Розрахунок приймача АМ-сигналів на інтегральних мікросхемах
Укрзалізниця
Київський електромеханічний технікум залізничного транспорту ім. М. Островського
Курсова робота з теми:
РОЗРАХУНОК ПРИЙМАЧА АМ-СИГНАЛІВ НА ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМАХ
Вступ
Радіоприймач - електронний пристрій призначений для прийому, обробки та відображення в зрозумілому для людини вигляді інформації, яка передається електромагнітними хвилями. Приймач являється найбільш розповсюдженим радіо технічним пристроєм, значення якого в економічному, соціальному і культурному житті людини неможливо переоцінити. Радіозв'язок неможливий без радіоприймача, з винайденням якого і розпочалася ера радіо.
Початком розвитку сучасної радіоприймальної техніки прийнято вважати 7 травня 1895р. коли на засіданні російського фізико-хімічного товариства в Петербурзі А.С. Попов продемонстрував перший в світі приймач електромагнітних хвиль. Приймач Попова був створений для знаходження і реєстрації електричних коливань (використовувався для попередження про бурі). Вже в той час він містив всі елементи, які присутні в сучасному радіоприймальному пристрої, включаючи антену (вертикально розміщений дріт), детектор (когерер) і кінцевий пристрій (реле і дзвінок).
12 березня 1896р. на засіданні фізичного відділу Російського фізико-хімічного товариства Попов показав передачу сигналів на відстані (250м). Тоді була відправлена перша радіограма з двох слів «Генріх Герц».
В 1897р. А.С. Поповим був здійснений запис на телеграфну стрічку сигналів, прийнятих по радіо. Робота по підвищенню чутливості приймача дали можливість збільшити дальність дії радіозв'язку, а відповідно, розширити її використання. Спочатку радіоприймальні пристрої використовувалися для зв'язку між кораблями.
Дальність зв'язку складала 11км.
В 1898р. прилад створений Поповим врятував життя 27 рибалкам, яких віднесло на крижині. Дальність зв'язку склала 44 км.
В 1901р. А.С. Попов в своїх дослідах на Чорному морі добився зв'язку на відстані 148 км.
В період 1902-1908рр. були проведені роботи по удосконаленню окремих елементів приймача: детектора, коливального контуру з змінним конденсатором.
Ламповий період в техніці радіо приймача розпочався з 1906р. коли з'явилися вакуумні лампи. Швидкий розвиток радіоприймальної техніки розпочався після Жовтневої соціальної революції. В 1918 р. була створена науково-дослідна база радіотехніки в Нижегородській радіолабораторії, науковим керівником якої був М.А. Бонч-Бруєвич.
В 1922 р. працівники Нижегородської радіолабораторії вперше здійснили підсилення і генерування електричних коливань з допомогою кристалічних напівпровідників. В 40-х роках були розроблені нові типи електронних приладів для приймачів НВЧ при вдосконаленні напівпровідникових діодів були створені транзистори. Важливі переваги транзисторів - малі габарити розміри і мале споживання потужності - забезпечило їх широке використання в радіотехніці. З появою інтегральних мікросхем (ІМС) і мікропроцесорів вдалось реалізувати ефективні методи обробітку сигналів в приймачах.
Сучасні радіоприймальні пристрої відрізняються один від одного призначенням, видом приймаючих сигналів, параметрами та ін. По призначенню радіоприймальні пристрої можна поділити на професійні і радіотрансляційні.
