Устройства приема и обработки сигналов

В результате К0 прес = К0 вх * К0 урч оказывается достаточным для обеспечения нормальной работы преобразователя частоты. Основное преимущество ПТ в существенно лучших параметрах многосигнальной избирательности, определяемых отношением y₂₁^///y₂₁.

 

Конкретный тип транзистора  УРЧ выбирают из следующих соображений:      

1. В пределах диапазона рабочих  частот модуль проводимости прямой  передачи (y₂₁) должен оставаться приблизительно постоянным.     

2. Коэффициент шума транзистора  должен быть по возможности  малым.     

3. Коэффициент устойчивого усиления  на высшей рабочей частоте  (K_{0 УСТ}) и предельный коэффициент усиления (K_{0 ПРЕД}), рассчитанные по выражениям (1) и (2), желательно иметь как можно больше.

 

                                                   (1)

                                                       (2)

 

где y₁₂ = wС₁₂

 

 

Таблица 5

 
Вычислим коэффициент устойчивого  усиления транзистора ГТ310Б, принятого  к использованию в УВЧ:

Тогда коэффициент преселектора будет равен К0 прес = К0 вх * К0 урч = 0,8 * 28 = 22

3.10. Выбор активного прибора и оценка коэффициента

передачи преобразователя  частоты

Лучшей из отечественных ИМС  для построения преобразователя  частоты является ИМС К174ПС1 (зарубежные аналоги TCA240 и U5010A). Ее принципиальная схема и параметры приведены ниже (рис.5 и табл.6 и 7.)

ИМС К174ПС1

Схема принципиальная электрическая  

 

 

 

Рисунок 5

 

 

 

Параметры ИМС:

напряжение питания	UП = 9 + 0.9 В;
потребляемый ток	I < 2.5 мА;
входная емкость	CВХ = 20 пФ;
проходная емкость	CПРОХ = 0.02 пФ;
минимальный коэффициент  шума	KШ МИН < 7дБ;
оптимальная по шумам  проводимость генератора	gГ ОПТ = 1 мСм;

Таблица 6

f, МГц		0.1	1.0	10	40	80	100
gВХ, мСм		0.41	0.45	0.70	1.3	1.7	1.9
ПрЧ с несиммет.	y21 ПР, мСм	5
включен.нагрузки	CВЫХ, пФ	6
(рис.6.1)	gВЫХ, мкСм	3.8	4.1	5.8	8.2	10	12
ПрЧ с симметр.	y21 ПР, мСм	10
включен.нагрузки	CВЫХ, пФ	3
(рис.6.2)	gВЫХ, мкСм	1.9	2.0	2.9	4.1	5	6
УПЧ с несиммет.	y21 , мСм	15
включен.нагрузки	CВЫХ, пФ	6
(рис.9.3)	gВЫХ, мкСм	5.1	5.5	7.7	11	13	18

Таблица 7 

Сигнал от входного устройства или  УРЧ подают между выводами 7 и 8 ИМС, при этом один из них может быть “заземлен“ по переменному току через блокировочный конденсатор.

Схема допускает построение преобразователя  частоты либо с совмещенным гетеродином  на транзисторах, входящих в ИМС, либо с внешним гетеродином.

При работе от отдельного гетеродина его напряжение подается между выводами 11 и 13 ИМС (базы нижних транзисторов, которые в этом случае выполняют функции генераторов тока, управляемых напряжением гетеродина). При этом выводы 10 и 12 ИМС (эмиттеры этих транзисторов) соединяют непосредственно, либо через небольшое сопротивление.

При подсоединении к выводам ИМС внешних элементов необходимо следить за тем, чтобы по постоянному току выводы не были соединены с источником постороннего постоянного напряжения, либо с корпусом.

В зависимости от способа подключения  согласующего контура (СК) к выходу ИМС реализуется либо балансная, либо кольцевая схема преобразователя частоты. В первом случае СК подключен несимметрично либо к выводу 2, либо к выводу 3 ИМС. Во втором случае СК подключен симметрично между выводами 2 и 3 ИМС.

