Проектирование радиотехнического устройства (приемник)

Рис. 2 Структурная схема супергетеродина с однократным преобразованием частоты

Упрощённая структурная схема супергетеродина с однократным преобразованием частоты показана на рисунке 2. Радиосигнал из антенны подаётся на вход усилителя высокой частоты (в упрощённом варианте он может и отсутствовать), а затем на вход смесителя — специального элемента с двумя входами и одним выходом, осуществляющего операцию преобразования сигнала по частоте. На второй вход смесителя подаётся сигнал с локального маломощного генератора высокой частоты —гетеродина. Колебательный контур гетеродина перестраивается одновременно с входным контуром смесителя (и контурами усилителя ВЧ) — обычно конденсатором переменной ёмкости (КПЕ), реже катушкой переменной индуктивности (вариометром, ферровариометром). Таким образом, на выходе смесителя образуются сигналы с частотой, равной сумме и разности частот гетеродина и принимаемой радиостанции. Разностный сигнал постоянной промежуточной частоты (ПЧ) выделяется с помощью полосового фильтра и усиливается в усилителе ПЧ, после чего поступает на демодулятор, восстанавливающий сигнал низкой (звуковой) частоты.

В современных приёмниках в качестве гетеродина используется цифровой синтезатор частот с кварцевой стабилизацией.

В обычных вещательных приёмниках длинных, средних и коротких волн промежуточная частота, как правило, равна 465 или 455 кГц, в бытовых ультракоротковолновых — 6,5 или 10,7 МГц. В телевизорах используется промежуточная частота 38 МГц.

Преимущества данного приёмника заключаются в :  высокая чувствительность. Супергетеродин позволяет получить большее усиление по сравнению с приёмником прямого усиления за счёт дополнительного усиления на промежуточной частоте, не приводящего к паразитной генерации: положительная обратная связь не возникает из-за того, что в каскадах ВЧ и ПЧ усиливаются разные частоты; высокая избирательность, обусловленная фильтрацией сигнала в канале ПЧ. Фильтр ПЧ можно изготовить со значительно более высокими параметрами, так как его не нужно перестраивать по частоте. Например, широко используют кварцевые, пьезокерамические и электромеханические фильтры сосредоточенной селекции. Они позволяют получить сколь угодно узкую полосу пропускания с очень большим подавлением сигналов за ее пределами; возможность принимать сигналы с модуляцией любого вида, в том числе с амплитудной манипуляцией (радиотелеграф) и однополосной модуляцией.

Также у супергетеродиной системы есть недостатки. Наиболее значительным является наличие так называемого зеркального канала приёма — второй входной частоты, дающей такую же разность с частотой гетеродина, что и рабочая частота. Сигнал, передаваемый на этой частоте, может проходить через фильтры ПЧ вместе с рабочим сигналом.

Помехи от зеркального канала уменьшают двумя путями. Во-первых, применяют более сложные и эффективные входные полосовые фильтры, состоящие из нескольких колебательных контуров. Это усложняет и удорожает конструкцию, так как входной фильтр нужно ещё и перестраивать по частоте, притом согласованно с перестройкой гетеродина. Во-вторых, промежуточную частоту выбирают достаточно высокой по сравнению с частотой приёма. В этом случае зеркальный канал приёма оказывается относительно далеко по частоте от основного, и входной фильтр приёмника может более эффективно его подавить. Иногда ПЧ даже делают намного выше частот приёма (так называемое «преобразование вверх»), и при этом ради упрощения приёмника вообще отказываются от входного полосового фильтра, заменяя его неперестраиваемым фильтром нижних частот. В высококачественных приёмниках часто применяют метод двойного (иногда и тройного) преобразования частоты, причём, если первую ПЧ выбирают высокой по описанным выше соображениям, то вторую делают низкой (сотни, иногда даже десятки килогерц), что позволяет более эффективно подавлять помехи от близких по частоте станций, то есть повысить избирательность приёмника по соседнему каналу. Подобные приёмники, несмотря на достаточно высокую сложность построения и наладки, широко применяются в профессиональной и любительской радисвязи.

Кроме того, в супергетеродине возможен паразитный приём станций, работающих на промежуточной частоте. Его предотвращают экранированием отдельных узлов и приёмника в целом, а также применением на входе фильтра-пробки, настроенного на промежуточную частоту.

