Контрольная работа: Расчет приемника для связной УКВ радиостанции

3

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт «Морская академия»

Кафедра: Радиоэлектронных систем и транспортного радиооборудования

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Устройства приема и преобразования сигналов»

по теме: «Расчет приемника для связной УКВ радиостанции»

Выполнил:

Студент _4_ курса ИМА

специальность: 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы»

Юнусов Раиль Рахимович РСКс15з - 287

Мурманск 2019

Содержание

Постановка задачи

Пояснительная записка

1. Разработка функциональной блок-схемы приёмника

2. Расчет входной цепи

3. Расчет УСЧ

4. Расчет цепи настройки варикапов

5. Расчет смесителя

6. Расчет УПЧ

7. Расчет АРУ

8. Расчет частотного детектора и ограничителя

9. Выводы

Список использованной литературы

Постановка задачи

Спроектировать портативный радиовещательный приёмник диапазона УКВ со следующими параметрами:

1) рабочий диапазон частот: 88 МГц - 108 МГц;

2) сигналы: частотная модуляция с максимальной девиацией частоты 75 кГц и полосой 250 кГц; модулирующий сигнал изменяется в диапазоне 50 Гц - 15000 Гц;

3) требование к избирательности:

ослабление соседнего канала приёма - не менее 50дБ;

ослабление по побочным каналам приёма - не менее 40дБ;

4) чувствительность не хуже 10мкВ;

5) антенна - четвертьволновый штырь;

6) напряжение питания: ;

7) требование к АРУ: при изменении уровня входного сигнала на 60 дБ изменение уровня выходного сигнала должно составлять не более 6 дБ.

диапазон варикап частота волна приемник

Пояснительная записка.

1. Разработка функциональной блок-схемы приёмника

Так как требуется спроектировать портативный радиоприёмник, то возникают ограничения на габариты антенны. Поэтому в данном случае целесообразно использовать штыревую антенну длиной в четверть волны на 108 МГц, которая обладает приемлемыми размерами и низким коэффициентом направленного действия, что позволяет приёмнику принимать сигналы практически со всех направлений.

Поскольку в задании предъявлены довольно высокие требования к показателям радиоприемного устройства, то это предопределяет построение приемника по супергетеродинной схеме. Для повышения чувствительности приемника необходимо применение усилителя сигнальной частоты (УСЧ) в преселекторе. С целью улучшения избирательности приемника УСЧ необходимо сделать резонансным. В качестве усилительных элементов в УСЧ и УПЧ можно использовать полевые транзисторы, обладающие следующими преимуществами: малый коэффициент шума, большое входное сопротивление и высокая линейность усиления.

Входная цепь (ВЦ) должна обеспечивать возможность настройки на любую частоту заданного диапазона приемника. Плавно настраивать контуры в заданном диапазоне частот можно, изменяя индуктивность или емкость, либо одновременно и то, и другое. При настройке контура ВЦ с помощью индуктивности его показатели (конструктивное затухание, полоса пропускания, резонансная эквивалентная проводимость контура) по диапазону резко изменяются, что нежелательно. Настройка ВЦ ёмкостью сопровождается менее резкими изменениями параметров контуров. Осуществить перестройку ёмкости контура возможно при помощи блоков конденсаторов переменной ёмкости (КПЕ). Однако применение КПЕ нецелесообразно вследствие их больших размеров и сложности точного сопряжения. Поэтому в качестве переменной ёмкости контура используем варикапы. Главное преимущество варикапов - малые размеры, механическая надежность, простота автоматического и дистанционного управления настройкой. Недостатком варикапов в сравнении с КПЕ является нелинейность при больших уровнях сигналов и помех. Ослабить нелинейные эффекты можно применением балансных (двухтактных) схем. В данном случае такой схемой является встречно-последовательное включение двух варикапов.