Несимметричное подключение СК к ИМС позволяет включить в свободный вывод еще один СК, настроенный на f_ПЧ АМ тракта, либо на f_ПЧ ЧМ тракта. В первом случае снимаемое с этого контура напряжение можно подать на отдельный детектор АРУ для УРЧ. Второй вариант позволяет иметь один преобразователь частоты для всех диапазонов приемника.

Параметры ИМС в режиме преобразования частоты приведены в таблице7. При построении преобразователя частоты на ИМС К174ПС1 обычно не возникает проблем с получением нужного коэффициента усиления. На этапе эскизного расчета рекомендуется принять коэффициент передачи преобразователя частоты K_{0 ПР} = 20...30 при работе в диапазонах ДВ, СВ и КВ и K_{0 ПР} = 4...6 при работе в диапазоне УКВ.

Таким образом из вышеописанных  обоснований получим следующую  структурную схему приёмника:

 

 

Рисунок 6

Структурная схема приёмника состоит  из:

- антенна внутренняя с ферритовым  сердечником;

- входная цепь, в которую входит  блок конденсаторов;

- усилитель радиочастоты;

- преобразователь частоты;

- гетеродин;

- фильтр сосредоточенной селекции;

- усилитель промежуточной частоты;

- детектор;

- усилитель звуковой частоты;

 

 

 

4. Выбор и обоснование принципиальной

электрической схемы.

4.1. Расчёт контура входной цепи:

Рисунок 7

- Определяется индуктивность катушки  контура

L=2530 / (509.6*10³) ²*22.2*10 ^-9=226 мкгн

 

- Выбираем тип подстроечного конденсатора, исходя из:

Сп ср ≤ Сдоб

 

Сдоб = 7,2 пф → Сп ср = 6 пф

 

- Определяем ёмкость уравнительного конденсатора

Су = Сдоб – Сп ср = 7,2 – 6 = 1,2 пф

Так как Су < 0,5Сп ср т.е. 1,2 < 3, то уравнительный конденсатор не ставится.

 

4.2. Расчёт усилителей радиочастоты и промежуточной частоты.

Рисунок 8

Полный расчёт преобразователя  частоты слагается из расчёта элементов контура гетеродина и смесительной части.

 

 

 

 

 

Расчёт элементов контура  гетеродина.

 

Расчёт элементов контура гетеродина производится из условий обеспечения сопряженной настройки контуров при помощи одной ручки.

 

Исходные данные:

- f min = 520 кгц; f max = 1605 кгц.

- f пр = 465 кгц;

- Индуктивность контура входной цепи и УВЧ L = 226 мкГн

Определим:

1. Индуктивность гетеродинного контура Lг;
2. Ёмкость конденсаторов.

Расчёт:

1. Выбираем переменный конденсатор и принимаем ёмкость схемы  равной значению Ссх для контуров входной цепи и УВЧ, значит С = Ссх =20 пф
2. Находим вспомогательный коэффициент

n = fпр/fср , где

fср = (fmax+fmin)/2 = (1605 +520)/2 = 1062,5

n = 465 / 1062,5 = 0,438

      3.    Определяем  Смах = С к мах+Ссх, где С к мах = 260 пф

С мах гет. = 260+20 = 280 пф

      4.    Определяем  индуктивность контура гетеродина:

Lг = L*α , значение а = 0,6 (согласно справочным данным)

Lг = 226*0,6 = 135,6 мкГн

      5.   Определяем  ёмкость последовательного конденсатора (согласно справочным данным) С= 500пф

      6.   Определяем  ёмкость параллельного конденсатора (согласно справочным данным) С= 6 пф

 

4.3. Расчет смесительной части ПЧ.

 

Определяем коэффициенты включения  фильтра:

m1= √R22/R = √110/20 = 2,35

m2= √Rвх2/R = √200/20 = 3,11

 

Т.к. m1>1, то примем значение m1=1 и установим на вход ФСС дополнительный шунтирующий резистор Rш = (R*R22)/(R22 – R) = (20*110)/(110-20)=24 Ом.

