Устройство приема и преобразования сигнала

 

2.1 Структурная схема приёмника

Указанный в ТЗ частотный диапазон 0,525 - 1,3 МГц соответствует длине волны 230 м. В этом диапазоне применяют приемники прямого преобразования либо супергетеродинные.

В нашем случае оптимальным  является приемник, построенный по супергетеродинной блок-схеме. Для  супергетеродинных приемников нет  сильной связи между чувствительностью  и частотой принимаемого сигнала, так  как основное усиление производится на промежуточной частоте. Обычно промежуточная  частота значительно ниже несущей, на ней легче реализовывать усилительные каскады. Все это позволяет создать  большой запас по усилению и, применяя АРУ, увеличить динамический диапазон принимаемых сигналов.

Структурная схема супергетеродинного приемника приведена на рисунке 1. В таком приемнике может еще  присутствовать схема автоматической подстройки частоты, но она, как правило, не применяется в диапазоне средних  волн.

 

                                               

      

                         

 

Рисунок 1 – Структурная схема приёмника

ВЦ – входная цепь;

УРЧ - усилитель радиочастоты;

СМ - смеситель;

Г – гетеродин;

ПФ  – полосовой фильтр;

УПЧ - усилитель промежуточной частоты;

Д – детектор;

УЗЧ - усилитель звуковой частоты;

ГГ  – громкоговоритель;

АРУ – автоматическая регулировка усиления.

 

Данная  блок - схема является типовой и применяется в большинстве используемых на практике приемников. Сейчас разработаны интегральные микросхемы, которые выполняют роль целых узлов приемника и даже всего устройства в целом.

 

2.2 Предварительный  расчёт полосы пропускания

Полосу пропускания высокочастотного тракта супергетеродинного приемника  без системы автоматической подстройки частоты можно определить по формуле:

 

где: – ширина спектра принимаемого сигнала, составляющие которого, с учетом допустимых искажений, не должны выходить за пределы полосы пропускания приемника;

– изменение несущей частоты сигнала  за счет доплеровского эффекта;

Δf_нест – величина на которую необходимо расширить полосу пропускания приемника для учета нестабильности частот передатчика и гетеродина приемника, а также погрешностей в настройке отдельных контуров и всего приемника в целом.

 

где: – относительная нестабильность частоты сигнала f_c;

 – относительная нестабильность частоты гетеродина приемника f_г;

– относительная погрешность установки частоты приемника при безпоисковой настройке, отнесенной к частоте сигнала f_с;

 – относительная погрешность и нестабильность настройки контуров тракта промежуточной частоты, отнесенная к промежуточной частоте f_пр.

Для двух полосного одноканального АМ сигнала:

 

где: F_в - верхняя частота модуляции сигнала.

Выберем однокаскадный гетеродин без  кварцевой стабилизации, для него можно принять ,. Выбор произведен согласно таблицы 1.1 [1]. Значение коэффициента , как правило, колеблется от 0,0003 до 0,003 и зависит, главным образом, от температурного коэффициента катушек контуров, настраиваемых на промежуточную частоту. Пусть. Величина обычно равна 0,003 - 0,01 и определяется в основном точностью настройки контура гетеродина механизмом перестройки или погрешностью установки частоты настройки приемника по его шкале. Если применяется перестройка приемника оператором по принимаемым сигналам (как в нашем случае), то естественно величину следует брать равной нулю. Значение промежуточной частоты выберем стандартное для данного диапазона волн,.

Будем считать, что приемник и передатчик неподвижны относительно друг друга, тогда  доплеровское смещение частоты .

Подставим значения и найдём :

 

 

Вычислим  полосу пропускания :

 

Выбранная промежуточная частота  удовлетворяет условиям (для возможности применения контуров с реализуемой добротностью) и (для фильтрации сигналов промежуточной частоты при детектировании АМ сигналов).

 

2.3 Выбор средств обеспечения избирательности  приёмника

В супергетеродинных приемниках, наиболее опасными из побочных каналов приема являются зеркальный и соседний. Поэтому  частотная избирательность РПрУ зависит в основном от необходимых ослаблений соответственно и В приемниках с одинарным преобразованием частоты ослабление зеркального канала обеспечивает преселектор, ослабление соседнего – в основном УПЧ и частично преселектор.

Исходные  данные: ; выберем - эквивалентные затухания контуров преселектора с учетом потерь, вносимых источником сигналов и нагрузкой.

Определим обобщенную расстройку зеркального канала при верхней настройке гетеродина и нижней настройке гетеродина :

 

 

 

 

 

 

 

Пользуясь нормированными частотными характеристиками преселекторов при больших расстройках (рисунок 1,7а [1]), находим, что необходимое ослабление по зеркальному каналу может обеспечить простая одноконтурная входная цепь, поэтому применять более сложные схемы нецелесообразно.

Для выбранного преселектора вычисляем ослабление по соседнему каналу, которое он создает.

Обобщенная  расстройка для краев полосы пропускания приемника :  

 

Из  рисунка 1.7б [1] находим, что такой расстройке соответствует ослабление преселектора . Рассчитаем ослабление , которое можно допустить в ФСС, из выражения:

 

Для выбранного преселектора определим обобщенные расстройки для соседнего канала из выражения:

 

где - расстройка для соседнего канала.

 

По  рисунку 1.7б [1] находим, что данной расстройке соответствует ослабление соседнего канала, создаваемого преселектором.

Определяем  ослабление соседнего канала , требуемое от ФСИ:

 

где:  – полное ослабление соседнего канала, требуемое в приемнике

.

 

2.4 Расчёт входной цепи приёмника

При проектировании входной цепи, следует  выбрать способ связи входного контура  с антенной; рассчитать элементы принципиальной схемы и определить параметры  входной цепи.

