Устройства приема и обработки сигналов
Разработка радиовещательного приемника
Студент: Минаев Дмитрий
Группа: 4097/2
Преподаватель: Шипицын А.А.
Техническое задание(вариант №03)
Назначение радиовещательный
Диапазон принимаемых частот , МГц 0.15 — 0.4
Чувствительность, мкВ 150
Ослабление, дБ (зеркального/соседнего) 46/46
Ослабление помехи на промежуточной частоте, дБ 34
Выходная мощность, Вт 0,35
Полоса пропускания приемника, кГц 8,5
Эффективность АРУ (изменение входного/выходного сигнала) 40/12
Задачей курсовой работы является разработка радиовещательного приёмника диапазона 0.15-0.4 МГц, удовлетворяющего требованиям технического задания.
Анализ технического задания и разработка структурной схемы приемника
На заре радиовещания первые радиоприемники были детекторного типа. Сигнал с антенны поступал непосредственно на детектор и далее на наушники. Следующим этапом стало применение усилительных каскадов в цепях высокой частоты. Такие приемники называются приемниками прямого усиления. Приемники, состоящие из последовательно включенных усилителей ВЧ, неудобны по нескольким причинам. Во-первых, отдельные каскады должны быть настроены на одну и ту же частоту, что требует очень точного согласования группы одновременно перестраиваемых LC контуров. Во-вторых, поскольку общая частотная избирательность определяется характеристиками всех усилителей в совокупности, форма полосы пропускания будет зависеть от точности настройки каждого каскада; отдельные каскады не могут иметь столь узкополосную характеристику, как хотелось бы, так как настройка в этом случае была бы практически невозможна. И поскольку принимаемый сигнал может быть любой частоты в пределах принимаемого диапазона, нельзя использовать пьезофильтры для получения нужной формы АЧХ каскадов. Пьезофильтр — это полосовой фильтр на основе одного или нескольких пьезокерамических кристаллов, пропускающий узкую полосу частот (от нескольких сотен Герц и выше) и имеющий крутые спады на границах частоты. Лучшее решение этих проблем дает применение супергетеродинного приема. Структурная схема приемника приведена на рисунке 1.
— Основной принцип супергетеродинного приема — преобразование принимаемого сигнала в сигнал фиксированной частоты, называемой промежуточной (ПЧ) и в дальнейшем ее детектировании, т.е. преобразование высокочастотного сигнала в низкочастотный, в том числе и звуковой сигнал. Смысл такого преобразования заключается в том, что на одной частоте просто получить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) требуемой формы. Промежуточная частота может быть выше и ниже частоты принимаемого сигнала. Более высокая ПЧ применяется в радиоприемниках длинноволнового диапазона и в специальных измерительных приемниках. Для УКВ диапазона промежуточная частота принята 10,7 МГц, а для диапазонов ДВ, СВ и КВ 455 (или 465) кГц. Необходимая АЧХ формируется либо многоконтурным фильтром сосредоточенной селекции (ФСС), либо пьезокерамическим фильтром.
Разработка систем передачи информации нового поколения
... элементную базу, основанную на новых материалах и современных технологиях. Разработка систем передачи информации нового поколения, прежде всего, ... основные компоненты ВОЛС содержащей DWDM. 2. Изучить основные методы мультиплексирования оптических сигналов. 3. Моделировать ВОЛС на ... пользователей и операторов сетей связи в широком диапазоне скоростей. Наиболее широкое применение в перспективных ВОЛС ...
Принцип преобразования приведен на рисунке 2. Где:
- fГ — частота дополнительного генератора — гетеродина;
- f1 — частота принимаемого канала;
- f2 — частота соседнего канала;
- f3 — частота зеркального канала;
- fПЧ — частота настройки каскадов промежуточной частоты.
Сигнал с антенны попадает в высокочастотный тракт, включающий преселектор (входной полосовой фильтр и усилитель высокой частоты), а также гетеродин со смесителем. УВЧ не только усиливает сигнал, но и фильтрует его в заданной полосе. Усиленный ВЧ-сигнал поступает в смеситель. После смесителя сигнал (с точностью до амплитуды) имеет вид cos2п( f н +f г )t +cos2п(f н-f г )t , что соответствует модулированным сигналам на несущих f н +f г и |f н —f г |. Разностную составляющую — промежуточную частоту (ПЧ) f пч =|f н —f г | — выделяют полосовым фильтром и в дальнейшем работают именно с ней.
