Выбор преобразователя частоты

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 6Следующая ⇒

Преобразователь частоты супергетеродинного радиоприемника служит для перемещения всего спектра принимаемого сигнала в более низкочастотную область на промежуточную частоту с целью последующего усиления [1]. Перемещаясь, сигнал сохраняет свою форму, спектр и, следовательно, закон модуляции.

В преобразователь частоты входят смеситель и гетеродин.

На смеситель подается принимаемый сигнал и сигнал от гетеродина, где они перемножаются с целью получения разностной частоты, которая и является промежуточной. Промежуточная частота обычна фиксирована для конкретного частотного диапазона. На выходе смесителя выделяется сигнал промежуточной частоты.

При выборе преобразователя частоты следует учитывать следующие требования к нему:

- малый коэффициент шума;

- достаточная линейность преобразования частоты;

- минимум побочных компонентов преобразования (паразитных гармоник);

- высокий коэффициент передачи по мощности;

- слабое просачивание колебаний гетеродина и его шумов как на вход приемника, так и в тракт промежуточной частоты;

- электрическая и механическая прочность, экономичность.

- устойчивость параметров

Для радиоприемника выберем транзисторный преобразователь частоты с внешним гетеродином, как наиболее простой в наладке и расчете и не требовательный к параметрам транзистора.

Схема такого преобразователя частоты приведена на рис 6. Напряжение сигнала подается в цепь базы транзистора VT1, а напряжение гетеродина – в цепь эмиттера. Этим достигается хорошая развязка цепей сигнала и гетеродина.

В коллекторную цепь транзистора VT1 включен резонансный контур, настроенный на промежуточную частоту. С помощью резисторов R1 и R2 подается напряжение смещения на базу транзистора VT1. Резистор Rэ случит для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры окружающей среды. Конденсатор Cэ не пропускает постоянную составляющую тока эмиттера в цепь гетеродина.

Рис 6 – Схема преобразователя частоты с отдельным гетеродином

При выборе гетеродина следует руководствоваться следующими требованиями:

- обеспечение необходимого значения рабочей частоты и перестройки ее в заданном диапазоне;

- стабильность частоты генерируемых колебаний;

- обеспечение необходимой постоянной амплитуды выходного напряжения;

- минимальный уровень гармоник выходного напряжения.

В качестве гетеродина выберем генератор с трансформаторной ОС [1]. Схема гетеродина приведена на рисунке 7.

Рисунок 10 – Схема гетеродина с трансформаторной обратной связью

Колебательный контур гетеродина состоит из конденсатора и катушки индуктивности . Настройка контура осуществляется изменением емкости конденсатора . Резисторы и - делитель напряжения, который выводит транзистор VT1 на рабочую точку. Элементы в эммитерной цепи и служат для термостабилизации каскада. Блокировочный конденсатор обеспечивает защиту каскада от ВЧ помех по питанию.

Электрический расчет приемника

Входная цепь приемника

Входная цепь соединяет антенну или антенно-фидерную систему с первым каскадом приемник (усилителем радиочастоты или преобразователем частоты).

Входные цепи различают:

- по частотным диапазонам: ВЦ приемников умеренно высоких частот (длинных, средних, коротких и метровых волн), ВЦ приемников сверхвысоких частот (дециметровых, сантиметровых, миллиметровых волн);

- по способу настройки контуров: с настройкой на фиксированные частоты и диапазонные ВЦ;

- по виду связи с антенной: ВЦ с индуктивной, емкостной, непосредственной, и комбинированной связью;

- по числу контуров: одноконтурные, двухконтурные, апериодические, многоконтурные;

- по характеру используемой антенны: ВЦ, работающие с настроенной и ненастроенной антенной.

Приемная антенная представляет собой генератор э.д.с. , включенный последовательно с комплексным сопротивлением . Поскольку диапазон частот не является узким, то будем использовать ненастроенную антенну. Учтем, что , тогда эквивалент антенны примет следующий вид:

Теперь выберем связь контура с антенной. Остановимся на внешнеемкостной связи с антенной, так как она проста, может обеспечить достаточно большой коэффициент передачи по напряжению и высокую избирательность.

Перед расчетом нашей ВЦ займемся разбивкой рабочего диапазона на поддиапазоны. При проектировании приемника, предназначенного для работы в широком диапазоне частот, рабочий диапазон частот обычно разбивается на несколько поддиапазонов.

Рассчитаем коэффициент перекрытия всего диапазона

(32),

где и - максимальная и минимальная частоты рабочего диапазона.

Подставив требуемые значения частот в формулу (32) и произведя расчет, получим

Разбивку заданного диапазона на поддиапазоны необходимо производить если коэффициент перекрытия диапазона для диапазонов ДВ и СВ больше величины 2,0…2,5. Так как в нашем случае коэффициент перекрытия диапазона меньше указанной величины, то разбивать заданный диапазон на поддиапазоны нет необходимости.

Теперь рассчитаем одноконтурную ВЦ диапазонного приемника с внешнеемкостной связью с ненастроенной антенной.

Вычисляем максимально допустимую емкость входной цепи:

где - коэффициент перекрытия поддиапазона; и - максимальная и минимальная емкости выбранного блока конденсаторов. Примем и .

Определим индуктивность контура по формуле:

где L измерено в мкГн, f – в МГц, а C – в пФ.

Находим наибольшую емкость связи с антенной , при которой разброс емкости антенны вызывает допустимую расстройку входного контура приемника, полагая, что расстройки, обусловленные разбросом емкостей антенны и входа УРЧ, одинаковые:

;

возьмем и ,

Из условия выберем емкость связи

Вычисляем для коэффициент включения контура к входу УРЧ, при котором обеспечивается требуемая избирательность по зеркальному каналу:

Возьмем параметры первого реактивного элемента приемника равными , , а также , - собственное затухание контура, , тогда

Рассчитываем емкость связи:

Возьмем :

Таким образом, емкость связи .

Определим емкость подстроечного конденсатора:

;

В случае, если , то нужно уменьшить или , или и то и другое. После этого необходимо пересчитать . В нашем случае это не требуется, так как .

Вычисляем коэффициент передачи входной цепи для крайних частот поддиапазона:

, тогда:

УРЧ приемника

Как было показано выше, требуется два УРЧ для обеспечения требуемой избирательности.

Во первых, требуется рассчитать диапазонный УРЧ для коротковолнового диапазона.

Среди однотранзисторных схем с БТ в УРЧ на умеренно высоких частотах наибольшее распространение получила схема с ОЭ, позволяющая получить максимальное усиление номинальной мощности при небольшом уровне собственных шумов.

Выберем схему одноконтурного УРЧ [1, с215].:

Рис 4. Одноконтурный УРЧ

Представим эквивалентную схему УРЧ: [1, с224].

Рис 5. Эквивалентная схема УРЧ

Тогда устойчивый коэффициент усиления такого УРЧ равен:

(33)

K_уст = 9,63

По формуле [1, c231] рассчитаем резонансный коэффициент усиления для данной схемы. Если окажется, что устойчивый коэффициент усиления меньше, то потребуется ввести меры борьбы с обратной связью, чтобы избежать самовозбуждения каскада. Можно также рассчитать каскодную схему. Такая схема имеет значительно меньшую обратную связь, за счет чего при прочих равных условиях позволяет получить высокий устойчивый коэффициент усиления в широком диапазоне частот, по сравнению с рассмотренной схемой с ОЭ.

Выберем коэффициент включения m₁=0.3 [1, с230]:

Вычислим коэффициент включения контура по формуле [1, c231, (5.42)], c заданным

Коэффициент включения должен удовлетворять обеспечению полосы пропускания на минимальной частоте и заданное ослабление зеркального канала на максимальной:

(34)

Выберем коэффициент включения контура m₂= 0.04

Тогда резонансный коэффициент УРЧ равен:

(35)

Этот коэффициент ниже устойчивого, следовательно далее в расчете коэффициента усиления будет использоваться именно он.

Рассчитаем элементы питания каскадов [1, с226] в диапазоне температур

-40…60ºC.

Определяем изменение обратного тока коллектора:

Тепловое смещение базы:

Необходимая нестабильность коллекторного тока:

Вычисляем сопротивления резисторов:

, выберем J_kиз допустимой мощности транзистора J_k=10 мА

Тогда

(С1-4 имп. 0.25 Вт, 5%, 180 Ом)

(С1-4 имп. 0.25 Вт, 5%, 680 Ом)

Делитель напряжения на базе:

J_д>>J_б=J_k/h_21э=0,01/50=0,2 мА

J_д= 7J_б=1,4 мА

U_б= U_д= Е_п*R_д1/( R_д1+ R_д2)

S_t= [(R_д_1* R_д₂)/(( R_д₁₊ R_д₂)* R_э)]+1=5

U_б= U_бэ+ U_э=2,6 В

Решая совместно систему уравнений:

U_д= Е_п*R_д1/( R_д1+ R_д2)

J_д=E_п/( R_д1+ R_д2)

Найдем:

R_д1=1857,6 Ом (С1-4 имп. 0.25 Вт, 5%, 1,8 кОм)

R_д2=4570 Ом (С1-4 имп. 0.25 Вт, 5%, 4,7 кОм)

Конденсаторы:

(К10-17Б М1500 0.033мкФ, 5%)

(К10-17Б М1500 3300пФ, 5%)

Вычислим емкость подстроечного конденсатора [1, c231]:

(36)

(К10-17А, 5%, 47пФ)

- минимальная емкость контура каскада.

- минимальная емкость конденсатора настройки.

- выходная емкость в каскодной схеме

C_L – собственная емкость катушки контура (межобмоточная): 3…5пФ

C_м – емкость монтажа: 5…10пФ

Детектор

В транзисторных приемниках для детектирования непрерывных амплитудно-модулированных сигналов используют диодные и транзисторные детекторы. Из диодных детекторов наиболее предпочтительны последовательные детекторы, так как они имеют бОльшее входное сопротивление. Параллельные же детекторы применяют, если контур последнего каскада УПЧ находится под напряжением питания и сигнал на Д подается через разделительный конденсатор. [1, c368]. Выберем для нашего приемника последовательный АД.

Рис 6. Схема последовательного амплитудного детектора

УПЧ приемника с ФСС

Выше мы оговорили, что проектировать УПЧ можно как с распределением избирательности, так и используя ФСИ.

В силу обеспечения большей надежности и избирательности при наименьших затратах на расчет, электронные компоненты выберем ФСИ.

При использовании ФСИ обычно проектируют УПЧ по схеме:

АУПЧ - апериодический усилитель ПЧ, РУПЧ - резонансный усилитель ПЧ

Апериодический транзисторный каскад имеет устойчивость не хуже каскодной схемы, дает большее усиление и проще в настройке. В связи с этим каскодная схема в промышленных транзисторных приемниках распространения не получила.

При выборе ФСИ следует обратить внимание на необходимое ослабление по соседнему каналу, которое он создает, а так же на ослабление в полосе пропускания (см (7)).

В качестве ФСС выберем кварцевый фильтр ФП1П1-60,02 на частоту 465кГц.

Основные параметры:

Центральная частота кГц: ……………………………………………………………...….465±2

Полоса пропускания по уровню 6 дБ, кГц………………………………………………… 8-11

Затухание дБ, не менее, в полосе задерживания (± 300 кГц)……………………………… 40

Вносимое затухание, дБ, не более………………………………………………………………6

Ширина полосы пропускания соответствует вычисленной (1).

Согласно ТЗ требуется обеспечить избирательность по соседнему каналу 40 дБ, а фильтр ФП1П1-60,02 дает ослабление соседнего канала 40 дБ. Следовательно, такой фильтр ФП1П1-60,02 обеспечит требуемую избирательность. Благодаря тому, что на параметры ФСС слабо зависят нагрузки фильтра (то есть проводимости апериодического усилителя), его можно подключать непосредственно к базе АУПЧ (рис 8):

Рис 8. Смеситель с использованием ФСC

Рассчитаем коэффициент усиления каскада с ФСС (смесителя) по методике из [1, с295].

(37)

где - конструктивное затухание контура смесителя.

Показатель связи фильтра с усилителем:

(38)

Мы уже оговорились, что во всех каскада используется транзистор КТ366А. Пересчитаем параметры этого транзистора в режиме преобразования частоты [1]:

(39)

где - выходная проводимость транзистора в режиме преобразования частоты.

- входная проводимость транзистора в режиме преобразования частоты.

(на частоте сигнала ) и – Y-параметры транзистора КТ366А на частоте 465кГц.

Тогда индуктивность контурной катушки:

(40)

Тогда индуктивность контурной катушки будет равна:

Необходимо определить коэффициент включения контура в коллекторную цепь:

(41)

где - номинальное значение входного характеристического сопротивления фильтра ФП1П1-60.

Найдем индуктивность катушки связи фильтра с контуром:

Тогда емкость контура: (42)

где - выходная емкость транзистора КТ366А, - емкость монтажа.

Подставив необходимые значения в формулу (42), получим

(К10-17А М47 100пФ, 5%)

Определим коэффициент усиления преобразователя частоты с ФСИ [1]:

(43)

где - затухание, вносимое фильтром ФП1П1-60 в полосе пропускания;

Получим

Построим УПЧ таким образом: УПЧ будет состоять из нескольких апериодических усилителей [4, c64], обеспечивающих необходимое усиление и резонансный УПЧ, служащий для согласования с детектором, избирательности и усиления. В начале рассчитаем апериодический усилитель на транзисторном каскаде:

Рис 9. Апериодический усилитель

Эквивалентное сопротивление нагрузки, исходя из условия получения максимального коэффициента усиления, считая его равным устойчивому коэффициенту усиления резонансного усилителя:

(44)

Эквивалентное сопротивление нагрузки:

(45)

Величина коллекторного резистора R_к:

1.45кОм (46)

(С1-4 имп. 0.25 Вт, 5% 1.3 кОм)

Выбираем ближайшее меньшее значение резистора 1,3кОм.

Определим реальную эквивалентную проводимость нагрузки каскада:

Коэффициент усиления:

(47)

Рассчитаем элементы термостабилизации каскада:

Для расчета сопротивлений термостабилизации , , зададим величину напряжения и коэффициент нестабильности . На практике величину напряжения выбирают из диапазона 0,7…1,5 В, а величину коэффициента нестабильности = 1,5…4. При расчете будем использовать следующие значения: , .