Приемник прямого усиления с высокой чувствительностью. Средневолновый приемник прямого усиления с резонансным урч

Структурная схема такого приемника может быть представлена следующим образом (рис. 1.1).

В состав приемника прямого усиления входят:

Входная цепь, обеспечивающая связь антенно-фидерной системы с первым каскадом приемника;

Усилитель радиочастоты, обеспечивающий необходимое усиление на радиочастоте и частотную избирательность приемного устройства;

Амплитудный детектор;

Усилитель звуковой (видео) частоты. Как правило, этот усилитель обеспечивает основное усиление сигналов.

В том случае, когда в схеме отсутствует усилитель радиочастоты, такой приемник называется детекторным приемником.

Следует отметить, что приемники прямого усиления обладают малой чувствительность в силу того, что при малых сигналах амплитудный детектор обладает малым коэффициентом передачи по мощности, что приводит к возрастанию коэффициента шума приемного устройства.

К недостаткам приемников прямого усиления следует отнести:

Изменение основных параметров радиотракта при перестройке по диапазону, в первую очередь изменяется полоса пропускания радиоприемного тракта. Действительно, полоса пропускания приемника определяется по

формуле , где - частота настройки колебательного контура, - коэффициент затухания колебательного контура (этот показатель слабо зависит от частоты настройки колебательного контура). Как следует из представленной формулы, с увеличением частоты настройки будет увеличиваться и полоса пропускания.

Если в радиотракте необходимо перестраивать одновременно несколько контуров, то появляются дополнительные трудности, связанные с системой настройки, если требуется получить хорошую избирательность по соседнему каналу;

Трудность получения большого коэффициента усиления на радиочастоте, обычно коэффициент усиления на радиочастоте не превышает 100. Для этих целей применяются усилители радиочастоты двух типов: регенеративного типа и сверхрегенеративного типа. Усилитель регенеративного типа позволяет получить большой коэффициент усиления при малом числе активных элементов, но отличается большой нестабильностью коэффициента усиления. Сверхрегенеративные усилители более устойчивы к внешним условиям, но обладают большим коэффициентом шума.

На высоких частотах трудно обеспечить высокую избирательность по соседнему каналу при перестройке по частоте в широких пределах.

Приемники прямого усиления в настоящее время применяются в основном как индикаторы электромагнитного поля.

Структурная схема приемника прямого усиления без регенерации (рис. 8.6) включает в себя входную цепь, усилитель высокой (радио) частоты (УВЧ, УРЧ), детектор (Д) и усилитель низкой (звуковой) частоты (УНЧ, УЗЧ). Иногда перед УРЧ включают малошумящий усилитель (МШУ).

Входная цепь и УВЧ составляют высокочастотный тракт приемника и со­держат системы резонансных контуров, которые служат для получения мак­симальной мощности сигнала из антенны, а также выделяют требуемый сиг­нал из множества других сигналов и помех. МШУ (используемые при необ­ходимости) предназначены для снижения уровня собственных шумов прием­ника и определяют чувствительность приемников. В некоторых случаях при достаточной мощности принимаемого сигнала УВЧ может отсутствовать. Вы­деленная детектором (демодулятором) модулирующая функция, содержащая полезную информацию, усиливается и фильтруется от помех и других комби­национных частот в УНЧ. Его усиление определяется напряжением (мощ­ностью), которые необходимо подвести к оконечному устройству для его нормальной работы.

Настройка приемника на полезный сигнал осуществляется перестройкой по частоте входной цепи, МШУ и УВЧ. Синхронная перестройка по частоте всех этих блоков является непростой задачей. В диапазоне СВЧ технически трудно согласовать полосы пропускания приемника с шириной спектра по­лезного сигнала для фильтрации последнего от помех, несовпадающих по частоте с сигналом. Отмеченные факторы являются недостатком приемников прямого усиления.

