Материал: Расчет радиоприемного устройства

Расчет радиоприемного устройства

Курсовая работа

Расчет радиоприемного устройства

1. Общие сведения

Радиоприемные устройства предназначены для приема различных типов сигналов на различные типы антенных устройств на большие расстояния с наименьшими потерями мощности и с наименьшими искажениями. Целью данного пособия является изложения методики проектирования различных типов радиоприемных устройств. Курсовая работа ориентирована на самостоятельную работу студента с использованием компьютерных технологий (Work Bench), работу со справочной литературой и работу с новейшими разработками по данному вопросу. Первые разделы работы посвящены вопросам выбора промежуточной частоты и определению полосы пропускания. От выбора этих параметров зависит выбор радиоэлектронных элементов проектируемой схемы. В разделах 6-9 большое внимание уделено выбору электронных приборов и селективных систем, позволяющих получить наилучшую чувствительность и селективность радиоприемного устройства при оптимальных технических и эксплуатационных характеристиках. В разделах 9-10 даны предварительные расчеты АРУ и источника питания радиоприемного устройства.

2. Выбор промежуточной полосы

Величина промежуточной частоты выбирается из следующих соображений:

. Промежуточная частота не должна находиться в диапазоне частот приемника или близко от границ этого диапазона.

. Промежуточная частота не должна совпадать с частотой какого-либо мощного передатчика.

. Для получения хорошей фильтрации промежуточной частоты на выходе детектора должно быть выполнено следующее условие:

      (1)

где  - верхняя частота модуляции.

4. С увеличением промежуточной частоты:

увеличивается избирательность по зеркальному каналу;

уменьшается избирательность по соседнему каналу;

расширяется полоса пропускания;

уменьшаются входное и выходное сопротивления электронных приборов, что приводит к увеличению шунтирования контуров, а также понижается крутизна характеристики транзисторов;

ухудшается устойчивость УПЧ;

уменьшается коэффициент усиления на каскад за счет уменьшения резонансного сопротивления контура и ухудшения параметров электронных приборов;

уменьшается вредное влияние шумов гетеродина на чувствительность приемника;

облегчается разделение трактов промежуточной и низкой частоты, что позволяет упростить фильтр на выходе детектора;

увеличивается надежность работы устройства автоматической подстройки частоты;

уменьшаются размеры контуров и блокировочных элементов.

5. С уменьшением промежуточной частоты:

- увеличивается избирательность по соседнему каналу;

уменьшается избирательность по зеркальному каналу;

сужается полоса пропускания;

увеличиваются входное и выходное сопротивления электронных приборов, что приводит к уменьшению шунтирования контуров, а также увеличивается крутизна характеристики транзисторов,

улучшается устойчивость УПЧ;

увеличивается коэффициент усиления на каскад;

понижается коэффициент шума.

Применение двукратного преобразования частоты позволяет использовать достоинства высокой и низкой промежуточных частот.

Частоты, рекомендуемые в качестве промежуточной, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Промежуточные частоты

3. Определение ширины полосы пропускания

Ширина полосы пропускания высокочастотного тракта супергетеродинного приемника определяется необходимой шириной полосы частот излучения передатчика корреспондента, а также нестабильностью частоты передатчика корреспондента и гетеродина приемника.

Необходимая ширина полосы частот излучения передатчика  зависит от вида передачи и модуляции и определяется следующим образом:

1. При двухполосной амплитудной модуляции (A3)

     (2)

где  - верхняя (максимальная) частота модуляции.

2. При однополосной амплитудной модуляции:

с подавлением одной боковой полосы (АЗН и АЗА)

4. Выбор типа транзисторов

Основные параметры транзисторов и их зависимость от частоты и режима

При расчете высокочастотных схем радиоприемных устройств наиболее удобной является система Y-параметров.

 - постоянная времени входа транзистора один из важнейших параметров, физически представляющий собой постоянную времени цепи, образованную распределенным сопротивлением базы , проводимостями  и , а также статическими емкостями переходов и диффузионной емкостью).

Параметр  может быть представлен выражением

      (3)

,    (4)

где  - граничная частота по крутизне S.

В формулах зависимым от частоты является только общий коэффициент , где  - рабочая частота. Поэтому зависимость параметров транзисторов от величины коэффициента  будет характеризовать их зависимость от частоты. Анализ графиков позволяет выделить три характерные области.

Первая область

В этой области  и параметры S, С_вх, С_вых от частоты практически не зависят, a  зависят очень слабо. При этом все параметры имеют самые наилучшие значения для их использования в высокочастотных трактах радиоприемных устройств.

Вторая область

В этой области и все параметры сильно зависят от частоты.

Третья область

В этой области и все параметры транзисторов также практически слабо зависят от частоты, однако они имеют наихудшие значения, и использование транзисторов для работы в этой области нежелательно.

Из приведенных рассуждений видно, что коэффициент , который можно назвать коэффициентом частотного использования транзистора, полностью характеризует зависимость параметров транзистора от частоты.

Исходя из заданного диапазона частот, необходимо для высокочастотного тракта проектируемого приемника выбирать транзисторы с таким значением , при котором для заданного диапазона частот . При отсутствии подходящих транзисторов допустима работа при , однако необходимо стремиться, чтобы на самой верхней частоте диапазона  было как можно меньше. Работа при  не имеет практического смысла. С пригодной для практических расчетов точностью частотные пределы применимости выбранных транзисторов можно определить по номограмме рис. 1, где по вертикальной оси отложена в логарифмическом масштабе постоянная времени  входа транзистора, а на горизонтальной оси - рабочая частота . Для всех значений  и , точка пересечения которых находится левее линии  (область /),. Для значении, точки пересечения которых находятся между линиями  и  (область // ),, а для значений, точки пересечения которых находятся правее линии  (область /// ),

Рис. 1. Номограмма для выбора транзисторов

Если точки пересечения линий постоянной времени входа транзистора  и его рабочей частоты  будут расположены в области /, то транзисторы на этих частотах имеют самые лучшие высокочастотные параметры, практически не зависимые от частоты и определяемые по упрощенным формулам. При этом проектирование и расчет значительно упрощаются.

