Реферат: Расчет ЧМ РПУ на ИМС
СОДЕРЖАНИЕ ЛИСТ
Введение…………….………..……………………………………….………… 5
1.Выбор блок-схемы приемника ………………………………….…..………. 10
2.Предварительный расчет усиления ЧМ на ИМС приемника ……………... 11
3.Расчет резонансной системы для обеспечения избирательности ………… 12
4.Выбор ИМС, используемой в качестве УВЧ, преобразователя, УПЧ, ЧД,
а так же предварительного УЗЧ ……………………………………..…....... 14
5.Выбор ИМС, используемой в качестве оконечного УЗЧ. …….……........... 17
Описаниепринципиальной схемы …………………………………………….. 20
Списокиспользуемой литературы …………..…….....………………………... 21
Введение.
C развитием радиоприемной техникиповышались требования к чувствительности радиоприемника, к его полосепропускания и избирательности. Однако эти требования ограничиваются различнымивидами помех радиоприему, так как с увеличением коэффициента усиления приемникаи расширением полосы пропускания восприимчивость приемника к помехамвозрастает, а следовательно, его реальная чувствительность понижается.
Как показывают теоретическиеи экспериментальные исследования, применение частотной модуляции для передачисигналов в значительной мере ослабляет действие помех на радиоприемник иповышает его реальную чувствительность. В этом случае удается улучшитьотношение сигнал/шум на выходе приемника более чем в 100 раз по сравнению самплитудной модуляцией. Высокая помехоустойчивость является одним из основныхкачеств частотной модуляции.
Остановимся коротко на общих сведениях очастотно-модулированных колебаниях. Частотно-модулированными (ЧМ) колебанияминазываются колебания, амплитуда которых постоянна, а частота изменяется позакону, отображающему характер модулирующих низкочастотных сигналов.
Максимальное значениедевиации частоты Δfmax соответствующее наибольшей амплитудемодулирующего сигнала, в радиовещании принято равным 75 кГц. Это значит, чтополезный спектр, излучаемый радиостанцией, занимает полосу 150 кГц. Практическидля одной станции отводится канал с шириной полосы 250 кГц. Использование ЧМколебаний при такой ширине канала возможно только в диапазоне укв.
Высокая помехоустойчивостьприемников ЧМ колебаний объясняется главным образом тем, что амплитудаколебаний при частотной модуляции сохраняется постоянной.
/>Сравним соотношение между сигналом и помехой на входеприемника при частотной модуляции и при амплитудной модуляции. Положим, чтоамплитуда частотно-модулированного сигнала равна амплитудеамплитудно-модулированного (АМ) сигнала в момент ее наибольшего значения (фиг.слева) Интенсивность воздействия помехи на входе приемника в обоих случаяхсчитаем одинаковой. Как видно из рисунка а), соотношения между сигналом ипомехой при АМ колебаниях беспрерывно изменяются. При больших амплитудах сигналзначительно превышает помеху и ее влияние на прием незначительно, и, наоборот,при малых амплитудах, сигнал может быть на уровне помехи, и в этом случаепомеха будет препятствовать нормальному приему. Следовательно, для обеспечениядостаточной помехоустойчивости приемника при АМ колебаниях необходимо, чтобыминимальная амплитуда полезного сигнала превышала уровень помехи в достаточноечисло раз. Совершенно иное положение наблюдается при приеме ЧМ колебаний. Изрисунка б) видно, что соотношение между сигналом и помехой остается неизменными по величине сохраняется таким же как в случае амплитудной модуляции в моментее наибольшей
амплитуды.
Все эти соображенияне раскрывают полностью причин повышенной помехоустойчивости приемника ЧМ колебаний. В этом приемнике для получения максимального соотношения междусигналом и помехой на выходе применяют специальное устройство для подавленияпомех и собственных внутриприемных шумов.
Действие помех и шумов наполезный сигнал вызывает в основном амплитудные изменения сигнала по законупомех, т. е. происходит амплитудная модуляция сигнала. Поэтому подавление помехв радиоприемнике достигается путем ограничения сигнала по амплитуде. Применениеограничения при АМ колебаниях наряду с частичным устранением амплитудныхизменений сигнала, вызванных помехами, нарушает закон модуляции и в конечномсчете приводит к нелинейным искажениям сигнала по низкой частоте. При ЧМколебаниях действие амплитудного ограничителя устраняет всякие амплитудныеизменения сигнала без нарушения закона модуляции. Таким образом, амплитудноеограничение является эффективным методом подавления помех при ЧМ колебаниях,вследствие чего помехоустойчивость приемника еще больше увеличивается.