В качестве преобразователя частоты используем кольцевой диодный преобразователь, имеющий следующие достоинства: меньшее содержание гармоник входных сигналов и комбинационных частот в выходном спектре, широкий динамический диапазон входных сигналов, большая максимально допустимая мощность, широкая полоса пропускания, большое (по сравнению с балансным смесителем) входное сопротивление.

Для обеспечения высокой избирательности приёмника по побочным каналам приема необходимо выбрать высокую промежуточную частоту. Современная элементная база позволяет обрабатывать сигналы с частотами более 1 ГГц. Однако применение таких электронных приборов нецелесообразно с экономической точки зрения. Ограничимся выбором промежуточной частоты f_пр=10.7 МГц.

Основное усиление и обработка сигнала производиться в тракте промежуточной частоты. Для обеспечения высокой избирательности РПУ по соседним каналам приема необходимо применение фильтра сосредоточенной селекции (ФСС). Выбор фильтра определит требования по коэффициенты усиления УСЧ. В качестве системы автоматической регулировки усиления (АРУ) выбираем задержанную АРУ «назад». В такой АРУ регулирующее напряжение создается и действует лишь в том случае, если входной сигнал превышает определенное значение (оно обычно выбирается равным чувствительности приемника и называется порогом срабатывания АРУ). При этом возможно использование дополнительного усилителя постоянного тока. Тогда АРУ будет называться усиленной. Наиболее просто управлять усилением каскадов УПЧ при помощи АРУ можно, применяя в УПЧ полевые транзисторы с двумя затворами. В этом случае управляющее напряжение системы АРУ прикладывается ко второму затвору транзистора, уменьшая тем самым его крутизну. Применение амплитудного детектора в цепи АРУ с задержкой имеет ещё и то дополнительное преимущество, что при слабых сигналах, когда детектор АРУ заперт, не уменьшается крутизна характеристики усилительных приборов и поэтому не возрастают собственные шумы радиочастотного блока. Последнее обстоятельство объясняется тем, что шумовое сопротивление транзистора обратно пропорционально крутизне S=¦Y₂₁¦. Следовательно, если АРУ при малых сигналах не работает, то в радиочастотном блоке при этом не уменьшается отношение сигнал-шум за счёт действия АРУ. Сказанное относится, в первую очередь к входным каскадам радиочастотного блока на достаточно высоких частотах, когда их шумы могут быть соизмеримы по интенсивности с внешними помехами воздействующими на вход приёмника.

2. Расчет входной цепи.

Требуемую избирательность преселектора по побочным каналам приема можно обеспечить двумя колебательными контурами - во входной цепи и в УСЧ. Схема входной цепи представлена на рис. 1.

Рис. 1. Входная цепь.

В качестве антенны был выбран четвертьволновый штырь. При перестройке по диапазону вниз сопротивление такой антенны начинает принимать активно-емкостной характер, что значительно легче компенсировать при перестройке входного контура, чем вносимую индуктивность у длинной антенны. Поэтому расчет будет вестись на верхней частоте диапазона:

Основной недостаток супергетеродинного приемника - наличие зеркальных каналов приема. Этот эффект обусловлен тем, что в смесителе происходят как инвертирующее, так и неинвертирующее преобразования. При этом в полосу ФСС попадают сигналы как с основной частоты приема, так и с частоты зеркального канала:

Для обеспечения требуемого подавления сигналов на побочных каналах приема, оба колебательных контура преселектора должны обеспечивать ослабление по 20 дБ. В этом случае имеем:

,

где - ослабление;

- обобщенная расстройка.

В состав общей емкости контура входит емкость монтажа, паразитная емкость индуктивности, входная емкость транзистора, емкость, вносимая антенной и т.д. Таким образом общую емкость контура можно записать как

.

С высокой точностью можно предположить, что , , . При условии, что антенный контур настроен в резонанс, вносимая ей емкость будет ничтожно мала, поэтому

Чтобы обеспечить точную настройку контура входной цепи в резонанс, добавим переменный конденсатор С2, изменяющийся в пределах 10 (пФ). Если использовать варикапы BB164, то емкость варикапной матрицы при будет равна

(расчет приведен далее).