Если точки пересечения будут расположены в области // , то высокочастотные параметры сильно зависят от частоты и могут быть определены по полным формулам.

Если точки пересечения расположены в области III, то выбранные транзисторы непригодны для их использования в приемниках на данной рабочей частоте.

Перевод параметров, приводимых в справочниках, в систему Y-параметров.

Наиболее удобной и употребительной для практических расчетов в области высоких частот является система Y-параметров. Однако в заводских паспортных данных на транзисторы и в большинстве справочников приводятся h-параметры транзисторов для схемы с общей базой, так как система h-параметров очень удобна для их экспериментального измерения. Поэтому возникает необходимость перевода h-параметров в систему Y-параметров.

Физический смысл величин в системе h-параметров:

h₁₁ - входное сопротивление транзистора;

h₁₂ - коэффициент обратной связи по напряжению;

h₂₁ - коэффициент усиления по току;

h₂₂ - выходная проводимость транзистора.

Кроме h-параметров, в справочниках приводятся еще следующие дополнительные данные:

С_к - емкость коллекторного перехода (база-коллектор);  - предельная частота усиления по току в схеме с общей базой или  - предельная частота усиления по току в схеме с общим эмиттером; - распределенное сопротивление базы на высокой частоте или - постоянная времени цепи обратной связи;  - модуль коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером на высокой частоте .

Вычисление высокочастотных параметров транзисторов.

Методику расчета высокочастотных параметров транзисторов на рабочих частотах можно рассмотреть на практических примерах.

Для транзисторов, работа которых предполагается только в области / (рис. 1), расчет производится по упрощенным формулам ), а для транзисторов, работающих в области // , - по полным формулам ().

Графики позволяют определить параметры транзистора для любых рабочих частот; при этом необходимо вычислять только коэффициент:

,     (5)

где  берется из таблицы Y-параметров транзисторов (табл. 2)

Таблица 2. Вычисленные параметры транзисторов

Таблица 3. Высокочастотные параметры транзисторов на рабочей частоте

5. Выбор числа поддиапазонов и их границ

Если при неизменной индуктивности контура не может быть обеспечено перекрытие всего диапазона приемника переменным конденсатором, а также для удобства и большей точности установки частоты и настройки приемника на станции диапазона коротких и ультракоротких волн, диапазон приемника делится на отдельные поддиапазоны. Предварительный выбор числа усилительных каскадов и избирательных контуров приемника необходимо производить на каждом поддиапазоне отдельно. Поэтому предварительный расчет приемника необходимо начинать с выбора числа необходимых поддиапазонов и определения их границ.

В радиовещательных приемниках разбивка на поддиапазоны производится согласно ГОСТ 5651-64. В соответствии с этим дополнительно на поддиапазоны разбивается только кв диапазон, а остальные проверяются на обеспечение выбранным блоком переменных конденсаторов заданного перекрытия частот. Диапазон кв радиовещательного приемника обычно делится на 2-3 поддиапазона или выделяется несколько растянутых поддиапазонов.

В профессиональных приемниках диапазон разбивается на поддиапазоны в зависимости от заданных технических условий, если необходимо:

­ обеспечить постоянство усиления внутри поддиапазона;

­ уменьшить габариты блока переменных конденсаторов;

­ обеспечить выполнение противоречивых требовании по избирательности и полосе пропускания;

­ уменьшить плотность настройки, чтобы увеличить точность градуировки и установки частоты.

Чем меньше будет принят коэффициент поддиапазона, тем лучше будут выполнены вышеперечисленные условия, но тем больше число поддиапазонов.

5.1 Разбивка рабочего диапазона на поддиапазоны

Если в технических требованиях на проектируемый приемник границы поддиапазонов и их количество не заданы и коэффициент перекрытия всего диапазона

     (6)

где и  - соответственно максимальная и минимальная частоты диапазона, превышает для кв 1,5-2,0, а для дв и св 2,0-2,5 или оказывается больше величины, указанной в технических требованиях, то необходимо произвести разбивку заданного диапазона на поддиапазоны.

Способы разбивки диапазона:

1. Разбивка с одинаковым коэффициентом перекрытия всех поддиапазонов:

    (7)

Применяется в радиовещательных приемниках и при использовании гармоник гетеродина (при большой протяженности диапазона). Применяется чаще других способов.

Преимущества: допускает использование гармоник гетеродина; простое конструктивное и схемное решение для сигнальных контуров, так как при этом переключаются только катушки и подстроенные конденсаторы.

Недостатки: различная плотность шкал поддиапазонов и различная точность установки частоты.

. Разбивка с одинаковым перекрытием по частоте (равной разности частот):

 (8)

Этот способ удобен при применении оптической шкалы и переменной первой промежуточной частоты. При этом частота первого гетеродина может быть стабилизирована кварцем. Его преимуществами являются: одинаковая плотность шкал всех поддиапазонов при одинаковой их длине; возможность применения некоммутируемого контура гетеродина. Недостаток - различные коэффициенты поддиапазонов, что приводит к усложнению схемы и конструкции.

.2 Порядок расчета при разбивке на поддиапазоны с равным коэффициентом перекрытия поддиапазонов

1. Задаются коэффициентом перекрытия поддиапазона, если он не задан по техническим требованиям:

для кв и укв обычно (1,5-2,0);

для дв и св обычно  (2,0-3,0).

Определяется коэффициент перекрытия диапазона  по формуле (6).

. Если >, то определяется необходимое число поддиапазонов

     (9)

Полученное число округляется до большего, целого, и принимается за число поддиапазонов.

Если , то разбивка на поддиапазоны не производится.

3.    Определяется коэффициент перекрытия каждого поддиапазона.

     (10)

4.    Разбивается диапазон приемника на поддиапазоны без перекрытия и определяются крайние частоты поддиапазонов:

 (11)

5. Для обеспечения перекрытия данных поддиапазонов при смене электронных приборов, изменении величины напряжений источников питания, изменении температуры и т.д. необходимо раздвинуть крайние частоты поддиапазонов на 13%.