Приемник ЧМколебаний характеризуется особенностями, обусловленными отличием ЧМ колебанийот АМ колебаний:
1) приемник ЧМ колебанийработает в диапазоне УКВ;
2) полоса пропусканиявысокочастотного канала приемника (до детектора) имеет большую ширину.
Супергетеродинныйприемник состоит из: преселектора, включающего в себя входную цепьиусилителя радиочастоты (УРЧ). Входная цепь должна обеспечить некоторуючастотную избирательность до входа первого каскада УРЧ с целью ослаблениясильных помех. УРЧ должен обеспечить частотную избирательность иусиление принятого сигнала, мощность которого на входе приемника на многопорядков меньше той, которая необходима для нормальной работы воспроизводящегоустройства приемника.
Преобразователь частоты, состоит из смесителя и гетеродина (СМ и ГЕТ).
Гетеродин — это маломощныйавтогенератор. Смеситель — это резонансный каскад. На вход смесителяподается напряжение с частотами сигнала fc игетеродина fг — Врезультате взаимодействия двух напряжений разных частот в спектре выходноготока смесителя появляется много комбинационных частот, в том числе и частота,равная разности этих частот. Величина разностной частоты должна быть ниже иливыше частоты радиосигнала, но обязательно выше частоты модуляции, поэтому ееназывают промежуточной — fпр.Промежуточная частота может быть равной:
fпр=fг – fс, при fг> fс
fпр= fс — fг, при fс> fг
Отличительной особенностью супергетеродинногоприемника является то, что независимо от частоты принимаемого сигнала промежуточнаячастота постоянна и выбирается так, чтобы обеспечить наименьшие помехи отблизко расположенных по частоте станций и получить требуемое усиление иизбирательность по соседнему каналу Sск.
На промежуточную частоту настроенарезонансная система, включенная в выходную цепь смесителя, что позволяет присоответствующей полосе пропускания выделить напряжение сигнала промежуточнойчастоты. Следовательно, назначение преобразователя заключается впреобразовании частоты радиосигнала в другую, промежуточную частоту ссохранением закона модуляции.
Усилитель, который усиливает сигналпромежуточной частоты, называется усилителем промежуточной частоты (УПЧ). Усилитель промежуточной частоты приемникаЧМ колебаний в отличие от приемника АМ колебаний должен обеспечивать усилениесигналов в сравнительно широкой полосе пропускания в пределах 150—200 кГц и поэтому в нем должнобыть большее число каскадов, чем в обычном узкополосном усилителепромежуточной частоты.
Обычно в приемникахЧМ колебаний усилитель промежуточной частоты содержит не менее трех каскадовусиления. Величина промежуточной частоты в таких приемниках выбирается впределах единиц и десятков мегагерц. Для получения высококачественного звучанияполосу пропускания низкочастотного тракта обычно расширяют до 15 кГц.
Таким образом, всупергетеродинном приемнике усиление осуществляется на трех частотах: нарадиочастоте, промежуточной частоте и частоте модуляции, а на которых этопроисходит, называются трактами радиочастоты промежуточной частоты, низкой частоты.
/>Частотный детектор.В частотном детекторе сигнал, модулированный по частоте,преобразуется в сигнал, модулированный по амплитуде, который затемдетектируется при помощи обычного амплитудного детектора. В современныхприемниках ЧМ сигналов для частотного детектирования широко применяется такназываемый дробный детектор. Основное преимущество дробного детекторазаключается в том, что он не реагирует на амплитудные изменения сигнала, а этопозволяет исключить из схемы приемника
Рисунок 1 – ХарактеристикаЧД. амплитудный ограничитель.
Действия частотного детекторадополнительно поясняются характеристикой, приведенной на рисунке 1.
Усилитель звуковой частоты (УЗЧ)доводит звуковой сигнал до уровня необходимого для воспроизведения.
Краткие выводы:1. Основным достоинством приемников частотно-модулированныхколебаний является их высокая помехоустойчивость.
2. Приемники ЧМ колебаний предназначены дляприема сигналов в диапазоне ультракоротких волн и характеризуются широкойполосой пропускания высокочастотного канала.
3. Приемники частотно-модулированныхколебаний в основном строятся по супергетеродинной схеме, в составе которой вотличие от схем приемников амплитудно-модулированных колебаний имеютсяамплитудный ограничитель (когда требуется) и частотный детектор.