 

Ёмкости звеньев фильтра

 

С1 = 159/fпр*R=159/0,465*20=17 пф

С2 = (318*10³ / Пр*R) – 2*С1 = (318*10³ /22,9*20) – 2*17 = 0,69*10³- 34 ≈ 656 пф

С3 = 0,5*С2 – m1²*C22 = 0.5*656 – 11,8*5,5 = 328 – 64,9 ≈ 263 пф

С4 = 0,5*С2 – m2²*Cвх = 345 – 250 = 78 пф

 

Индуктивность звеньев фильтра

 

L1 = Пр*R / 4*π* fпр² = 22,9*20 / 4*3,14*0,465² = 458 / 2,72 = 168,4 мкГн

L2 = 2*L1 = 168,4*2 = 336,8 мкГн

 

 

 

4.4. Расчёт схемы гетеродина.

Расчёт смесительной части:

 

4.1. Определяем параметры транзистора  в режиме преобразования частоты.

Sпр = 0,3*S = 0.3*26 = 8 ма/в

Rвх пр = 2*R11 = 2*3,8 = 7,6 кОм

Rвых пр = 2*R22 = 2*110 = 220 кОм

Свых = С22 = 11,8 пф        Свх = С11=25,8 пф

4.2. Коэффициент шунтирования контура ψу = 0,91

4.3. Определяем конструктивное и  эквивалентные затухания широкополосного  контура:

δк = ψ / Qэ = 0,91 / 18 = 0,0505

δэ = 1 / Qэш = 1 / 18 = 0,0556

4.4. Определяем характеристическое сопротивление контура

ρ = 0,5*Rвых пр *( δэ – δк) = 0,5*220*(0,0051) = 0,561 кОм

4.5. Определяем коэффициент включения контура со стороны фильтра

m2 ≈ 1

4.6. Эквивалентная ёмкость схемы

Сэ = 159/0,465*0,561 = 611,5 пф

4.7. Ёмкость контура 

С2 = Сэ – Свых пр = 611,5 – 11,8 = 599,7 ≈ 600 пф

4.8. Определяем действительную эквивалентную  ёмкость схемы:

С’э = С2 + Свых пр = 600 + 11,8 = 611,8 =612 пф

4.9. Индуктивность контура:

L4 = (2,53*10⁴)/(0,465²*612) = 25300/132 = 192 мкГн

4.10. Действительное характеристическое сопротивление контура:

ρ’ = 159/0,465*С’э = 159 / 0,465*612 = 159/284,58 = 0,558 кОм

4.11. Резонансный коэффициент преобразователя:

Ко = (8*0,558*18*0,1) / 4 = 2

4.12. Индуктивность катушки связи  с фильтром, приняв kсв = 0,4:

L5 = L4*(m2²/ k²св) = 192*(0,01/0,16) = 12 мкГн

 

Расчёт гетеродинной части.

 

4.13. Частоту гетеродина принимаем  выше частоты сигнала. 

fср = (f’мах+f’min)/2 = (1605+520) / 2 = 1062,5 кГц

4.14. Эквивалентная ёмкость переменного  конденсатора на fср:

Сэ ср = (Сэ мах + Сэ мин) / 2 = (5+260)/2 = 132,5 пф

4.15. Индуктивность контура гетеродина

fг ср = fср + fпр = 1,0625 + 0,465 = 1,5275 Мгц

L2 = (2,53*10⁴) / fг² ср*Сэ ср = 25300 / 2,33*132,5 = 81,9 ≈ 82 мкГн

4.16. Величину стабилизирующую эммитерный  ток примем равной R7 = 1 кОм

4.17. Полное сопротивление контура  гетеродина при резонансе на  максимальной частоте:

R ос мах = (Qк*10³) / 2*π* f’мах* Сэ мин = 10⁵ / 6,28*1,605*5 = 2 Мом

4.18. Определяем коэффициент связи  с колебательным контуром:

 

m = 0.0482

 

4.19. Определяем величины емкостей контура на максимальной частоте поддиапозона:

а) вспомогательные ёмкости:

С1 = 15 пф

С2 = (Сэ мин*(1+ kсв)) / m = 5*(1+0,4) / 0,0482 = 107,88 пф ≈ 110 пф

С3 = (Сэ мин*(1+ kсв)) / (m* kсв) = 5*(1+0,4) / 0,0482*0,4 = 26,9 пф ≈ 30 пф

С’1 = (С2*С3) / (С2+С3) = 3300/140 = 23,57 ≈ 25 пф

б) действительные ёмкости контура:

