Курсовая работа: Устройства преобразования и обработки информации

КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО РЫБОЛОВСТВУ

АСТРАХАНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И КОММУНИКАЦИЙ

Кафедра «Связь»

Курсовая работа

по дисциплине:

«Устройства преобразования и обработки информации»

Вариант №98

Выполнила:

ст. гр. ДИМ–41

Баркова Е.А.

Проверил:

Лихачев Е.В.

Астрахань 2010

1. Исходные данные

Последняя цифра студенческого билета: 8

Предпоследняя цифра студенческого билета: 9

Диапазон частот: 25600 - 26100 кГц

Тип приемника: КВ-2

Вид модуляции: АМ

Подробный расчет: ВЧ

Чувствительность E_A = 40 мкВ

Избирательность по зеркальному каналу: не менее 12 дБ

Избирательность по соседнему каналу: 46 дБ

Диапазон воспроизводимых звуковых частот: не уже 125 ¸ 4000 Гц

Напряжение источника питания: 14 В

Максимальная рабочая температура: 40 °С

2. Разработка структурной схемы РПрУ

Рис. 1. Укрупненная структурная схема одноканального РПрУ

Схема содержит приемную антенну (А), радиотракт (РТ), детектор (Д), в который могут входить устройства обработки сигналов, последетекторный тракт (ПДТ) и воспроизводящее устройство (ВУ).

Радиотракт приемника служит для усиления принимаемых сигналов и обеспечения частотной избирательности с целью ослабления внеполосных помех, строится в основном по супергетеродинной схеме с одним преобразованием частоты. Детектор предназначен для создания напряжения, изменяющегося в соответствии с законом модуляции полезного сигнала. Необходимый тип детектора определяется видом модуляции сигнала. При AM используется амплитудный детектор. Последетекторный тракт служит, в первую очередь, для усиления продетектированного напряжения до величины, необходимой для нормальной работы воспроизводящего устройства. Воспроизводящее устройство (ВУ) служит для воспроизведения сообщения. Тип ВУ зависит от вида сообщения.

Составление подробной структурной схемы приемника удобно начать с выбора промежуточной частоты f _ПР , который связан с выполнением целого ряда противоречивых требований.

Номинал промежуточной частоты стандартизован и для радиовещательных приемников АМ сигналов согласно ГОСТ составляет:

f _ПР = 465 кГц – для приемников АМ сигналов.

Расчет полосы пропускания приемника.

Для начала рассчитаем частоту гетеродина: , где f _В – верхняя частота заданного диапазона. .

Абсолютное отклонение частоты гетеродина рассчитано по формуле: , .

Полоса пропускания всего высокочастотного тракта приемника: . В случае приемников AM сигналов полоса частот П_С , занимаемая спектром сигнала равна удвоенной высшей частоте модуляции F_В , т.е. .

. Тогда, получим: .

Определим полосу пропускания радиочастотного тракта (преселектора) П_РЧ , учитывая погрешность сопряжения для КВ частот настроек контуров цепей сигнала и гетеродина: .

Найдем допустимый коэффициент шума радиотракта Ш _ДОП , определяемый заданной чувствительностью приемника Е _А и к возможности его обеспечения: ,

где – постоянная Больцмана;

– стандартная температура;

– полоса пропускания РТ для шумов;

– сопротивление антенны (в первом приближении);

– коэффициент различимости.

Получим: .

Для реализации заданной чувствительности реальный коэффициент шума РТ Ш, определяемый его структурой, не должен превышать допустимого значения, т.е. должно выполняться условие: .

Определим реальный коэффициент шума РТ при различных вариантах его выполнения:

Радиотракт не включает УРЧ: , где – коэффициент шума преобразователя частоты (ПЧ), – коэффициент шума усилителя промежуточной частоты (УПЧ), – коэффициент усиления по мощности ПЧ, – коэффициент передачи по мощности ВЦ. Тогда реальный коэффициент шума равен: . Так как мы получили приемлемый коэффициент шума, т.е. соответствует заданному условию, то каскад УРЧ можно не включать в структуру РТ.

При большой величине Ш_ДОП (больше 20) условие его обеспечения не вызывает каких-либо трудностей и поэтому практически не оказывает влияния на выбор типов и параметров каскадов РТ.

