Расчет принципиальной схемы тракта промежуточной частоты (ТПЧ) радиовещательного приемника амплитудно-модулированного сигнала диапазон

Федеральное агентство связи

Московский технический университет связи и информатики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине: «Радиоприемные устройства»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва

2013

 

Содержание

 

Задание на курсовой проект  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  3

1. Разработка структурной схемы РПУ  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  4

1.1. Выбор промежуточной  частоты  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  .  . 4

1.2. Расчет полосы пропускания  приемника  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  5

1.3. Расчет допустимого  коэффициента шума радиотракта  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  5

1.4. Выбор типов и расчет параметров селективных цепей  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  6

1.5. Предварительный расчет коэффициента усиления  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   9

2. Подробный расчёт блоков РПУ .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   11

2.1. Расчёт преобразователя  частоты  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  11

2.2. Расчёт преобразователя  частоты и амплитудного детектора  .  .  .  .  .  .  .  . 13

2.3. Расчёт цепи питания  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 14

Заключение  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 15

Принципиальная схема  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   16

Перечень элементов  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  17

Литература  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  18

 

 

Задание на курсовой проект

Вариант 12

 

Требуется разработать структурную схему, составить и рассчитать принципиальную схему тракта промежуточной частоты (ТПЧ) радиовещательного приемника амплитудно-модулированного сигнала диапазона КВ.

Требуется выполнить предварительный расчет по структурной схеме приемника. Подробно рассчитать: преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и детектор. Схема гетеродина не рассчитывается и берется готовой из серийного радиоприемника.

Требования к приемнику:

- диапазон частот: 15100÷15450 кГц,

- чувствительность 55 мкВ,

- избирательность по зеркальному  каналу не менее 24 дБ,

- избирательность по соседнему  каналу не менее 38 дБ,

- диапазон воспроизводимых частот не уже 63÷5000 Гц,

- напряжение источника питания: 13 В,

- максимальная рабочая температура 40ºC.

 

 

1. Разработка структурной  схемы РПУ

 

На первом этапе составим укрупненную структурную схему проектируемого радиоприемного устройства (РПУ). Радиовещательные приемники относятся к разряду одноканальных (на выходе воспроизводится одно сообщение) и имеют укрупненную структурную схему, приведенную на рис. 1.1. Она содержит приемную антенну (А), радиотракт (РТ), детектор (Д), в который могут входить устройства обработки сигналов, последетекторный тракт (ПДТ) и воспроизводящее устройство (ВУ).

 

Рис. 1.1. Укрупненная структурная схема одноканального РПУ.

 

Радиотракт приемника служит для усиления принимаемых сигналов и обеспечения частотной избирательности с целью ослабления внеполосных помех. Существует несколько типов РТ: прямого усиления, супергетеродинный с одним и двумя преобразователями частоты, прямого преобразования. Однако, учитывая, что современные радиовещательные приемники строятся в основном по супергетеродинной схеме с одним преобразователем частоты, остановимся на этом типе РТ.

Детектор предназначен для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции полезного сигнала. Необходимый тип детектора определяется видом модуляции сигнала. При АМ используется амплитудный детектор.

Последетекторный тракт служит, в первую очередь, для усиления продетектированного напряжения до величины, необходимой для нормальной работы воспроизводящего устройства.

Воспроизводящее устройство (ВУ) служит для воспроизведения сообщения. Тип ВУ зависит от вида сообщения.

 

1.1. Выбор промежуточной частоты

Номиналы промежуточной частоты fпр стандартизированы и для радиовещательных приемников АМ сигналов диапазона КВ согласно ГОСТ составляют fпр = 465 кГц.

 

1.2. Расчет полосы пропускания приемника

Полоса пропускания всего высокочастотного тракта приемника Пвч от антенны до детектора должна быть больше ширины спектра сигнала Пс из-за возможных отклонений частот и погрешностей сопряжения контуров сигнала и гетеродина, т.е. Пвч > Пс. При расчете следует учесть возможные отклонения частоты гетеродина Dfг, причем в разные стороны, т.е. взять 2Dfг. Таким образом, найдем:

П = Пс + 2Dfг         (1)

В случае приемников АМ сигналов полоса частот Пс, занимаемого спектром сигнала, равна удвоенной высшей частоте модуляции Fв, т.е.

