения емкости выбранного КПЕ, C_сх – ёмкость схемы (в диапазонах ДВ и СВ С_сх =20…50 пФ).

Выберем блок конденсаторов переменной ёмкости КПЕ7 C_min =10пф и C_max =450пф. Для выбранного блока переменных конденсаторов проверим обеспечение заданного перекрытия частот k_пд для СВ диапазона по формуле (1.2).



Видим, что выбранный блок КПЕ обеспечивает необходимый коэффициент перекрытия частот диапазона СВ.

2 Выбор промежуточной частоты

Определяем значение ПЧ, при котором обеспечивается требуемое значение избирательности по зеркальному каналу в наихудшей точке – на максимальной частоте диапазона (2.1):



где – число одиночных контуров преселектора; – требуемое значение избирательности по зеркальному каналу16 дБ;, – реально достижимая эквивалентная добротность контура; – конструктивная добротность; – коэффициент шунтирования контуров транзисторами;– параметр рассогласования антенно-фидерной системы и входа входной цепи.

Принимая следующие значения q=0.8, =0.5, =80, по формуле (2.1) произведён расчёт промежуточной частоты.



Выбираем стандартизованную промежуточную частоту радиовещательного приёмника, равную 1,84 МГц.

3. Расчет полосы пропускания

Характеристики радиоприёмника должны быть в возможно большей степени согласованы с характеристиками спектра принимаемого сигнала. Полоса пропускания, форма АЧХ и ФЧХ в пределах полосы и прилегающих областях должны удовлетворять требованиям сохранения параметров сигнала в пределах допустимых искажений.

Для неискажённого приёма полосу пропускания высокочастотного тракта приёмника обычно выбирают равной реальной ширине спектра принимаемого сигнала (3.1) с некоторым запасом, зависящим от частотной точности радиолинии.

(3.1)

где - максимальная частота в спектре модулирующего сигнала.

Из формулы (3.1),

.

Для радиовещательных приёмников обычно считается допустимой подстройка при приёме, при этом полоса пропускания высокочастотного тракта выбирается равной реальной ширине спектра принимаемого сигнала.

Но обычно считается допустимым расширение полосы за счёт нестабильности частот радиолинии на (0,1…0,3).

Из этих соображений выберем полосу пропускания, равной:

.

4. Выбор схемы преселектора по требованиям к избирательности и полосе пропускания

Проектирование преселектора сводится к определению типа, параметров и числа избирательных систем, настроенных на частоту принимаемого сигнала.

Выполним проектирование преселектора с одиночными контурами во входной цепи с индуктивной связью. Количество контуров преселектора равно 1.



Рисунок 4.1 – Исходные данные для расчета преселектора


Таким образом, для выполнения условий ТЗ, необходимо использовать преселектор с одним одиночным контурам, то есть он будет включать входные цепи. На рисунке 4.2 представим принципиальную схему преселектора.



Рисунок 4.2 – Принципиальная схема преселектора.

Как видно по рисунку 4.2 преселектор состоит из входной цепи.

5.Выбор избирательных систем тракта промежуточной частоты.

В радиоприёмниках супергетеродинного типа полоса пропускания, избирательность по соседнему каналу, формы АЧХ и ФЧХ определяются в основном избирательными системами тракта ПЧ.

Распределим частотные искажения по каскадам: неравномерность преселектора дБ, частотные искажения детектора дБ, неравномерность УНЧдБ (задано в ТЗ), допустимые частотные искажения приемника дБ (задано в ТЗ).Определим допустимое ослабление на границах полосы пропускания УПЧ (5.1):
(5.1)
В качестве избирательной системы будем использовать УПЧ с двухконтурными полосовыми фильтрами.

Полученные результаты приведены на рис.5.1., резонансная характеристика на рис. 5.2.



