Радиоприёмник с частотной модуляцией

Радиоприёмник с частотной модуляцией

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уральский государственный университет путей сообщения

Кафедра: «Электроники»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Каналообразующие устройства»

На тему: «Радиоприёмник с частотной модуляцией»

Екатеринбург

Введение

Техника передачи информации с каждым годом приобретает все большее значение, являясь одним из основных компонентов современных систем управления, в том числе и автоматизированного. На железнодорожном транспорте с его распределенной на большие расстояния инфраструктурой эта техника используется особенно эффективно, способствуя повышению качества управления процессами перевозок на всех уровнях. Она находит применение в системах магистральной, дорожной, отделенческой и станционной технологической связи, в системах связи с подвижными объектами железнодорожного транспорта и т.п.

В данной контрольной работе представлена детальная разработка структурной и принципиальной схем супергетеродинного приемного устройства. Преимуществом такого вида приемника, по сравнению с приемником прямого усиления является большая устойчивость и высокая избирательность.

С целью выбора радио тракта, избирательности и добротности отдельных каскадов радиоприемного устройства, в данной контрольной работе приведен эскизный расчет по технических данным.

1. Исходные данные

Вариант 104

. Несущая частота:

н = 2,3 мГц.

. Чувствительность:

сmin = 13 мкВ.

. Полоса пропускания:

∆f = 7,5 кГц.

. Избирательность по соседнему каналу:

= 37 дБ или 70,79о.е.

. Избирательность по зеркальному каналу:

 = 35 дБ или 56,23 о.е.

. Избирательность по частоте, равной промежуточной:

 = 35 дБ.

. Выходная мощность:

Pвых = 2 Вт.

. Полоса частот модулирующего сигнала:

н - Fв = 200 - 3500 Гц.

. Коэффициент частотных искажений:

М = 4 дБ.

. Эскизный расчет связного приемника

Выбираем промежуточную частоту fпр. При этом ориентируемся на следующие соображения:

чем ниже промежуточная частота, тем легче обеспечить высокую избирательность по соседнему каналу и тем больше величина устойчивого усиления УПЧ;

минимальное значение fпр должно превышать Fв модулирующего сигнала не менее, чем в 5 … 10 раз;

промежуточная частота не должна лежать в диапазоне принимаемых частот;

промежуточную частоту следует выбирать в интервал частот, где отсутствует работа мощных радиостанций.

Таким образом, промежуточную частоту принимаем равной 465 кГц.

Находим число контуров радиочастотного тракта nк, исходя из заданной избирательности по зеркальному каналу, полосы пропускания приемника и коэффициента частотных искажений. Предварительно задаемся nк = 2 и определяем эквивалентную добротность контуров Qэ из двух условий:

а) добротность контуров из условия избирательности по зеркальному каналу:

б) добротность контуров , из условия обеспечения полосы пропускания и величины частотных искажений. Коэффициент частотных искажений определяется ординатой резонансной кривой контура на границе полосы пропускания. В заданном диапазоне частот его следует выбирать равным = 0,7 ÷ 0,9. Выберем 0,9.

приемник каскад канал гетеродин

По найденным значениям  и  определяем окончательное значение  из неравенства     .

Находим избирательность преселектора по соседнему каналу. Соседний канал отстает по частоте на fсосед = 20 кГц.

 о.е.

Находим значение коэффициента частотных искажений Мк, вносимых одним контуром переселектора, в соответствии с заданной полосой и найденным значением .

 о.е. или

.

Распределяем частотные искажения по трактам радиоприемника. Коэффициент частотных искажений низкочастотных тракта принимаем равным МНЧ = 1,5 дБ. тогда коэффициент частотных искажений высокочастотного тракта МВЧ [дБ] = М [дБ] - МНЧ [дБ] = 4 - 1,5 = 2,5 дБ. Полученное значение МВЧ распределяется между преселектором (радиочастотным трактом) МРЧ и трактом промежуточной частоты МПЧ.

Для радиочастотного тракта:

МРЧ = (Мк)nk = 0,883 или -1,08дБ

МПЧ [дБ] = МВЧ [дБ] - МРЧ [дБ] = 2,5 - 1,08 = 1,42 дБ.

Определяем число фильтров промежуточной частоты. В большинстве приемников коротких волн в преобразователе частоты и усилителях промежуточной частоты используют двухконтурные полосовые фильтры, число которых определяется в соответствии с избирательностью по соседнему каналу и заданной полосой пропускания приемника. При этом следует взять запас по избирательности 15-20% и учесть величину полученной избирательности  в преселекторе.