Рис. 8.6. Структурная схема приемника прямого усиления

Литература: В.И. Нефедов, “Основы радиоэлектроники и связи”, Издательство «Высшая школа», Москва, 2002.

Радиоприемные устройства

22.1. Структурные схемы

Радиоприемник - устройство, соединяемое с антенной и служащее для осуществления радиоприема.

Радиоволны, излучаемые различными радиопередатчиками, по­падают на приемную антенну и создают в ней электрические ко­лебания, поэтому для радиоприемника антенна представляет собой источник радиосигнала. Так как на антенну попадает множество радиоволн, то входной сигнал приемника

состоит из полезного сигнала s(t ) и помехи п (t ). Множитель k (t ) учитывает изменение во времени коэффициента передачи канала связи и называется мультипликативной помехой. Помеха n (t ), добавляющаяся к сигналу, называется аддитивной. В общем слу­чае аддитивная помеха состоит из гармонических, импульсных и флуктуационных помех.

Гармоническими или сосредоточенными по частоте называют узкополосные помехи. Основные источники этих помех - другие радиопередатчики.

Импульсными или сосредоточенными во времени называют поме­хи, форма которых напоминает радиоимпульсы. Отличительным признаком импульсных помех служит неравенство

где t и - средняя продолжительность импульса; Т - среднее рас­стояние между импуль-сами.

К импульсным относятся помехи, порождаемые атмосферными разрядами, промышленными предприятиями, транспортными сред­ствами.

Флуктуационные помехи - широкополосные случайные непре­рывные колебания. Типичный пример флуктуационной помехи - белый шум (см. § 2.7). Флуктуационные помехи порождаются хаотическим движением носителей заряда. Эти помехи представ­ляют один из основных видов помех в космических каналах и некоторых наземных каналах микроволнового диапазона. К флуктуационным помехам относятся также собственные шумы прием­ника.

Простейшая схема приемника прямого усиления состоит из входной цепи, усилителя радиочастоты, детектора и усилителя звуковой частоты (рис. 22.1). Сигнал нужной частоты выделяется системами резонансных контуров, служащих входными цепями и нагрузкой усилителя радиочастоты. Перестройка приемника на нужную частоту осуществляется путем перестройки всех резонанс­ных контуров.

Простота радиоприемника прямого усиления только кажу­щаяся. Для получения узкой полосы пропускания приходится увеличивать число резонансных контуров и их добротности. Сле­довательно, усложняется перестройка приемника. Поэтому при­емники по схеме прямого усиления изготовляют весьма редко.

В настоящее время массовое применение находят супергетеро­динные радиоприемники (рис. 22.2). В таких приемниках осущест­вляется преобразование частоты принимаемого радиосигнала так, что спектр, сосредоточенный в окрестности частоты ω i , переносится на промежуточную частоту ω i . Преобразование частоты выполняет преобразователь, состоящий из смесителя и гетеродина - генера­тора опорного колебания. Принцип действия такого преобразова­теля рассмотрен в § 17.3. Наиболее часто промежуточная частота

либо
(22.2)

При перестройке входной цепи и усилителя радиочастоты из­меняется и частота гетеродина так, чтобы промежуточная частота ω п оставалась постоянной. Это обстоятельство позволяет приме­нять неперестраиваемые усилители промежуточной частоты (УПЧ). Такие УПЧ удается создать с хорошей частотной избирательно­стью. Поэтому основное усиление и частотную избирательность супергетеродинного приемника обеспечивает УПЧ. Входная цепь и усилитель радиочастоты выполняют предварительное выделение сигнала и ослабляют мощные мешающие радиосигналы.