Радіоприймальні пристрої можна класифікувати по наступним ознакам:
- по місцю встановлення приймачів - стаціонарні, переносні, автомобільні та ін.;
- по діапазону приймальних хвиль приймачі: міліметрових, кілометрових, гектометрових, декаметрових, метрових, дециметрових, сантиметрових, міліметрових і оптичних хвиль;
- по виду модуляції прийнятих сигналів для прийому сигналів, модульованих по амплітуді (АМ), частоті (ЧМ),або фазі (ФМ), а також імпульсних сигналів;
- по довжині ліній радіозв'язку - магістральні для постійної експлуатації на довгих лініях радіозв'язку між: великими містами; обласні для зв'язку між: обласними центрами; низовий зв'язок для зв'язку в середині районів, підприємств та ін.;
- по методу живлення - від мережі змінного струму, бортової мережі, від акумуляторів та ін.;
- по роду роботи телефонні, телеграфні, фототелеграфні та ін.;
- по методу побудови трактів приймачі прямого підсилення і супергетеродинні.
1. Вибір та обгрунтування супергетеродинного прийому і вибір проміжної частоти
Призначення радіо трактів в приймачі - забезпечує підсилення сигналу і його фільтрацію від шумів. Для підсолення сигналу використовують підсилювачі, для фільтрації - частотно селективні ланцюги. Підсилення сигналу в раді тракті може забезпечуватися на радіочастоті без її перетворення, або з радіо трактом, в якому здійснюється підсилення на радіочастоті, називається приймачем прямого підсилення, приймач з перетворенням частоти в радіотракті супергетеродинним.
Приймач прямого підсилення дозволяє здійснити прийом сигналів з різними видами модуляції і забезпечує фільтрацію корисного сигналу від шумів. При настройці приймача прямого підсилення на частоту сигналу перестроюють всі селективні ланцюги його радіотракту. До недоліків приймача прямого підсилення можна віднести:
- складність схеми настройки радіоприймального пристрою при зміні сигналів в заданому діапазоні частот;
- суттєва зміна основних показників радіо тракту при його перестройці;
- складність отримання стабільного підсилення сигналу в радіотракті.
Діапазонний приймач прямого підсилення з високими якісними показниками - це складний, а відповідно дорогий пристій.
Хоч як би ми ускладнювали схеми приймачів прямого
підсилення, все ж вони не можуть забезпечити належної вибірковості і чутливості. Якщо, наприклад, взяти понад 2-3 резонансні контури у ПВЧ, то приймач буде важко настроїти, він працюватиме нестабільно і буде здатний до самозбудження. Якщо ж додавати каскади ПНЧ, то вибірковість не поліпшиться, збільшиться тільки загальне підсилення сигналів. Як правило в приймачах встановлюють не більше як три каскади ПНЧ. Цей недолік було усунено у супергетеродинному приймачі, в якому основне підсилення сигналу і вибірковість проводяться на одній фіксованій, так званій проміжній частоті.
Щоб добути проміжну частоту, прийнятий сигнал змішують з коливаннями ВЧ від генератора (гетеродина) в змішувачі. В наслідок змішування двох напруг двох частот (прийнятого сигналу і гетеродина) виникає нова напруга, частота якої дорівнює різниці частот змішуваних сигналів. Якщо частоту гетеродина змішувати пропорційно частоті зміні вихідного сигналу під час перестроювання з однієї станції на іншу, то різниця частот залишається сталою. Стала (проміжна) частота залишається модульованою, і після детектування створюється можливість відновити сигнал НЧ. Сигнал від радіостанції так само, як і в приймачі прямого підсилення, надходять з антени на вхідні кола, а потім у ПВЧ. Виділений вхідними колами і підсилений в ПВЧ він потрапляє на перетворювач. Одночасно на перетворювач подається напруга з частотою гетеродина. В наслідок зміщування двох частот виділяється напруга ПЧ, яка підсилюється в каскаді ППЧ. Після каскаду ППЧ встановлено зазвичай, як і в приймачах прямого підсилення, детектор і ПНЧ.