4. Главное преимущество супергетеродинного приемниказаключается в том, что он позволяет обеспечить устойчивый прием слабых сигналов в условиях интенсивных помех.
5. Более высокая чувствительность (Uвхmin=0,1-450мкВ) и большая выходная мощность супергетеродинного приемникаотличает его от других приемников.
Несмотря на указанное преимущество, супергетеродинныеприемники имеют некоторые недостатки:
1. В первую очередь главным недостатком этой схемыявляется большая сложность и трудность обеспечения постоянной промежуточнойчастоты fпр.
2. Наличие паразитного дополнительногоканала приема, называемого зеркальным или каналом симметричной станции.Частота зеркального канала fзкотличается от частоты принимаемого сигнала fc наудвоенное значение промежуточной частоты. Таким образом, супергетеродинныйприемник будет одновременно принимать радиостанции, работающие на частотах fc и fзксимметрично расположенных относительно частоты гетеродина fг. />/>
Рисунок 2 – Ось частот,используемая в работе супергетеродинного ЧМ приемника.
1. Выбор блок-схемы приемника.
В принципе возможны два различных подхода к проектированию УКВ-ЧМ приемника.Один использует однократное, другой – двойное преобразование частоты. Приотносительно высокой промежуточной частоте большинство транзисторов обладаютнебольшим устойчивым усилением да и крутые скаты резонансной кривой получитьзатруднительно. Это является недостатком однократного преобразования.Двукратное преобразование с низкой второй промежуточной частотой исключает этутрудность. Дополнительным преимуществом двукратного преобразования является тообстоятельство, что общее усиление приемника распределяется по несколькимчастотам. При этом заметно уменьшается опасность самовозбуждения приемникачерез различные паразитные связи. Для тесного монтажа в малогабаритныхприемниках указанное преимущество особенно важно.
Однако во всеволновых вещательных приемниках, содержащих также тракт АМ,применение двукратного преобразования является обычно неоправданным из-засложности тракта ЧМ, так как невозможно использовать комбинированные каскадыАМ-ЧМ. Поэтому двукратное преобразование частоты можно рекомендовать, еслитребуется получить показатели приемника выше, чем для первого класса, т.е./>> 36 дБ, крутизна ската/>> 0,25 дБ/кГц.
По заданию к данному расчету, эти параметры равны:
/>=23 дБ
/>=0,24 дБ/кГц
Следовательно, для упрощения схемы приемника, выбирается схема с однократнымпреобразованием частоты.
/>/>
Рисунок3 – Упрощенная блок-схема ЧМ приемника с однократным преобразованием
частоты.
2. Предварительный расчет усиления ЧМна ИМС приемника.
Требуемый коэффициент усиления напряжения от входа приемника до входачастотного детектора определяется по формуле [1]:
К`общ = Kзап* Uвхчд / Uвхmin (1),
гдеKзап – коэффициент запаса, Kзап />
Uвхчд – входноенапряжение ЧД, В
Uвхmin –чувствительность РПУ, мкВ
В качестве частотного детектора выбирается дробный детектор, согласно условию,что Uвхчд />В.
Расчетформулы (1):
К`общ.= Kзап * Uвхчд / Uвхmin = /> = />
Согласно найденному К`общ и заданному частотному диапазону в дальнейшем будетвыбираться необходимый набор ИМС, обеспечивающий все функции РПУ, исключаяизбирательность.
3. Для обеспечения избирательности /> рассчитывается резонансная система, которая должнавключаться до смесителя.
3.1 Определение ширины полосы пропускания ЧМ РПУ на ИМС.
3.1.1 Определение индекса модуляции /> по формуле:
/> (2),
где/> - девиация частоты, кГц
/>-верхняя (максимальная) частота модуляции, кГц
Расчетформулы (2):
/>=10,7
3.1.2 Исходя из условия />, ширинаполосы пропускания определяется по формуле:
/> (3),
Расчетформулы (3):
/> кГц
Обычно входной контур преселектора выполняют широкополосным с настройкой на fср,определяемую по формуле:
fср /> (4),
гдеfср – средняя частота рабочего диапазона приемника, МГц
f min –минимальная частота рабочего диапазона приемника, МГц
f max –максимальная частота рабочего диапазона приемника, МГц
Расчетформулы (4):
fср /> МГц
3.2 Входная цепь, как правило, имеетфиксированную настройку на среднюю
частотуfср рабочего диапазона, а полоса пропускания входнойцепи равна ширине диапазона f fmin – fmax. Затуханиевходной цепи d вх. ц. определяется по формуле:
d вх.ц. /> (5),
Расчетформулы (5):
dвх.ц. /> 0,032
чтосоответствует затуханию на краях полосы в 3 дБ.