Супергетеродинный радиоприемник, обладая принципиальными достоинствами, не лишен недостатков. Основной из них-побоч­ные каналы приема. Как известно из общей теории преобразова­ния частоты (см. § 17.3), в полосу пропускания УПЧ попадает не только сигнал, например, с частотой ω с = ω г + ω п, но и другие сигналы, частоты которых ω с (п , т ) удовлетворяют равенству

(22.3)

Основной побочный канал приема называется зеркальным. Частота этого канала ω зк отличается от частоты сигнала ω с на удвоенное значение промежуточной частоты: ω зк = ω с ± 2ω п. Ослаб­ление мешающих радиосигналов и помех с частотами зеркального канала и всех других побочных каналов выполняют полосовые фильтры, включаемые до преобразователя частоты, т. е. фильтры, входящие в состав входных цепей и усилителя радиочастоты. Полезно иметь в виду, что подавление побочных каналов приема облегчается при увеличении промежуточной частоты ω п, однако при этом затрудняется получение достаточно узкой полосы УПЧ.

Другой недостаток супергетеродинного приемника - возмож­ность возникновения комбинационных свистов. Такие свисты по­являются на некоторых частотах принимаемого сигнала ω с " = ω г - ω п, на которых ω п ", приблизительно равная частоте ω п, полу­чается в соответствии с (22.3) и путем более сложного преобра­зования. При этом условии УПЧ усиливает два сигнала с близ­кими частотами. Вследствие биений несущих этих сигналов появ­ляется низкочастотная огибающая с частотой |ω п - ω п "|, которая выделяется амплитудным детектором, затем усиливается и про­слушивается в виде свиста. Третий недостаток супергетеродинного приемника заключается в возможности создания радиопомех дру­гим приемникам, если колебание гетеродина попадает в антенну.

Все перечислерные недостатки в современных супергетеродин­ных приемниках устраняются путем рационального выбора про­межуточной частоты или двух промежуточных частот в приемниках с двойным преобразованием частоты, использованием смесителей, выполняющих почти идеально точное перемножение напряжений, и надежной развязкой гетеродина от входных цепей.

Кроме основных функциональных узлов, таких, как входные цепи, усилители радио-, промежуточной и звуковой частот, преоб­разователь частоты и детектор, схемы современных радиоприемни­ков дополняются устройствами и системами, качественно улуч­шающими технические и эксплуатационные показатели. Таковыми являются системы автоматического регулирования усиления и автоматической подстройки частоты.

Структурные и схемотехнические особенности, конструкция и элементная база радиоприемника определяются его назначением, условиями эксплуатации, диапазоном принимаемых волн.

По назначению приемники делят на радиовещательные, телеви­зионные, связные, радиолокационные, навигационные и др. Назна­чением приемника определяются свойства принимаемых сигналов. Например, радиовещательные приемники предназначены для при­ема речевых и музыкальных сигналов; телевизионные - для при­ема сигналов изображения и звука; связные - для приема теле­фонных и телеграфных сигналов, цифровых сигналов управления и др.

По условиям эксплуатации различают стационарные и неста­ционарные приемники. Как стационарными, так и нестационар­ными могут быть приемники различного назначения. Стационар­ными считаются приемники, не предназначенные для работы на подвижных объектах. К нестационарным относятся все приемники, устанавливаемые на подвижных объектах, например, космические, самолетные, корабельные, автомобильные, переносные и др.

Для реализации приемников промышленность выпускает специализирован­ные ИС, выполняющие функции одного или нескольких функциональных узлов. Такие примеры ИС приведены в предыдущих главах. Так, в качестве усилителя промежуточной и радиочастоты может применяться ИС К175УВ4 (см. рис. 14.17), преобразование частоты выполняет ИС 219ПС1 (см. рис. 17.9). Усилителем звуковых частот может служить ИС К174УН5 (см. рис. 15.7). Выпускаются также специализированные серии ИС. Для радиовещательных приемников пред­назначены ИС серии 235, для телевизионных - ИС серии К174 и др.

