Предварительный расчет приемника

 

Распределение между трактами приёмника частотных и нелинейных искажений. Частотные искажения создаются всеми каскадами приёмника. Общую величину частотных искажений высокочастотной части приёмника определяют из выражения.

 

М_вч = М_прес + М_фси + М_упч [дБ], (3)

 

где М_вч – общая величина частотных искажений высокочастотной части;

М_прес – частотные искажения преселектора;

М_фси – частотные искажения фильтра сосредоточенной селекции;

М_упч – частотные искажения усилителем промежуточной частоты.

Принимаем значения Мвх.ц = 5, Мфси = 4, Мупч = 3.

 

М_вч = 3 + 4 + 3 = 12 дБ

 

Общая величина частотных искажений приёмника (без искажений, вносимых громкоговорителем)

 

М_общ = М_вч + М_унч, (4)

 

где М_унч – частотные искажения в УНЧ, величина которых 2 – 3 дБ.

Принимаем значение М_унч = 2 дБ.

 

М_общ = 12 + 2 = 14 дБ.

 

Должно выполняться условие

М_общ = М,

 

где М – заданные частотные искажения на весь приёмник.

 

14 дБ = 14 дБ

 

Причиной нелинейных искажений является нелинейность характеристик усилительных приборов и диодов. Наибольшие нелинейные искажения создаются в детекторе и УНЧ. Общую величину нелинейных искажений детектора и УНЧ определяют из выражения  

 

К_г.общ = К_гд + К_гунч, (5)

 

где К_гд – нелинейные искажения в детекторе К_гд= 1 – 2%;

К_гунч – нелинейные искажения в усилителе низкой частоты

Принимаем следующие значения:

 

К_гд = 1%, К_гунч = 5%.

К_г.общ = 1% + 5% = 6%.

 

По результатам расчётов должно выполняться условие

 

К_г.общ ≤ К_г,

 

где – К_г – заданные нелинейные искажения на весь приёмник.

 

6% = 6%.

Определение эквивалентной добротности контуров преселектора и вывод о необходимости применения УРЧ.

В зависимости от заданной величины ослабления зеркального канала определяется минимаотная необходимая добротность контура преселектора. Сначала выбирают минимальное количество контуров и определяют минимальную эквивалентную добротность контура, обеспечивающую заданное ослабление зеркального канала.

 

, (6)

 

где Se_зк – заданное ослабление сигнала зеркального канала в относительных единицах;

n_c – минимальное количество контуров;

f_cmax – максимальная частота сигнала, заданного рабочего диапазона частот, кГц;

f_зк – частота зеркального канала, кГц;

 

f_зк= f_cmax + 2f_пр (7)

 

Принимаем следующие значения n_c = 1, f_cmax = 0,285 МГц, Se_зк = 18

 

f_зк = 0,285×10⁶ + 2 (465×10³) = 0,378 МГц.

Q_эк.зк=Ö18/(0,378×10⁶)²/(0,285×10⁶)²-1=39,4 [дБ]

 

Далее выбирают конструктивную добротность контуров преселектора Q_кон.

Принимаем для диапазона гектометровых волн Q_кон.=100

Должно выполняться условие

 

Q_эк.зк < (0,5 – 0,7) Q_кон, (8)

 

где Q_эк.зк – эквивалентная добротность контура преселектора, дБ;

Q_кон – конструктивная добротность контура преселектора, дБ;

 

Q_эк.зк < 0,6×100

39,4< 60

 

Условие выполняется, следовательно УРЧ в приёмнике не применяется.

Расчёт полосы частот входного сигнала П и максимальной добротности контура входной цепи Q_экп, при которой частотные искажения в заданной полосе не превышают допустимых, полученных при распределении их между каскадами.

 

П = 2 (F_мmax + ∆f_сопр + ∆f_г), (9)

 

где ∆f_сопр – допустимая неточность сопряжения настроек контуров, которую для декаметрового диапазона выбирают 10 – 15 кГц, километрового и гектометрового 3 – 5 кГц;

∆f_г – возможное отклонение частоты гетеродина, равное

 

∆f_г =(0,5 – 1)×10^-3 f_сmax.