Псам = 2Fв = 2*5000 = 10000 Гц = 10 кГц     (2)

В диапазонном приемнике в качестве частоты  гетеродина надо брать максимальную частоту, т.е. полагать

fг = fг.макс = fв + fпр = 15450 + 465 = 15915 кГц    (3)

Считая, что транзисторный гетеродин без кварцевой стабилизации и без термостатирования имеет относительную нестабильность частоты dfг = Dfг / fг = 10–4, абсолютное отклонение частоты гетеродина:

Dfг = dfг*fг = 10–4 * fг = 10–4 * 15915 = 1,5915 кГц   (4)

При расчете полосы пропускания радиочастотного тракта (преселектора) Пвч следует учесть еще погрешность сопряжения Dfсопр частот настроек контуров цепей сигнала и гетеродина. Примерное значение погрешности этих контуров для диапазона КВ  
Dfсопр = 10 ÷ 20 кГц; принимаем: Dfсопр = 20 кГц. Поэтому полоса пропускания

П = Пс + 2Dfг = 10 + 2 * 1,5915 ≈ 13,2 кГц

Пвч = П + 2Dfсопр = 13,2 + 2 * 20 = 53,2 кГц    (5)

 

1.3. Расчет допустимого коэффициента шума радиотракта

Допустимый коэффициент шума радиотракта ШДОП определяется заданной чувствительностью приемника ЕА:

       (6)

где k = 1,38*10–23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т0 = 300 К – стандартная температура; ПШ = 1,1 Пвч = 1,1*53,2 = 58,5 кГц – полоса пропускания РТ для шумов; RА = 75 Ом – сопротивление антенны (в первом приближении); ЕА = 55 мкВ – ЭДС, наводимая в антенне; D – коэффициент различимости. При предварительном расчете для радиовещательных приемников АМ сигналов принимают D ≈ 100 ÷ 500, примем D = 200.

208.

Очевидно, что для реализации заданной чувствительности реальный коэффициент шума РТ Ш, определяемый его структурой, не должен превышать допустимого значения, т.е. должно выполняться условие

Ш ≤ ШДОП

Коэффициент шума всего РТ Ш связан с коэффициентами шума его каскадов следующим соотношением:

     (7)

где Ш1, Ш2, Ш3 – коэффициенты шума первого, второго и третьего каскадов соответственно; КР1, КР2, КФ – коэффициенты передачи по номинальной мощности первого каскада, второго каскада и антенного фидера соответственно.

При расчетах по формуле (7) воспользуемся табл. 1.2 [1, с.22], в которой приведены примерные значения минимального коэффициента шума ШМИН и коэффициента передачи по мощности КР некоторых типов каскадов.

По формуле (7) и данным табл. 1.2 можно определить коэффициент шума РТ при различных вариантах его выполнения и, соответственно при различных параметрах входящих в него каскадов. Возможны две структуры супергетеродинного РТ: с УРЧ и без него. Сначала предположим, что РТ не включает УРЧ. Тогда из (7), учитывая, что  
ШВЦ = 1/КРВЦ, где КРВЦ – коэффициент передачи по мощности ВЦ, получим при наихудших параметрах:

   (8)

Здесь ШПР = 10 – коэффициент шума транзисторного преобразователя частоты (ПЧ), ШУПЧ = 4,5 – коэффициент шума усилителя промежуточной частоты (УПЧ), КРПР = 8 – коэффициент усиления по мощности транзисторного ПЧ, КРВЦ = 0,5.

Коэффициент шума получился меньше допустимого, следовательно, УРЧ не требуется.

 

1.4. Выбор типов и расчет параметров селективных цепей РТ

Сначала рассчитаем преселектор, состоящий в нашем случае из ВЦ. Задача состоит в выборе числа и типа селективных цепей преселектора (чаще всего в качестве селективных цепей здесь используются одиночные контуры) и расчете их требуемой эквивалентной добротности QЭ, исходя из заданной избирательности приемника по зеркальному каналу Seзк = 24 дБ = 251 и обеспечения требуемой полосы пропускания этого тракта Пвч = 53,2 кГц при допустимом уровне частотных искажений или неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

Требуемая эквивалентная добротность QЭ рассчитывается, исходя из допустимой неравномерности АЧХ в полосе пропускания QЭП и из заданной избирательности по зеркальному каналу QЭЗ. Значение QЭ выбирается так, чтобы выполнялось условие

QЭП ≥ QЭ ≥ QЭЗ        (9)

Частота зеркального канала:

fзк = fв + 2fпр = 15450 + 2*465 = 16380 кГц (при верхней настройке гетеродина).

Вначале следует убедиться, что одного одноконтурного фильтра в преселекторе недостаточно для реализации требуемой Seзк. Для этого найдем эквивалентную добротность этого контура QЭЗ

    (10)

где – относительная расстройка по зеркальному каналу (ЗК) на верхней частоте диапазона (рассматриваем наихудший случай, при котором избирательность наименьшая);

Значение QЭЗ больше 100 нереализуемо. Поэтому считаем, что в преселекторе используется два одинаковых одиночных контура, для которых необходимо рассчитать требуемую эквивалентную добротность.