Структурные схемы приемников в зависимости от их назначе­ния дополняются специфическими функциональными узлами. Сложные связные приемники снабжаются устройствами програм­мной настройки. Приемники, предназначенные для приема цифро­вой информации, комплектуются устройствами последетекторной обработки, фильтрующими и декодирующими принятый сигнал. Эти устройства часто выполняются на базе МП. В телевизионных приемниках сигнал с выхода детектора разделяется на сигнал изображения и звука. Из сигнала изображения выделяют импульс­ные последовательности, необходимые для синхронизации генерато­ров строчной и кадровой развертки. Все эти преобразования вы­полняют специализированные ИС.

Линейная (высокочастотная) часть приемника представляет собой входную цепь и УВЧ, низкочастотная часть приемника – УНЧ.

Высокочастотная часть приемника содержит резонансные элементы, которые выделяют требуемый сигнал из множества других сигналов. В УВЧ, кроме селекции, также осуществляется и усиление сигнала.

Особенностью такого приемника является то, что фильтрация полезного сигнала по частоте, его усиление и детектирование осуществляется на несущей частоте принимаемого сигнала , поэтому его и называют приемником прямого усиления.

Принцип работы приемника прямого усиления .

Принятый антенной радиосигнал (как правило, смесь сигнала и помехи) через входную цепь поступает на вход усилителя высокой частоты. Здесь сигнал усиливается одним или несколькими каскадами.

Выходной сигнал УВЧ и поступает на вход детектора, где преобразуется в сигнал U Д (t)=U с (t)+U п (t), где U c (t) – сигнальная (полезная) составляющая, а U п (t) – помеховая составляющая, искажающая сообщение.

УНЧ усиливает сигнал U Д (t) до уровня, необходимого для нормальной работы выходного устройства (телефонов).

В некоторых приемниках при достаточной мощности входного сигнала детектор подключается непосредственно к входной цепи. Такие при­емники называются детекторными. Детекторные приемники име­ют низкую чувствительность и плохую избирательность, поэтому они нашли ограниченное применение.

Достоинствами приемников прямого усиления являются их простота, отсутствие дополнительных ка­налов приема.

Недостатками таких приемников являются: широкая полоса пропускания на высокой частоте; низкая чувствительность из-за высокого коэффициента шума; отличие формы АЧХ, в пределах диапазона рабочих частот, от прямоугольной; сложная перестройка по частоте.

Супергетеродинный приемник .

Недостатков приемника прямого усиления лишен супергетеродинный приемник (с преобразованием частоты).

Структурная схема супергетеродинного приемника представлена на рисунке 5.

Приемник состоит из входной цепи (ВЦ), усилителя высокой (радио) частоты, преобразователя частоты (ПЧ) (смеситель и гетеродин), усилителя промежуточной частоты (УПЧ), детектора и усилителя низкой (звуковой) частоты (УНЧ). Для повышения чув­ствительности и избирательности в данном приемнике, как правило, используется УВЧ с настраиваемым контуром.

Назначение ВЦ, УВЧ, детектора и УНЧ аналогично приемнику прямого усиления.

Известно, что в радиоприемниках, на высокой частоте, достаточно сложно технически обеспечить требуемую форму АЧХ, узкую полосу пропускания и большой коэффициент усиления. Однако эти сложности устраняются с помощью преобразования частоты, когда радиосигнал переносят на более низкую частоту называемую промежуточной .

Принципиальной особенностью супергетеродинного приемника является то, что частотная селекция полезного сигнала, основное усиление и его детектирование осуществляется на постоянной частоте, значительно меньшей частоты принимаемого сигнала , называемой промежуточной частотой.

В супергетеродинном приемнике перенос принимаемого радиосигнала на промежуточную частоту осуществляют с помощью преобразователя частоты.

ПЧ обеспечивает перенос спектра принимаемого радиосигнала с частоты на более низкую промежуточную частоту .

Структурная схема преобразователя частоты представлена на рисунке 6. На схеме: СМ – смеситель, Г – гетеродин, УПФ – узкополосный фильтр.

Рис. 6. Структурная схема преобразователя частоты

Характер преобразований, производимых в ПЧ, иллюстрируется аналитическими выкладками, представленными ниже.