Переваги супергетеродинного приймача в порівнянні з приймачем прямого підсилення заклечається в тому, що:
- суттєво спрощується його система настройки, оскільки перестроюються тільки селективні ланцюги вхідного кола, УРЧ і гетеродина;
- в супергетеродинному приймачі можна забезпечити значно кращу фільтрацію сигналу від шумів. Результуюча АЧХ радіотракту приймача визначається в основному АЧХ селективних ланцюгів тракту проміжної частоти. Цей тракт не перестроюється, тому в ньому можна використовувати складні резонансні ланцюги з АЧХ, дуже близьким до ідеальних;
- при перестройці приймача основні показники радоітракту практично не змінюються, так як вони в основному визначаються показниками тракту проміжної частоти, настроєного на постійну частоту;
- в супергетеродинному приймачі простіше забезпечити велике підсилення.
В одних випадках проміжну частоту потрібно вибирати більш високою, а в інших - більш низькою.
Вибір більш низької частот забезпечує:
- більше підсилення на один каскад УПЧ;
- більшу вибірковість по сусідньому каналу;
- необхідну смугу пропускання при конструктивному забезпечені добротностей контурів;
- менший вплив підсилювальних приладів на стійкість роботи приймача.
Вибір більш високої проміжної частоти забезпечує:
- кращу вибірковість по сусідньому каналу;
- краще і більш просте розділення несучої частоти і частоти модуляції модуляції в детекторі;
- більш високу стабільність гетеродина за рахунок меншого впливу параметрів сигнального контуру на параметри гетеродинного контуру.
Проміжну частоту вибирають із наступних міркувань:
- повинна вибиратися поза діапазоном приймаючих частот і знаходитись як можна далі від його меж. Це підвищує вибірковість по дзеркальному каналі;
- повинна знаходитися як можна далі від частоти потужної близько розміщеної радіостанції. Проміжна частота встановлюється ГОСТом:
- для радіооповіщення і трансляційних приймачів - 465 кГц, 10,7 МГц;
- для телевізійних приймачів: канал зображення - 38 МГц; для звукового каналу - 31,5МГц;
- для зв'язаних приймачів - стандартні проміжні частоти 85, 128, 205, 465, 500, 915, 1222кГц; 12,8; 10,7; 25; 37,8; 42,8МГц.
Для свого приймача я обираю проміжну частоту рівну 465 кГц.
2. Попередній розрахунок
2.1 Розподіл частотних спотворень по трактах приймача
Дані курсового проекту зведені в таблицю 1.
Таблиця 1
|
Діапазон |
Чутливість |
Вибірковість |
Вибірковість |
Вибірковість |
Полоса |
Часто- |
Вихідна |
|
частот |
по сусід- |
по дзер- |
на краях |
відтво- |
тні спот- |
потуж- |
|
|
приймаємого |
ньому |
кальному |
тракта |
рюваних |
ворення |
ність |
|
|
сигналу |
каналу |
каналу |
радіоча- |
НЧ |
|
тракту |
|
|
|
|
|
|
стоти |
|
|
НЧ |
|
МГц |
мкВ |
дБ |
дБ |
дБ |
Гц |
бД |
Вт |
|
6÷7,5 |
70 |
44 |
20 |
8 |
150÷3000 |
8 |
0,8 |
Рекомендації по розподілу ЧС на один контур приведені в таблиці 2.
Таблиця 2
|
ДХ |
СХ |
КХ |
|
1,5÷4 дБ |
0,5÷1,5 дБ |
0,2÷0,5 дБ |
Розподіливши ЧС по трактам приймача маємо таблицю 3.
Таблиця 3
|
Тракт |
Тракт |
Детектор |
Попередній |
Кінцевий |
|
РЧ |
НЧ |
|
ПНЧ |
ПНЧ |
|
дБ |
дБ |
дБ |
дБ |
дБ |
|
4 |
1 |
0,5 |
1 |
1 |
2.2 Визначення еквівалентної добротності і кількості контурів тракту радіочастоти
Розрахунок еквівалентної добротності та числа коливальних контурів тракту радіочастоти проводимо по заданій вибірковості по дзеркальному каналу δ>дзк> на максимальній частоті діапазону і по частотних спотвореннях, для даного тракту на мінімальній частоті - найгірший випадок. Орієнтовне число контурів n>c>=1.
(3.1)
(3.2)
n>c> - кількість контурів.
(3.3)
Необхідна добротність контурів забезпечує задане послаблення на краях полоси пропускання.
(3.4)
Необхідна добротність контурів, забезпечує задану вибірковість по дзеркальному каналу.
(3.5)
(3.6)
(3.7)
Для УКХ діапазону ψ=0,5÷0,9
(3.8)
Обираємо:
(3.9)
(3.10)
(3.11)
(3.12)
(3.13)
Так як Q>emin><Q>п>, 54<504 тоді розрахунок здійснено вірно і остаточно приймаємо n>c>=1 Q>emax>=45 і Q>emin>=51.
При використанні одиночних контурів для крайніх точок діапазону f>max> i f>min> визначимо наступні параметри:
(3.14)
(3.15)
(3.16)
(3.17)
приймач тракт частота схема
Ослаблення на краях полоси пропускання δ>П>
(3.18)
(3.19)
(3.20)
(3.21)
Повинна виконуватися умова δ>Пmax> < δ>Пmin> < δ>П> , 7 < 7,09< 8– умова виконується.
Визначимо дзеркальні частоти
(3.22)
(3.23)
Розраховуємо вибірковість по дзеркальному каналу
(3.24)
(3.25)
Порівняємо розраховане значення вибірковості по дзеркальному каналу з заданою величиною, повинна виконуватися слідуюча умова: δ>дзкmin> >δ>дзкmax> >δ>дзк>. 15,03>11.8>10 , умова виконується, отже, розрахунки виконані вірно.
2.3 Вибір коливальних систем тракту проміжної частоти. Визначення їх еквівалентної добротності
Розрахунок ведеться по заданій вибірковості по сусідньому каналу δ>ск >і послабленню на краях полоси пропускання тракту радіо частоти δ>п>.
Необхідно враховувати, що в транзисторних приймачах, а також в приймачах на ІМС в якості навантаження перетворювача використовується фільтр зосередженої селекції ФЗС. Вибірковість по сусідньому каналу δ>ск> зосереджують в одному багатоканальному фільтрі, так, як контури сильно шунтуються малим вхідним опором транзисторів чи ІМС.
Потрібного підсилення досягають за рахунок використання каскадів аперіодичних підсилювачів проміжної частоти або каскадів з одиночними контурами.
Приймемо число контурів П>пр>=1.
Визначимо вибірковість по сусідньому каналу і частотні спотворення для першого ФЗС:
(3.26)
(3.27)
Задаємо величину відносної розстрочки α>п> на межі полоси пропускання.
Приймемо α>п>=0,8÷0,9
(3.28)
Необхідна добротність контурів ФЗС:
(3.29)
По винна виконуватися умова Q>К>≥Q>Н>, так як це конструктивно неможливо, то визначаємо необхідну розрахункову полосу ФЗС при максимальному Q>К>:
(3.30)
Визначаємо величину відносної розстройки:
а) на краях полоси пропускання ППЧ:
(3.31)
б) для сусіднього каналу:
(3.32)
Визначаємо величину узагальненого затухання:
(3.33)
По кривій для прийнятого β і по визначених α>п >і α>с> визначаємо послаблення на краях смуги пропускання δ>П1> і вибірковості по сусідньому каналу δ>СК1>, які забезпечуються першим контуром ФЗС.
δ>П1>=0,5 дБ
δ>СК1>=23,3 дБ
Визначаємо кількість контурів фільтра зосередженої селекції, необхідних для забезпечення вибірковості по сусідньому каналу на один фільтр:
(3.34)
Так, як кількість контурів може бути лише цілим числом, округливши до більшого маємо n>и>=2.
Визначимо кількість контурів фільтра, що забезпечують задане послаблення на краях полоси пропускання на один фільтр:
(3.35)
Так, як n>п>≥n>и> (округленого), то розрахунок вірний, і можна прийняти n>ф>= n>и>= 2 при β=0,7.
Визначимо послаблення на краях полоси пропускання:
(3.36)
Визначаємо вибірковість по сусідньому каналу:
(3.37)
.
Це значення є більшим за δ>ск>
по завданню.
2.4 Порівняння величини частотних спотворень з заданою величиною
Необхідно переконатися що:
(3.38)
0,05+6,5+0,6+0,7≤8. Оскільки умова виконується, отже розрахунки виконані вірно.
2.5 Розрахунок підсилення. Вибір підсилювальних каскадів. Вибір електричних приладів
Визначення кількості каскадів ВЧ тракта і тракта проміжної частоти. Для цього потрібно спочатку вибрати схнму детектора і режим детектування. В радіоприймальних приладах основною системою детектування, яка зараз використовується, є послідовна, через те, що вона має великий вхідний опір.
Існує два режими детектування: лінійний і квадратичний.
Для свого курсового проекту я обираю квадратичний вид детектування, який використовується в більшій кількості сучасний приймачів третього і четвертого класів. Для квадратичного режиму детектування:
U>д.вх.>=0,1÷0,6В і К>д>=0,6÷0,8
Потрібний коефіцієнт підсилення визначаємо за формулою (з розрахунком запасу 30÷50%):
(3.39)
К>Т>= 2119
2.6 Вибір та обґрунтування детектора і детекторного приладу
Амплітудний детектор перетворює амплітудно модульовані високочастотні коливання в низько частотні. При цьому спектр низькочастотних коливань повинен відповідати спектру сигналу, що передається.
До амплітудних детекторів встановлюються наступні вимоги, які повинні забезпечити такі якісні показники сигналу при передачі:
- найбільш можливий коефіцієнт передачі;
- найбільший вхідний опір;
- мінімальна амплітуда напруги високої частоти на виході детектора;
- якнайменше частотних і нелінійних спотворень.
Керуючись розрахунками, а також поставленим завданням, я обираю послідовний амплітудний діодний детектор. Цей детектор широко використовується в багатьох сучасних радіоприймачах СХ діапазону. Сам детектор виконаний на мікросхемі К174ХА10, яка була мною, обрана для побудови приймача.
3. Електричний розрахунок каскаду
3.1 Розрахунок амплітудного детектора
Вихідну напругу детектора визначаю з формули:
U>д.вих>=К>д> Ħ т Ħ U>д.вх> (4.1)
U>д.вх>=0,1÷0,6 (В)
К>д>=0,6÷0,8
т-коефіцієнт глибини модуляції
т=0,6
U>д.вих>=0,7 Ħ 0,6 Ħ 0,5 = 0,21 (В)
Далі для розрахунку НЧ тракту потрібно знати амплітуду струму бази (першого каскаду мікросхеми):
(4.2)
де R>Н>=2 Ħ К>д> Ħ R> вхд> (4.3)
R> вхд> =25 (кОм)
R>Н>=2 Ħ 0,7 Ħ 4 = 5,6 (кОм)
4. Опис роботи схеми
Високочастотний сигнал з антени потрапляе у вхідне коло, де за допомогою варикапу з електронною підстройкою, який безпосередньо зв’язанийз варикапом у контурі гетеродина, обирається необхідна частота. Електронна підстройка здійснюється за допомогою зміни опору потенціометра R3, який змінює величину напруги, яка подається на варикап.
З вхідного кола сигнал поступає на ніжки 6 і 7 мікросхеми К174ХА10. Підсилюється в підсилювачі високої частоти. Далі зигнал потрапляє в змішувач, куди одночасно з ним поступає сигнал з гетеродина. З змішувача (ніжка 4) сигнал проміжної частоти, через фільтр зосередженої селекції, який складається з двох контурів, сигнал поступає на вхід підсилювача проміжної частоти.
Підсилювач проміжної частоти виконаний на тій же мікросхемі, його входом є ніжки 1 та 2, з його виходу (ніжки 15 і 16) підсилений сигнал потрапляє в демодулятор (входом якого є ніжка 14). На цьому етапі вводиться автоматичне регулювання підсилення та автоматична підстройка частоти.
Автоматичне регулювання підсилення здійснюється безпосередньо в мікросхемі, яка має в своему складі блок АРП, недоліком якого є відсутність можливості зовнішнього впливу на нього користувачем.
Автоматична підстройка частоти. Сигнал на вхід системи АПЧ потрапляє з виходу підсилювача проміжної частоти. Схема автоматичної підстройки частоти складається з амплітудного обмежувача, який виконано на транзисторі VT1 та діоді VD8; та частотного детектора виконаного на діоді VD9. Зв’язок між амплітудним обмежувачем та частотним детектором автотрансформаторний, що покращує узгодження опорів, та чутливість автопідстройки. Сигнал з виходу схеми автоматичної підстройки частоти потрапляє на потенціометр R3, збільшуючи, або зменшуючи спад напруги на ньому і відповідно на варикапах коливальних контурів вхідного кола і контуру гетеродина.
З виходу демодулятора (ніжка 8) низькочастотний сигнал через ємність С3 потрапляє на вхід підсилювача низької частоти.
Входом підсилювача низької частоти є ніжки 11 і 12. Оскільки вихідний сигнал має потужність 0,4Вт, що є недостатнім за завданням на курсовий проект. В схему додатково включений потужний підсилюючий каскад, який забраний на мікросхемі К174УН4Б.
На вхід потужного підсилювача сигнал потрапляє з ніжок 9 і 10 ПНЧ мікросхеми К174ХА10. Зв’язок між каскадами ємнісний (через С4). Входом потужного підсилюючого каскаду є ніжки 1 та 4. З виходу каскаду (ніжки 6 і 8) сигнал потужністю 0,8Вт, через ємність С13 та потенціометр R11 поступає на гучномовець. Потенціометр R11 виконує роль регулятора гучності. Каскад додатково охоплений негативним зворотним зв’язком через резистор R9, сигнал з якого поступає на ніжку 2.
Напруга живлення мікросхеми К174ХА10 складає 4,5В, а
К174УН4Б - 9В. Для живлення приймача мною розроблено блок живлення з випрямлячем та стабілізатором напруги. Напруга з мережі ģ220В через трансформатор напруги TV1 потрапляє на діодний міст виконаний на діодах VD3-VD6, він перетворює змінну напругу в постійну. За допомогу стабілізатора VD7 напруга стабілізується і через резистори дільники R3 і R4 живить мікросхеми.
Для забезпечення автономної роботи приймача, а також для зменшення його габаритних розмірів та вартості, можна зробити живлення від батареї типу «Крона».
Висновок
В курсовому проекті, мною був виконаний розрахунок приймача супергетеродинного типу з амплітудною модуляцією.
Відповідно до розрахунків була складена принципова схема. За допомогою якої з довідника були обрані інтегральні мікросхеми, та складена принципова схема приймача.
Розрахований в курсовому проекті радіоприймач відповідає сучасному рівню розвитку електроніки, виконаний на інтегральних мікросхемах, має електронну настройку частоти, включає в себе системи автоматичного регулювання підсилення та підстройки частоти.
Перелік посилань
1. И.В. Новаченко «Микросхемы для бытовой радиоапаратуры» Москва «Радио и связь», 1989 г.
2. Д.И. Атаев «Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиопаратуры» Москва «МЭЧ», 1991 г.
3. С.В. Якубовский «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы» Москва «Радио и связь», 1989 г.