Выбор типов и расчет параметров селективных цепей РТ начнем с радиочастотного тракта (преселектора), состоящего в общем случае из ВЦ и УРЧ. Задача состоит в выборе числа и типа селективных систем преселектора (чаще всего в качестве селективных систем здесь используются одиночные контуры) и расчет их требуемой эквивалентной добротности Q_Э , исходя из заданной избирательности приемника по зеркальному каналу Sе_зк и обеспечения требуемой полосы пропускания этого тракта П_РЧ при допустимом уровне частотных искажений или неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

Требуемая эквивалентная добротность Q_Э рассчитывается, исходя из допустимой неравномерности АЧХ в полосе пропускания Q_ЭП , затем для заданной избирательности по зеркальному каналу Q_ЭЗ (или наоборот). Значение Q_Э выбирается так, чтобывыполнялось условие:

Вначале убедимся, что одного одноконтурного фильтра в преселекторе недостаточно для реализации требуемой Sе_зк . Для этого найдем эквивалентную добротность этого контура Q_ЭЗ :

где - относительная расстройка по зеркальному каналу на верхней частоте диапазона; - частота зеркального канала. . Далее вычисляем : и подставляем в формулу эквивалентной добротности зеркального контура:

Так как Q_ЭЗ оказалось больше 100, что нереализуемо, поэтому считаем, что в преселекторе используется два одинаковых одиночных контура, для которых необходимо рассчитать требуемую эквивалентную добротность.

Добротность каждого контура, исходя из общей неравномерности, определяем из выражения: , где – нижняя частота заданного диапазона (рассматривается наихудший случай), а - допустимая неравномерность АЧХ в полосе радиочастотного тракта для КВ (в разах). Тогда получим: .

Затем переходим к расчету Q_ЭЗ , исходя из заданной Se_ЗК . Требуемая эквивалентная добротность каждого контура определяется по формуле:

Выбранная после расчета Q_ЭП и Q_ЭЗ эквивалентная добротность контуров Q_Э согласно условию должна быть реализуемой. В диапазоне КВ Q_Э £80. Следовательно, Q_Э выбираем равной50 Дб.

Далее переходим к выбору селективных систем тракта промежуточной частоты (ТПЧ).

В радиовещательных приемниках в настоящее время для формирования требуемой полосы пропускания и хорошей избирательности по соседнему каналу широкое применение находят фильтры сосредоточенной селекции (ФСС), называемые также фильтрами сосредоточенной избирательности (ФСИ).

Перед проведением расчета следует проверить целесообразность применения ФСИ. Для этого собственную конструктивную добротность контуров ФСИ сравниваем с требуемой , необходимой для осуществления ФСИ, и выполняем условие:

где f_пр – промежуточная частота; а П – рассчитанная ранее полоса пропускания ТПЧ. Рассчитываем :

Приняв конкретное значение конструктивной добротности контуров для включения ФСИ , вычислим вспомогательные величины:

- расстройку соседнего канала относительно полосы пропускания:

где для приемников АМ сигналов

обобщенное затухание ФСИ

Затем по графику (рис. 2) определяем ослабление соседнего канала, даваемое одним звеном ФСИ , и рассчитываем требуемое количество звеньев ФСИ, округлив N до ближайшего большего целого числа:

Рис. 2. Графики для расчета ФСИ

При и ослабление соседнего канала, даваемое одним звеном ФСИ равно 5,8 Дб. Теперь рассчитаем требуемое количество звеньев ФСИ:

После выбора селективных цепей переходим к предварительному расчету коэффициента усиления приемника и распределению его по трактам высокой и промежуточной частоты.

В транзисторных приемниках AM сигналов, как правило, используют диодный детектор. Для качественного детектирования АМ сигналов с малыми нелинейными искажениями, т.е. для линейной работы диодного детектора, на его вход надо подавать уровень амплитуды сигнала порядка(принимаем 0,75 В). Тогда необходимый общий коэффициент усиления высокочастотного тракта приемника до детектора при заданной чувствительности приемника:

Для проверки достаточности коэффициента усиления структурной схемы приемника рассчитаем ориентировочный общий коэффициент усиления как произведение коэффициентов усиления отдельных каскадов:

, где для входной цепи , для резонансного УРЧ , для преобразователя частоты , для каскодной схемы ;

и убедились в том, что он не меньше требуемого коэффициента усиления.