Сигнал ПЧ фильтруется и усиливается, после чего сигнал попадет на частотный детектор — ЧМ-демодулятор. После демодуляции низкочастотный сигнал усиливается в усилителе звуковой частоты и далее поступает на устройства воспроизведения.
Профессиональные радиоприёмные устройства часто выполняются по супергетеродинной схеме с двукратным преобразованием частоты. Это позволяет: увеличить избирательность по зеркальному каналу, увеличить избирательность по соседнему каналу благодаря применению низкой второй промежуточной частоты, получить устойчивое усиление. Но при этом значительно усложняется схема и конструкция приёмника и появляются дополнительные побочные каналы приёма.
Рис. 2.
Недостатками двойного преобразования частоты являются: а) наличие дополнительных побочных каналов приёма; б) значительное усложнение схемы и конструкции приёмника.
Так как целью работы является проектирование радиовещательного приемника, то будем использовать однократное преобразование частоты.
Рассмотрим основные характеристики радиоприёмника, описанные в техническом задании.
1)Чувствительность — мера способности РПУ принимать слабый сигнал и воспроизводить сообщение с приемлемым качеством. Количественно она определяется минимальным уровнем нормально-модулированного сигнала и значением напряженности поля в антенне для достижения заданной верности воспроизведения при точной настройке РПУ.
Программное обеспечение управления автоматизированным комплексом ...
... выполнять отладку разрабатываемого прикладного программного обеспечения на нём невозможно, и, следовательно, разработчик вынужден обращаться к средствам вычислительной техники для выполнения всех ... сигналами на скорости Е1. Каждый интерфейс имеет в своем составе 8 управляющих регистров, которые отображают состояние его работы. При изменении условий работы интерфейса, состояния линии связи ...
В соответствии с техническим заданием чувствительность разрабатываемого приёмника равна 150 мкВ.
2)Избирательность — способность приемника выбирать полезный сигнал из шума и помех.
Ослабление, помехи зеркального и соседнего каналов 46/46 дБ, ослабление помехи на промежуточной частоте 34 дБ.
3)Максимальная неискаженная мощность на выходе — максимальная возможная мощность на выходе приемника при заданной величине искажений. По техническому заданию выходная мощность 0.35Вт.
4)АРУ — автоматическая регулировка усиления.
Эффективность автоматической регулировки усиления (изменение входного/выходного сигнала) 40/12.
Выбор промежуточной частоты
радиовещательный приёмник микросхема контур
Промежуточная частота не должна лежать в пределах диапазона рабочих частот приёмника, а должна отстоять как можно дальше от границ этого диапазона с целью обеспечения необходимого подавления помехи на частоте, равной промежуточной. Общей рекомендацией для уменьшения числа побочных каналов является выбор промежуточной частоты из условия:
f пр (4…5) f с.макс или f пр (0,1…0,2) f с.мин
Для обеспечения более высокой избирательности по зеркальному каналу, промежуточная частота должна быть по возможности выше, а для обеспечения избирательности по соседнему каналу — как можно ниже.
В проектируемом приемнике заданные техническим заданием требования могут быть обеспечены при использовании одного преобразования частоты со стандартным значением f ПЧ .
В радиовещательных приемниках согласно ГОСТ приняты следующие значения f ПЧ.
- 465 кГц в приемниках АМ сигналов;
- 10.7 МГц в приемниках ЧМ сигналов;
Примем значение f ПЧ = 465 кГц.
Расчет входных параметров микросхемы
Входная цепь предназначена для передачи сигнала от антенны к входному тракту и предварительной фильтрации нежелательных сигналов. Существует четыре вида входных цепей.
1)входная цепь с внешнеемкостной связью.
2)входная цепь с внутриемкостной связью.
3)входная цепь с трансформаторной связью.
4)входная цепь с автотрансформаторной связью.
Схема с внешнеемкостной связью колебательного контура с антенной значительно проще схемы с трансформаторной связью, при этом она сможет удовлетворить техническому заданию, в связи с этим я остановил свой выбор на одноконтурной входной цепи с внешней емкостной связью. Выбором конденсатора можно изменять значение коэффициента связи с антенной в процессе работы, что позволяет применять его с различными антеннами.