Рисунок 5.1 – Расчёт УПЧ с двухконтурными полосовыми фильтрами


Рисунок 5.2 – Резонансная характеристика УПЧ с ДПФ
По результатам расчета видно, что в УПЧ необходимо использовать три двухконтурных полосовых фильтра. На рисунке 5.3 представим принципиальную схему УПЧ.



Рисунок 5.3 – Принципиальная схема УПЧ

6. Выбор транзисторов и расчет их параметров

Для приёмника будет использован транзистор ГТ-309Е, требуемый по ТЗ. Параметры транзистора приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 – Параметры транзистора ГТ-309Е

Тип транзистора	h21э	Cк, пФ	Rб, Ом	к, пс	fт, МГц
ГТ-309Е	60...180	10	38	1000	40

Данный транзистор имеют диапазон рабочих температур: от –40⁰С до +55⁰С.

Для расчета параметров транзистора воспользуемся специализированной программой. Примем для расчета транзистора в УПЧ рабочую частоту – 1,84 МГц.



Рисунок 6.1 – Исходные данные для расчета Y – параметров транзистора для УРЧ

Результаты расчёта в схеме с ОЭ

Входная проводимость

Y11 = 0,415 + j 1,11 мСм

|Y11| = 1,19 мСм

R11 = 2,41 кОм

С11 = 96 пФ

Проводимость обратной связи

Y12 = 2,8 - j 98 мкСм

|Y12| = 24,5 мкСм

R12 = -77,9 кОм

С12 = -9,59 пФ

Крутизна

Y21 = 25,7 - j 4,79 мСм

|Y21| = 35,4 мСм

R21 = 0,0405 кОм

С21 = -518 пФ

Выходная проводимость

Y22 = 69,6 + j 403 мкСм

|Y22| = 409 мкСм

R22 = 14,4 кОм

С22 = 34,9 пФ
Усилительные свойства транзистора оценивают по коэффициенту устойчивого усиления на рабочей частоте

где коэффициент устойчивости, модуль крутизны на рабочей частоте , проводимость обратной связи. Подставляя в (11) рассчитанные ранее значения и, получим

7. Выбор и распределение усиления приемника

При приеме на магнитную антенну чувствительность измеряется напряжённостью электрического поля Е в точке приёма, обеспечивающей на выходе приёмника нормальную выходную мощность. Напряжение на выходе 1-го каскада приёмника с магнитной антенной (7.1), мВ:

(7.1)

где – чувствительность приёмника, – эквивалентная добротность входной цепи, - коэффициент включения входа первого каскада в контур ВЦ, ,

Напряжение на выходе первого каскада по формуле (7.1), равно:



В таком случае общее усиление ВЧ тракта вычисляется по формуле (7.2):



где – напряжение на входе детектора, примем его равным 0,5 В. По формуле (7.2), общее усиление тракта, равно:



Усиление ВЧ тракта выбирают с запасом:

(7.3)

где – коэффициент запаса усиления, учитывающий разброс параметров электронных приборов, неточность сопряжения контуров, а также старение электронных приборов, расстройку контуров и уменьшение напряжения питания в процессе эксплуатации. В диапазоне СВ, принимаем .



Общее усиление ВЧ–тракта супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты равно произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:



где, , – коэффициенты передачи входной цепи, ПЧ и УПЧ соответственно.

Коэффициенты передачи каскада УПЧ были рассчитаны ранее, . Коэффициент транзисторного ПЧ можно оценить приближенно по следующей формуле .

Подставим данные в формулу (6.3) и получим:



Как видно , поэтому такой коэффициент удовлетворяет требованиям.

8. Предварительный расчет АРУ

Технические требования и соображения удобства эксплуатации УП и ОС требуют введения в него ряда ручных и автоматических регулировок. К ним относятся: автоматическая настройка и подстройка, коррекция шкалы, подстройка входной цепи и др.

АРУ применяют для поддержания выходного напряжения приёмника в заданных пределах при изменениях уровня входного сигнала и для расширения динамического диапазона приёмника.