При выполнении этого условия предварительный расчет коэффициента усиления можно считать законченным.

В результате проведенного расчета получаем структурную схему проектируемого приемника (рис.3). В большинстве случаев она содержит следующие функциональные блоки: входную цепь (ВЦ), на которую принимаемый сигнал поступает от внешней или внутренней (магнитной) антенны; усилитель радиочастоты (УРЧ); преобразователь частоты (ПЧ), в состав которого входят смеситель (См) и гетеродин (Гет) и в котором происходит преобразование принимаемой частоты сигнала в постоянную промежуточную частоту; фильтр сосредоточенной селекции (избирательности) (ФСС), реализующий требуемую полосу пропускания высокочастотного тракта и избирательность по соседнему каналу и который может включаться не только сразу после ПЧ, но и между каскадами УПЧ; усилитель промежуточной частоты (УПЧ), осуществляющий основное усиление сигнала; амплитудный детектор (АД); усилитель звуковой (низкой) частоты (УЗЧ); между АД и УЗЧ может включаться специальный каскад, согласующий выход детектора и вход отдельного УЗЧ, называемый согласующим УЗЧ (СУЗЧ).

Рис.3 Возможная структурная схема приемника AM сигналов

На выходе приемника включается акустическая система (АС), в качестве которой может быть и отдельный громкоговоритель. В приемниках АМ сигналов обязательным является применение автоматической регулировки усиления (АРУ) для поддержания примерно постоянного уровня сигнала на выходе при его изменениях на входе. В приемнике предусматриваются ручные регулировки или органы управления (Упр) для перестройки приемника по частотному диапазону и для настройки на нужную радиостанцию, а также для изменения громкости и тембра звучания. Совокупность функциональных блоков приемника от антенны, включая детектор, образуют так называемый линейный тракт приемника (ЛТП), и предметом проектирования является как раз проектирование линейного тракта.

После составления структурной схемы радиоприемника или параллельно с ним выбирают тип усилительных приборов.

3. Разработка принципиальной схемы приемника

Согласно варианту следует рассчитать входную цепь приемника АМ сигнала, усилитель радиочастоты (УРЧ), преобразователь частоты (ПЧ).

3.1. Расчет входной цепи приемника АМ сигнала

Схема входного контура АМ тракта приемника КВ приведена на рис. 4. Расчет входного контура и элементов связи ведется вследующем порядке. Вначале выбираем переменный конденсатор для перекрытия заданного диапазона частот. Для настройки контура на частоту принимаемого сигнала выберем конденсатор переменной ёмкости с механическим управлением (КПЕ), так как использование варикапов может привести к росту нелинейных искажений при большом уровне помех, при этом становятся известны его минимальная и максимальная емкость (, ).[1] Определим коэффициент перекрытия диапазона: .

Рис. 4. Схема входного устройства с емкостной связью с антенной

- конструктивная добротность контура[2]

- эквивалентная добротность в диапазоне частот 6-30 МГц

Определим эквивалентную емкость схемы ВЦ, при которой выбранный элемент настройки обеспечит перекрытие диапазона:

пФ.

Находим эквивалентную емкость контура ВЦ (для диапазона КВ пФ):

пФ.

Определим один из параметров контура входного устройства - минимальную эквивалентную емкости контура:

- минимальная емкость переменного конденсатора, пФ;

- емкость катушки, для диапазона КВ выбираем пФ;

- емкость монтажа, для диапазона КВ выбираем пФ;

- среднее значение емкости подстроечного конденсатора;

пФ.

В качестве усилительного прибора первого каскада усилителя радиочастоты целесообразно выбираем полевой транзистор 2П305Б, его входная емкость равна пФ, тогда:

пФ.

Определим максимальную эквивалентную емкость:

пФ.

Вычислим индуктивность входного контура:

мкГн.

Выбираем связь антенны с контуром емкостную в режиме удлинения:

Антенна – внешняя с действующей высотой м, пФ.

