Разработка радиоприёмника на ИМС К174ХА2

1 Обоснование выбора супергетеродинного приёмника

1.1 Структурная схема типовой супергетеродинной схемы приёмника

Радиоприемник, использующий супергетеродинный метод приема отличается от радиоприемника прямого усиления наличием преобразователя частоты. Структурная схема содержит следующие элементы: антенна, усилитель радиочастоты (УРЧ) преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, детектор, усилитель низкой частоты и оконечное устройство.

Входная цепь УРЧ ПЧ ФСС УПЧ1 УПЧ2 детектор УЗЧ

Рисунок 1.1 Структурная схема супергетеродинного приёмника

Преобразователь частоты состоит из смесителя и гетеродина. Гетеродин - это маломощный генератор, вырабатывающий частоту f_r. На вход смесителя подается напряжение частоты сигнала f_c и напряжение с выхода гетеродина f_r. В результате взаимодействия двух этих частот на выходе смесителя появляется сигнал, содержащий множество комбинационных составляющих, в то числе и составляющую, частота которой равна разности двух этих частот f_c-f_r. Величина этой разности может быть выше или ниже частоты сигнала, но обязательно выше частоты модуляции, поэтому ее называют промежуточной. Таким образом, можно записать:

F_пр = fг- fc при fг > f_c (1.1)

F_пр = fc - fг при fr < f_c(1.2)

На промежуточную частоту настроена резонансная система, включенная в выходную цепь смесителя, что позволяет при соответствующей полосе пропускания выделить напряжение сигнала на промежуточной частоте. Следовательно, назначение преобразователя - преобразование частоты радиосигнала в другую промежуточную частоту с сохранением закона модуляции. В случае работы радиоприемника в диапазоне частот перестраиваются только избирательные цепи тракта радиочастоты, и изменяется частота гетеродина так, чтобы разность их настройки всегда была равна выбранной промежуточной частоте. Следует подчеркнуть, что настройка радиоприемника на частоту принимаемого сигнала определяется, прежде всего, настройкой гетеродина.

Входные контуры и контуры усилителя высокой частоты могут быть не перестраиваемыми, но с полосой пропускания, равной диапазону рабочих частот

Усилитель, который усиливает сигнал на промежуточной частоте, получил название усилителя промежуточной частоты. Таким образом, в супергетеродинном радиоприемнике усиление и выделение радиосигнала осуществляется на трех частотах: на радиочастоте, промежуточной частоте и частоте модуляции (низкой частоте).

Соответственно участки радиоприемника, на которых происходит соответствующее усиление, называют трактом радиочастоты, промежуточной частоты и низкой частоты. Постоянство промежуточной частоты позволяет использовать в усилителе промежуточной частоты сложные избирательные системы, имеющие частотную характеристику, весьма близкую по форме к прямоугольной.

Рисунок 1.2 Образование зеркального канала при супергетеродинном

методе приёма.

Супергетеродинный метод приема по сей день остается основным, так как он позволяет обеспечить устойчивый прием весьма слабых сигналов в условиях интенсивных помех. Сверхминиатюризация элементной базы не изменила основного принципа построения структурной схемы супергетеродинного радиоприемника, хотя он может представлять собой очень сложное устройство, в котором производится не одно, а несколько преобразований частоты сигнала.

Наряду с достоинствами супергетеродинный метод приема имеет существенные недостатки. Наиболее серьезный из них - так называемые побочные каналы приема. В радиоприемнике прямого усиления основными источниками помех служат соседние по частоте станции. Побочные каналы приема создаются в супергетеродинном приемнике в процессе преобразования частоты. Так, один из таких каналов, наиболее опасный, образуется следующим образом. На входе радиоприемника всегда действует множество сигналов различных частот, среди которых может оказаться частота, удовлетворяющая условию формирования промежуточной частоты. Причем, если в радиоприемнике принято условие f_г>f_c, то частота побочного канала f_3K>f_r . относительное расположение частот для этого случая показано на рисунке 1.2.

Частота f_3K отстоит от частоты гетеродина f_r на такое же расстояние, что и частота принимаемого сигнала f_с. Поэтому канал , по которому проникает помеха на частоте f_3K, называют симметричным или зеркальным. Для случая f_rc частоты f_c и f_3K поменяются местами.