Если радиосигнал, поступающий на вход ПЧ обозначить (для примера рассмотрим АМ-радиосигнал), а сигнал гетеродина , то на выходе СМ (рис. 6) будет сформирован сложный сигнал, содержащий составляющие как суммарной, так и разностной частоты:

где: k – коэффициент пропорциональности.

С помощью УПФ выделяется только составляющая на частоте . В результате на выходе преобразователя частоты формируется сигнал , спектр амплитуд которого показан на рисунке 7.

Особенность работы преобразователя частоты заключается в том, что он всегда формирует сигнал с частотой , и не реагирует на знак разности, хотя частота может быть больше или меньше . Изменять частоту выходного сигнала ПЧ можно путем изменения частоты, что очень упрощает настройку приемника на частоту сигнала .

Поскольку преобразователь частоты не способен определять знак разности частот сигналов f c и f г, поступающих на смеситель, то приемник может одновременно принимать радиосигналы нужной станции - с частотой и мешающей станции – с частотой зеркального канала, где . При этом частоты и располагаются на частотной оси симметрично (зеркально) относительно частоты гетеродина (рис. 7).

Поэтому, при наличии помехи с частотой f з, она, как и сигнал попадает в полосу пропускания УПЧ.

Для подавления помехи на зеркальной частоте используются специальные меры:

Полоса пропускания УВЧ выполняется такой, что не превышает 2f пр;

На входе УВЧ размещается синхронно перестраиваемый с УВЧ режекторный фильтр с частотой подавления f з;

В состав линейной части приемника включается специальная схема компенсации зеркальной помехи;

В приемнике используется двукратное или трехкратное преобразование частоты для повышения его избирательности.

На работу супергетеродинного приемника также могут оказывать негативное влияние и помехи на промежуточной частоте. Для уменьше­ния влияния таких помех, в приемнике используются заградительные (режекторные) фильтры.

Необходимо также отметить, что: результирующая АЧХ приемника получается в результате перемножения АЧХ УВЧ, СМ и УПЧ; коэффициент усиления линейной части приемника равен произведению коэффициентов усиления УВЧ, СМ и УПЧ. Полоса пропускания линейной части приемника определяется самым узкополосным элементом - УПЧ. При этом частота настройки и полоса пропускания УПЧ являются постоянными и при перестройке не меняются.

Таким образом, к достоинствам приемника можно отнести высокую избирательность и чувствительность, а к недостаткам - сложность, наличие кроме основного и побочных каналов приема (зеркального канала, канала на ).

Схема простого самодельного приемника прямого усиления для приема радиостанций в диапазоне коротких волн, выполнен на трех транзисторах КТ3102.

Приемники прямого усиления были очень популярны у радиолюбителей до 90-х годов. Потом уже не так. И все же, может быть кому-то будет интересна эта схема.

Приемник построен по схеме прямого усиления. Принимает радиостанции в диапазоне 25-52 метра, перекрывая основную часть радиовещательного КВ-диапазона.

Схема всего на трех транзисторах, но благодаря регулируемой ПОС в радиотракте можно достигнуть весьма неплохой чувствительности и избирательности, несмотря на настройку всего одним контуром.

Наилучшие результаты приемник дает в местностях, где нет мощных радиостанций на СВ-диапазоне. Это связано с тем, что мощная средневолновая радиостанция может существенно «забивать эфир» и избавиться от её влияния принимая КВ-сигналы такой простой схемой, может быть очень сложно.

Принципиальная схема

Принципиальная схема приведена на рисунке в тексте. Входного контура нет. Сигнал от антенны W1, в качестве которой можно использовать любой проводник, например, отрезок монтажного провода, через разделительный конденсатор С1 поступает на первый каскад УРЧ на транзисторе VT1, включенном по схеме с общей базой.