Определим емкость конденсатора связи ВЦ:

где - коэффициенты, характеризующие возможные отклонения емкости, индуктивности и сопротивления от средних значений ().

нФ.

Коэффициент передачи входной цепи с антенной равен:

3.2. Расчет усилителя радиочастоты (УРЧ)

В диапазоне КВ наибольшее распространение получили транзисторные схемы, которые позволяют получить наибольшее усиление и уменьшить коэффициент шума приемника.Рассмотрим схему УРЧ на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 5).

Рис. 1 . Схема резонансного УРЧ с электронной перестройкой

Одним из подходящих транзисторов является КТ-315A. Его справочные данные:[3]

Структура	U_кэ	U_эб	I_к	I_б	P	P_max	T	f	h₂₁
n-p-n	25 В	6 В	100 мА	50 мА	100 мВт	150 мВт	100 °С	250 МГЦ	250

Расчет УРЧ производится после расчета схемы питания и стабилизации. Так как параметры используемых транзисторов известны, то расчет сводится к определению коэффициентов включения и элементов связи транзистора с контуром и нахождению коэффициента усиления.

Рассчитаем коэффициенты включения транзистора в контур УРЧ и следующего транзистора по формулам:

, ,

где - эквивалентное затухание контура УРЧ, которое известно из предварительного расчета, ;

- собственное конструктивное затухание контура УРЧ, ;

- характеристическое сопротивление контура УРЧ, Ом;

- выходное сопротивление транзистора УРЧ, Ом;

- входное сопротивление транзистора смесителя преобразователя частоты, Ом.

Тогда коэффициенты включения транзисторов в контур УРЧ и равны:

Найдем резонансный коэффициент усиления УРЧ:

где - крутизна транзистора на рабочей частоте;

- эквивалентное резонансное сопротивление контура УРЧ.

Для расчета используем следующую формулу:

Ом.

Тогда коэффициент усиления УРЧ равен:

После расчета коэффициента усиления проверим каскад УРЧ на устойчивость. Для этого сравним полученный коэффициент усиления каскада с устойчивым коэффициентом усиления . Должно выполняться условие: .

Вычислим устойчивый коэффициент усиления:

где - коэффициент запаса устойчивости;

- рабочая частота (обычно устойчивость проверяется на верхней частоте диапазона и поэтому );

- проходная емкость транзистора, например, для схемы с общим эмиттером это емкость между электродами коллектор - база.

;

Условие устойчивости выполняется.

3.3. Расчет преобразователя частоты (ПЧ)

В последнее время все большее распространение получают преобразователи частоты на полевых транзисторах благодаря некоторым преимуществам перед биполярными транзисторами: более высокое входное и выходное сопротивление, более низкий коэффициент шума, меньше различных нелинейных явлений и искажений приемника и т.д. Преобразователи частоты на полевых транзисторах наиболее часто строятся по схеме с общим истоком для сигнала, т.е. с подачей напряжения сигнала на затвор, а напряжения гетеродина на исток полевого транзистора.

Рис. 6. Схема преобразователя частоты на полевом транзисторе

Расчет преобразователя частоты сводится:

- к выбору рабочей точки, т.е. к выбору режима транзистора смесителя по постоянному

току,

- к определению коэффициента усиления преобразователя,

- к выбору и расчету элементов связи преобразователя частоты с входными и выходными

цепями;

- к определению амплитуды напряжения гетеродина, подводимого к смесителю.

Рекомендуемыми типами полевых транзисторов для применения в курсовой работе являются КП305, 2П303, КП306, КП307, КП350, 2П350 и др.

Справочные данные по транзистору КП305Д:[4]

С_зи	С_зс	С_си	R_зи	R_зс	R_си	R_и	U_зи.отс	S
5 пФ	0,8 пФ	6 пФ	10¹⁰ Ом	50 Ом	10⁵ Ом	50 Ом	3 В	12 мА/В

Рассчитаем параметры транзистора:

; Ф

Расчет преобразователя частоты целесообразно начать с выбора рабочей точки транзистора смесителя (найдено из проходной характеристики): I_р.т. = 3 мА.

При этом напряжение смещения, определяющее рабочую точку, можно принять равным . Учитывая, что преобразователи частоты работают при малых уровнях сигнала (), можно считать, что амплитуду напряжения гетеродина надо выбирать такой величины, чтобы она не превышала напряжения смещения, т.е. В.