Необходимый диапазон регулирования усиления приёмника рассчитывается по формуле (8.1):

(8.1)

где – диапазон изменения уровня сигнала на входе приёмника, – допустимое изменение уровня сигнала на выходе приёмника.



Считая, что все управляемые каскады идентичны, определим необходимое число регулируемых каскадов по формуле (8.2):

(8.2)

где – достижимое значение диапазона регулирования в одном каскаде.

Получим число регулируемых каскадов по формуле (8.3), приняв, что :



Будем регулировать оконечный каскад УПЧ.

9.Выбор схемы детектора

Для детектирования амплитудно-модулированных (АМ) сигналов используются диодные детекторы на полупроводниковых диодах, работающие в линейном режиме - при . Диодные АД при правильно выбранном режиме и нагрузке вносят очень небольшие искажения и обеспечивают линейное детектирование в большом динамическом диапазоне входных сигналов - до 60…70 дБ.

Для проектируемого приемника воспользуемся схемой детектора, показанной на рисунке 9.1.



Рисунок 9.1 - Принципиальная схема АМ детектора.

10. Эскизный расчет УНЧ

Разработку структурной схемы УНЧ приемника АМ сигналов начинают с выходного каскада, который должен обеспечивать требуемую нормальную выходную мощность . Максимальная выходная мощность составляет:


(10.1)




Максимальная выходная мощность равна:



Таким образом выходная мощность на выходе УНЧ 1 Вт. Тогда усилитель низкой частоты реализуем на микросхеме TDA2003, его схему представим на рисунке 10.1.



Рисунок 10.1 – Принципиальная схема УНЧ

11.Предварительный расчёт источников питания

Значения напряжений, необходимых для питания всех каскадов, определяются при выборе типов транзисторов и их режимов. Ориентировочно мощность, потребляемая от источников питания, может быть рассчитана по формуле (11.1):



Для данного приёмника, мощность, потребляемая от источника питания, будет равна:



Мощность источника питания для приёмника выбирается с запасом:

12. Описание структурной схемы

В предыдущих пунктах был проведён эскизный расчёт структурной схемы приёмника. Разрабатываемый приёмник имеет структурную схему, приведённую на рис.12.1.



Рисунок 12.1 – Структурная схема приёмника АМ сигналов

В качестве демодулятора применяется амплитудный детектор, за которым следует усилитель низкой частоты. Для нормальной работы приемник снабжается устройством автоматической регулировки уровня (АРУ).

13 Электрический расчет преселектора
Исходные данные для расчета:

Диапазон СВ

К_св=0.4, m₂=0.3, С_ант=150 пФ, Q_эср=25, С_kmin…C_kmax(10…450)пФ.
С_сх=20 пФ, К_удл=1.4, f_пр=1.84 МГц.

Определим резонансный коэффициент передачи



Где









Определим избирательность по соседнему каналу



Определим избирательность по зеркальному каналу



Определим избирательность по прямому каналу

Заключение

В ходе данного курсового проекта был выбран тип структурной схемы супергетеродинного приемника АМ-сигналов, был произведен расчёт количества контуров преселектора и каскадов УПЧ, их коэффициент усиления и полоса пропускания исходя из требований ТЗ, также составлена принципиальная схема радиоприемного устройства.

Список используемой литературы

1. Поликарпов Э.Д. Проектирование устройств приема и обработки сигналов: учеб. пособие/ Э.Д Поликарпов, В.В. Бутенко, А.Н. Самойлов. 2-е изд., перераб. и доп. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007. 192 с.

2. Поликарпов Э.Д Устройства приема и обработки сигналов: практические занятия: учеб. пособие/ Э.Д Поликарпов. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. 93 с.

3. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под редакцией Б.Л. Перельмана. - М. Радио и связь, 1981. - 656с., ил.

Приложение А