С9 = С2 – С22 = 110 – 11,8 = 98,2 пф ≈ 100 пф

С10 = С3 – С11 = 30 – 25,8 = 4,2 пф ≈ 5 пф

С11 = (С1*С’1) / (С’1-C1) = 15*25 / 25-15 = 37,5 пф

4.20 Задавшись  коэффициентов  связи между катушками L2 и L3, m₃ = 0,1 и kтк = 0,3 получим:

L3 = L2*m²₃ / k²тк = 82 * 0,01/0,09 = 9,11 мкГн

 

4.5. Расчёт детектора АМ сигнала.

 

Исходными данными для расчёта  всех детекторов является:

- значение промежуточной частоты  fпч = 465 кгц

- значения нижней и верхней частот модуляции

- допустимые амплитудные искажения  на нижних и верхних частотах  модуляции Мн=Мв=1,1..1,2

- входное сопротивление (R _{вх узч}) и ёмкость выбранной ИМС УЗЧ (С вх узч = 25 пф)

 

Определяем сопротивление нагрузки:

Rн = 2*0,3*4,6 = 2,76 кОм

Рисунок 10.

Определим значения R1 и R2 по графику на рисунке 10.

Получаем R2 = 1,4 кОм. примем как = 1,2 кОм

 

Определяем R1 = Rн – R2 = 2,76 – 1,2 = 1,56 кОм ≈ 1,5 кОм

 

 

Общее сопротивление нагрузки переменному  току

Rн = R1 + (R2*Rвх н) /(R2 +Rвх н) = 1,5+0,79 = 2,3 кОм

 

Сопротивление нагрузки постоянному  току:

Rн = R1+R2 = 1,5+1,2 = 2,7 кОм

 

Величина эквивалентной ёмкости  шунтирующей нагрузку детектора

Сэ = (2,4*10⁵) / (4*2,7) = 14,8*10³ пф

 

Величина ёмкости С2, обеспечивающая фильтрацию на промежуточной частоте

С2 = (0,8*10³) / (fпр*R₂) = 1,43*10³ пф

принимаем С₂ = 6800 пф.

 

На рис.11 представлена электрическая схема возможного построения тракта УПЧ на специализированных ИМС, в которых предусмотрена АРУ УПЧ. К таким микросхемам относятся  ИМС серии К157ХА2  

Рисунок 11

ИМС содержит три каскада усиления сигналов и УПТ АРУ. Первые два  каскада идентичны, построены на дифференциальных парах транзисторов. Между эмиттерами транзисторов встречно включены пары диодов, сопротивление  которых изменяется под действием напряжения, поступающего от УПТ АРУ. При изменении регулирующего напряжения изменяется глубина обратной связи, что приводит к изменению коэффициента усиления УПЧ. Эффективность регулирования такова, что при изменении входного напряжения от 1 до 100 мВ выходное напряжение изменяется не более, чем в три раза.

Выходной нерегулируемый каскад имеет  несимметричный выход 8, к которому подключается резонансная нагрузка. При подсоединении нагрузки надо следить, чтобы вывод 8 (коллектор  транзистора V9) по постоянному току был соединен с корпусом.

Входное сопротивление ИМС практически  равно характеристическому сопротивлению  выпускаемых промышленностью ПКФ (приблизительно 3 кОм), что позволяет  подсоединить ПКФ непосредственно  ко входу ИМС без согласующего трансформатора или контура. Для обеспечения нормального режима работы каскада по постоянному и переменному токам выводы 2 и 3 должны быть соединены с корпусом с помощью внешних конденсаторов.

4.6. Усилитель низкой частоты.

Динамическая головка проектируемого приемника выбирается из условия обеспечения номинальной выходной мощности и заданного диапазона воспроизводимых частот. Для УЗЧ следует выбрать ИМС отечественного производства: К174УН7, К174УН8, К174УН9, К174УН15, КФ174УН17 и т.п. или аналогичные схемы производства зарубежных фирм. Выбранная ИМС должна обеспечивать номинальную выходную мощность не ниже указанной в ТЗ при минимально возможном токе покоя. Предпочтительны ИМС, не требующие большого числа дополнительных элементов.