3.3 Избирательность по зеркальному каналу, которую обеспечивает одиночныйконтур (ОК), рассчитывается по формуле:
/> (6),
где/> - эквивалентное затуханиеодиночного контура = d вх. ц.
fпр –промежуточная частота, МГц
Расчетформулы (6):
/> дБ
3.4 Избирательность, обеспечиваемая ОК не достаточна, т.е. />< />. Следовательно,рассчитывается недостающая избирательность /> поформуле:
/> (7),
где/> - заданная избирательностьпо зеркальному каналу, дБ
/>-избирательность, обеспечиваемая одиночным контуром, дБ
Расчетформулы (7):
/> дБ
/> возможнообеспечить либо резонансной нагрузкой УРЧ, либо в качестве входной цепивыбирают ДПФ.
3.5 Затухание контура в нагрузке УРЧ определяется по формуле:
/> (8),
предварительнопереведем />в разы по формуле:
/> (9),
Расчетформулы (9):
/>0,875
Расчетформулы (8):
/>
полученноезатухание реально, т.к по условию оно реально, если > 0,01. Следовательно,
/>обеспечиваетсярезонансной нагрузкой УРЧ.
Далее, решается вопрос о выборе схем последующих каскадов и выбираютсясоответствующие ИМС.
4. Выбор ИМС, используемой в качестве УВЧ, преобразователя, УПЧ, ЧД а так жепредварительного УЗЧ.
В виду того, что в требуемом к расчету диапазоне рабочих частот, оченьзатруднительно согласовывать отдельные каскады на ИМС, из-за устаревшейэлементной базы, в качестве УВЧ, преобразователя, УПЧ, ЧД а так жепредварительного УЗЧ, применяется ИМС К174ХА34 (аналог TDA7021) [3].
ИМС К174ХА34 включает в себя так же фильтр промежуточной частоты (см. структурнуюсхему на рисунке 4). Так же необходимо заметить, что недостающие 1,5 дБ,составляющие /> (которые не обеспечиваютсявходной цепью и должны обеспечиваться, по расчету, одиночным контуром),обеспечиваются внутри ИМС.
К174ХА34 имеет следующие характеристики:
Электрические параметры:
Номинальноенапряжение питания, />, В……………………………………...…… 3
Токпотребляемый, />, мА, при /> = 3 не более …………………………………6,3
Выходноенапряжение НЧ, мВ, при /> = 2,7, />= 69 МГц не менее …………..… 80
Коэффициентослабления амплитудной модуляции, />, дБ неменее ……………...…… 30
Коэффициентгармоник, />, % не более…………………………………………………… 2,5
Отношениесигнал/шум, />, дБ не менее…………………………………………………… 40
Предельно допустимые данные:
/>,В, минимальное ……………………………………………………………...………… 1,8
максимальное …………………………………………………………………………. 6
Напряжениевходное, />, минимальное ……………...………………………………. 10 мкВ
максимальное ………………………………………………… 1 мВ
Диапазончастот входного сигнала, МГц, />…………..……………………………...…1,5
/>…….……………………………………… 110
Назначение выводов:
1,2 – фильтр нижних частот
3 — общий
4– питание (UCC)
5– контур гетеродина
6,13, 16 – блокировка
7,8, 10, 11 – фильтр промежуточной частоты
9– уровень напряжения поля
12– вход высокой частоты
14– выход звуковой частоты
15– вход обратной связи
Структурная схема ИМС К174ХА34 приведена на рисунке 4, страница 15. Схемавключения ИМС К174ХА34 приведена на рисунке 5, страница 16.
Данная схема имеет полный набор функций ЧМ РПУ, однако не обеспечивает заданнойдля расчета выходной мощности. Поэтому необходимо выбрать ИМС в качестве УЗЧ,которая бы удовлетворяла заданным параметрам.
/>
Рисунок4 – Структурная схема ИМС К174ХА34.
5. Выбор ИМС, используемой в качестве оконечного УЗЧ.
5.1 Предварительный расчет УЗЧ. Определение коэффициента усиления УЗЧ поформуле:
/> (10),
где/> — выходное напряжение УЗЧ,В.
/>-выходное напряжение предыдущего каскада, В.
Выходноенапряжение УЗЧ производится по формуле:
/> (11),
где/> — сопротивление нагрузки,Ом.
