МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА (РОСАВИАЦИЯ) ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ» (ФГБОУ ВО СПбГУ ГА) Красноярский филиал Факультет технической эксплуатации транспортного радиоэлектронного оборудования КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Тема: «Принципиальная схема приемного тракта с выбором каскадов и расчетом технических параметров» Специальность 11.02.06 «Техническая эксплуатация транспортного радиоэлектронного оборудования(воздушный транспорт)» Руководитель: ____________ (Мащенских Н.Н.) Разработал студент Группы Р-23: _____________ (Буйнов Н.Н.) Красноярск 2022 Задание на курсовой проект Вариант №3 1. Изобразить входную цепь на основе двухконтурного фильтра, причем антенна имеет емкостную связь с первым контуром, а второй имеет трансформаторную связь с первым и частично подключен к УРЧ. 2. Рассчитать длину волны полезного сигнала с (м) по известной резонансной Lк (мкГн) частоте приемника ƒ0 = 1,5Мгц; величину индуктивности колебательного контура УРЧ по известной величине емкости С к = 180 пФ ; полосу пропускания исходного контура П0 по известной его добротности Q 0 = 80 и полосу пропускания нагруженного контура Пн.к , если известно шунтирующее сопротивление усилительного каскада R ш = 1,7Ком. 3. Изобразить принципиальную схему УРЧ на n-p-n транзисторе по схеме с общим эмиттером и последовательным питанием нагрузки. 4. Изобразить принципиальную схему преобразователя частоты на полевом транзисторе с отдельным гетеродином. 5. По заданному значению частоты сигнала ƒ0 = 1,5МГц и промежуточной частоте ƒпр = 0,35МГц определить частоту гетеродина (ƒг > ƒ0 ), частоту зеркального канала и частоты двух дополнительных каналов приема. Изобразить расстановку приемных каналов на частотной оси. 6. Изобразить принципиальную схему УПЧ на пентоде с двухконтурным фильтром и последовательным питанием. 7. Изобразить принципиальную схему амплитудного детектора на полупроводниках диода с последовательно подключенной нагрузкой и формированием положительного выходного напряжения. 8. Определить технические параметры всего тракта – коэффициент шума и чувствительность приемника. 2 Содержание Задание на курсовой проект ................................................................................... 2 Введение ................................................................................................................... 4 1 Входная цепь......................................................................................................... 6 1.1 Расчеты основных технических параметров ............................................... 8 2 Усилитель радиочастоты (УРЧ) ......................................................................... 9 3 Преобразователь частоты .................................................................................. 11 3.1 Расчеты частот .............................................................................................. 12 4 Усилитель промежуточной частоты (УПЧ) .................................................... 14 5 Детектор .............................................................................................................. 16 3 Введение Радио – способ передачи сигналов на расстояние посредством излучения электромагнитных волн. Радиопередача – Формирование и излучение радиочастотного сигнала. Радиоприем – прием звуковых сигналов по радио. Радиоприемные устройства предназначены для приема радиосигналов и их преобразования к виду, позволяющему использовать содержащуюся в них информацию. Применяются для радиосвязи, звукового и телевизионного вещания, радионавигации, радиолокации, телеуправления и т.