Второй побочный канал приема, по которому может проникать специфическая для супергетеродинного приема помеха, возникает на частоте, равной промежуточной f_npc. Поскольку фильтр, включенный в выходную цепь смесителя, настроен на промежуточную частоту, смеситель для сигналов, у которых f_c = f_np, является усилителем. Эту помеху называют помехой прямого прохождения.

Для того, чтобы уменьшить помеху прямого прохождения и помеху по зеркальному каналу, как и других побочных каналов, необходимо их ослабить до попадания на вход преобразователя. Эта задача выполняется резонансными контурами тракта радиочастоты, который часто называют преселектором (предварительным селектором).

Итак, в структурную схему супергетеродинного радиоприемника входят следующие элементы:

СПРТ. КП 2003. 000ПЗ

1) входное устройство - его назначение такое же, как и в приемнике прямого усиления, но главным образом для обеспечения избирательности по побочным каналам;

2) усилитель радиочастоты - его основное назначение - это повышение соотношения сигнал шум на входе преобразователя и ослабление помех от побочных каналов. Возможно построение супергетеродинного радиоприемника без усилителя радиочастоты;

3) преобразователь частоты - специфический элемент супергетеродинного радиоприемника;

4) усилитель промежуточной частоты - предназначен для выделения спектра радиосигнала из помех, близких по частоте, и усиления его до величины, необходимой для работы детектора сигнала;

5) детектор сигнала - предназначен для преобразования спектра
модулированного радиосигнала в спектр частот модуляции;

6) усилитель низкой частоты или усилитель сигнала частот модуляции -
его назначение такое же, как и в радиоприемнике прямого усиления.

1.1 Обоснование выбора промежуточной частоты

Так как для реализации своих исходных данных я выбрал схему супергетеродинного приемника, то большое значение для обеспечения постоянства его качественных показателей на заданном уровне, приобретает правильный выбор промежуточной частоты fnp.

При выборе промежуточной частоты необходимо руководствоваться следующими соображениями. Промежуточная частота должна находиться вне диапазона принимаемых частот и не должна совпадать с частотами мощных радиостанций, в противном случае сигнал будет подавлен сигналами этих радиостанций.

Промежуточная частота должна иметь стандартное значение, установленное ГОСТом.

Выбранная промежуточная частота должна иметь такое значение, при котором наиболее эффективно можно будет обеспечить хорошую избирательность, как по соседнему, так и по зеркальному каналу.

Для обеспечения более высокой избирательности по зеркальному каналу Se3, промежуточная частота должна быть по возможности выше (зеркальный канал отстает от

полезного на 2Fпр), а для обеспечения избирательностипо соседнему каналу Se3 - как можно ниже (соседний канал отстает от полезного на величину 10 кГц). Однако с увеличением fnpухудшается добротность избирательной системыпьезокерамического фильтра (ПКФ), a, следовательно, не произойдет обеспечение высокой избирательности по соседнему каналу, вследствие чего па нагрузке радиоприемного устройства (РПУ) будет выделяться сигнал с частотой fnp 10 кГц. Поэтому, чтобы этого не случилось необходимо, чтобы пьезокерамический фильтр (ПКФ) обладал достаточно высокой избирательностью, а это возможно только при достаточно низкой fnp, так как при уменьшении fnp увеличивается добротность.

При большой fnp добротность пьезокерамического фильтра (ПКФ) меньше, его АЧХ имеет более пологие скаты и более широкую полосу пропускания, в которую входит сигнал с соседнего канала. В случае, если fnp меньше – добротность пьезокерамического фильтра (ПКФ) больше, полоса пропускания меньше и сигнал с соседнего канала в эту полосу не входит.

Возникло противоречие: с одной стороны нужно увеличить fnp для обеспечения высокой Se3, с другой стороны нужно уменьшить Snp для обеспечения высокой Без. Поэтому чтобы удовлетворить эти два условия нужно выбрать необходимую fnp.

Следуя ГОСТу видно, что промежуточная частота для ДВ, СВ и KB диапазонов равна 465 кГц, для УКВ диапазонов 10,7 МГц, а для радиолокационных РПУ fnp = 100 МГц.

Исходя из выше написанного, сделаем вывод, что для данного приемника промежуточная частота равна 465кГц, так как данный приемник КВ1 диапазона.

Так же необходимо обеспечить избирательность по промежуточной частоте. Если на частоте равной промежуточной будет работать передатчик, то смеситель преобразователя для этой частоты будет являться резонансным усилителем и из-за некоторых резонансных свойств тракта ВЧ в нагрузке РПУ мы будем слышать на ряду с полезным сигналом сигнал-помеху на fnp. Ослабить этот побочный канал можно включением в цепь антенны фильтра "пробка".

Из вышесказанного следует, что избирательность по побочным каналам, а так же другие показатели РПУ зависят от правильного выбора промежуточной частоты.

1.2 Обоснование выбора блока настройки

1.2.1 Определяем коэффициент перекрытия диапазона с запасом на перекрытие:

f_max

К_пд = f_{min ,} (1.3)

где f_max - максимальная частота диапазона, МГц;

f_min - минимальная частота диапазона, МГц.

Исходя из моих данных:

В диапазоне КВ применяются варикапы ( КВ – 102, КВ – 109, КВ – 111). Для обоснования выбора типа варикапа рассчитывают его коэффициент перекрытия по ёмкости:

, (1.4)

где Св max Cв min – максимальное и минимальное значение варивапа.

С_о – паразитная ёмкость схемы, которую можно принять: КВ – Со » 25 пФ

Для устранения нелинейности ЧИЦ с варикапом применяют встречно – последовательное соединение двух варикапов.

Исходя из расчёта приведённого выше , выбираем варикап серии КВ – 119 .

Из справочника выписываем его параметры: U_обрmin – 1В

U_обрmax – 10В

Элемент настройки имеет следующие достоинства:

1) высокую прочность и надёжность, так как отсутствует влияние механических воздействий.

2) возможность достижения практически любой заданной избирательности по зеркальному каналу.

3) возможность и лёгкость осуществления программного управления, автопоиска.

4) уменьшение габаритов электрической части приёмника.

5) высокую скорость перестройки

1.3 Определение полосы пропускания приёмника

1.3.1 Определяем требуемую полосу пропускания приёмника:

П = 2 F_в + П_нс , (1.5)

где F_в – верхняя частота модуляции.

Пнс – нестабильность и неточность настройки радиоприёмного устройства, определяется по

формуле:

П_нс = 2Df_сопр + 2Dfг , (1.6)

где Df_сопр – неточность сопряжения настроек контуров.

Dfг - нестабильность частоты гетеродина.

Полагая, что в радиоприёмном устройстве в процессе работы точно настраивается на частоту принимаемого сигнала, допускается, что Пнс = 0

1.4 Расчёт радиочастотного тракта

Задаёмся конструктивной добротностью контура входной цепи:

КВ диапазон Q_к = 150

За счёт шунтирующего действия первого каскада, эквивалентная добротность падает и определяется:

, (1.7)

где & - коэффициент шунтирования, значение которого задаётся равной & = 0,3

После чего мы можем рассчитать :

1.4.1 Определяем избирательность по зеркальному каналу Sз.к , которую может обеспечить входная цепь на максимальной частоте диапазона:

, (1.8)

где fпр – промежуточная частота

S _{з.к. раз} > S _{з.к. треб}

Так как Sз.к.рас. больше Sз.к.треб. , то контур входной цепи обеспечивает нужную избирательность по зеркальному каналу.

1.4.2 Определяем избирательность по соседнему каналу, которую может обеспечить входная цепь:

, (1.9)

где Δf = 9кГц – расстройка для соседнего канала

S_c.к. = 20ln(1) = 0 дБ

1.4.3 Определяем частотные искажения на минимальной кастоте диапазона вносимой входной цепью:

, (1.10)

где П – полпса пропускания приёмника.

2 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ПРИЕМНИКА

2.1 Обоснование выбора элементной базы высокочастотной части приемника

По заданию данного курсового проекта необходимо спроектировать приемник на ИМС 174-ой серии, поэтому из справочника выбираем ИМС К174ХА2.

2.1.1 Описание ИМС К174ХА2

К174ХА2 представляет собой полупроводниковую интегральную микросхему 3-й степени интеграции. Она содержит 34 транзистора, 21 диод, и 57 резисторов.

Таблица 2.1 Электрические параметры ИМС К174ХА2