Преобразование сигналов в радиотехнических цепях

Преобразование сигналов в радиотехнических цепях

Преобразование сигналов в радиотехнических цепях

1. Рассчитать схему частотного дробного детектора по исходным данным: рабочая частота, максимальное отклонение частоты, верхняя частота модуляции, напряжение на входе последнего каскада УПЧ. В последнем каскаде УПЧ используется транзистор 2П303А, имеющий параметры S=4,4 мА/В, С_вых=2 пФ

Исходные данные:

f=8,3 МГц

Δf_max=83 кГц

F_в=9 кГц

U_вх=0.16 В

Тип диода - КД522А

η=0,5

Расчет:

В задаче требуется определить: тип вакуумного или полупроводникового диода; добротность контуров фильтра Q₁ и Q₂; емкости контурных конденсаторов фильтра С_к1 и С_к2; индуктивность контуров L₁= L₂=L; индуктивность катушки связи L₃; сопротивления элементов схемы R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆; емкости конденсаторов С₁, С₂, С₃, С₄, C₅; выходное напряжение детектора U_вых.д; избирательность фильтра дробного детектора σ_чд.

Порядок расчета:

1. Определить электрические характеристики диодов.

2. Задаться формой частотной характеристики детектора путем выбора значения параметра связи между контурами η.

В дробном частотном детекторе значение η влияет не только на линейность рабочей части характеристики, но и на ослабление амплитудных изменений сигнала. Наилучшие условия подавления амплитудных изменений сигнала получаются, как установлено экспериментально, при η ≈ 0,5.

Линейная часть характеристики при любом значении η ограничивается значением обобщенной расстройки х ≤ η.

Тогда выражение

при Δf=Δf_max приобретает следующий вид: ; откуда находится усредненное значение добротностей контуров

При этом

. Определить емкости и индуктивности контуров фильтра.

Для определения емкости контуров фильтра задаемся емкостью первого контура С_к1, емкость берется в пределах 15-30 пФ. В моем случае С_к1 =22пФ.

Находим эквивалентную емкость первого контура

С_э1=С_к1+С_вых+С_м1=22+2+7=31 пФ

Здесь:

С_вых1 - выходная емкость последнего каскада УПЧ (ограничителя);

С_м1 - емкость монтажа, которую можно взять порядка 5-10 пФ; В моем случае С_м1=7пФ. Для того чтобы параметры обоих контуров были одинаковыми, принимаем С_э1=С_э2=С_э

Тогда емкость конденсатора второго контура

С_к2=С_э-С_м1=31-7=24 пФ

Определяем индуктивность катушек контура фильтра

. Определить добротности контуров фильтра.

Учитывая, что второй контур подвергается значительному шунтированию со стороны входов диодных детекторов, полагаем эквивалентную добротность второго контура

Собственную добротность первого контура можно принять равной его эквивалентной добротности Q₁=Q_э2.

Собственная добротность второго контура в целях обеспечения эффективного подавления амплитудных изменений сигнала должна превышать его эквивалентную добротность примерно в 4 раза. Практически при рабочих частотах до 4 МГц величина Q₂ находится в пределах 50-70 и при частотах до 10 МГц - в пределах 75-120.

Q₁=Q_э2=20;

Q₂=4Q_э2=420=80

. Определить выходное напряжение частотного детектора для любых значений отклонения частоты Δf.

Коэффициент передачи диодного детектора

К_д = соsθ ≈1.

Рисунок 1.1 - График для определения функции ψ(х)

Функция ψ(х), изображенная на графике на рисунке 1.1, при значениях х≤η = 0,5 имеет линейный характер и для данного частного случая ψ(х)≈0,3х.

Используя выражения (1) и (2), получим

В результате выражение (11) упрощается и принимает вид

 В

Здесь

6. Определяем индуктивность катушки связи

  мкГн

. Определяем избирательность последнего каскада УПЧ по формуле

Здесь

Расстройка относительно соседней станции

8. Определить сопротивления элементов схемы R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆.

Выполнение условия, что собственная добротность второго контура в целях обеспечения эффективного подавления амплитудных изменений сигнала должна превышать его эквивалентную добротность примерно в 4 раза, достигается при определенных значениях входных сопротивлений диодных детекторов, которые, как известно, определяются сопротивлениями нагрузок плеч R₁=R₁₁.

Значение этих сопротивлений при использовании вакуумных диодов находится из выражения

Сопротивления плеч состоят из двух сопротивлений:

В практических схемах сопротивления R₃=R₄ используются для поддержания постоянства выходного напряжения и берутся переменными - порядка 35 кOм.