Связь с антенной, в данном случае является внешне - емкостной. Такая связь может  обеспечить достаточно большой коэффициент  передачи и высокую избирательность. Схема входной цепи изображена на рисунке 2.

Для настройки входной цепи используем секцию блока конденсаторов:

, .

Рисунок 2 – Входной контур

 

Найдём коэффициент перекрытия диапазона :

 

Вычислим  максимально допустимую ёмкость  входной цепи:

 

Находим индуктивность контура:

 

 

Находим наибольшую ёмкость связи  с антенной , при которой разброс ёмкости антенны вызывает допустимую расстройку входного контура приёмника, полагая, что расстройки, обусловленные разбросом ёмкостей антенны и входа УРЧ, одинаковы.

 

 

Наибольшая ёмкость связи:

 

Где: – эквивалентное затухание контура; максимальная и минимальная ёмкость антенны: .

Подставим значения и вычислим :

 

 

Вычисляем для  коэффициент включения контура к входу УРЧ, при котором обеспечивается требуемая избирательность по зеркальному каналу:

 

где:  - собственное затухание контура;  ;

- собственная частота.

Подставим значения и вычислим:

 

Рассчитываем ёмкость связи  по формуле:

 

где: - ёмкость монтажа; ;

Подставим значения, найдём:

 

 Определяем ёмкость подстроечного конденсатора :

 

 

 

 

Теперь определим:

 

Вычислим коэффициент передачи входной цепи для крайних частот диапазона - , .

Для :

 

 

 

Для :

 

 

 

Добротность контура преселектора ;

Добротность эквивалентного контура ;

Определим коэффициент передачи входной цепи:

 

 

 

2.5 Расчёт УРЧ и смесителя собранного  по каскодной схеме

Среди каскодных УРЧ лучшими по своим показателям является  реализованные по схеме типа ОЭ – ОБ, рисунок 3. Каскодное включение позволяет: получить высокое выходное сопротивление; уменьшать влияние ёмкостей коллекторного перехода и при использовании тех же транзисторов, выполнять усилительные каскады с лучшими частотными характеристиками.

Рисунок 3 – УРЧ и смеситель по каскодной схеме

 

Произведём  расчёт элементов, обеспечивающих режим усиления радиочастоты.

В схеме используется высокочастотные  транзисторы КТ315А. Исходные данные: , , , , , , , .

Питание схемы производится от одного источника, который обеспечивает термостабилизацию режима по постоянному току и параметров транзистора в пределах от до .

Определяем  изменение обратного тока коллектора :

 

где: - обратный ток коллектора при температуре .

Находим тепловое смещение напряжения  базы :

 

где: .

Рассчитываем  необходимую нестабильность тока коллектора :

 

 

 

Вычисляем сопротивления эмиттерного перехода  :

 

Вычислим :

 

Расчитываем ,, :

Где :

 

 

 

 

Вычислим  ёмкости конденсаторов , :

 

 

Найдём  коэффициент устойчивого усиления на высшей рабочей частоте:

 

где: , ;

Найдём  предельный коэффициент передачи:

 

 

2.6 Расчёт  гетеродина приёмника

Гетеродин приёмника формирует вспомогательное  гармоническое напряжение, которое  необходимо для преобразования частоты. Представленный гетеродин представляет собой однокаскадный генератор  с самовозбуждением на транзисторе (рисунок 4).

Рисунок 4 – Гетеродин приемника

 

Произведём энергетический расчёт гетеродина. При таком расчёте автогенераторов следует учитывать особенности транзисторов, проявляющиеся на высоких частотах. Исходные параметры: ; - крутизна линии критического режима; .

Выбираем  транзистор КТ361А. Параметры транзистора: граничная частота усиления тока базы ; постоянна времени цепи обратной связи пС; ёмкость коллекторного перехода ; ;;

; мВт;

В начале расчёта выберем угол отсечки .

Полная генерируемая мощность:

 

где:  -  активная составляющая генерируемой мощности;

- фазовый угол колебательного  контура, определяем по формуле:

 

где: - частота генерируемых колебаний;

- частота, на которой модуль  уменьшается в раз.

 

 

Подставив значения, найдём фазовый угол :

 

Далее вычислим полную генерируемую мощность :

 

Коэффициент использования  источника питания  коллектора:

 

где: - коэффициент разложения косинусоидального импульса для первой гармоники, определяется по таблицам А.И. Берга.

Рассчитаем  амплитуду переменного напряжения на контуре:

В

Найдём  амплитуду первой гармоники тока коллектора :

 

Модуль  эквивалентного сопротивления нагрузки генератора в критическом режиме:

Вычислим  амплитуду импульса тока коллектора :

 

Постоянная  составляющая тока коллектора :

 

где:  - коэффициент разложения для постоянной составляющей , определяемая по таблицам А.И. Берга.

Мощность  потребляема от источника питания  :

 

Мощность  рассеиваемая на коллекторе транзистора :

 

Найдём  угол отсечки тока эмиттера :

 

где: 

- собственная  частота;

- усредненное время движения  носителей тока между переходом (время дрейфа):

 

где: - предельная частота усиления для схемы с ОБ:

 

Коэффициент усиления транзистора по току, включённого  по схеме с ОБ, на частоте :

 

где:  - коэффициент усиления по току на низкой частоте.

Рассчитаем  амплитуду первой гармоники 

 

Рассчитаем  амплитуду импульса тока  :

 

где: .

Амплитудное значение напряжения возбуждения на базе транзистора, необходимое для  обеспечения импульса тока эмиттера:

 

где: - полная проводимость прямой передачи транзистора для схемы с ОЭ.

Вычислим  напряжение смещения в цепи базы, обеспечивающее угол отсечки тока эмиттера: