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

Рекомендації по розподілу ЧС на один контур приведені в таблиці 2.

Таблиця 2

Розподіливши ЧС по трактам приймача маємо таблицю 3.

Таблиця 3

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.