Рабочая точка транзистора задается соотношением сопротивлений резисторов R2 и R3, определяющих напряжение на его базе. Усиленный сигнал с коллектора через катушку связи L1 поступает на контур L2-C4, который является средством настройки приемника на станцию. В контуре используется переменный конденсатор от супергетеродинного приемника.

У этого конденсатора есть две секции по 6-240 пФ. Данные секции включены параллельно. В результате получается переменный конденсатор с перекрытием емкости 12-480 пФ.

Этого достаточно для перекрытия вышеуказанного диапазона, но можно использовать конденсатор и с меньшей максимальной емкостью, в этом случае перекрытие ограничится со стороны НЧ части КВ диапазона. С контура ВЧ сигнал поступает на базу VT2.

Рис. 1. Принципиальная схема простого коротковолнового приемника прямого усиления.

Через катушку L2 на базу VT2 так же поступает и постоянное напряжение смещения, полученное с делителя R4-R5. Диод VD1, включенный в эмиттерной цепи VT2 является детектором.

Более того, благодаря тому, что через данный диод протекает постоянный ток эмиттера VT2, точка детектирования смещена в более крутой участок ВАХ диода.

Продетектированный НЧ сигнал снимается с коллектора VТ2 и поступает через регулятор громкости R7 на однокаскадный УНЧ на VТЗ. В1 - это один наушник (головной телефон).

Теперь о ПОС (положительная обратная связь). Происходит она с эмиттера VТ2 на его базу через контур. Сигнал с эмиттера VТ2 через R6 и С4 поступает на коллектор VТ1, то есть, на катушку связи L1.

Глубина ПОС регулируется переменным резистором R6. Этим резистором можно регулировать состояние приемника от минимальной чувствительности до возникновения генерации. Оптимальный режим с точки зрения максимальной чувствительности и селективности получается на границе у порога самовозбуждения приемника.

Детали приемника

Катушки L1 и L2 намотаны на каркасе, склеенном из ватмана. Это пустая гильза диаметром 20 мм и длиной 40 мм. Сначала наматывают катушку L2. Она содержит 12 витков намоточного провода диаметром около 0,5 мм (например, ПЭВ 0,47). Затем на поверхность L2 нужно намотать L1, тем же проводом, 5 витков.

Обе катушки намотаны в одном направлении. Начала обмоток отмечены на схеме точками. L3 - дроссель, намотанный на ферритовом кольце диаметром 7 мм из материала 400НМ, 400НН, 600 НН, 600НМ. В нем 200 витков тонкого намоточного провода (например, ПЭВ0.12).

Питается приемник от батареи напряжением 9V. Приемник был сделан с чисто экспериментальными целями, потому он собран на макетной плате, и печатная плата для него не разрабатывалась.

Налаживание

Налаживание заключается в установке тока коллектора транзистора VТ2 в пределах 0,6-0,7 мА подбором сопротивления резистора R5. В крайне нижнем по схеме положении R6 схема должна переходить на самовозбуэдение, то есть, в режим генерации. Если этого не происходит - значит неправильно распаяна катушка L2 (поменяйте местами точки подключения её выводов).

На КВ диапазоне радиостанции занимают малые, в процентном отношении, участки шкалы, поэтому настройка получается очень острая. На ось переменного конденсатора нужно надеть пластмассовый шкив желательно большего диаметра, и вращать его очень и очень медленно.

В противном случае вы просто будете проскакивать радиостанции не замечая их, и создастся впечатление, что приема нет. В процессе настройки работают два органа - С4 и R6, конденсатором перестраиваете по диапазону, а резистором выбираете оптимальный режим. Процесс настройки на радиостанцию сложен, но весьма интересен.

Мне удавалось на данный аппарат, пользуясь антенной в виде монтажного провода, натянутого по диагонали комнаты, принимать станции Северной Америки и Западной Европы, и даже Австралии.

Конечно, качество приема, мягко говоря, странное. Особенно на пороге генерации, но разборчивость вполне нормальная.