 

∆f_г = 0,7×10^-3××0,285×10⁶ = 0,2×10³ Гц

 

Принимаем ∆f_сопр=4 кГц

П = 2 (3,5×10³ + 4×10³ + 0,2×10³) = 15,4×10³ Гц

 

Значение Q_экп определяем по формуле

 

, (10)

 

где М – частотные искажения преселектора;

П – полоса частот, кГц;

f_сmin – минимальная частота сигнала, МГц;

При отсутствии в прёимнике УРЧ

 

М = М_прес/2,

 

Так как УРЧ в приёмнике не применяется, то

 

М = 5/2 = 2,5

 

Q_экп=0,285×10⁶Ö2,5²-1/15,4×10³=42,4 [дБ]

 

Должно выполняться условие

 

Q_экп >Q_экзк (11)

 

42,4 > 39,4

 

Условие выполняется.

Если условие выполняется, то принимаем рассчитанная Q_экп.

Затем выбирают блок конденсаторов переменной ёмкости, двух- или трёхсекционный, в зависимости от количества контуров, настраиваемых на частоту принимаемого сигнала.

Для расчёта числа поддиапазонов определяют коэффициент диапазона К_д, который может обеспечить выбранный конденсатор переменной ёмкости, и требуемый коэффициент диапазона по частоте К_д.с:

 

, (12)

 

где С_сх – принимается диапазонах гектометровых волн 25 – 30 пФ.

Для расчёта принимаем следующие значения С_сх = 25 пФ, C_кmin = 12 пФ, C_кmax = 495 пФ.

 

________________

К_д=Ö495+25/12+25=3,7

 

Затем определяем значение К_д.с по формуле:

 

К_д.с = f '_cmax/f '_cmin, (13)

 

f '_cmax = 1,02 f_cmax, (14)

f '_cmin = f '_cmin/1,02, (15)

f '_cmax = 1,02×0,285×10⁶=0,2907 МГц

f '_cmin =0,285×10⁶/1,02=0,279 МГц

К_д.с = 0,2907 / 0,279 =1,04

 

Если К_д ≥ К_д.с, то в приёмнике применяется 1 диапазон. Если К_д ≤ К_д.с, то заданный диапазон частот входного сигнала следует разбить на поддиапазоны.

 

К_д > К_д.с,

 

3,7 > 1,04.

 

Условие выполняется, следовательно, в приёмнике достаточно иметь один диапазон.

Выбор схемы детектора и типа диода. Выбираем последовательную схему диодного детектора.

Так как по заданным техническим условиям проектируемый приёмник можно отнести ко второму классу, то в соответствии принимаем значения

U_вхd = 0,3 В, K_d = 0,4.

Напряжение на выходе детектора рассчитываем по формуле:

 

U_выхd = K_dmU_вхdk, (16)

 

где k = 0,5 – 0,6 – коэффициент, учитывающий потери части выходного напряжения детектора на резисторе,

m = 0,3 – коэффициент модуляции.

Задаёмся следующими коэффициентами k = 0,5, m = 0,3.

 

U_выхd = 0,3×0,4×0,5×0,3 = 0,018 В

 

Выбираем точечный диод типа Д9Б.

Определение необходимого коэффициента усиления от входа до детектора. Для преобразования частоты выбираем транзистор КТ357А для которого f_т=80 МГц, Е_кмах =10В. Проверяем выполнения условий.

 

f_мах=0,1 f_т=0,1×80=8 МГц

U_к =12В>Е_и=9В

 

где f_мах – максимальная частота заданного рабочего диапозона частот;

f_т – предельная частота усиления тока для схемы с общим эммитером при котором h_21э=1

U_к - предельно допустимое напряжение на коллекторе транзистора

Условие выполняется, следовательно, транзистор выбран правильно. Из справочника для транзистора КТ357А выписываем основные параметры:

 

I_к =10мА, U_к=6В, h_21э=120, С₁₂=4пФ, S =│Y_21э│ = 26 мА/В.

 

Определяем входное сопротивление транзистора в режиме преобразования

 

Rвх = 1/0,8g_11э (17)

Rвх=1/0,53×10^-3= 1,8 кОм

 

Определяем характеристическое сопротивление контура на частоте f '_cmax

 

ρ_max = 159/f_cmax [МГц]× (C_кmin + C_сх) [пФ], (18)

ρ_max = 159/0,285×(12 + 25) = 15,14 кОм

 

Определим эквивалентное и конструктивное затухание контура:

d_эп = 1/Q_эп; (19)

d_кон = 1/Q_кон; (20)

d_эп = 1/11,3=0,088;

d_кон = 1/100=0,01.

 

Определяем коэффициент включения контура m₁ по формуле

 

, (21)

 

где R_вх – входное сопротивление транзистора 1 каскада радиоприемника;

r_max – характеристическое сопротивление контура;

d_эп и d_кон – затухание контура.

 

________________________

m₁=Ö(0,088–0,01)×1,8 /15,14=0,096

 

Напряжение сигнала на входе первого каскада радиоприёмника можно определяется по формуле:

 

U_вх = Eh_дQ_эк.пm₁, В, (22)

 

где E – напряжённость электрического поля в точке приёма В/м, равная 100мкВ;

h_д – действующая высота магнитной антенны, равная 0,02 – 0,04 м;

Q_эк.п – максимальная добротность контура входной цепи, дБ;_{_}

Принимаем действующую высоту антенны h_д = 0,03 м

U_вх = 120∙10^-6×^×0,03×0,096×42,4 =0,14 мВ.

 

Необходимый коэффициент усиления при приёме сигнала на магнитную антенну определяется по формуле

 

К_н = (U_вхd/ U_вх)×10⁶, (23)

К_н = (0,3/0,14∙10^-6)×10⁶=2142

 

Необходимый коэффициент усиления К_н' берут с запасом из-за разброса параметров транзистора, неточной настройки контуров и т.д.:

 

К_н' = (1,4 – 2) К_н., (24)

 

где К_н – необходимый коэффициент усиления;

К_н' – необходимый коэффициент усиления с запасом.

 

К_н' = 2×2142=4284

 

Определение числа каскадов УПЧ. Для определения числа каскадов УПЧ необходимо знать коэффициенты передачи входной цепи и преобразователя частоты.

Принимаем коэффициент передачи входной цепи приёмника – 2

Коэффициент усиления ПЧ, нагруженного на фильтр сосредоточенной избирательности, рассчитывают оп формуле:

 

К_пч = m₁m₂K_фY_21пчR, (25)

 

где m₁ – коэффициент включения нагрузки в коллекторную цепь смесителя m₁= (0,6 – 0,8); принимаем m₁=0,7

m₂ – коэффициент включения нагрузки в цепь базы первого УПЧ

m₂= (0,1 – 0,2); принимаем m₂=0,15

Y_21пч – крутизна характеристики транзистора в режиме преобразования, мА/В;

 

Y_21пч = 0,5×Y_21э, (26)

 

где R = (10 – 15)×10³ Ом – характеристическое сопротивление контуров фильтра сосредоточенной селекции; принимаем R=12кОм

K_ф = 0,2 – 0,25 – коэффициент передачи ФСИ; принимаем K_ф = 0,25

 

Y_21пч = 0,5×26 = 13 мА/В;

 

Приняв следующие значения m₁ = 0,7; m₂ = 0,15; K_ф = 0,25; R = 12кОм определяем коэффициент усиления ПЧ

 

К_пч = 0,7×0,15×0,25×0,013×12×10³ = 4,095

 

Для определения коэффициента усиления каскада УПЧ рассчитывают устойчивый коэффициент усиления по формуле

 

, (27)

 

где Ск – проходная ёмкость транзистора, принимаем 4 пФ;

f_пр – промежуточная частота, равная 465кГц;

Y_21Э – крутизна характеристики транзистора, мА/В

В каскаде УПЧ применяем транзистор КТ 357А

Рассчитываем устойчивый коэффициент усиления УПЧ

К_упчуст=6,3Ö26×10^-3/465×10³×4×10^-12=23,54

 

Необходимое количество каскадов УПЧ определяется по формуле

 

N_упч =(lg К_н' – lg К_пч)/lg К_упчуст, (28)

N_упч =(lg 4284 – (lg 4,095+lg 3+lg2) /lg 23,54 =1,63

 

Таким образом, для обеспечения заданной чувствительности приёмника должно быть 2 каскада УПЧ.

Избирательность по соседнему каналу Se, создаваемую входной цепью приёмника определяем по формуле:

 

, дБ, (29)

 

где N – число каскадов УРЧ;

∆f – стандартная расстройка, равная 9 кГц для километрового; гектометрового и декаметрового диапазонов;

f_cmax – максимальная частота сигнала, МГц;

Q_эк. – ранее выбранная добротность контуров входной цепи и УРЧ

 

____________________________

Se¢=(0+1) 20lgÖ1+2×9×10³×1,17/0,285×10⁶=1,7 дБ

 

Избирательность по соседнему каналу Se_фси, которую должен обеспечить ФСИ определяется по формуле

 

Se_фси = Se – (Se' + Se_упчобщ), [дБ] (30)

где Se – заданная избирательность по соседнему каналу, [дБ]

 

Se_фси = 45 – (0,17 + 6) = 38,83 дБ

 

Выбираем тип пьезокерамического фильтра, у которого избирательность по соседнему каналу не менее полученного выше значения и полоса пропускания

 

П_фси = П/α, (31)

 

где α = 0,8 – 0,9 – коэффициент расширения полосы.