Расчет входной цепи:
Диапазон частот (в Мгц.) — fmin = 0.15
Конденсатор переменной емкости
... типов таких, элементов, одним из которых является конденсатор переменной емкости (КПЕ), рассматриваемый в данной работе. Электрические конденсаторы являются одним из наиболее массовых элементов РЭС. ... воздуха при эксплуатации, Сє Рабочие Верхнее значение + 25; Нижнее значение + 10; Среднее значение + 20 Предельные рабочие Верхнее значение + 40; Нижнее значение + 1 Величина изменения температуры ...
fmax = 0.4
Чувствительность (в Мкв.) — Е = 150
Избирательность по зеркальному каналу (дб.) — d = 46
Растянутый диапазон Т=1. /нерастянутый Т=2. Т = 46
1. Определяем коэффициент перекрытия диапазона Kd=N*fmax/fmin = 2.8 и полагаем максимальную конструктивно осуществимую добротность Q = 50.
2. Находим наименьшее значение показателя связи входной цепи
транзистора с контуром -amin:
Введите параметры входного транзистора:
Активная составляющая проводимости (в Мсим) — g11 = 0.33
и ее относительное изменение — dg11 = 0.1
Реактивная составляющая проводимости (в Мсим) — b11 = 470
и ее относительное изменение — db11 = 10
Коэффициент шума (разы) — N = 1.2
Оцениваем
а).влияние изменения активной составляющей проводимости транзистора на полосу
a1= 4.0*dg11-1 = -0.600,
b).влияние изменения реактивной составляющей проводимости db11 транзистора на частоту настройки
a2= 1.25*b11/g11*db11-1 = 17802.030,
c).Задаем допустимое значение коэффициента расширения полосы S = 1.25-2 и находим значение a3 ,
а) Если эквивалент антенны — емкость
a3=1/(S-1).
б) Если эквивалент антенны — сопротивление
a3=[3*SQRT(Kd*Kd*Kd)+s-1]/[Kd*Kd*(S-1)].
Выбираем тип антенны:
открытая антенна —
Ra<<1./(2.*pi*f*Cin) R = 1,
короткая штыревая антенна — Ca = Cin, R = 2.
Введите значение (целое) R = 2
Введите емкость антенны (в пф) — Ca = 90
ее нестабильность (в пф) — Dca = 1
емкость входа (в пф) — Cin = 30
ее нестабильность (в пф) — Dcin = 5
a3 = 1.600.
amin=max(ai), i=1,2,3; amin = 17802.030 .
3. Выбираем настроечный конденсатор Cmin, Cmax ,
удовлетворяющий условию Cmax/Cmin > [3-6]*Kd*Kd , Kd=2,8
и определяем для него значение неравномерности изменения
емкости настройки с углом поворота — H.
Введите значение H = 60
Дальнейший расчет схемы определяется значением величины
h0=Exp[Ln(0.9*H)/3] = 3.77976314968328
4. Случай Kd > h0
Введите (в пф.) значение Cmin = 5 Введите (в пф.) значение Cmax = 300
4.1 Вычисляем значения следующих емкостей:
C3 = Cl+0.4*(Cmin+Cm) = 9.0 пф,
C2=C~*(K2+SQRT(K2*K2+4*K2*Kk*C3/C~))/(2*Kk) = 437,4 пф.
где K2=Kd*Kd-1 = 6.855,
Kk=[1-SQRT(Kd*Kd*Kd/H)]*[SQRT(Kd*H)-1]= 4.718,
C~=Cmax-Cmin — полная емкость, включенная последовательно с конденсатором настройки.
C1 = 0.5*b/a*{ SQRT[1+4*a*dd/(b*b)]-1} — Cmin = 10.8 пф,
где a = K2*(C2+Cl), Cl= 4 пф, b = K2*[Cl*(2*C2+C~)+C2*(C2+C~)], dd = C~*C2*C2-K2*Cl*C2*(C2+C~) — полная емкость,включенная параллельно конденсатору настройки.
Ckmax = Cl+C2*(C1+Cmax)/(C1+C2+Cmax) = 184.7 пф.
