Расчет гетеродина

       СОДЕРЖАНИЕ 

          ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………….………… 4

1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ДЕЙСТВИЯ ГЕТЕРАДИНОВ..…………...6
2. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ГЕТЕРАДИНА …………………………….9
3. РАСЧЁТ СХЕМЫ УМНОЖИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ …………………...11

          ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………….16

          СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ………………….17

          ПРИЛОЖЕНИЕ А

          ПРИЛОЖЕНИЕ Б

          ПРИЛОЖЕНИЕ В

 

        ВВЕДЕНИЕ 

      В современной технике широко используется принцип управления энергией, позволяющий  при помощи затраты небольшого количества энергии управлять энергией, но во много раз большей. Форма как  управляемой, так и управляющей энергии может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и т.д.

      Частный случай управления энергией, при котором  процесс управления является плавным  и однозначным и управляемая  мощность превышает управляющую, носит  название усиления мощности или просто усиления; устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем.

      Очень широкое применение в современной  технике имеют усилители, у которых  как управляющая, так и управляемая  энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

      Управляющий источник электрической энергии, от которого усиливаемые электрические  колебания поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую эти колебания вводятся, - входной цепью или входом усилителя. Источник, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, назовем основным источником питания. Кроме него, усилитель может иметь и другие источники питания, энергия которых не преобразуется в электрические колебания. Устройство, являющееся потребителем усиленных электрических колебаний, называют нагрузкой усилителя или просто нагрузкой; цепь усилителя, к которой подключается нагрузка, называют выходной цепью или выходом усилителя.

      Усилители электрических сигналов (далее просто усилители)( применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители  имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры.

      Кроме указанных областей техники, усилители  широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других приборах.

      Усилители делятся на ряд типов по различным  признакам. По роду усиливаемых электрических  сигналов усилители можно разделить на две группы:

      – усилители гармонических сигналов, предназначенные для усиления периодических  сигналов различной величины и формы, гармонические составляющие которых, изменяются много медленнее длительности устанавливающихся процессов в цепях усилителя.  

 

1. АНАЛИЗ  ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ ГЕТЕРАДИНОВ

 

       Гетеродин приемника должен иметь высокую  стабильность частоты, практически полное отсутствие модуляции выходного сигнала фоном и наводками («чистый тон»), высокую чистоту спектра (малое содержание гармоник). Помимо этих обычных требований, для приемника прямого преобразования необходим еще и малый уровень собственных шумов гетеродина. Эти шумы обусловлены небольшими быстрыми флуктуациями амплитуды и фазы напряжения гетеродина. Уровень их невелик и лежит на 100-140 дБ ниже уровня сигнала гетеродина, т. е. в области единиц и долей микровольт, что соизмеримо с чувствительностью самого приемника. Балансные смесители подавляют шум гетеродина, тем не менее, вклад шумов плохо сконструированного гетеродина в общие шумы приемника может оказаться заметным.

       Наименьшие  шумы имеют однокаскадные LC гетеродины; наибольшие - многокаскадные гетеродины (в том числе и кварцевые) с многократным умножением частоты. Стабильность же частоты у последних значительно лучше. У многокаскадных гетеродинов часто удается снизить шум на несколько порядков простым увеличением емкости всех блокировочных конденсаторов. Это обеспечивает фильтрацию, как высокочастотной составляющей, так и низкочастотных шумов, которые могут модулировать выходной ВЧ сигнал. Необходимо позаботиться также и о том, чтобы низкочастотный шум гетеродина не попадал непосредственно в УНЧ. Это явление полностью исключается, если гетеродин связан со смесителем через высокочастотный трансформатор или катушку связи. Если связь емкостная, то емкость  конденсатора связи должна  быть  минимальной.

       Таким образом, как это ни парадоксально, в приемниках прямого преобразования лучше работают простые LC гетеродины с одним буферным каскадом или вообще без него. Требуемая стабильность частоты достигается благодаря качественному выполнению самого гетеродина: катушка наматывается на керамическом каркасе с большим натяжением провода, конденсаторы выбираются с малым ТКЕ (температурным коэффициентом емкости), весь монтаж делается жестким и компактным. Необходима хорошая фильтрация  и стабилизация  питающего напряжения. 

       С целью дальнейшего повышения  стабильности частоты желательно произвести температурную компенсацию контура гетеродина, подобрав ТКЕ конденсаторов контура. Между смесителем и гетеродином полезно включить буферный каскад, схема которого показана на рисунке 1. Он представляет собой истоковый повторитель на полевом транзисторе. Благодаря высокому входному сопротивлению каскада    влияние   нагрузки    (смесителя)    на    гетеродин оказывается минимальным. Если для связи со смесителем служит высокочастотный трансформатор, его можно включить и в цепь стока транзистора, получив дополнительное усиление сигнала гетеродина в буферном каскаде. Емкость конденсатора С1 подбирается до получения оптимального напряжения гетеродина на смесителе. 