Для рассчитываемого поддиапазона:

     (12)

6. Коэффициент перекрытия поддиапазонов с запасом:

      (13)

5.3 Выбор блока переменных конденсаторов

Блоки переменных конденсаторов рекомендуется выбирать стандартные, выпускаемые промышленностью. Только при отсутствии блоков, удовлетворяющих поставленным техническим требованиям, следует ориентироваться на выполняемые по специальному заказу.

Таблица 4. Емкости блока конденсаторов

Поэтому первоначально выбор блока переменных конденсаторов производится по справочникам радиодеталей, выпускаемых промышленностью. Для предварительной ориентировки при выборе блока переменных конденсаторов его крайние емкости следует брать в пределах, указанных в табл. 4. При этом рекомендуется за исходную брать минимальную частоту диапазона или самого низкочастотного поддиапазона.

5.4 Проверка перекрытия поддиапазонов

После выбор блока переменных конденсаторов необходимо проверить, сможет ли он обеспечить перекрытие всех поддиапазонов приемника. Проверку рекомендуется начинать с поддиапазона с наибольшим коэффициентом  (чаще это бывает самый длинноволновый поддиапазон).

. Определяется эквивалентная емкость схемы , при которой выбранный ранее блок переменных конденсаторов обеспечит перекрытие данного поддиапазона .

    (14)

Этот расчет повторяется на всех поддиапазонах. Если хотя бы на одном из них , то необходимо выбрать другой блок переменных конденсаторов с большим отношением  или увеличить число поддиапазонов (уменьшить коэффициент поддиапазонов).

. Если на всех поддиапазонах , то необходимо вычислить действительную емкость схемы:

,    (15)

где  - емкость монтажа (см. табл. 3);  - емкость, вносимая в контур электронным прибором на рабочей частоте;  - собственная емкость катушки контура, которую можно взять из табл. 5;

Таблица 5. Ориентировочные емкости монтажа и катушек

Емкость, вносимая электронным прибором в контур входной цепи:

     (16)

где - входная емкость электронного прибора первого каскада на рабочей частоте, т₂ - коэффициент включения входа электронного прибора в контур входной цепи.

Емкость, вносимая электронным прибором в контур каскада УРЧ:

    (17)

где  - выходная емкость электронного прибора каскада УРЧ; m₁ - коэффициент включения выходной цепи электронного прибора УРЧ в контур нагрузки;  - входная емкость электронного прибора следующего каскада; m₂ - коэффициент включения входа электронного прибора следующего каскада в контур УРЧ.

Формула (17) используется, если не предполагается применение каскада УРЧ, в противном случае надо пользоваться формулой (16). При этом необходимо учесть следующее:

а) в схемах на электронных лампах можно предварительно принять m₁= m₂=1 - 1; т.е. можно считать

б) в схемах на транзисторах обычно т₂ <<1, а т₁≈1 поэтому можно предварительно считать на минимальной частоте поддиапазона.

. Если  хотя бы на одном из поддиапазонов, то необходимо выбрать другой блок переменных конденсаторов с большим отношением .

Если на всех поддиапазонах, то блок конденсаторов выбран правильно и в контур каждого поддиапазона необходимо включить дополнительную емкость (рис. 2).

Рис. 2. Схема контура УРЧ

     (18)

Если при этом самая меньшая из емкостей (обычно для каждого поддиапазона получаются разные емкости) будет больше 2030 пф, то необходимо выбрать другой блок переменных конденсаторов с меньшим отношением .

. Определяется эквивалентная емкость контура для каждого поддиапазона

    (19)

Эта емкость применяется для дальнейших расчетов контура при полном электрическом расчете отдельных каскадов.

6. Определение типа и числа нагрузок тракта рабочей частоты

Распределение заданной величины избирательности

В приемниках супергетеродинного типа, профессиональных и радиовещательных, с однократным преобразованием частоты принимается следующее распределение по трактам приемника заданных величин избирательности:

­ избирательность по зеркальному каналу обеспечивается трактом радиочастоты;

­ избирательность по соседнему каналу обеспечивается трактом промежуточной частоты.

В диапазонах длинных и средних волн радиовещательных приемников избирательность по соседнему каналу частично обеспечивается и трактом радиочастоты, однако из-за наличия поддиапазонов коротких и ультракоротких волн при распределении заданной избирательности по соседнему каналу (она одинакова для всех поддиапазонов) этого не учитывают. Поэтому в диапазонах длинных и средних волн избирательность получается несколько выше, чем в коротковолновом.

В профессиональных супергетеродинных приемниках с двукратным преобразованием частоты производится следующее распределение заданных величин избирательности:

­ избирательность по первому зеркальному каналу обеспечивается трактом радиочастоты;

­ избирательность по второму зеркальному каналу обеспечивается трактом первой промежуточной частоты;

­ избирательность по соседнему каналу обеспечивается трактом второй промежуточной частоты.

Если избирательность по 2-му зеркальному каналу (на зеркальной частоте второго преобразователя) не задана, то ее можно принять равной избирательности по 1-му зеркальному каналу.

Кроме обеспечения избирательности по зеркальному каналу, радиочастотный тракт приемника должен обеспечивать:

­ избирательность на промежуточной частоте, т.е. ослабление помех станций, частоты которых совпадают с промежуточной;

­ ослабление помех станций, способных вызвать появление в преобразователе перекрестной модуляции и интерференционных свистов;

­ ослабление излучения колебаний гетеродина приемника;

­ необходимое соотношение сигнал/шум на входе первого электронного прибора приемника.

После определения числа и добротности контуров тракта радиочастоты обязательно проверяется полученная при этом избирательность на промежуточной частоте. Если она получается меньше заданной по ТУ, то необходимо в тракт радиочастоты ввести запирающий или пропускающий фильтр, настроенный на промежуточную частоту.

Таблица 6. Распределение ослаблений на краях полосы пропускания по трактам приемника

Распределение заданной неравномерности усиления в полосе пропускания

Для обеспечения необходимого минимума частотных искажений в области верхних звуковых частот каждому радиоприемному устройству в технических условиях задается наименьшее ослабление на краях полосы пропускания. Для радиовещательных приемников это ослабление задано ГОСТ 5651-65.