Ckmin = Cl+C2*(C1+Cmin)/(C1+C2+Cmin) = 18.3 пф- максимальная и минимальная емкости контура.
4.2 Для антенны с эквивалентом Ra определяем коэффициент
as = 2/[(S-1)*SQRT(K3)], где K3=Kd*Kd*Kd,
при штыревой антенне полагаем as >> 1; и находим значение емкости связи с транзистором Cct.
Cc=SQRT{Ckmax*g11*Q*amin/(6.28*fmin)/[1+1/(as*K3)]} = 45566.2 пф.
Cct = Cc-b11/(6,28*fmin) = -831119.3 пф.
Получилось отрицательное значение емкости связи с транзистором. По-этому
произведем перерасчет, как для случая Kd>h0.
Введите значение Сct,соответствующее ГОСТ. Cct = 20000
4.3 Находим емкость связи с антенной Cca
Если эквивалент антенны — емкость
Cca=(Ca+Cin)/SQRT[2*Q*(Dca+Dcin)/Ckmin-1)= 15,85 пф,
Ca1=Ca*Cca/(Ca+Cca) = 12,18 пф.
4.4 Далее находим емкости подстроечного Cp, дополнительного Cd конденсаторов, а также емкость связи Cck.
kkk=Cc/(Cc+Cl-C2-C3) = 1.00740317738018E+0000
Cp=kkk*(C3-Cl)-Ca1 = 0,16 пф,
Cck=kkk*C2 = 265,1 пф.
Введите значение Cck,соответствующее ГОСТ. Cck = 270
Cd=C1-kkk*C2*(C3-Cl)/Cc-Cm = 10,75 пф.
5. Случай Kd>h0. Cck исключается из схемы.
Введите (в пф.) значение Cmin = 5 значение Cmax = 350
5.1 Определяем значения С1 и С2.
C2 = SQRT [amin*Q*Cmax*g11/(6.28*fmin)] = 52057.4 пф.- полная емкость включенная последовательно с конденсатором настройки.
C1 = 0.5*b/a*{ SQRT[1+4*a*dd/(b*b)]-1} — Cmin = 35 пф, где K2 = Kd*Kd-1 = 6.85,
Cl = 4 пф.
dc = Cmax-Cmin ,
a = K2*(C2+Cl),
b = K2*[Cl*(2*C2+dc)+C2*(C2+dc)] ,
dd = dc*C2*C2-K2*Cl*C2*(C2+dc) — полная емкость, включенная параллельно конденсатору настройки.
5.2 Находим максимальную емкость контура
Ckmax = Cl+C2*(C1+Cmax)/(C1+C2+Cmax) = 395 пф.
5.3 Находим значение емкости связи с транзистором
Cct = C2-b11/(6,28*fmin) = 7,33669299930334E+0004 пф.
Введите значение Сct,соответствующее ГОСТ. Cct = 45000
5.4 Находим емкость связи с антенной Cca
Если эквивалент антенны — емкость
Cca=(Ca+Cin)/SQRT[2*Q*(Dca+Dcin)/Ckmin-1)= 25,10 пф
Ca1=Ca*Cca/(Ca+Cca) = 19,62пф.
Введите значение Сca соответствующее ГОСТ. Cca = 15
5.5 Определяем емкости подстроечного
Cp=0.4*(Cmin+Cm)+0.05*Ckmin = 8.51пф,
и дополнительного конденсаторов
Cd=C1-Ca1-Cp-Cm = 4.15 пф.
Введите значение Cd соответствующее ГОСТ. Cd = 6
6. Определяем индуктивность контура
Lk=1E6/[SQR(6.28*fmin)*Ckmax] = 5,82 мкГн.
7. Для частоты fmin вычисляем значения следующих коэффициентов
r0 = 6.28*f*Lk = 2686,1 оМ.
p1 = 1/[6.28*f*Lk*(6.28*f*Cct+b11)] ,
b1 = 6.28*f*Lk*p1*p1*g11*Q = 7,01852531278524E-0005 .
Если эквивалент антенны — емкость
a = Ca/Ckmin = 1,78969128965946E+0000, b0 = 0.