Тогда R₃=R₄=4 кОм

R₁ = R₂ = R_I - R3=32,9-4=28,9 кОм.

где R_c=1-2 МОм, а R₃ выражена в кОм

Сопротивление R₆ выбирается в пределах 3050 кOм. Возьмем R₆=40 кОм.

. Определить емкости конденсаторов C_l, C_2, С₃, С₄, С₅. Емкости С₁, С₂ и С₄ выбираются порядка 300 пФ. Емкость С₃ рассчитывается так, чтобы постоянная времени цепи (R₁ + R₂) С₃, предназначенной для подавления амплитудных изменений сигнала, составила 0,1-0,2 сек. Тогда

С₅ рассчитывается так

При расчете добротности второго контура, в целях обеспечения эффективного подавления амплитудных изменений сигнала, должна превышать его эквивалентную добротность примерно в 4 раза.

В частотном детекторе для преобразования ЧМ-колебания в ФЧМ-колебание используется колебательный контур, в котором отклонения частоты преобразуется в изменения фазового сдвига.

. Выбрать средства обеспечения избирательности супергетеродинного приемника по зеркальному и соседнему каналам

Исходные данные

Решение

1.       Определяем обобщенную расстройку зеркального канала из рисунка.

Нормированные частотные характеристики преселекторов для больших (а) и малых (б) обобщенных расстроек

 дБ

2.       Вычисляем промежуточную частоту f_пр.

 кГц

3.       Определяем обобщенную расстройку для краев полосы пропускания приемника для выбранного преселектора.

дБ

Для полученной  находим из рисунка 3.1 (б) ослабление, создаваемое преселектором

 дБ

4.       Рассчитываем ослабление, которое можно допустить в фильтре сосредоточенной избирательности (ФСИ).

 дБ

5.       Определяем обобщенные расстройки для соседнего канала

дБ

По рисунку 3.1 (б) определяем ослабление соседнего канала, создаваемое преселектором.

 дБ

6.       Определяем ослабление соседнего канала, требуемое от ФСИ.

 дБ

7.       Определение обобщенной расстройки зеркальнолго канала

 при Fв

При нижней настройки контура

=57дБ

Были определены обобщенные расстройки зеркального и соседнего каналов, рассчитывала ослабление, которое можно допустить в фильтре сосредоточенной избирательности (ФСИ).

Существенным недостатком супергетеродинных приемников является наличие побочных каналов приема. В приемнике прямого усиления основными источниками помех служат соседние по частоте станции. Побочные каналы приема создаются в супергетеродинном приемнике в процессе ПЧ. Основным из них является так называемый зеркальный (или симметричный) канал.

. Определить ослабление, которое дает одиночный колебательный контур, имеющий собственную частоту f₀ и эквивалентное затухание d_эр при заданной расстройке Δf

детектор сигнал диод приемник

Исходные данные:

f₀ = 8,7 МГц; d_эр = 0,02; Δf = 300 кГц.

Решение

Выражение для относительной расстройки:

Формула для обобщенной расстройки:

 где:  =

Таким образом:

Далее используя найденную обобщенную расстройку и учитывая, что дан одиночный контур по рисунку определяется искомое ослабление:

Нормированные частотные характеристики для обобщенных расстроек

По графику получим: d ≈ 3,6

Также, для более точного определения ослабления можно вычислить обобщенную расстройку по формуле:

При решении задачи определили ослабление, при одиночном колебательном контуре в котором ослабление является величиной обратной коэффициенту усиления, обобщающим понятием для обоих величин служит коэффициент передачи.

Совокупное измерение - производится с помощью измерения мощности или напряжения исходного и ослабленного сигнала, и последующего расчета.

4. Резонансный усилитель собран по схеме, изображенной на рис.

Резонансный усилитель

В усилителе применен транзистор КТ315А, входная характеристика которого i_б = f(u_бэ) допускает кусочно-линейную аппроксимацию с параметрами: S = 0.66 А/В, U_н=0.7 В. Ток коллектора i_к связан с током базы i_б линейной зависимостью i_к = 12 i_б. Напряжение источника питания E_пит=70 В. Нагрузкой транзистора является колебательный контур со следующими параметрами: R_рез (относительно точек а-b), коэффициент включения контура в цепь коллектора k_вкл = 0.04. Ко входу усилителя приложено напряжение (В)

u_бэ = U₁ + U₂cosω_резt.