При проектировании заданная величина ослабления распределяется по отдельным трактам приемника. Практикой установлено, что наиболее приемлемым является распределение ослабления на краях полосы пропускания приемника по отдельным трактам, приведенное в табл. 6.

При приеме частотно-модулированных сигналов рекомендуется принимать ослабление на краях полосы пропускания высокочастотного тракта равным 6 дБ, т.е. на уровне 0,5. На высоких принимаемых частотах, когда радиочастотный тракт имеет широкую полосу пропускания, ослабление на краях его полосы можно принимать равным 0 дБ.

В радиовещательных приемниках наибольшее ослабление на краях полосы получается в диапазоне дв. Поэтому в высококачественных радиовещательных приемниках (высшего и первого классов) для уменьшения ослабления на краях полосы пропускания во входных цепях на дв и св применяют двухконтурные полосовые фильтры. При этом каскад усиления радиочастоты делают апериодическим, что дает возможность проектировать приемник со строенным блоком конденсаторов переменной емкости.

В низкочастотных трактах радиовещательных приемников ослабление на краях полосы (частотные искажения на верхних звуковых частотах) определяется при среднем положении регулятора низких и верхних звуковых частот, т.е. когда частотная характеристика приемника наиболее равномерная, и ослабление можно принять равным 23 дБ.

В приемниках с магнитной антенной, где для увеличения эффективной действующей высоты магнитной антенны и избирательности по зеркальному каналу эквивалентное качество контуров входной цепи может быть сделано достаточно высоким (порядка 100200), увеличивают ослабление тракта радиочастоты до 36 дБ, соответственно уменьшая ослабление в тракте УПЧ и УНЧ.

Определение эквивалентной добротности и числа контуров тракта радиочастоты

Определение эквивалентной добротности и числа контуров тракта радиочастоты производится по заданной избирательности по зеркальному каналу на максимальной частоте поддиапазона и по ослаблению на краях полосы пропускания приемника на минимальной частоте поддиапазона (наихудший случай).

Порядок расчета.

Задаются ориентировочным числом одиночных контуров входной цепи и каскадов УРЧ, которые настраиваются на частоту принимаемого сигнала и обеспечивают, главным образом, избирательность по зеркальному каналу  и на промежуточной частоте . Рекомендуется расчет начинать с числа одиночных контуров  (только входная цепь), но не более .

Определяется максимально допустимая добротность контуров , обеспечивающая заданное ослабление на краях полосы пропускания:

 (20)

где  - минимальная частота поддиапазона, кГц;  - ширина полосы пропускания, кГц;  - число одиночных избирательных контуров;

 - ослабление на краях полосы пропускания, принятое для радиочастотного тракта, раз.

. Необходимая добротность контуров , обеспечивающая за данную избирательность по зеркальному каналу:

а) при применении одноконтурного входного устройства с индуктивной связью с антенной и каскадов УРЧ с полным включением одиночных контуров

    (21)

б) при применении одноконтурной входной цепи с внешнеемкостной связью с антенной

     (22)

(плюс, - если частота гетеродина выше частоты сигнала; минус, - если частота гетеродина ниже частоты сигнала);  - максимальная частота поддиапазона, кГц;  - промежуточная частота, кГц; - избирательность по зеркальному каналу, раз;  - число одиночных избирательных контуров.

. Возможная эквивалентная конструктивная добротность контура с учетом шунтирующего действия входного (или выходного) сопротивления применяемого электронного прибора.

, (23)

где  - коэффициент шунтирования контура электронным прибором; - конструктивная добротность контура.

Ориентировочные значения величин  и  соответственно приведены в табл. 7 и 8. Рекомендуется задаваться меньшими значениями коэффициента  из приведенных в табл. 8. При необходимости можно брать большие значения , но не более максимального, так как это приведет к значительному снижению коэффициента усиления каскадов УРЧ или коэффициента передачи входной цепи, особенно транзисторных приемников.

Таблица 7. Конструктивные добротности контуров

Таблица 8. Коэффициенты шунтирования контура электронным прибором

В процессе проектирования могут быть получены различные варианты результатов расчета по пп. 2 и 3:

a) . В этом случае эквивалентную добротность контуров  необходимо принять равной или немного больше , но не больше  ();

б)  В этом., случае эквивалентную добротность контуров  необходимо принять равной или немного больше , но не больше ().

В вариантах а и б контуры с принятыми  обеспечат одновременно ладонные ослабление на краях полосы пропускания, б) меньше заданного  и избирательность по зеркальному каналу лучше заданной  При этом можно принять число контуров, равное

в)  В этом случае необходимо применить контуры с более высокой конструктивной добротностью  или задаться большей величиной коэффициента  (см. п. 4), чтобы обеспечить . Тогда при новой эквивалентной конструктивной добротности контуров  получаются варианты а или б, которые и надо применять при дальнейшем расчете;

г) если невозможно практически осуществить условие , то избирательность по зеркальному каналу (точка 5) получается меньше заданной

д)  В этом варианте при выполнении требований по ослаблению на краях полосы пропускания , избирательность по зеркальному каналу получается меньше заданной  При выполнении требований по избирательности () ослабление на краях полосы пропускания (точка 9) получается больше заданного .

В вариантах гид необходимо задаться большим числом контуров  (см. п. I) и повторить пп. 1-5 расчета или применить во входной цепи полосовой фильтр и вести расчет согласно п. 6.

Если при  или невозможно практически осуществить конструктивную эквивалентную добротность контуров , то необходимо повысить промежуточную частоту и повторить пп. 1-5 расчета или применить во входной цепи полосовой фильтр и вести расчет согласно п. 6.