 

П_фси = 15,4/0,8 = 19,25кГц

 

В качестве нагрузки преобразователя частоты используется ФСИ, состоящий из пьезокерамических-звеньев, то необходимо определить количество звеньев (n_фси), при котором будут обеспечиваться частотная избирательность Se_фси и полоса пропускания П_фси. Для определения количества звеньев фильтра рассчитывают необходимую эквивалентную добротность контуров ФСИ:

 

Q_эк.фси = (2×√2)×465/ П_фси, (32)

Q_эк.фси = (2×√2)×465/12,5 =68,32

 

Должно выполняться условие

 

Q_эк.фси < (0,6 – 0,8) Q_конфси. (33)

 

где Q_конфси = 200 – максимальная добротность контуров ФСИ

68,32< 0,8×200

 

68,32 < 160

 

Относительную расстройку α_е и обобщённое затухание β_е находим по формулам:

 

α_е = 2∆f/П_фси; (34)

β_е = 2fпр/(Q_эк.фси×П_фси). (35)

α_е = 2×9/19,25 = 0,93;

β_е = 2×465/(68,32×19,25) = 0,7

 

По семейству обобщённых резонансных характеристик для полученных значений α_е и β_е определим избирательность по соседнему каналу на одно звено фильтра: Se₁ = 6,5 дБ.

Определяем количество звеньев ФСИ по формуле:

 

n_фси = Se_фси/ Se₁, (36)

n_фси = 38,83/6,5 =4,18

 

Применяем 5 звеньев ФСИ

В результате предварительного расчета ВЧ – трака приемника получилось:

5 звеньев фильтра сосредоточенной избирательности, каскад усилителя радиочастоты по расчету отсутствует, в качестве регулируемых каскадов используем первый и последний каскады УПЧ, т.е. один апериодический, другой резонансный.

 

n_н = Д – В, (37)

где Д – заданное изменение сигнала на входе приёмника, [дБ];

В-заданное изменение сигнала на выходе приёмника, [дБ].

Согласно ГОСТ 5651–76, для стационарных радиовещательных приёмников 2‑го класса Д = 30 дБ, В = 10 дБ.

Рассчитываем необходимые пределы изменения коэффициента усиления регулируемых каскадов

n_н = 30 – 10 = 20 дБ.

Считая, что регулируемые каскады идентичны, определяют необходимое количество регулируемых каскадов:

 

N_ару = n_н/20lgn. (38)

 

Задаёмся изменением коэффициента усиления одного регулируемого каскада n = 10 и определяем количество регулируемых каскадов

N_ару = 20/20lg10 = 1.

В результате предварительного расчета приемника получилось:

5 звеньев фильтра сосредоточенной избирательности, каскад усилителя радиочастоты по расчету отсутствует, в качестве регулируемого каскада используем УПЧ, каскад будет резонансный.

Выбор и обоснование структурной схемы усилителя низкой частоты.

Схему выходного каскада выбираю из следующих данных:

Так как выходная мощность 0,25 Вт, берем схему класса А-В на мощном транзисторе. Выбираем транзистор из справочника КТ 818Б.

Определим максимальную мощность рассеивания на коллекторе транзистора одного плеча усиления.

 

Рк = 0,6×Рвых/hтрx (39)

Рк = 0,6×0,25/0,7×0,8 = 0,26 Вт

где hтр - коэффициент трансформации равное (0,7-0,8);

x - коэффициент использования напряжения источника питания равное (0,8-0,9).

Выбираем hтр = 0,7; x = 0,8

 

Рвых. = Рвых./2 (40)

Рвых. = 0,25/2 =0,125 Вт

 

Определяем коэффициент усиления мощности УНЧ.

 

Крунч = Рвых / Рвх (41)

Крунч = 0,125/10×10^-6= 12500

 

где Рвх = мощность сигнала низкой частоты потребляемой входной цепью УНЧ.

Для промышленных приемников не превышает 10-20 мВ. При входном сопротивлении транзисторного каскада порядка 500 Ом.

Выбираем Рвх = 1мкВт.

Рассчитать коэффициент усиления мощности и число каскадов предварительного усиления.

 

Крпред = Крунч / Крвых (42)

 

Крпред = 125×10³/100 = 125

 

Определяем число каскадов

 

n = Крпред / Кр (43)

n = 150/100 = 1,25

 

Таким образом, выбираем два каскада усилителя низкой частоты.