В целом супергетеродин требует гораздо большей тщательности в проектировании и наладке, чем приёмник прямого усиления. Приходится применять довольно сложные меры, чтобы обеспечить стабильность частоты гетеродинов, так как от неё сильно зависит качество приёма. Сигнал гетеродина не должен просачиваться в антенну, чтобы приемник сам не становился источником помех. Если в приёмнике больше одного гетеродина, существует опасность, что биения между какими-то из ихгармоник окажутся в полосе звуковых частот и дадут помеху в виде свиста на выходе приёмника. С этим явлением борются, рационально выбирая частоты гетеродинов и тщательно экранируя узлы приёмника друг от друга.

Далее рассмотрим структурную схему цифрового приёмника.

 

Рис. 3 Структурная схема цифрового приёмника

АТП – аналоговый тракт приемника

БДК – блок дискретизации и квантования

ЦТП – цифровой тракт приемника

БОЧ - блок опорных частот

БР - блок регулировок

ЦАП – цифроаналоговый преобразователь

     Аналоговый тракт приемника выполняет предварительную селекцию и усиление принимаемых сигналов. Его структура и характеристики определяются видом сигнала, уровнем и характеристиками помех, требованиями к качеству приема.

     Наиболее полно используются преимущества цифровой обработки, если дискретизация и квантование сигнала осуществляются на радиочастоте. В этом случае АТП представляет перестраиваемый преселектор. Но более высокие требования предъявляются при этом к частоте дискретизации и разрядности АЦП, а также к блоку ЦТП.

     Усиление АТП выбирается таким образом, чтобы собственные шумы приемника на входе БДК превышали шумы квантования. Следует обратить внимание на то, что при достаточно высокой частоте дискретизации уровень сигнала на входе БДК может быть меньше шага квантования. Необходимо лишь, чтобы эффективное значение напряжения смеси сигнала и помех на входе АЦП превышало шаг квантования.

     Блок дискретизации и квантования представляет собой сложное устройство. Входное аналоговое колебание подвергается в нем двум операциям: дискретизации по времени и квантованию по уровню.

     Дискретизатор реализуется в виде устройства выборки и хранения (УВХ), состоящего из аналогового ключа (АК) и накопительного элемента (НЭ). Для представления отсчетов сигнала в цифровой форме применяют АЦП. Общий вид БДК  представлен на рисунке 4.

Рис. 4 Структурная схема блока дискретизации и квантования

                       Импульсы U1 – стробирующие, U2 – стирающие.

     Задачей УВХ является определение мгновенного значения напряжения в момент взятия отсчета и его фиксация на время, необходимое для преобразования аналогового значения в цифровую форму. После УВХ сохраняется счетное множество отсчетов колебания. Квантование в АЦП позволяет каждый непрерывный отсчет заменить цифровым значением, представляемым в унитарном или двоичном коде.

     Цифровой тракт приемника осуществляет основную селекцию сигналов и их демодуляцию. Кроме цифровых фильтров и демодуляторов ЦТП может содержать устройства подавления или компенсации помех, трансмультиплексоры для обработки многоканальных сигналов, цифровые обнаружители и измерители параметров сигналов, цифровые спектроанализаторы и другие устройства выделения информации из принятого сигнала. К ЦТП можно также отнести цифровые системы синхронизации, фазовой и частотной автоподстройки, регулировки усиления, системы обеспечения отказоустойчивости и т.д.

     Блок опорных частот вырабатывает колебания, необходимые для преобразования частот в приемнике и синхронизации его схем.

     Блок регулировок БР содержит все необходимые для управления приемником устройства: блок управления частотой настройки, блок регулировки усиления и чувствительности, блок управления видами работ ( при смене вида сигнала ) и т.д.

     Цифровой приемник часто имеет как цифровой выход, так и аналоговый. Для получения аналогового выхода сигнала используется цифроаналоговый преобразователь ЦАП.

     Исходя из выше приведённых схем, я делаю вывод что, цифровой приёмник более намного лучше и даёт больше возможностей, по сравнению со своими предшественниками. Идеальное качество, как и в любом цифровом вещании, можно сказать — неограниченные возможности по качеству.  Из плюсов следует отметить настоящую многоканальность (так как не надо делить частоты) — работу сотен каналов, которые не будут мешать друг другу. Главное преимущество, по-моему, — это микроскопические габариты цифрового радиоприемника, тем самым минимизировать размер полученного устройства, а это важно.