8. Определяем реальные значения
добротности входной цепи
Q1 = Q/(1+b0)/[1+b1/(1+b0)] = 49.96,
чувствительности
E1=1.25e-10*s*fmin/(a*m*Q)*SQRT(6.28*N*Lk)= 0.1 мкВ,
где m = 0.3 — глубина модуляции,
s = — 5 дБ отношение сигнал/шум на входе ,
N — коэффициент шума входного транзистора (разы);
ослабления зеркального канала
D1 = 10*Lg[1+SQR(ez)]+20*Lg(fz/fmax) = 63,56 дБ,
где ez = Q1*(fz/fmax-fmax/fz),
Сопряжение настроек входных и гетеродинных контуров
В супергетеродинных устройствах приема и обработки сигналов, работающих в широком диапазоне частот, необходимо согласование или сопряжение настройки частоты контуров преселектора на частоту сигнала fc и гетеродина — на частоту fг = fc + fпр, где fпр — промежуточная частота, блоком идентичных конденсаторов переменной емкости или варикапов. Для получения различных резонансных частот этих контуров в контур гетеродина включаются добавочные постоянные конденсаторы.
Необходимо точно выполнить условие настройки fс0 = fс и fпр = fг — fc, где fс0 — резонансная частота входного контура, на всех частотах диапазона. Обычно при проектировании точно выполняется лишь условие fпр = fг — fc. Расстройка входных контуров относительно частоты входного сигнала df = fc — fс0 называется неточностью сопряжения.
Задача состоит в определении числа и частот точного сопряжения, максимальной в диапазоне частот погрешности сопряжения, структуры и параметров контура гетеродина.
Число точек точного сопряжения определяется значением коэффициента перекрытия по частоте рассчитываемого диапазона K Д . При KД > 1.7 необходимо три точки точного сопряжения.
Сопряжение в трех точках
Введите исходные данные:
Диапазон частот (в мГц.) — fmin = 0,15
fmax = 0.4
Значение промежуточной частоты (в мГц.) — fпр = 0.465
Индуктивность входного контура (в мкГн.) — Lk = 5.82
Емкость катушки (в пФ.) — Cl = 10.8
Емкость монтажа (в пФ.) — Cm = 10
Задайтесь числом точек точного сопряжения — Т = 3
Вид входной цепи — Net = 7
1. Частоты точного сопряжения:
f2 = 0.5*(fmax+fmin) = 0.275мГц,
f1 = f2-0.433*(fmax-fmin) = 0.167мГц,
f3 = f2+0.433*(fmax-fmin) = 0,383мГц.
2 .Рассчитываем кривую сопряжения в 50 точках
df(i)=-[m*(f*f+n)-SQR(f+fпр)*(f*f+l)]/[2*(f+fпр)*(f*f+l)],
где a = f1+f2+f3 = 0.825,
b = f1*f2+f1*f3+f2*f3 = 0.215,
c = f1*f2*f3 = 0.018,
d = 2fпр+a = 1.755,
l = (b*d-c)/(2*fr) = 0.387,
m = fпр*fпр+l+a*d-b = 1.836,
n = (l*fпр*fпр+c*d)/m = 0.062.
Ошибка на границах диапазона при этом имеет величину:
df(fmin) = -1,84650 кГц,
df(fmax) = 1.11189 кГц.
3. Величины емкостей элементов схемы
C1 = Cl + Cm = 20.8 пФ,
CC = 1/(4*pi*pi*Lk)*[1/n-1/l] = 58518,65 пФ,
C2 = CC*[1/2+SQRT(1/4+C1/CC)] = 58539,44 пФ,
C3 = 1/(4*pi*pi*Lk*l)-C1*C2/(C1+C2) = 11221,80 пФ — величина индуктивности контура гетеродина
Lg = Lk*l/m*(C2+C3)/(C2+C1) = 1,46 мкГн.
Ослабление по зеркальному каналу.
fz = fc + 2 fпч = 0.4 + 2 * 0.465 = 1.33МГц
fmax = 0.4МГц
D1 = 10*Lg[1+SQR(ez)]+20*Lg(fz/fmax) = 63,56 дБ,
Ослабление помехи на fпч.
fпч = 0.465МГц
D1 = 10*Lg[1+SQR(eпч)]+20*Lg(fпч/fmax) = 38,439 дБ,
Ослабление по соседнему каналу
Для обеспечения заданной избирательности по соседнему каналу в нашем устройстве необходимо поставить фильтр. Для реализации данной задачи самым простым и дешевым способом будет применения керамического фильтра с заданными характеристиками. Существует множество фильтров с частотой 465 кГц, остановим свой выбор на керамическом фильтре фирмы Murata серии CFK465.