д. Назначение радиоприемного устройства (РПрУ) – обеспечить воспроизведение передаваемого сообщения при воздействии на него радиоволн, поступающих от радиопередающего устройства. Радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника и оконечного устройства, предназначенного для воспроизведения сигналов. Основные функции радиоприемного устройства: Воспроизведение принятого сигнала, улавливание радиоволн и преобразование энергии электромагнитного поля в энергию электрических колебаний, включающее фильтрацию от помех, усиление и детектирование. Разновидности приемников: Детекторные Цифровые радиоприёмники Прямого усиления Сверхрегенеративные Супергетеродинные приемники, обладающие существенными преимуществами перед другими приемниками и широко применяемые на всех диапазонах частот. 4 Классификация РПрУ: Тип схемы Вид принимаемых сигналов Назначение приемника Диапазон частот Вид активных элементов, используемых в приемнике Тип конструкции приемника Самое высокое качество радиоприёма получают в супергетеродинном радиоприёмнике. В соответствии с видом модуляции принимаемых сигналов детектор РПрУ может быть амплитудного, частотного, фазового или другого типа. Важным достоинством супергетеродинного радиоприемника (СРПр) является постоянство fпр по диапазону. Благодаря этому все контуры, входящие в состав УПЧ, имеют фиксированную настройку и просты по конструкции, что позволяет применить в УПЧ большое число каскадов с резонансными контурами. Это облегчает получение большого усиления большой избирательности, и электрические показатели приемника в целом становятся более постоянными в пределах всего диапазона принимаемых частот. 5 1 Входная цепь Входной цепью называется часть схемы радиоприемника, связывающая антенну со входом первого каскада приемника. Входная цепь должна наиболее полно передавать энергию сигнала из антенны в первый каскад приемника и осуществлять предварительную фильтрацию сигнала от помех. Входные цепи предназначены: Для осуществления предварительной частотной избирательности Предварительной частотной селекции по соседнему каналу приема Получение минимального коэф.шума (за счет большого коэф.передачи) Классификация: 1. По виду резонансной системы: На одиночных колебательных контурах На двух и более К.К На элементах с полураспределенными параметрами На элементах с распределенными параметрами 2. По виду связи с контурной антенной: С непосредственной связью С индуктивной связью С емкостной связью Колебательная связь С автотрансформаторной связью 6 Рисунок 1 – Входная цепь на основе двухконтурного фильтра, причем антенна имеет емкостную связь с первым контуром, а второй имеет трансформаторную связь с первым и частично подключен к УРЧ. Данная входная цепь состоит из следующих элементов: C1 – предназначена для соединение антенны и колебательного контура Две индуктивности, где L2 частично подключена к выходу С2;L1;C3;L2 – для выделение полезного сигнала Плюсы: Простота Минимум Кш Минусы: Сильное изменение Kп Влияние антенны на частоту контура Технические параметры входной цепи: Коэффициент передачи по мощности Диапазон рабочих частот – Fmin – Fmax Коэффициент прямоугольности Полоса пропускания Частотная избирательность: по зеркальному каналу; по приему соседнего канала. 7 1.1 Расчеты основных технических параметров Рассчитать длину волны с полезного сигнала по известной резонансной частоте приемника ƒ0; величину индуктивности Lк (мкГн) входного колебательного контура по известной величине емкости Ск; полосу пропускания исходного контура П0 (МГц) по известной его добротности Q0 и полосу пропускания Пн.