 о.е. или 37,22 дБ.

Исходя из таблицы 2 (см. методическое руководство), определяем количество полосовых фильтров тракта промежуточной частоты, которое составляет m = 3.

Находим число каскадов высокочастотного тракта, исходя из заданной чувствительности, обеспечивающей на входе детектора такое напряжение, при котором режим его работы будет линейным.

Примем Uвх.д. = 1В. Требуемый коэффициент усиления высокочастотного тракта приемника определяется по формуле:

Предусмотрим запас усиления

Зная величину требуемого коэффициента усиления ВЧ тракта К'ВЧ, число контуров преселектора и число фильтров тракта ПЧ, определим число каскадов, обеспечивающих это усиление, опираясь на ориентировочные данные табл. 3 (см. методическое руководство).

Входная цепь ;

Один каскад УРЧ ;

Один преобразователь частоты ;

Один каскад УПЧ .

Найдем фактический коэффициент усиления ВЧ тракта:

Рисунок 1 - Структурная схема радиоприемного устройства.

3. Описание элементов структурной схемы

Входное устройство - резонансный контур, настроенный на сигнал с определенной частотой. Назначением входного устройства является обеспечение связи между антенной и первым каскадом радиоприемника. Особенность реализации входного устройства - выбор определенным образом связи между антенной и колебательным контуром входного устройства. Так как антенна имеет собственные емкость и индуктивность, которые будут вноситься в колебательный контур и влиять на его резонансную частоту то, следовательно, затрудняется настройка радиоприемника. Поэтому связь с антенной должна быть малой.

Преобразователь частоты - предназначен для линейного переноса спектра принимаемого высокочастотного сигнала в диапазон более низких (промежуточных) частот без изменения характера и вида модуляции. Преобразователь частоты включает в себя смеситель и гетеродин. В смесителе происходит перемножение поступающих на его вход модулированного сигнала и напряжения гетеродина. Результат перемножения содержит составляющие суммарной и разностной частот. Одна из частот является промежуточной.

Гетеродин - это вспомогательный автогенератор, вырабатывающий незатухающие колебания определенной частоты.

Благодаря наличию преобразователя частоты в супергетеродинном приемнике повышается чувствительность и избирательность по сравнению с приемником прямого усиления. Это объясняется тем, что основное усиление и избирательность по соседнему каналу в супергетеродине происходит в каскадах УПЧ и лишь частично в преселекторе - входном устройстве и УРЧ.

Усилитель промежуточной частоты - служит для усиления входного сигнала преобразователя частоты и обеспечения избирательности по соседнему каналу. Обычно промежуточная частота постоянна, что позволяет применить в УПЧ двухконтурные фильтры, обладающие частотной характеристикой, близкой к прямоугольной. Этим обеспечивается высокая избирательность по соседнему каналу при минимальных частотных искажениях полезного сигнала. В УПЧ основной коэффициент усиления осуществляется за счет выбора числа каскадов.

Частотный детектор - служит для преобразования частотно-модулированных колебаний в колебания звуковой частоты.

Усилитель низкой частоты - используется как каскад радиоприемного устройства для усиления результатов детектирования, чтобы получить колебания достаточной мощности для приведения в действие электроакустического прибора - в данном случае громкоговорителя.

4. Разработка принципиальной схемы радиоприемника

На основании эскизного расчета и приведенной структурной схемы разработана принципиальная схема радиоприемного устройства.

Радиоприемник построен по супергетеродинной схеме с использованием двух транзисторов и двух аналоговых микросхем DA1, DA2 и предназначен для приема ЧМ - сигнала с fн - 2,3 мГц. Радиоприем осуществляется на наружную антенну W. В приемнике применен громкоговоритель типа 4ГДШ - 3. При необходимости возможно прослушивание радиопередач на малогабаритный внешний телефон.

Супергетеродинные приемники имеют следующий принцип работы. Эти приемники по сравнению с приемниками прямого усиления имеют более высокую чувствительность и избирательность, что достигается введением в схему дополнительных узлов, таких как преобразователя частоты и УПЧ. С помощью ПЧ и УПЧ высокочастотный сигнал преобразуется в сигнал промежуточной частоты, на которой и происходит усиление сигнала. Величина промежуточной частоты остается неизменной на всех диапазонах радиоволн и не зависит от несущей частоты принимаемого сигнала. В данном приемнике fпр = 465 кГц. Это позволяет применить большее число каскадов и получать высокую чувствительность и избирательность приемника. Преобразователь построен таким образом, чтобы преобразование несущей частоты в промежуточную происходило без изменения закона модуляции сигнала. Промежуточная частота занимает промежуточное положение между несущей частотой принимаемого сигнала и частотой модуляции (звуковой частотой).