Зададимся допустимой неравномерностью АЧХ в полосе радиочастотного тракта, пользуясь ориентировочными данными, приведенными в табл. 1.3 [1, с.24].

Добротность каждого контура, исходя из общей неравномерности, определяется из выражения:

 fн = 15100* / 53,2 = 217   (11)

где σ = 1,58 – в относительных единицах (разах) при σ = 2 дБ;

fн = 15100 кГц – нижняя частота заданного диапазона (наихудший случай).

Затем следует перейти к расчету QЭЗ, исходя из заданной Seзк. Требуемая эквивалентная добротность каждого контура определяется по формуле:

    (12)

Мы получили слишком большое, нереализуемое значение QЭЗ, следовательно, нужно увеличить число контуров до трех. При этом рекомендуется в схему ввести УРЧ (схема 5 рис. 1.5 [4, с.19].

Требуемая добротность каждого контура такой схемы может быть оценена по формуле:

    (13)

Выбранная после расчета QЭП и QЭЗ эквивалентная добротность контуров QЭ согласно выражению (9) QЭП ≥ QЭ ≥ QЭЗ должна быть реализуемой. В диапазоне КВ QЭ ≤ 80.

Выберем QЭ1 = QЭ2 = QЭ3 = 60.

  (14)

Общая избирательность по зеркальному каналу:

Seзк = Seзк1 ∙ Seзк2 ∙ Seзк3 = 7,093 = 356     (15)

Далее переходим к выбору селективных систем ТПЧ.

В радиовещательных приемниках в настоящее время для формирования требуемой полосы пропускания и хорошей избирательности по соседнему каналу широкое применение находят фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), называемые также фильтрами сосредоточенной избирательности (ФСИ).

Рассмотрим вариант применения ФСИ на LC-элементах.

Перед проведением расчета следует проверить целесообразность применения ФСИ. Для этого собственную конструктивную добротность контуров ФСИ QК сравним с требуемой QН, необходимой для осуществления ФСИ, и проверим выполнение условия:

     (16)

Собственную конструктивную добротность контуров, предназначенных для включения ФСИ, принимают равной 200 ÷ 300. Примем QК = 250. Рассчитаем вспомогательные величины:

- расстройка соседнего канала относительно полосы пропускания

       (17)

где Δfск = 9 кГц для приемников АМ сигналов (по ГОСТ 5651-89);

- обобщенное затухание ФСИ

      (18)

По графику (рис. 1.2) [1, с.26] определяем ослабление соседнего канала, даваемое одним звеном ФСИ:

Seск1 = 6 дБ (для a = 1,36, b = 0,282)

и рассчитываем требуемое количество звеньев ФСИ, округлив N до ближайшего большого целого числа:

       (19)

Для улучшения массогабаритных показателей радиовещательного приемника применим ФСИ на основе ультразвуковых высокодобротных механических резонаторов – пьезоэлектрический фильтр [4, с.293]. Эти фильтры имеют высокую крутизну боковых склонов резонансной кривой, обеспечивают высокую избирательность по соседнему каналу и имеют малые размеры и массу. Включение таких фильтров целесообразно непосредственно на выходе преобразователя частоты для того, чтобы сразу максимально возможным образом подавить нежелательные комбинационные частоты на выходе ПЧ и наилучшим образом выделить полезный принимаемый сигнал. Для согласования выхода преобразующего элемента с таким фильтром применим одиночный контур, который подавляет внеполосные выбросы АЧХ ФСИ.

Полосу пропускания одиночного контура П1 выберем в 5 раз больше П (полосы пропускания ТПЧ), чтобы можно было пренебречь дополнительной неравномерностью АЧХ в пределах полосы пропускания, вносимой одноконтурным фильтром. В этом случае эквивалентная добротность одиночного контура

       (20)

 

1.5. Предварительный расчет коэффициента усиления

В транзисторных приемниках АМ сигналов, как правило, используют диодной детектор. Для детектирования АМ сигналов с малыми нелинейными искажениями на вход детектора надо подавать уровень амплитуды сигнала порядка Uвх.д = 0,5÷1 В (примем  
Uвх.д = 0,5 В). Тогда необходимый общий коэффициент усиления Кон высокочастотного тракта приемника до детектора при заданной чувствительности приемника:

     (21)

Для проверки достаточности коэффициента усиления структурной схемы приемника надо рассчитать ориентировочный общий коэффициент усиления как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Ко = Квц ∙ Курч ∙ Кпч ∙ Купч       (22)

и убедиться в том, что он не меньше требуемого коэффициента усиления, т.е.