/> -выходная мощность УЗЧ, Вт.
Расчетформулы (11):
/>В
Расчетформулы (12):
/>
5.2 Выбор ИМС в качестве оконечного УЗЧ.
ИМС в качестве оконечного УЗЧ выбирается исходя из требуемой выходной мощности,величины сопротивления нагрузки, а следовательно и коэффициента усиления. Дляданной схемы ЧМ РПУ целесообразно использовать ИМС К174УН4А [2].
К174УН4А имеет следующие характеристики:
Электрические параметры:
Номинальноенапряжение питания, />, В……………………………………..…… 9
Токпотребляемый, />, мА, при /> = 9 В не более…...……………………..…… 10
Коэффициентусиления по напряжению, />, при /> = 100 мВ, /> = 9 В …. …………………………………………………………………………………………………4…40
Выходнаямощность,/>, Вт, при /> = 9 В, />= 4 Ом, />/> 2% не менее ...…… 1
Коэффициентгармоник, />, %, при/> = 9 В, />= 4 Ом ……………..………… 2
Входноесопротивление, />, кОм, при /> = 9 В …………………………………… 10
Предельные допустимые данные:
/>,В, минимальное ……………………………………………………………………… 4,5
максимальное ……………………………………………………………………… 9
Максимальноеамплитудное значение тока нагрузки />, мА…………………………..860
Минимальноесопротивление нагрузки />, Ом……………………..…………………… 3,2
Максимальнаярассеиваемая мощность, /> Вт ……………………………………1*, 2**
Температураокружающей среды, C……………………………………………… -25 … +55
Температуракристалла, C, не более ……………………………………………………. +125
Назначениевыводов:
1– управление стабилизатором тока
2– обратная связь
3– теплоотвод
4– вход
5– фильтр
6– вольтдобавка
7– питание (+/>)
8– выход
9– общий, питание (-/>)
Принципиальная схема К174УН4А приведена на рисунке 6. Схема включения ИМСК174УН4А приведена на рисунке 7, страница 19.
/>
Рисунок6 – Принципиальная схема К174УН4А.
Описание принципиальной схемы.
Супергетеродинный ЧМ РПУ на ИМС состоит из входной цепи и двух микросхем DA1 иDA2, обеспечивающих все функции ЧМ приемника.
Входная цепь состоит из одиночного колебательного контура, который связан свнешней антенной емкостной связью. Использование емкостной связи обусловленолучшей избирательностью по соседнему каналу. Одиночный контур подключенчастично к выводу 5 микросхемы DA1 (вход высокой частоты), частичное включение контураувеличивает эквивалентную добротность и тем самым уменьшает полосу пропускания.Входная цепь связана с DA1 через разделительную ёмкость С9.
УВЧ, смеситель, УПЧ, ЧД и предварительный УЗЧ входят в ИМС DA1 –К174ХА34. Принцип работы микросхемы приведен на рисунке 3.
Контур гетеродина подключен к выводам 4 и 5 DA1. Контурнастраивается с помощью переменного конденсатора С6.
Нагрузкой предварительного каскада УЗЧ (вывод 14) является переменный резистор,с которого подается НЧ сигнал на вход оконечного каскада УЗЧ черезразделительную емкость C13. Связь между каскадами – непосредственная.
В качестве оконечного каскада УЗЧ применяется ИМС DA2 – К174УН4А.
НагрузкойDA2 является громкоговоритель, подключенный к выводу 8.Выводы 3 заземляются и используются в качестве теплоотвода. Регулировка коэффициента усиления напряжения на низкихчастотах может быть проведена изменением емкостей конденсаторов С14 и С17.Ослабление усиления на верхней граничной частоте 20кГц — не более 3дб. Допускается регулировка коэффициента усиления напряжения с помощьюизменения сопротивления резистора обратной связи R6 (в пределах 240 Ом…2,7кОм) и емкости конденсатора С14. Допустимое значение статическогопотенциала 200 В.
Источник питания состоит из микросхемы DA3 – 78L05,использующейся как стабилизатор напряжения, микросборки диодного моста VD2,и трансформатора TV1.
Список используемой литературы:
Методическое пособие по расчету ЧМ УКВ на ИМС, Т.З. Мещанкина. Справочник «Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры» — И.В. Новаченко, В.М.Петухов, И.П. Блудов, А.В. Юровский, 1995 г.
Гвоздев С. Микросхема К174ХА34. Справочный листок. — Радио, 1995, № 10, с. 62; №11, с. 45.