к. (МГц), если известно шунтирующее сопротивление последующего каскада Rш: По ƒ0= 1,5 МГц и Q0= 80 найдём П0: П0 = 𝑓0 𝑄0 𝑓0 1,5 ∗ 106 П0 = = = 18,15 кГц; 𝑄 800 Найдем величину индуктивности к.к по формуле выведенной из формулы Томпсона: 𝐿к = 𝐿к = 1 2 4𝜋 2 ∙ 𝑓0 ∙ 𝐶к = 1 4𝜋 2 ∙ 𝑓02 ∙ С 1 = 62,6 (мкГн) 4 ∗ 3,142 ∙ (15 ∗ 106 )2 ∙ 180 ∙ 10−12 Найдем полосу пропускания нагруженного контура: Пн.к. = П0 + Пн.к. = П0 + 1 2𝜋 ∙ 𝑅ш ∙ С𝑘 1 1 = 18,75 ∙ 103 + 2𝜋 ∙ 𝑅ш ∙ С𝑘 2 ∙ 3,14 ∙ 1,7 ∙ 103 ∙ 180 ∙ 10−12 = 520,4 ∗ 103 + 18,57 ∗ 103 = 539,15 кГц Определим длину волны по скорости света C=3*108: λC = 𝐶 𝑓0 𝐶 3 ∙ 108 λC = = = 200 м. 𝑓0 15 ∙ 106 8 2 Усилитель радиочастоты УРЧ – это Усилитель электрических сигналов между входной цепью радиоприемника и первым смесителем. Функции УРЧ: усиление модулированных колебаний (радиосигналов) до преобразователя частоты. Предварительное усиление сигнала на несущей частоте обеспечение частотной селективности Основная избирательность по зеркальному каналу Классификация: 1. По типу усилительного элемента: Четырёхполюсник (VT, VL, ЛБВ) Двухполюсник (параметрич., туннельный диоды) 2. По способу включение усилительного элемента: ОК; ОБ; ОИ ОС; ОБ; ОЗ Каскодное 3. По способу подключение нагрузки: Параллельное Последовательное Технические параметры: Резонанс частоты Коэф. шума Коэф. передачи Коэф. прямоугольности Полоса пропускания Избирательность 9 Рисунок 2 – УРЧ на n-p-n транзисторе по схеме с общим эмиттером и последовательным питанием нагрузки Назначение элементов схемы: R1; R2 – выбор рабочей точки С2 – разделительный конденсатор R3; C3 – регулирует температуру С1 – обеспечивает фильтрацию на корпус L1 и С4 нагрузка в виде к.к Протекание токов: -Eк→ R4→ VT→ R3→ корпус -Eк→ R4→ R1→ R2→ корпус 10 3 Преобразователь частоты ПрЧ – это устройство, которое осуществляет процесс линейного переноса спектра радиосигнала из одной области радиочастотного диапазона в другой с сохранением параметров модуляции. Состав: Смеситель: смешивает два сигнала (на основе нелинейных элементов создает комбинацию частот fc и fг) Гетеродин: создает непрерывные гармонические колебания (Гармонические колебания – это колебания одной частоты) Фильтр ПЧ: выделяет одну из комбинационных частот Рисунок 3 – Преобразователь частоты на полевом транзисторе с отдельным гетеродином 1. Назначение элементов схемы: R1, R2 – выбор рабочей точки С1 –не пропускать постоянную составляющую на контур 2. Протекание токов: Переменный ток: +E→R4→VT→C2→L→корпус Постоянный: +E→R4→VT→R3→L→корпус 11 Классификация ПЧ: 1. По типу нелинейного элемента: Лампы Транзисторы Диоды 2. По способу создания напряжения гетеродина: Смеситель с отдельным гетеродином Смеситель с совмещенным гетеродином 3. По способу подключения сигнала и гетеродина: Смеситель односеточные (подается сигнал и гетеродин) Смеситель двухсеточный (разные входу гетеродина и сигнала) 4. Диодные: По построению (простые 1 диод, балансные 2 диода, кольцевые балансные 4 диода) По конструкции (волноводные, коаксиальные, микрополосковые) 3.1 Расчеты частот По заданному значению частоты сигнала ƒ0 = 1.5МГц и промежуточной частоте ƒпр = 0,35МГц определить частоту гетеродина (ƒг > ƒ0 ), частоту зеркального канала и частоты двух дополнительных каналов приема. Изобразить расстановку приемных каналов на частотной оси. Дано: 𝑓г > 𝑓0 𝑓𝑐 = 1.5МГц 𝑓пр = 0.35МГц Найти: 𝑓з ; 𝑓г ; 𝑓д1 ; 𝑓д2 =? 