. Для крайних точек поддиапазона и определяется:

I. При применении одиночных контуров

а) избирательность по соседнему каналу

     (24)

б) ослабление на краях полосы пропускания

     (25)

в) избирательность по зеркальному каналу:

- при применении входной цепи с индуктивной связью

    (26)

- при применении входной цепи с внешнеемкостной связью

    (27)

г) избирательность на промежуточной частоте в соответствии с условиями п. в:

    (28)

    (29)

II. При применении полосового фильтра  во входной цепи

а) избирательность полосового фильтра по соседнему каналу

     (30)

б) избирательность по соседнему каналу каскадов УРЧ

     (31)

в) избирательность по соседнему каналу тракта радиочастоты

    (32)

г) ослабление на краях полосы полосового фильтра

    (33)

д) ослабление на краях полосы каскадов УЧР

     (34)

е) ослабление на краях полосы тракта радиочастоты

    (35)

ж) избирательность по зеркальному каналу

     (36)

з) избирательность на промежуточной частоте

   (37)

Принятые в формулах обозначения:

    (38)

     (39)

     (40)

 - частота, на которой определяются избирательность и ослабление на краях полосы, кГц;  - эквивалентная добротность контуров на частоте ;  - эквивалентная добротность контуров на частоте ;  - частота, ближайшая к промежуточной, кГц;  - ширина полосы пропускания, кГц;  - промежуточная частота, кГц;  - число одиночных контуров;  - число каскадов УРЧ;  - расстройка, при которой задана избирательность по соседнему каналу, кГц.

Полученные результаты сравниваются с исходными данными, заданными по техническим условиям, и заносятся в итоговую таблицу.

. Входные цепи и каскады УРЧ профессиональных приемников с двойным преобразованием частоты и перестраиваемой первой промежуточной частотой, телевизионных приемников и трактов УКВ ЧМ радиовещательных приемников обычно выполняются на фиксированной частоте /о, соответствующей средней частоте полосы пропускания приемника. В этом случае проектирование осуществляется в соответствии с пп. 1-9, но при условии

7. Определение эквивалентной добротности контуров тракта промежуточной частоты

Определение эквивалентной добротности контуров производится по заданной избирательности по соседнему каналу и ослаблению на краях полосы пропускания тракта промежуточной частоты.

Рис. 3. Обобщенные резонансные кривые полосового фильтра

Рассматриваются четыре случая.

I. Применение усилителей с одиночными резонансными контурами, настроенными на одну частоту

1. Задаются ориентировочным числом одиночных контуров, обычно двумя (= 2), но не более четырех, так как трудно обеспечить достаточную устойчивость усиления.

. Необходимая добротность контуров, обеспечивающая заданное ослабление на краях полосы пропускания

     (41)

где  - промежуточная частота, кГц;  - ширина полосы пропускания, кГц;  - число одиночных избирательных контуров;  - ослабление на краях полосы пропускания, принятое для тракта промежуточной частоты, раз.

3. Необходимая добротность контуров, обеспечивающая заданную избирательность по соседнему каналу:

     (42)

где  - расстройка, при которой задана избирательность по соседнему каналу, кГц; - избирательность по соседнему каналу, раз.

4.  Далее расчет ведется по пп. 4, 5 а, б, в § 2.4 (стр. 77-80).

Если при  или невозможно выполнить условие , то необходимо применить усилители с полосовыми фильтрами или ФСС.

4.  Если условия п. 5 выполняются, то производится расчет по пп. 7-9

II. Применение полосовых усилителей промежуточной частоты

Так как аналитический метод расчета очень сложен и громоздок, применяется более простой и наглядный графический метод по обобщенным резонансным кривым.

На вертикальной оси отложено ослабление , а на горизонтальной - значения обобщенной расстройки

     (43)

где  - затухание каждого из контуров фильтра;  - расстройка;  - средняя частота полосы пропускания фильтра.

Кривые построены для различных значений , где - коэффициент связи контуров.

При значениях  резонансные кривые имеют одну вершину, при  - две вершины. Применение полосовых фильтров с двухвершинной резонансной кривой вызывает некоторые трудности при регулировке и настройке приемника. Поэтому целесообразно попытаться применить одновершинную резонансную кривую, соответствующую .

Порядок расчета.

. Расчет необходимо начинать, задаваясь числом двухконтурных полосовых фильтров , беря их на один больше числа каскадов усиления промежуточной частоты.

Рекомендуется начинать с , но не более  (из соображений устойчивости усилителя).

2. Избирательность, которую должен обеспечить каждый фильтр, равна

     (44)

где  - избирательность по соседнему каналу для всего приема.

Первоначально расчет ведется по кривой с .

На кривой  (рис. 3) отыскивается точка 1, лежащая на уровне  (вертикальная ось), и отсчитывается соответствующее этой точке значение .

Определяется необходимая добротность контуров фильтра, обеспечивающая избирательность :

     (45)

где  - расстройка, при которой задана избирательность;  - промежуточная частота.

4. Ослабление на краях полосы пропускания каждого фильтра

     (46)

где  - ослабление на краях полосы тракта УПЧ.

. На кривой  находят точку 2, лежащую на уровне , и соответствующее ей значение .

Определяется допустимая добротность, обеспечивающая ослабление на краях полосы фильтров:

     (47)

где  - ширина полосы пропускания приемника.

6. Возможная эквивалентная конструктивная добротность контура с учетом шунтирующего действия входного сопротивления применяемого электронного пробора

.

. При этом возможны следующие варианты, которые рассматриваются аналогично.

а) Если  или , то можно принять число фильтров, ранное , а эквивалентное качество контуров фильтра

б) если , то можно принять число фильтров, равна , и повторить расчет при . Причем рекомендуется брать значение , точка кривой, которой при  имеет величину

    (48)

Затем повторить расчет по пп. 2-7а настоящего раздела.

в) Если , то можно принять число фильтров, рав_А_ , , и повторить расчет по пп. 2 - 7а при , но не менее 0,5; причем рекомендуется брать значение , определяемое кривой, на которую попадет точка, являющаяся пересечением  и . Величину  находят по формуле:

     (49)

г) Если  и при расчете по п. 7в получается  (рис. 3, точка 7 слева вне кривых), то необходимо применить контуры с большей конструктивной добротностью  или задаться большей величиной коэффициента , чтобы выполнялось условие . Тогда можно принять числа фильтров, равное , а добротность контуров фильтра .

д) Если  и условие невозможно выполнить, а также если  (причем увеличение  дает положительных результатов), то необходимо задаться большим числом фильтров и повторить п. 2-7 расчета.

