Министерство образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Э. БАУМАНА

Факультет: Информатика и системы управления

Кафедра: Информационная безопасность (ИУ8)

Электроника и схемотехника

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

Анализ, обоснование и расчет схемы преобразователя частоты супергетеродинного приемника

Преподаватель:

Пугачёв Б.А.

______________

Студент:

Скворцов К.С. ______________

Группа:

ИУ8-54

Москва 2015

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана»

(МГТУ им. Н.Э.Баумана)

ФАКУЛЬТЕТ Информатика и системы управления (ИУ)

__________________________________________________________

КАФЕДРА Информационная безопасность (ИУ8)

___________________________________________________________

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

НА ТЕМУ:

АНАЛИЗ,ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЁТ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ_________

СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЁМНИКА___

С ПОЛОСОВЫМ ФИЛЬТРОМ НА ВЫХОДЕ, НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ И КАНАЛОМ P-ТИПА, С ОТДЕЛЬНЫМ ГЕТЕРОДИНОМ

Студент ИУ8-51 _________________ Скворцов К.С.

(Группа) (Подпись, дата) (И.О.Фамилия)

Руководитель курсового проекта _________________ Пугачев Б.А.

(Подпись, дата) (И.О.Фамилия)

Консультант _____________ ____________

(Подпись, дата) (И.О.Фамилия)

2015 г.

Задание на выполнение курсовой работы

Рассчитать схему преобразователя частоты супергетеродинного приемника с полосовым фильтром на выходе, на полевом транзисторе с изолированным затвором и каналом p-типа, с отдельным гетеродином со следующими параметрами:

Напряжение питания Uпит.	6 В
Напряжение гетеродина UвыхГ	2 В
Напряжение полезного сигнала на входе смесителя Uвх.см	180 мкВ
Промежуточная частота fпр	800 кГц

Аннотация

В данной курсовой работе разработан преобразователь частоты супергетеродинного приемника с полосовым фильтром на выходе, на полевом транзисторе с изолированным затвором и каналом p-типа, с отдельным гетеродином.

Транзисторные преобразователи частоты применяются в основном в диапазоне умеренно высоких частот. Нелинейный элемент такого смесителя является невзаимным или обладающим слабой взаимностью, а реакция нагрузки на источник сигнала практически исключена.

Оглавление

Литература 19

СПЕЦИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ 21

Изм 21

Лист 21

№ докум. 21

Подп. 21

Дата 21

Разраб. 21

Лит. 21

Лист 21

Листов 21

Пров. 21

у 21

1 21

1 21

Н.контр. 21

Утв. 21

Введение

Подавляющее большинство радиовещательных и профессиональных приемников относится к классу супергетеродинов. Характерная особенность этих приемников состоит в преобразовании частоты.

Супергетеродинный радиоприёмник это радиоприёмник, в котором до детектирования принимаемого радиосигнала производится преобразование (понижение) его несущей частоты, не изменяющее закона модуляции. Способ супергетеродинного радиоприёма предложен в 1918 одновременно Э. Армстронгом (США) и Л. Леви (Франция).

Независимо от того, ведется ли прием длинноволновой, средневолновой или коротковолновой радиостанции, их частоты преобразуются всегда в одну и ту же промежуточную частоту, которая определяется постоянной настройкой дальнейших усилительных каскадов. Именно благодаря этому свойству можно создать высококачественный приемник с широким диапазоном волн — от длинных до коротких.

Процесс образования промежуточной частоты осуществляется в результате взаимодействия колебаний сигнала с «местным» колебанием, которое создается маломощным генератором (гетеродином), входящим в состав приемника. Взаимодействие обоих колебаний происходит в приборе с переменным параметром (например, в электронной лампе или полупроводниковом приборе с изменяемой крутизной). Образование промежуточной частоты в этом приборе с одновременным подавлением колебаний других частот, но с сохранением передаваемого сообщения представляет собой довольно сложный физический процесс.

Преимущества супергетеродинного метода:

1. Усиление в трех областях частот и, в особенности, возможность значительного усиления при добротных контурах на промежуточной частоте позволяет добиться высокой чувствительности.

2. Постоянная настройка каскадов промежуточной частоты допускает применение в них различных видов полосовых фильтров (электрических и даже электромеханических) и позволяет высокой относительной избирательности.

3. На промежуточной частоте происходит основное усиление сигнала, а потом при перестройках и при смене поддиапазонов чувствительность приемника остается почти постоянной.

4. Наконец, после большого усиления на промежуточной частоте амплитуды сигнала на входе детектора оказываются достаточными для приведения в действие автоматических устройств, вроде регулятора усиления, электронно-светового индикатора настройки, устройства автоподстройки и др.