Рассчитаем оставшиеся элементы схемы.

Примем R₁ = 250 кОм, R₃ = 450 кОм, R₂ рассчитаем как Ом.

Рассчитаем емкости C₁ и C₂ :

Коэффициент усиления: . [5]

Заключение

В данном курсовом проекте разработана и обоснована структурная схема; спроектированы и рассчитаны элементы принципиальной схемы радиовещательного приемника частотно-модулированных сигналов диапазона СВ.

Подробный расчет производился частично в соответствии с вариантом. Спроектированная схема приемника удовлетворяет требованиям, приведенным в задании. Подробный расчет коснулся входной цепи (ВЦ), усилителя радиочастоты (УРЧ), а также преобразователя частоты (ПЧ).

Входная цепь для диапазона АМ сигнала представляет собой схему входного контура с магнитной антенной и трансформаторной связью с первым усилительным прибором; рассчитаны параметры схемы: индуктивность входного контура , индуктивность контурной катушки, где использован ферритовый стержень марки 400НН, величину собственной конструктивной добротности антенной катушки и контура, резонансный коэффициент передачи входной одноконтурной цепи с ферритовой антенной.

Усилитель радиочастоты рассчитан с помощью схемы резонансного УРЧ с электронной перестройкой (с общим эмиттером), так как она обеспечивает наибольшее усиление полезного сигнала. Взяв параметры используемого биполярного транзистора - КТ-306A, рассчитаны коэффициенты включения и элементы связи транзистора с контуром, коэффициент усиления; проверена схема на устойчивость(сравнение резонансного коэффициента усиления с устойчивым коэффициентом усиления).

Расчет преобразователя частоты проводился с помощью схемы на полевом транзисторе (используемый полевой транзистор-2П303); в результате выбрана рабочая точка (т.е. выбран режим транзистора смесителя по постоянному току), определён коэффициент усиления преобразователя, выбран и рассчитан элемент связи преобразователя частоты с входными и выходными цепями, определена амплитуда напряжения гетеродина, подводимого к смесителю.

Список литературы

1. Устройства преобразования и обработки информации в системах подвижной связи. Задания на курсовой проект и методические указания по выполнению для студентов очной формы обучения. – 2009.

2. Головин О.В. Радиоприемные устройства. - М.: Высшая школа, 1987.

3. Горшелев В.Д. и др. Основы проектирования радиоприемников. - Л.: Энергия, 1977.

4. Калихман С.Г., Левин Я.М. Радиоприемники на полупроводниковых приборах. Теория и расчет. - М.: Связь, 1979.

5. Калихман С.Г., Шехтмая Б.И. Цифровая схемотехника врадиовещательных приемниках. - М.: Радио и связь, 1988.

6. Кононович Л.М. Современный радиовещательный приемник. - М.: Радио и связь, 1986.

7. Проектирование радиоприемных устройств / Под ред. А.П. Сиверcа. - М.: Советское радио, 1976.

8. Радиоприемные устройства / Под ред. Л.Г. Барулина. - М.: Радио и связь, 1984.

9. Головин О.В. Радиоприемные устройства. – М.: Высшая школа, 1997.

10. Бобров Н. В. Расчет радиоприемников. – М., Радио и связь, 1981 – с. 120

11. Резисторы. Справочник. Под ред. И.И. Четвертакова и В.М. Терехова. – М.: Радио и связь, 1991.

12. Конденсаторы. Справочник. Под ред. И.И. Четвертакова и М.Н. Дьяконова. – М.: Радио и связь, 1993.

[1] http://www.radiosait.ru/page_499.html, Афанасьев Г.Ф. Курсовое проектирование каскадов главного тракта приёма радиосигналов: Учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2006.

[2] Сиверс А.П. Проектирование радиоприемных устройств. Учебное пособие для вузов. - М., "Сов. радио", 1976. - с.193

[3] http://cxem.net/sprav/sprav62-4.php

[4] http://cxem.net/sprav/sprav62-4.php

[5] Бобров Н. В. Расчет радиоприемников. – М., Радио и связь, 1981 с.120