         

       Рисунок 1 – Буферный каскад 
 
 

       В гетеродине приемника можно применить  электронную настройку с помощью  варикапной матрицы, включенной в контур вместо переменного конденсатора (рисунок 2). Настройка осуществляется потенциометром R2, а потенциометр R1 служит «электрическим верньером». Пределы изменения емкости варикапной матрицы VI составляют 15-20 пФ. Если это изменение составит, например, 10% полной емкости контура, то перекрытие по частоте (оно вдвое меньше, так как индуктивность не изменяется) составит 5%.Таким образом, зная емкость варикапной матрицы, легко рассчитать полную емкость контура, и наоборот. Варикапную матрицу можно заменить двумя варикапами, включенными встречно-последовательно, т. е. так же, как и в матрице.

                                

             Рисунок 2 – Варикапная матрица 
 

 

        2. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ УМНОЖИТЕЛЯ  ЧАСТОТЫ 

       Схема простейшего гетеродина на биполярном транзисторе показана на рисунке 3. Контур гетеродина L1-C1-C2 включен в коллекторную цепь транзистора, а обратная связь подается на эмиттер через емкостный делитель С3-С5. Данные катушки L1 зависят от выбранного диапазона; общая емкость конденсаторов С1-С2 выбирается 200-300 пФ на высокочастотных диапазонах. На низкочастотных диапазонах емкость всех конденсаторов увеличивается в 4-8 раз. Высокочастотное напряжение на смеситель подается с катушки связи или с отвода контурной катушки L1. Число витков катушки связи составляет 1/5 – 1/10 от числа витков контурной. При налаживании гетеродина следует подобрать конденсатор С5, увеличив его емкость до максимально возможной, при которой еще не срывается генерация. Это уменьшает содержание гармоник в выходном сигнале и улучшает чистоту «тона» гетеродина.

       

       Рисунок 3 – Гетеродин на биполярном транзисторе 
 
 

       Гетеродины, выполненные на полевых транзисторах, отличаются высокой стабильностью  и малым уровнем собственных  шумов. Схема такого гетеродина показана на рисунке 4. Благодаря высокому входному сопротивлению цепь затвора почти не шунтирует контур, сохраняя его высокую конструктивную добротность, что повышает стабильность частоты. Этому же способствует и небольшая емкость разделительного конденсатора С4. Диод VI стабилизирует амплитуду колебаний гетеродина. Если его исключить, амплитуда колебаний возрастает, а стабильность несколько ухудшается. Обратная связь подается из истоковой цепи транзистора на отвод катушки L1. Отсюда же снимается высокочастотное напряжение на смеситель. Емкости конденсаторов контура указаны для частоты генерации 14 МГц. Конденсатор С1 следует взять типа КСО группы Г — он имеет малый ТКЕ. Пригодны также керамические конденсаторы голубого и серого цвета. Подстроечный конденсатор С2 — керамический типа КПК или КПМ. Для настройки служит воздушный подстроечный конденсатор СЗ, имеющий 5—7 пар подвижных и неподвижных пластин. Катушка L1 содержит 16 витков провода ПЭЛ 0,7, намотанных виток к витку на керамическом каркасе диаметром 6—7 мм. Отвод к истоку транзистора V2 сделан от 4-го витка. Стабильность гетеродина оказалась достаточной для бесподстроечного приема SSB станций в диапазоне 28 МГц. 

       

       Рисунок 4 – Гетеродин на полевом транзисторе

 

        3 РАСЧЁТ СХЕМЫ ГЕТЕРОДИНА  

       Для расчёта возьмем схему гетеродина на биполярном транзисторе, представленную на рисунке 3. 

       Исходные  данные для расчёта: 

       Диапазон  частот f = 9,4 МГц – 9,95 МГц;

       Промежуточная частота f_пр = 465 МГц. 

       Исходя  из исходных данных выбираем маломощный транзистор с граничной частотой 30 МГц, КТ301А. Его параметры:

       - статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером: минимальное (B1) и максимальное (B2) значение и ток (Iк) при котором этот параметр определяется.  

       В1-В2\Iк = 40 – 120\3мА 

       - предельная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора 

       Fт = 30 МГц 

       - напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Uкэ) биполярного транзистора при заданном токе коллектора (Iк) и заданном токе базы (Iб).  

       Uкэ/(Iк/Iб) [В/(мА/мА)] = 3/(10/1) 
 
 

       - максимально допустимое постоянное  напряжение коллектор-база.  

       Uкб = 20 В 

       - максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база.  

       Uэб = 3 В 

       - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе.  

       Pк = 150 мВт

        

         - Рассчитаем цепи смещения транзистора VT1 

                     

       Рисунок 5 – Смещение транзистора VT1 

       На  постоянном токе конденсаторы разорвут цепи и рисунок 5 примет вид: 

                              

       Рисунок 6 – Смещение транзистора VT1. Схема на постоянном токе 

       Исходя  из следующих соотношений: 

                                     Uкб / Uэб = 5     (1)

                                     Iэ » Iк      (2)

                                     R1 =  Uэб / Iэ     (3) 

       R2 > 3/10^-2 > 300 Ом 

       Выбираем  резистор R2: МЛТ-0,125-1к ± 20%, R1: МЛТ-0,125-5.1к ± 20%. 

• Рассчитаем  делитель обратной связи С3, С5

 

                              С5/С3 = 5…10     (4) 

       Выбираем  максимально возможный С5: К10-17-510 мкФ x 25V±5%,  С3: К10-17-51 мкФ x 25V±5%. 
 
 
 
 

- Рассчитаем  фильтры С4, R3-C6 

Конденсаторы С4,С6 выбирается из условия: 

                                (5)