12 Решение: 𝑓г = 𝑓𝑐 + 𝑓пр 𝑓г = 1.5 + 0.35 = 1.85МГц 𝑓з = 𝑓г + 𝑓пр 𝑓з = 1.85 + 0.35 = 2.2МГц 2𝑓г = 3.7МГц 𝑓д1 = 3.35МГц 𝑓д2 = 4.05МГц fпр fс fг fз f д1 2fг fд2 0,35 1,5 1,85 2,2 3,35 3,7 4,05 13 f, МГц 4 Усилитель промежуточной частоты УПЧ в схеме приемника находится после ПрЧ. Назначение: Обеспечивает основное усиление сигнала Формирует требуемую полосу пропускания Обеспечивает высокую избирательность по соседнему каналу (ос- новное подавление сигнала по соседнему каналу производится в УПЧ) Классификация: 1. По элементарной базе: На транзисторах с ОЭ Лампы с ОК и на пентодах 2. По ширине полосы пропускания: Узкополосные Широкополосные 3. По методу формирования АЧХ: С одноконтурным фильтром С одинаково настроенными каскадами На парах взаимно расстроенных каскадов На тройке взаимно расстроенных каскадов С двухконтурными фильтрами УПЧ с ФСС 14 Рисунок 4 – УПЧ на пентоде с двухконтурным фильтром и последовательным питанием Назначение элементов схемы: Сф; Rф фильтрация по ист. Питания Rк; Cк термостабилизатор VL пентод Rc1;Rc2 рабочая точка Протекание токов: Постоянный ток: +Ea→Rф→Lk1→VL→Rк→корпус Переменный ток: Со См→сетка лампы→Cк1→Lк1→Lk2→Д корпус→Cк→коллектор VL→Cк1→Lк1→Lk2→Д 15 5 Детектор Детектором называют устройство, служащее для преобразования модулированных высокочастотных колебаний, в результате которого выделяются составляющие низкой частоты. Классификация: 1. По типу нелинейного элемента: VL VT VD 2. По виду модуляции: Амплитудный детектор Частотный детектор Фазовый детектор VD VD C1 Rн Uвх C1 Uвх Rн Рисунок 5 – Амплитудный детектор на полупроводниковом диоде с последовательно подключенной нагрузкой и формированием положительного выходного напряжения Заряд С1: +→VD→C1→корпус Разряд: +→+С1→+Rн→-Rн→-С1 При разрядке конденсатора C1 выходное напряжение относительно корпуса положительное, значит на выходе формируется положительное выходное напряжение. 16 6 Усилитель звуковой частоты УЗЧ предусмотрен для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный диапазон которых лежит в пределах от 10 Гц до 10 КГц. Современные УЗЧ выполняются на полевых транзисторах. Назначение УЗЧ в состоит в получении на заданном сопротивлении оконечного нагрузочного устройства требуемой мощности усиливаемого сигнала. УЗЧ на электронных лампах в настоящее время используются в качестве инструментальных усилителей и в качестве звуковоспроизводящих усилителей. В основном занимают большую долю рынка профессиональной и полупрофессиональной гитарной усилительной аппаратуры. В основном трансформаторная схема согласования применяется в ламповых усилителях. Обусловлено это необходимостью согласования большого выходного сопротивления лампы с малым сопротивлением нагрузки. R5 + Eк C3 R6 R1 L1 C4 L2 C5 VL2 C1 VL1 R4 R3 R2 R7 C6 C2 Рисунок 6 – УЗЧ на ламповом триоде и тетроде (с трансформаторным выходом) 17 Назначение элементов схемы: С2, R2 – Цепочка автосмещения VL1 С6, R7 – Цепочка автосмещения VL2 С3, R5,R6,C5 – Фильтрующие элементы L1, L2 – трансформаторная связь с нагрузкой С1, С5, C4 – Разделительные емкости VL1– Триод VL2– Тетрод Протекание токов: Постоянный ток: +Еа→R5→R1→VL1→R2→ -Ea (корпус) +Еа→L1→VL2→R7→ -Ea (корпус) Переменный ток: Анод VL1→ C4 → корпус → C2→ катод VL1→ анод VL1 Анод VL2→ L1 → C3 → корпус → C6→ катод VL2→ анод VL2 18 6.1 Расчеты коэффициента шума и чувствительности приемника Рассчитаем коэффициент шума приемника по известным величинам: Крвх.ц = 0,5; Крурч = 4; Кшурч = 7; Кшсм = 20 по формуле (1) Кш = Кшвх.ц + Кшурч −1 Крвх.ц + Кшсм −1 Крвх.ц ∗Крурч (1) Зная значение Крвх.ц = 0,5, можно рассчитать Кшвх.ц по формуле (2) Кшвх.ц = 1 Крвх.ц Кшвх.ц = Кш = 2 + (2) 1 =2 0,5 7 − 1 20 − 1 + = 23,5 0,5 0,5 ∗ 4 Коэффициент шума слишком большой (обычно в приемниках РЛС коэффициент шума равен 4...8). Чтобы коэффициент шума был малым необходимо чтобы первые каскады обладали большим коэффициентом передачи (входная цепь имеет Крвх.