Рассмотрим принцип действия радиоприемника по структурной схеме (рис. 1). Принимаемый ВЧ сигнал с частотой f1, принятый антенной, поступает через входное устройство на ПЧ. Входное устройство обеспечивает предварительное выделение, усиление, и избирательность по зеркальному каналу. В ПЧ колебания гетеродина смешиваются в смесителе с колебаниями сигнала. В результате этого на выходе преобразователя получается сигнал промежуточной частоты, промодулированный так же, как и несущая частота. Частота гетеродина обычно выше несущей частоты на величину ПЧ. Перестройка входных цепей гетеродина сигнала и частоты гетеродина всегда остается постоянной. В ПЧ происходит таким образом, что разность несущей частоты сигнала и частоты гетеродина всегда остается постоянной. В ПЧ происходит одновременно и усиление сигнала. Дальнейшее усиление сигнала осуществляется в УПЧ, имеющий в общем случае, один - два каскада. Параметры УПЧ в основном определяют чувствительность и избирательность по соседнему каналу, а также полосу пропускания приемника. С УПЧ сигнал поступает на детектор, служащий для выделения НЧ сигнала, а далее на УНЧ, который усиливает сигнал до требуемой мощности.

Входное устройство

Рисунок 2

Входной контур (рис. 2) ,  и  - широкополосный, настроен на среднюю частоту диапазона 2,3 МГц. Связь контура с антенной W осуществляется с помощью катушки связи и конденсатора . При приеме передач радиовещательных станции сигнал радиочастоты поступает с антенны через конденсатор  на входной контур , , . Выделенный сигнал с конденсатора  через  поступает на вход смесителя собранного на транзисторе VT1. Элементы ,  обеспечивают требуемую добротность контура входного устройства, которая должна быть невысокой.

Входное устройство должно обеспечивать требуемую избирательность по зеркальному каналу. Избирательность по зеркальному каналу. Избирательность по соседнему каналу входное устройство не обеспечивает. Настройка входного устройства на среднюю частоту диапазона 2,4 МГц производится с помощью построечного конденсатора  и регулированием индуктивной связи между  и . Коэффициент усиления входного устройства из эскизного расчета равен двум.

Гетеродин

Рисунок 3

Гетеродин выполнен на транзисторе VT1 и представляет собой автогенератор с автотрансформаторной обратной связью. По постоянному току транзистор выполнен по схеме с ОЭ, и режим его работы определяется элементами , Rб2, Rэ. Коллекторной нагрузкой является катушка L' индуктивно связана с L, L". Баланс амплитуд обеспечивается коэффициентом усиления VT1 и числом витков L, с которых снимается сигнал с обратной связью подаваемый в цепь базы VT1 через конденсатор Ср. Баланс фаз обеспечивается схемой вк4лючения VT1 и трансформаторной обратной связью. Частота генерирующих колебаний постоянна и определяется индуктивностью L, L', L", емкостью конденсаторов Ск, Спар, Сп и равна  МГц. Подстройка частоты генерирующих колебаний производится с помощью подстроечного Сп. Для согласования выхода гетеродина со смесителем применяется специальный контур гетеродина позволяющий решить эту задачу. Напряжение гетеродина снимается с L" и через разделительный конденсатор подается в схему смесителя. Фильтр Rф и Сф предотвращает замыкание переменной составляющей через источник питания.

Смеситель

Рисунок 4

Смеситель собран на транзисторе VT2, по постоянному току, включенному по схеме с ОЭ, и его режим работы определяется элементами , Rб2, Rэ. Для преобразования используется нелинейность перехода б-э. Транзистор играет роль смесителя и усилителя, но коэффициент усиления, называемый коэффициентом преобразования, небольшой. Для согласования выхода гетеродина со входом смесителя.

УПЧ и частотный детектор

Рисунок 5

Согласно данным эскизного расчета число каскадов УПЧ, используемых в схеме приемника составляет два, которые условно заключены в аналоговой микросхеме в аналоговой микросхеме DA1. Сигнал с катушки смесителя, индуктивно связанной с выходным контуром смесителя, поступает на систему двух, индуктивно связанных контуров С1, L1, С2, обеспечивающих требуемую избирательность по соседнему каналу. С выхода контура сигнал поступает на вход ИМС DA1 типа К174УР3 представляющий собой усилитель - ограничитель с частотным детектором и предварительный усилитель НЧ, предназначенный для использования в супергетеродинных ЧМ - приемниках. Микросхема конструктивно оформлена в корпусе типа 201.14-1. Функциональная схема представлена на рисунке 6.

Рисунок 6

Назначение выводов:

- корпус;

, 6 - фазосдвигающий контур (для работы ЧД);

, 5 - выходы ПЧ;

- регулировка напряжения НЧ (производится с помощью R1);

, 10 - выходы УНЧ;

- питание;

, 14 - блокировка;

- вход.

Электрические параметры микросхемы представлены в таблице 1

Таблица 1

- при  мВ;

- при , m = 30%;

- при f = 15 МГц;

4 - при f = 0.

Усилитель низкой частоты

Рисунок 7

УНЧ выполнен на основе аналоговой интегральной микросхемы К174УН9А, включающий в себя предварительный усилитель и усилитель мощности (рисунок 7)

ИМС К174УН9А - УНЧ с номинальной выходной мощностью 5 Вт при нагрузке 4 Ом. Микросхема имеет защиту выхода от коротких замыканий в нагрузке и перегрузке по току. Микросхема конструктивно выполнена в корпусе типа 238.12-1 и имеет следующие назначения выводов:

- питание;

- коррекция;

- обратная связь;

- фильтр;

- вход;

, 10 - общий;

- выход.

Электрические параметры схемы представлены в таблице 2:

Таблица 2

Данная микросхема применяется только с дополнительным тепло отводом. Нагрузкой микросхемы служит громкоговоритель ВА/4ГДШ - 3 сопротивлением 4 Ом.

Питание радиоприемника осуществляется от источника питания (аккумулятора) с U = 12 В. Для питания DA2 используется 12 В. Для питания гетеродина, смесителя, микросхемы DA1 используется 6 В полученное с помощью параметрического стабилизатора VD1, R.

5. Построение спектров

Н = 2,3МГцн = 200 Гцв = 3500 Гцпр = 465 кГц

Из приведенных спектров на входе каскада следует, что на входе антенного устройства действует несколько радиостанций, вернее их сигналов. Задача входной цепи - выделить полезный сигнал из общей массы сигналов и подавать зеркальный канал (отнесенный от основного на двойную промежуточную частоту). С входной цепи сигнал поступает на смеситель, куда одновременно с ним поступает сигнал гетеродина. Разность между входным сигналом и сигналам гетеродина всегда равная промежуточной частоте, которая и выделяется фильтром, стоящим на входе преобразователя частоты. С выхода ПЧ сигнал, в спектре которого уже довольно сильно выделена промежуточная частота, поступает на вход первого усилителя промежуточной частоты, задачей которого является дальнейшее усилие полезного сигнала и подавление сигналов соседних каналов. Для этого на выходе УПЧ стоит полосовой фильтр. Полоса пропускания полосового фильтра должна быть равна ширине спектра сигнала, тогда обеспечивается максимальное подавление соседних каналов. Назначение УПЧ2 , на вход которого поступает сигнал с выхода УПЧ1, аналогично назначению УПЧ1. С выхода УПЧ2 сигнал поступает на частотный детектор, в котором выделяется низкочастотная составляющая спектра сигнала, т.е. та его часть, которая и есть полезный сигнал. С выхода ЧД сигнал поступает на усилитель низкой частоты, функцией которого является усиление сигнала до величины, необходимой для нормальной работы громкоговорителя, являющегося устройством, с помощью которого низкочастотный сигнал преобразуется в звуковые колебания, воспринимаемые ухом слушателя.

Рисунок 8

Список литературы

1.    Молчанова Л.П., Новоселов Ю.В. Радиоприемник с амплитудной модуляцией. Методическое руководство по эскизному расчету и задание на курсовое проектирование. Екатеринбург, 2001.

2.      Горелов Г.В., Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи: Учебник для вузов ж.-д. транспорта, Издательство УМЦ ЖДТ, 2007 - 403 с.

.        Нефедов В.И., Сигов А.С. Основы радиоэлектроники и связи, Москва - высшая школа, 2009 - 735 с.