Недостатки супергетеродинного метода:

1. Усиление схемы приемника

2. Возможность утечки сигнала fг в антенно-фидерное устройство

3. Образование побочных каналов приёма

Общие сведения

Преобразователи частоты (ПЧ) служат для переноса спектра частот из одной области в другую без изменения характера модуляции. Преобразование частоты принимаемого сигнала в постоянную промежуточную частоту осуществляется в приемниках супергетеродинного типа. Преобразователи частоты принято разделять на преобразователи с отдельным и совмещенным гетеродинами.

Преобразователи с отдельным гетеродином позволяют подобрать оптимальные режимы работы как для транзистора гетеродина, так и для транзистора, осуществляющего функции преобразования, т.е. для смесителя. Поэтому такие схемы являются предпочтительными. В преобразователях с совмещенным гетеродином подобрать режим работы, оптимальный для гетеродина и смесителя, практически невозможно.

По способу подачи напряжений сигнала и гетеродина преобразователи с отдельным гетеродином принято разделять на преобразователи, у которых оба напряжения подаются на один электрод (один вход), и преобразователи, у которых эти напряжения поступают на два электрода (два входа).

Рассмотрим транзисторный ПЧ. Приращение коллекторного тока транзистора может быть представлено формулой

где – крутизна проходной характеристики транзистора;

- изменение напряжения между базой и эмиттером транзистора.

Пусть входной сигнал

Если периодически изменять во времени крутизну характеристики транзистора с частотой

= A,

то в результате перемножения двух гармонических колебаний ток коллектора будет содержать составляющие с разностной и суммарной частотой гетеродина и входного сигнала

.

Подсоединив к коллектору селективный фильтр, настроенный на одну из этих частот, получим на нем напряжение сигнала с новой частотой, называемой в супергетеродинном приемнике промежуточной.

Структурная схема ПЧ

Рис. 1. Схема электрическая структурная преобразователя частоты

ПЧ (рис.1) содержит нелинейный элемент (НЭ) и источник вспомогательного колебания, называемый гетеродином (Г). В качестве нелинейного элемента используются различные электронные приборы, нелинейные активные или реактивные сопротивления. Нелинейный элемент, преобразующий колебания сигнала с помощью гетеродина, называют смесителем.

В состав ПЧ входит также фильтр (Ф) с нагрузкой R_н, необходимый для выделения напряжения промежуточной частоты.

Функциональная схема ПЧ

Изменение крутизны характеристики активного элемента можно осуществить, если подать на него напряжение от автономного генератора величиной десятой доли – единицы вольт.

В общем случае функциональная схема преобразователя состоит из трех устройств: смесителя (СМ), генератора (Г) и полосового фильтра (ПФ) (рис.2). Смеситель − это устройство, содержащее нелинейный преобразующий элемент, в качестве которого часто применяется такой активный элемент, как транзистор. Гетеродин − это маломощный автономный генератор, вырабатывающий гармоническое напряжение с частотой . Под воздействием этого напряжения осуществляется изменение

параметров преобразующего элемента. Напряжение промежуточной частоты

выделяется полосовым фильтром.

Рис. 2. Схема электрическая функциональная преобразователя частоты

Принципиальная схема ПЧ

Возможны различные варианты схем подачи напряжения сигнала и гетеродина на смесительные элементы. На рис. 3 приведена схема преобразователя с отдельным гетеродином на полевом транзисторе. Напряжение сигнала подано в цепь затвора, а напряжение гетеродина – в цепь истока. По сигналу получается схема с общим истоком, а для гетеродина – схема с общим затвором. Этим достигается хорошая развязка цепей сигнала и гетеродина.

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная преобразователя частоты

Развязывать цепи сигнала и гетеродина необходимо по следующим причинам:

1. Необходимо исключить взаимное влияние настроек сигнального и гетеродинного контуров;

2. Необходимо исключить излучение напряжения гетеродина антенной;

У полевого транзистора сток-затворная характеристика квадратична, поэтому зависимость крутизны этой характеристики от напряжения между затвором и истоком линейна. Исходное смещение на затворе берут равным половине напряжения отсечки, а амплитуда напряжения гетеродина равной , чтобы полностью использовать линейный участок изменения крутизны и не заходить в область появления токов затвора. При этом амплитуда первой гармоники крутизны = 0,5. Крутизна преобразования = 0,5 = 0,25 = 0,5(. Следовательно, крутизна преобразования в 2 раза меньше крутизны в режиме усиления при том же напряжении смещения на затворе . В рассмотренном режиме без отсечки благодаря линейной зависимости крутизны характеристики от напряжения между затвором и истоком амплитуды высших гармоник

крутизны равны нулю, следовательно, будет только два побочных канала

приема: зеркальный и прямого прохождения.