Пусть , , тогда

Так как используется варикапная матрица, то добиться конструктивной добротности выше 80 достаточно сложно, поэтому

Обозначим коэффициенты трансформации по напряжению автотрансформатора L1:

где - напряжение источника,

- напряжение, выделяемое в колебательном контуре.

Для передачи входной цепью максимальной мощности должно выполняться условие согласования:

Выбранная антенная на частоте имеет сопротивление , поэтому

Эквивалентное резонансное сопротивление контура и его эквивалентная добротность будут соответственно равны:

, что соответствует поставленной задаче.

Определим коэффициент передачи по напряжению. В режиме согласования имеем:

Коэффициент передачи по мощности:

Коэффициент шума:

3. Расчет УСЧ

УСЧ должен обладать высокой линейностью и коэффициентом усиления по мощности, удовлетворяющим следующему условию:

Схема УСЧ в составе преселектора приведена на рис. 2. Для реализации такого усилителя необходим транзистор с достаточно малой емкостью С₁₂. Иначе потребуются дополнительные меры по обеспечении устойчивости каскада.

Перечисленным требованиям отвечает транзистор BF998. Он имеет следующие характеристики: табл. 1.

Рис. 2. Преселектор.

Табл. 1. Характеристики транзистора BF998.

Чтобы усилитель оставался устойчивым, необходим небольшой коэффициент усиления. Удобнее всего коэффициент усиления регулировать напряжением на втором затворе. Пускай . Тогда характеристики прибора будут выглядеть следующим образом: рис. 3, 4, 5

Рис. 3. Модель для определения характеристик усилительного прибора.

Рис. 4. Проходные характеристики транзистора при , .

Рис. 5. Выходные характеристики транзистора при , .

Зададимся рабочей точкой:

;

;

Тогда крутизна переходной характеристики и выходная проводимость будут соответственно равны:

Для обеспечения температурной стабилизации напряжение на R5 должно составлять не менее 20 от напряжения питания, поэтому

;

;

- выбираем по ряду Е24.

Пусть для увеличения входного сопротивления, следовательно

Сопротивления емкостей на рабочей частоте должны быть хотя бы на несколько порядоков меньше шунтируемых ими сопротивлений, поэтому:

Для обеспечения заданной избирательности по побочным каналам приема усилитель должен быть избирательным. При этом эквивалентная добротность колебательного контура должна быть не хуже . Оправдано использовать в УСЧ такой же колебательный контур, что и во входной цепи, поэтому:

Далее будут найдены коэффициент коэффициент трансформации и входное сопротивление смесителя. Они равны соответственно:

.

Так как проводимость мала по сравнению с собственными потерями контура, поэтому можно использовать полное включение транзистора в контур. Тогда эквивалентное сопротивление и эквивалентная добротность будут соответственно равны:

, что соответствует поставленной задаче.

Коэффициент усиления каскада по напряжению:

Коэффициент усиления каскада УСЧ по мощности:

.

Коэффициент усиления по напряжению преселектора;

Проверяем устойчивость усилителя:

;

, следовательно усилитель устойчив.

Коэффициент передачи по мощности преселектора:

;

, что соответствует поставленной задаче.

Потребляемый преселектором ток составляет:

Результат моделирования подтверждает все приведенные выше расчеты. Модель представлена на рис. 6. Результаты моделирования - на рис.7.

Рис. 6. Модель преселектора.

Рис. 7. Результат моделирования преселектора.

По результатам моделирования видно, что ослабление зеркального канала составляет приблизительно 45дБ.

При этом преселектор остается линейным при уровне выходного сигнала до 2 (В). Однако линейность по входу составляет 0,1 (В), поэтому можно говорит, что усилитель будут линейным только до 0,1 (В) входного сигнала.