    Далее  я приведу принципиальные схемы на основе цифрового элемента.

1.2 Выбор принципиальной схемы

    Описание принципиальной схемы приемника прямого усиления на микросхеме КР174УН23. Принципиальная схема приемника показана на рисунке 5. Прием ведется на магнитную антенну W1. представляющую собой ферритовый стержень диаметром 8 мм, на котором расположены две катушки : L1 — контурная катушка входного контура L1 С1, и L2 — катушка связи. Настройка на станцию производится переменным конденсатором С1.

     Выделенный контуром магнитной антенны сигнал поступает через катушку связи L2 на вход одного из усилителей микросхемы (вывод 1) через разделительный конденсатор СЗ.

 

     Усиленный ВЧ сигнал с выхода первого усилителя микросхемы (вывод 8) через конденсатор С8 поступает на детектор на диодах VD1 и VD2, выполненный по схеме с удвоением напряжения В детекторе работают кремниевые диоды, имеющие относительно высокое падение напряжения в прямом направлении. что приводит к понижению чувствительности детектора и повышению искажений при детектировании Чтобы уменьшить искажения и повысить чувствительность детектора и приемника в целом, на диоды через резистор R1 подается прямое напряжение смещения

    Рис. 5     Принципиальная схема приемника прямого усиления на микросхеме КР174УН23

 С выхода детектора напряжение 34 поступает на регулятор громкости R3, и далее, через конденсатор С5 34 напряжение поступает на вход второго усилителя микросхемы (вывод 4). Сигнал усиливается, и с выхода этого усилителя (вывод 5) через разделительный конденсатор С7 поступает на громкоговоритель В1.

     Питается приемник от источника напряжением 4.5 В ('плоская батарейка".

     Большинство деталей приемника смонтированы на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита.

      Для намотки магнитной антенны используется ферритовый стержень диаметром 8 мм и длиной 100 мм из феррита 400НН. Катушки намотаны проводом ПЭВ 0.12 витков к витку.

     L1 содержит 300 витков, a L2 — 40 витков. Катушки наматывают в один слой на каркасе, склеенном из плотной бумаги.

     Диоды КД521 можно заменить на КД503, КД510 Если использовать германиевые диоды типа Д9 или ГД507 резистор R1 исключается. Постоянные резисторы на мощность 0.125 или 0,25 ВТ типа С2-33, ВС или МЛТ. Переменный резистор СПЗ на 0,125 ВТ. объединенный с выключателем питания. Оксидные конденсаторы типа К50-35 или аналогичные импортные Остальные типа К10-17. КМ. KJ1C Переменный конденсатор от радиоприемника "Юность" на емкость 7-180 Пф Можно использовать любой другой малогабаритный переменный конденсатор, например на 5-240 Пф, но при этом число витков L1 нужно уменьшить до 250.

Далее рассмотрим  приёмник супергетеродинного типы на основе микросхемы.

      Микросхема К174ХА2 содержит все узлы типового супергетеродинного приемника (кроме детектора и усилителя звуковой частоты), на основе которых можно создать гетеродинный приемник. Так, апериодический усилитель радиочастоты (УРЧ) с возможностью регулировки усиления, смеситель и гетеродин, образующие преобразователь частоты, в нашем приемнике использован по прямому назначению. Что касается четырехкаскадного усилителя промежуточной частоты (УПЧ). то он выполняет функции усилителя звуковой частоты. В чем, кстати, также предусмотрена возможность регулировки усиления, но в нашей приемнике она не задействована. 
      Следующий важный вопрос: какой из любительских диапазонов выбрать для первого приемника начинающего коротковолновика? Очевидно, тот, на котором работает много русскоязычных коротковолновиков и наблюдателю на первых порах не потребуется знания английского языка, принятого для международного обмена. Ответ однозначен - диапазон 160 метров. Это типично "ночной" диапазон, где днем из-за сильного поглощения радиоволн в нижних слоях ионосферы можно никого и не услышать. Зато ночью с большой громкостью проходят станции европейской части России, Украины, Белоруссии, Прибалтика, а при известном терпении и хорошей антенне можно услышать всю Европу и всю Сибирь. В дальнейшем, изменив данные всего двух контуров приемника, его можно перестроить на любительские диапазоны 80, 40 и даже 20 метров. Это было проверено экспериментально: на всех диапазонах приемник показал неплохие результаты.