ц. = 0,5, что значительно уменьшает Кру последующих каскадов) и низкий уровень собственных шумов (КШУРЧ и Кш см имеют большой уровень собственных шумов) Рассчитаем чувствительность радиоприемника по формуле (3): Рприем = K * 𝑇0 * Ппр (Kш+ γ – 1) (3) Постоянную Больцмана берем К=1,38*10−23 , температуру 𝑇0 = 300о К, Ппр берем из справочника 20 кГц, а относительную шумовую температуру антенны γ будем считать за 1. Рприем.𝑚𝑖𝑛 = K * 𝑇0 * Ппр (Kш+ γ – 1) = 1,38 * 10-23 * 300 * 150 *103 *23,5 = = 1,45 * 10-14 Вт. Из расчета выяснилось, что чувствительность зависит в основном от общего Кш , который увеличивает чувствительность с ростом уровня шума всего устройства. Рассчитаем напряжение радиоприемника по формуле (4): P= UI = 𝑈2 𝑅 U=√𝑃𝑅 (4) U=√𝑃𝑅=√1,45 ∗ 10−14 ∗ 45 ≈1,04 * 10-6 В 19 7 Структурная схема супергетеродинного приемника ВХ. Ц УРЧ СМ. ГЕТ. УПЧ Д УЗЧ ОУ ПРЧ Основная задача приемника сохранить структуру сигнала. Вх.ц и УРЧ – обеспечивают селекцию сигнала и подавление зеркального канала. С зеркальным каналом мы боремся до смесителя. Смеситель и гетеродин – устройство обеспечивающее понижение частоты до промежуточной. УПЧ – для усиления сигнала на промежуточной частоте и обеспеч. Селекцию сигнала по соседнему каналу. Д – преобразовывает радиосигнал низкой частоты (звуковой) Достоинства: Высокая чувствительность 10-3…10-20 Вт Высокая избирательность – обеспечивается линейным трактом в любом приемнике. В нашем до детектора. Высокая устойчивость и большой коэф. Усиления Надежное сохранение параметров при перестройки Недостатки: Возникают доп.каналы приема. 20 8 Принципиальная схема супергетеродинного приемника 1 VD я C1 Rн Гет 21 Заключение В соответствии с заданием на курсовое проектирование составлена принципиальная схема приемного тракта. Приемник собран на транзисторах n-p-n структуры. В схему супергетеродинного приемника с однократным преобразованием частоты входит: входная цепь на основе двухконтурного фильтра, причем антенна имеет емкостную связь с первым контуром, а второй имеет трансформаторную связь с первым и частично подключен к УРЧ, УРЧ на n-p-n транзисторе с общим эмиттером и последовательным питанием, ПрЧ на полевом транзисторе с отдельным гетеродином, УПЧ на пентоде с двухконтурным фильтром и последовательным питанием, амплитудный детектор на полупроводниковом диоде с последовательно подключенной нагрузкой и формированием положительного выходного напряжения, УЗЧ на ламповом триоде и тетроде. Рассчитаны основные технические параметры как отдельных элементов, так и приемного тракта в целом. Численные значения обобщающих параметров – полосы пропускания приемника, общего коэффициента усиления УПЧ, коэффициента шума, предельной и реальной чувствительности приемника. Полученные результаты соответствуют типовым значениям супергетеродинных приемников, что подтверждает справедливость проведенных расчетов и правильность выполненного курсового проекта. 22 Список литературы 1. Попов А. С. Радиотехника, 1958. 2. Барканов В. Ф. Радиоприемное устройство: учеб. Для техникумов В. Ф. Барканов, В. К. Жданов.– М.: Сов. Радио, 1978. 3. Головин О. В. Радиоприемное устройство: учеб. Для техникумов О. В. Головин. – М.: Высшая школа, 1997. 4. Буга Н. Н. Радиоприемное устройство / Н. Н. Буга, Н. И. Чистяков; Под ред. Н. И. Чистяков. – М.: Радио и связь, 1986. 5. Сиверса А. П. Проектирование радиоприемных устройств. Учебное пособие для вузов / А. П. Сиверс. – М.: Сов. Радио, 1976. 6. Прагер Э. Цифровая техника в связи / Э. Прагер, Б. Шимек, В. П. Дмитриев. – М.: Радио и связь, 1981. 23