е) Если при  или невозможно выполнить условие , то необходимо:

- понизить промежуточную частоту;

применить фильтры сосредоточенной селекции;

применить двойное преобразование частоты.

8. По окончании выбора числа фильтров и добротности контуров необходимо при принятых значениях ,  и  определить:

а) избирательность по соседнему каналу

     (50)

б) ослабления на краях полосы пропускания

     (51)

где определяются графическим методом (рис. 4) по величинам  и , которые вычисляются по формулам:

     (53)

III. Применение фильтров сосредоточенной селекции

Обычно ФСС включаются в качестве нагрузки преобразователя частоты. При этом ФСС должен обеспечить всю избирательность приемного устройства по соседнему каналу, а необходимое усиление обеспечивается апериодическими или резонансными широкополосными каскадами усиления промежуточной частоты.

Применение ФСС в транзисторных приемниках позволяет выполнить каскады УПЧ без нейтрализации, что повышает их устойчивость, а также надежность и значительно упрощает производство.

В несложных радиовещательных и связных транзисторных приемниках применяются простые ФСС, трехзвенные и четырехзвенные. В транзисторных приемниках в качестве сопротивлений, включаемых на входе и выходе фильтра, целесообразно использовать входные и выходные сопротивления транзисторов, выбирая соответствующие коэффициенты включения.

Многозвенные ФСС целесообразно применять только в том случае, если можно обеспечить высокую конструктивную добротность их контуров (порядка 100300). Поэтому конструктивную добротность контуров необходимо брать, как можно больше.

Аналитический метод расчета сложный и громоздкий, поэтому широко применяется простой графический метод.

Расчет ведется с помощью семейства обобщенных резонансных кривых одного звена ФСС (рис. 4, где по горизонтальной оси отложены значения относительной расстройки , а по вертикальной - ослабление  на одно звено ФСС в децибелах.

Рис. 4. Обобщенные кривые полосовых ФСС

Порядок расчета

Задаются числом фильтров сосредоточенной селекции (ФСС). Рекомендуется начинать со значения , но не более .

Определяются ослабление на краях полосы пропускания  и избирательность по соседнему каналу , которые должен обеспечить один ФСС:

     (53)

     (54)

Задаются величиной относительной расстройки  на границе полосы пропускания. При  и  можно принять . В остальных случаях рекомендуется принимать расчетную полосу шире заданной на 1020%, т. Е. тогда берется расчетная величина коэффициента

1. Определяется ширина расчетной полосы пропускания ФСС

     (55)

где  - ширина полосы пропускания приемника.

1. Определяется необходимая добротность контуров ФСС

     (56)

где  - промежуточная частота;  - расчетная полоса ФСС.

Если , то при заданных исходных условиях можно применить ФСС, т.е. продолжать расчет.

Если , то использование многозвенных ФСС при заданных , и  нецелесообразно. В этом случае для применения ФСС необходимо увеличить .

Если сделать  конструктивно невозможно, то определяют необходимую расчетную полосу ФСС при максимальном :

    (57)

и расчет продолжается при полученном .

Если при этом получится , то применение ФСС при данной  нецелесообразно. Для применения ФСС необходимо при проектировании выбрать меньшую промежуточную частоту.

6. Определяется величина относительной расстройки:

а) на краях полосы пропускания УПЧ

     (58)

где  - полоса пропускания УПЧ.

б) для соседнего канала

     (59)

где  - расстройка, при которой задана избирательность по соседнему каналу.

7. Определяется величина обобщенного затухания

     (60)

Для дальнейших расчетов по графикам рис. 4, принимается кривая со значением , равным или меньшим полученным по формуле (60).

По кривой (рис. 4) при значении , принятом в п. 7, и по определенным в п. 6  и  определяются ослабление на краях полосы пропускания  и избирательность по соседнему каналу , обеспечиваемые одним звеном ФСС.

8.  Определяется число звеньев одного ФСС, необходимое для обеспечения избирательности по соседнему каналу на один фильтр:

     (61)

полученное значение округляем до большего, целого, числа.

Если , то необходимо увеличить качество контуров или число фильтров и повторить пп. 2-9 расчета.

Если , то целесообразно перейти на двухконтурные полосовые фильтры или одиночные контуры.

Если , то расчет можно продолжить.

8.  Определяется число звеньев одного ФСС, обеспечивающее заданное ослабление на краях полосы пропускания на один фильтр:

     (62)

Если  (округленного до большего, целого, числа), то расчет произведен правильно и можно принять число звеньев одного ФСС и число ФСС .

Если , то необходимо увеличить .

Если , то необходимо: задаться меньшей величиной , или увеличить конструктивную добротность Q_K контуров, или выбрать меньшую промежуточную частоту и повторить расчет при новых данных.

. Определяются ослабление на краях полосы пропускания УПЧ

     (63)

и избирательность по соседнему каналу    

     (64)

Для дальнейших расчетов принимается число фильтров  с числом звеньев и значением , полученным в п. 7.

радиоприемный высокочастотный транзистор

8. Определение числа каскадов высокочастотного тракта

Выбор типа детектора и его электронного прибора

При выборе типа детектора следует учитывать род работы, вид модуляции, преимущества и недостатки различных схем, а также необходимое минимальное напряжение на его входе для работы с минимальными искажениями.

В табл. 9. приведены величины минимального входного напряжения и коэффициента передачи напряжения некоторых типов детекторов. Сеточный и анодный ламповые детекторы применяются только в специальной аппаратуре. Наиболее широкое применение находят ламповые и полупроводниковые диодные детекторы.

Применяются схемы как последовательного, так и параллельного детектирования. Однако схема последовательного детектирования имеет большее распространение, так как его входное сопротивление выше, чем у параллельного. Параллельный детектор применяется обычно в тех случаях, когда постоянная составляющая тока детектора не может проходить через контур.

Таблица 9. Параметры детекторов

В современных профессиональных и радиовещательных приемниках все больше применяются детекторы на полупроводниковых диодах. Особенностью полупроводниковых диодных детекторов, в отличие от ламповых, является наличие обратного тока при обратных (запирающих) напряжениях, т.е. заметная обратная проводимость. Так как диодный характер обычно работает при малых углах отсечки, то он большую часть времени закрыт и величина обратного тока существенно влияет на его параметры, особенно на его входное сопротивление. Для последовательного диодного детектора его входное сопротивление

 (65)

где  - сопротивление нагрузки детектора;  - обратное сопротивление диода.