Из данных характеристик видно, что требование избирательности по соседнему каналу с легкостью удовлетворяется фильтрами данной серии.
Построение принципиальной схемы устройства
Главная проблема радиовещательного-приемника — необходимость обеспечить его низкую стоимость, поскольку технически все перечисленные трудности вполне разрешимы. Собственно, это проблема всей бытовой техники, и решается она стандартно — выпуском массовых ИС, в которые интегрировано как можно больше функциональных блоков устройства. Один из первых однокристальных тюнеров выпустила фирма Philips еще в 1983-м — это была знаменитая TDA7000. Заложенные в ней решения оказались столь удачными, что она послужила прототипом многих ИС — как прямых аналогов, например КС1066ХА1, К174ХА42, так и более совершенных схем самой компании Philips. Основное достоинство таких схем — простота реализации устройства с минимумом дополнительных компонентов. Я остановил свой выбор на микросхеме TDA7088T_2.
Эта микросхема по своей структуре похожа на своих предшественниц TDA7021 и TDA7000. В ней тоже реализована возможность построения на ее основе АМ радиоприемника. Разработчиками были устранены многие недостатки микросхем TDA7021 и TDA7000. Так чувствительность микросхемы TDA7088 по ВЧ заметно выше, чем у TDA7021. Также значительно понижена нижняя граница питающего напряжения до 1,8В (для сравнения у TDA7021 она составляет -2,8В).
Верхняя же граница напряжения питания 5 В. Немаловажно и малое число навесных элементов для обеспечения ее работы.
Микросхема TDA7088T предназначена для использования в радиовещательных супергетеродинных приемниках с амплитудной модуляцией. Эта микросхема содержит все необходимые нам компоненты: гетеродин, усилитель высокой частоты, двойной балансный смеситель, усилитель промежуточной частоты, блок АРУ.
|
характеристики |
условия |
Значение |
|||
|
минимальное |
оптимальное |
максимальное |
|||
|
Напряжение питания, В |
1.8 |
3 |
5 |
||
|
Ток потребления, мА |
U П = 9В, Т = +25°С |
4.2 |
5.2 |
6.6 |
|
|
Значения частоты входного сигнала, МГц |
0.1 |
— |
110 |
||
|
Отношение сигнал/шум, дБ |
U П =9В,f вх =1МГц,U В =10мкВ, m =0,8,T= +25°С |
52 |
56 |
— |
|
|
Полоса пропускания, кГц |
10 |
||||
|
Выходное напряжение звуковой частоты, мВ |
310 |
||||
|
Чувствительность |
10 |
мкВ |
|||
|
Диапазон температур,°С |
-10 |
25 |
+70 |
||
Выводы
Чувствительность в 150 мкВ обеспечивается входными цепями и микросхемой, Ослабление зеркального канала при расчете составило 63,56 дБ, требовалось обеспечить ослабление в 46 дБ. Ослабление на частоте ПЧ составляет 38дБ.
Ослабление соседней помехи обеспечивается выбранным керамическим фильтром.
Также обеспечивается заданная полоса пропускания в 8.5 кГц.
Таким образом выполнены все пункты технического задания.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovoy/razrabotka-trakta-radioveschatelnogo-priemnika/
«Микросхемы и их применение», В.А. Батушев,О.Н. Лебедев, Москва: «Радио и Связь » , 1983г.
«Радиоприемные устройства», М.М. Буга, А.И. Фалько, И.И. Чистяков, Москва: «Радио и Связь » , 1986г.
«Радиоприемные устройства», В.В. Палшков, Москва: «Радио и Связь » , 1984г.
«Основы проектирования радиоприемников», В.Д. Горшелев -Москва: «Энергия» , 1977г.
«Проектирование радиоприемных устройств», В.Д. Екимов, К.М. Павлов, Москва: «Радио и Связь » , 1970г.
«Форум радиолюбителя» , http://monitor.net.ru/forum/index.php