Пренебрегая инерционностью процессов в транзисторе и обратным влиянием коллекторного напряжения на ток базы, рассчитайте следующие величины:

а) постоянные составляющие I_0б и I_0к, а также амплитуды первых гармоник I_1б и I_1к токов базы и коллектора соответственно;

б) полезную мощность P_1вых, выделяемую током первой гармоники в колебательном контуре;

в) мощность Р₀, поступающую от источника питания, мощность Р_пот, выделяемую в виде теплоты на коллекторе транзистора, а также КПД η усилителя;

г) амплитуды колебательных напряжений U_mк на коллекторе и U_mкон на колебательном контуре;

д) коэффициент усиления мощности К_Р.

Исходные данные:

транзистор КТ315А

S = 0,66 А/В;

U_н=0,7 В;

E_пит=70 В;

i_к = 12 i_б;

k_вкл = 0,04;

U₀ = U₁ = 0,9 В;

U_m = U₂ = 0,4 В;

u_бэ = 0,9 + 0,4cosω_резt

R_рез = 35 кОм.

Решение

а) Определим угол отсечки импульсов тока:

,

.

Значения функций Берга:

;

.

Постоянные составляющая токов базы и коллектора равны соответственно:

Амплитуды первых гармоник токов базы и коллектора равны соответственно:

б) Входное сопротивление контура, являющееся выходным для всего УРЧ:

Полезная активная мощность, выделяемая током первой гармоники в колебательном контуре:

,

в) Мощность, поступающая от источника питания:

,

Мощность потерь:

Коэффициент полезного действия усилителя равен:

г) Амплитуда колебательного напряжения на коллекторе:

Амплитуда колебательных напряжений на контуре:

д) Мощность первой гармоники на входе:

Коэффициент усиления мощности:

или переводя в дБ:

В данной задаче были рассчитаны параметры резонансного усилителя - постоянные составляющие I_0б и I_0к, первые гармоники I_1б и I_1к, полезная активная мощность, мощность, поступающая от источника питания, мощность потерь, коэффициент усиления мощности. Выходная мощность составила 181 Вт, что недопустимо для данного вида транзистора КТ315А, у которого максимальная мощность составляет 150 мВт, следовательно, необходимо применение другого типа транзистора или снижение уровня входного сигнала.

5. К последовательному соединению резистора сопротивлением R Ом и катушки индуктивностью L мГн приложено синусоидальное напряжение с эффективным значением U В и частотой f Гц. Определить эффективные значения тока, падений напряжения на элементах цепи и построить векторную диаграмму

Последовательное соединение резистора и катушки индуктивности

Исходные данные:

R=350 Ом

L=900 мГн

U=210 В

f=85 Гц

Полное сопротивление цепей, содержащих резисторы и конденсаторы или индуктивности, находятся как гипотенузы прямоугольных треугольников, катеты которых соответствуют активному и реактивному сопротивлениям, по теореме Пифагора:

Следовательно,

После определения полного сопротивления последовательной цепи амплитуда тока находится по закону Ома делением амплитуды напряжения, подведенного к этой цепи, на ее полное сопротивление. Если же известен ток, и нужно найти напряжение на концах цепи, амплитуда тока умножается на полное сопротивление.

Зная силу тока, находим падения напряжений на резисторе и конденсаторе, умножая силу тока на сопротивление резистора и индуктивное сопротивление катушки.

Векторная диаграмма

Также, помимо теории резонансных цепей были повторены некоторые отдельные факты из курса электрических цепей, такие как закон Ома для участка цепи и обобщенный закон Ома, а также принципы построения треугольника сопротивлений и векторной диаграммы токов и напряжений.

Список литературы

1.       Достиярова А.М. РТЦ и РПУ. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ - Алматы, АУЭС, 2010 г.

.        Проектирование радиоприемных устройств. /Под общей редакцией Сиверса А.П. - Москва, Советское издание, 1976 г.

.        Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы - Москва, Высшая школа, 2003 г.

.        Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - Москва, Радио и связь, 1986 г.

.        Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Руководство к решению задач - Москва, Высшая школа, 2002 г.

.        Радиотехнические цепи и сигналы. Примеры и задачи. /Под редакцией Гоноровского И.С. - Москва, Радио и связь, 1989 г.

7.       Скляр Б. Цифровая связь - М. С-П, К., 2003.

.        Радиоприемные устройства. Под ред. А.П. Жуковского - М.: Высшая школа, 1989.

.        Радиоприемные устройства. Под ред. Н.Н. Фомина - М.: Радио и связь, 2003.

10.     Буга Н.Н. и др. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов/ Н.Н. Буга, А.И. Фалько, Н.И. Чистяков; Под ред. Н.И. Чистякова. М.: Радио и связь, 1986. 320 с.

11.     Радиоприемные устройства. Под ред. Л.Г. Барулина - М.: Радио и связь.

.        Радиоприемные устройства. Под ред. А.Г. Зюко - М.: Радио и связь, 1975.