В детекторах на полупроводниковых диодах может применяться как линейный, так и квадратичный режимы детектирования.

При использовании полупроводниковых детекторов в транзисторных приемниках необходимо учитывать низкое входное сопротивление транзисторных УНЧ, что требует для уменьшения нелинейных искажений применять в детекторе малое сопротивление нагрузки.

В линейном режиме ламповый и полупроводниковый детекторы мяло отличаются друг от друга и применяются в основном в ламповых и транзисторных профессиональных, а также радиовещательных приемниках высшего, первого и второго классов.

В квадратичном режиме ламповый и полупроводниковый детекторы работают при малых напряжениях входного сигнала, причем коэффициент передачи полупроводникового детектора зависит от величины входного напряжения. Амплитуда напряжения на выходе детектора

     (66)

где  - амплитуда напряжения на входе детектора;  - коэффициент передачи детектора;  - коэффициент модуляции.

Квадратичный полупроводниковый детектор в основном применяется в переносных и карманных транзисторных приемниках.

Детектор на транзисторах пока редко применяется. Его входное сопротивление не зависит от сопротивления нагрузки. Коэффициент передачи может быть получен значительно больше единицы. Однако схема требует применения специальных мер стабилизации режима, так как изменение температуры окружающей среды влияет на величину коэффициента передачи.

Электронные лампы и транзисторы, предназначенные для детектирования, выбираются так же, как для усилительных каскадов. Полупроводниковые диоды для детектора необходимо выбирать с наибольшим отношением , величины которых можно найти в справочниках.

Определение требуемого усиления до детектора

Определение требуемого усиления до детектора производится на каждом поддиапазоне отдельно, если они должны иметь разную чувствительность. При приеме на наружную антенну в диапазонах длинных, средних, коротких и ультракоротких волн чувствительность обычно задается минимальной величиной эдс () модулированного сигнала, подаваемого на вход приемника через эквивалент антенны и обеспечивающего на выходе приемника нормальную выходную мощность при точной настройке приемника на частоту сигнала.

Требуемое усиление рассчитывается по формуле

     (67)

где  - амплитуда напряжения на входе детектора, в;  - заданная чувствительность, мкв (эффективная).

Требуемое усиление необходимо увеличить с целью обеспечения запаса по усилению:

­ на разброс параметров электронных приборов;

­ неточность сопряжения контуров;

­ неточность измерения чувствительности;

­ производственный запас.

Обычно требуемое усиление с запасом  принимают:

на дв, св и кв K_т’ = (1,4 ÷ 2,0) K_т (68)

на укв и свч K_т’ = (2,5 ÷ 3,5) K_т

При приеме на магнитную антенну чувствительность задается напряженностью электрического поля  в точке приема, обеспечивающей на выходе приемника нормальную выходную мощность.

Амплитуда напряжения на входе первого каскада приемника

    (69)

где Е - заданная напряженность поля в точке приема, ;  - действующая высота магнитной антенны, ;  - эквивалентная добротность контура входной цепи;  - коэффициент включения входа электронного прибора в контур входной цепи.

На дв и cв действующую высоту  магнитной антенны можно принять равной 0,31,5 см. Конструктивная добротность катушки контура магнитной антенны может быть равна 200300. Для электронных ламп в диапазонах дв, cв и кв можно принимать . Для транзисторов и электронных ламп в диапазонах укв и cвч коэффициент включения в контур магнитной антенны определяется по формуле

   (70)

где  - коэффициент шунтирования контура электронным прибором на ;  - входное сопротивление электронного прибора на частоте , ком;  - минимальная эквивалентная емкость контура магнитной антенны, пф;  - максимальная частота поддиапазона, МГц;  - эквивалентная добротность контура магнитной антенны на  (входной цепи);  - конструктивная добротность контура магнитной антенны.

Затем требуемое усиление до детектора определяется так же, как при приеме на наружную антенну, только в ф-лу (70) вместо  подставляется найденная по ф-ле (69) величина амплитуды напряжения  на входе первого каскада приемника.

Определение числа и типа усилительных каскадов до детектора

1. Для определения числа усилительных каскадов до детектора необходимо предварительно задаться реальным коэффициентом передачи входной цепи , ориентировочные величины которого приведены в табл. 10. Коэффициент передачи входной цепи с магнитной антенной учитывается при определении требуемого усиления до детектора.

. Коэффициент передачи входной цепи с учетом коэффициента включения в контур  электронного прибора

    (71)

Таблица 10. Коэффициент передачи входной цепи

Коэффициент передачи входного устройства (при согласовании с фидером)

     (72)

где  - входное сопротивление электронного прибора на рабочей частоте;  - волновое сопротивление фидера.

Для схем с электронными лампами в диапазоне дв, св и кв можно принимать коэффициент включения .

. Коэффициент усиления усилителей радиочастоты и промежуточной частоты на электронных лампах, а также на транзисторах без применения нейтрализации (при правильном их выборе) в основном ограничивается устойчивостью работы усилителя. Величина сопротивления нагрузки усилителей радиовещательных приемников и трактов второй промежуточной частоты профессиональных выбирается исходя из необходимости получения максимально возможного устойчивого усиления.

В связи с этим при определении необходимого числа каскадов УРЧ и УПЧ будем считать, что при их полном электрическом расчете обеспечивается получение усиления, близкого к максимально устойчивому.

Учитывая эти соображения, можно в большинстве случаев считать при предварительном расчете усиление каскадов УРЧ и УПЧ равным максимально устойчивому коэффициенту усиления усилителя, который принимают для усилителей на электронных лампах,

     (73)

для усилителей на транзисторах без применения нейтрализации

     (74)

где  - крутизна характеристики электронной лампы или транзистора на рабочей частоте при выбранном режиме, ма/в;  - рабочая частота, МГц; ;  - межэлектродная емкость сетка - анод, пф;  - емкость коллектор - база, пф;  - емкость ламповой панельки, пф.