Расчет преобразователя частоты

Основной принцип действия смесителя на полевом транзисторе является нелинейность его стоко-затворной характеристики, причем квадратичный характер этой нелинейности обусловливает наиболее чистый процесс преобразования.

Выбираем транзистор 2N3332, являющийся импортным аналогом отечественного транзистора 2ПЗ01Б. Входные характеристики транзистора 2N3332 представлены на рис. 4, а выходные – на рис. 5

Рис. 4. Входные характеристики транзистора 2N3332

Рис. 5. Выходные характеристики транзистора 2N3332

Транзистор характеризуется основными параметрами, перечисленными в таблице 1.

Таблица 1

Наименование	Значение
Максимальное напряжение «сток-исток»,	-20В
Пороговое напряжение,	-4,2В
Входная/выходная емкость,	3,5 Пф
Ток затвора,	3А

1. Произведем выбор режима работы транзистора по постоянному току. Выбираем точку покоя. Принимаем Eи = 16В, Uсип = 14В, Iсп = 2мА, при этом Uзип=-7,5В.

Определяем по характеристикам в окрестности точки покоя П:

S = = 0,9мА/В

= = 40кОм

Задаемся током делителя = 0,1 = 0,2мА. В этом случает током затвора можно пренебречь.

2. Производим расчет элементов смесителя, определяющих выбранный режим по постоянному току. Сопротивления резисторов:

= = = = 1 кОм

= = = = 47,5 кОм (47кОм)

= = = = 32,5 кОм (33кОм)

Входное сопротивление смесителя:

= = = 19,5 кОм

3. Определяем параметры преобразователя. Требуемое напряжение гетеродина 2В. Сопротивление нагрузки гетеродина:

1/S = 1/(0,9

Выходное сопротивление преобразователя примерно в 2 раза меньше выходного сопротивления транзистора смесителя в точке покоя, т.е.

= = 20 кОм

Крутизна преобразования :

S/2 = 0,9/2 = 0,45мА/В

Относительно малое значение крутизны преобразования является недостатком смесителя на полевом транзисторе.

4. Определяем параметры полосового фильтра, являющегося нагрузкой преобразователя. Резонансное сопротивление первого контура полосового фильтра при его критической связи со вторым контуром = 12 кОм. Находим коэффициент включения первого контура полосового фильтра в стоковую систему смесителя, учитывая, что , а требуемое эквивалентное шунтирующее сопротивление = 33,5 кОм

= = = 0,77

Сопротивление нагрузки смесителя:

= = 12 = 8,2 кОм

Коэффициент усиления преобразователя:

= 0,458,2 = 3,7

Действительный коэффициент усиления преобразователя при полном подключении второго контура полосового фильтра ко входу УПЧ:

= = 3,7/0,77 = 4,8

5. Определяем параметры входного контура смесителя. При = 19,5 кОм по формуле коэффициент включения входного контура:

= = 0,9

При чувствительности приёмника 180 мкВ на вход преобразователя поступает сигнал = 1800,9 = 162 мкВ

Моделирование схемы в среде Multisim 13

Рис. 6. Схема, собранная в программе Multisim 13

На рис.6 представлена схема преобразователя частоты, собранная на транзисторе 2N2608, который является аналогом 2N3332. Последний не использовался при моделировании, так как его не было в базе программного пакета Multisim 13.

При использовании частотометра было снято значение промежуточной частоты, которое оказалось близко к искомому. Значение частотометра представлено на рис. 7.

Рис. 7. Показания частотомера

Как видно, 800,444 кГц800кГц

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы мной была получено общее представление о работе преобразователя частоты супергетеродинного приемника.

В супергетеродинном приёмнике преобразователь частоты оказывает, решающее влияние на чувствительность, избирательность, стабильность и уровень собственных шумов приемника. Выбор приборов и схем для преобразователей частоты определяется в соответствии с тем, что дает наиболее благоприятное сочетание этих основных показателей приемника. Именно таким благоприятным решением для длинных, коротких и даже метровых волн оказывается выбор усилительного прибора для роли смесителя, тогда как на более коротких волнах в качестве смесителя выгодно применять тот или иной тип диода.

Проведены необходимые расчёты. Собранная в программе Multisim, подтвердила верность расчётов. В ходе выполнения работы получен опыт разработки функционально законченного изделия, применение которого возможно на практике.