для ламповых преобразователей частоты, учитывая, что в качестве нагрузки у них будут применены фильтры, однотипные с примененными в УПЧ, можно принимать усиление

    (75)

- для транзисторных преобразователей частоты без применения нейтрализации можно принимать за максимальное усиление

     (76)

где  - максимальный устойчивый коэффициент усиления УПЧ на рабочей частоте;  - крутизна лампы преобразователя, ;  - крутизна лампы УПЧ, ;  - рабочая частота сигнала на входе преобразователя частоты, МГц; - емкость база-коллектор на частоте сигнала, пф; - крутизна транзистора на частоте сигнала, .

. При проектировании супергетеродинных приемников с однократным преобразованием частоты принимается:

число каскадов УРЧ - ;

число каскадов УПЧ - ;

где  - числа контуров (фильтров) трактов радиочастоты и промежуточной частоты соответственно.

Вычисляется общий предполагаемый коэффициент усиления приемника:

а) при приеме на наружную антенну

   (77)

б) при приеме на магнитную антенну

    (78)

так как необходимый коэффициент усиления рассчитывается по отношению амплитуды на входе детектора к напряжению на входе первого каскада, непосредственно поступающего от магнитной антенны, являющейся первым контуром приемника.

Общий предполагаемый коэффициент усиления приемника при приеме на наружную антенну

   (79)

. Если то расчет произведен правильно и принимается блок-схема приемника с числом каскадов:

Если , то необходимо:

­ применить более дешевые электронные приборы;

­ уменьшить число каскадов УРЧ или УПЧ, применив в одном из оставшихся фильтр сосредоточенной селекции;

­ увеличить промежуточную частоту.

Если  хотя бы в одном поддиапазоне, то необходимо:

применить электронные приборы с лучшими параметрами, допускающими больший максимальный устойчивый коэффициент усиления на каскад;

- добавить апериодические или широкополосные каскады УРЧ или УПЧ;

- уменьшить промежуточную частоту;

увеличить числа каскадов УРЧ и УПЧ, применив более простые избирательные системы.

Если при числе узкополосных каскадов  или , , то целесообразно применить двукратное преобразование частоты.

9. Предварительный расчет АРУ

В предварительном расчете системы АРУ производится ее выбор и определяется количество регулируемых каскадов высокой и промежуточной частот. Путем анализа положительных и отрицательных сторон различных схем АРУ выбирается наиболее приемлемая для заданных технических условий.

В настоящее время наибольшее распространение получили схемы АРУ, в которых регулировка усиления осуществляется путем изменения смещения в электронных лампах с переменной крутизной либо путем изменения тока эмиттера в транзисторах.

Рассмотрим методику определения необходимого числа регулируемых каскадов.

Исходными данными для расчета АРУ являются:

­ изменение входного напряжения ,

­ изменение выходного напряжения .

Величина  характеризует изменение эдс несущей частоты в антенне, величина  определяет допустимое изменение выходного напряжения при изменении эдс в антенне в  раз. Обычно величина  лежит в пределах , а величину  выбирают в пределах .

Порядок расчета

. Для транзисторных приемников практически можно принимать

     (80)

2. Определяется требуемое изменение коэффициента усиления приемника под действием АРУ

     (81)

В случае применения в регулируемых каскадах электронных ламп различных типов, а также в различных режимах изменение коэффициента усиления приемника под действием АРУ

   (82)

. Считая, что все управляемые каскады идентичны, определяется необходимое число регулируемых каскадов

     (83)

Полученное выражение округляется до большей, целой, величины и принимается необходимое число регулируемых каскадом Обычно в качестве регулируемых каскадов в ламповых приемниках используются усилители промежуточной и высокой частот, а в ламповых радиовещательных приемниках - также преобразователи частоты. В транзисторных приемниках одновременно с изменением усиления регулируемого каскада меняется его входная и выходная проводимость, поэтому целесообразно в качестве регулируемых каскадов использовать реостатные или трансформаторные широкополосные УПЧ или УРЧ.

Не рекомендуется в качестве регулируемых каскадов в транзисторных приемниках использовать преобразователи частоты и последние каскады УПЧ, так как это может привести к большим нелинейным искажениям.

10. Предварительный расчет источника питания

Основной задачей предварительного расчета источников питания является определение величин питающих напряжений; ориентировочной мощности источников питания и их типа.

При выборе типа источников питания для переносных и карманных приемников необходимо руководствоваться следующими соображениями.

1.  Обеспечение необходимого напряжения.

2.  Обеспечение номинальной силы тока, которая определяется по формуле

      (84)

1.  Обеспечение заданного времени непрерывной работы без зарядки, причем необходимая емкость определяется по формуле

     (85)

где  - сила тока, потребляемая приемником, ;  - время непрерывной работы без перезаряда, ч.

Библиографический список

1. Екимов, В.Д. Проектирование радиоприемных устройств: учеб. пособия / В.Д. Екимов. - М.: Связь, 1970. - 80 с.

. Шуцкой, К.В. Проектирование транзисторных радиоприемных устройств: учеб. пособия / К.В. Шуцкой. - М.: МЭИ, 1974. - 88 с.

. Боршелев, В.Д. Основы проектирования радиоприемников: учеб. пособия / В.Д. Боршелев. - М.: Советское радио, 1977. - 72 с.

. Радиотехнические схемы на транзисторах: Справ. / под ред. Р.А. Валитов. - М.: Связь. 1966. - 120 с.

. Василькевич, И.Г. Расчет гетеродинов транзисторных приемников: учеб. пособия / И.Г. Василькевич. - М.: Советское радио, 1974. - 82 с.

. Транзисторы. Параметры, методы измерений и испытаний: справ. / под ред. А.В. Голомедов. - М.: Советское радио, 1978. - 500 с.

. Мамонкин, И.П. Усилительные устройства: учеб. пособия / И.П. Мамонкин. - М.: Советское радио, 1977. - 76 с.

. Полупроводниковые приборы: транзисторы: справ. / под ред. Н.Н. Горюнов. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 901 с.