Введение
В данном дипломном проекте будет рассмотрена конструкция блока усиления и преобразования сигналов в промежуточную частоту.
Нужно заметить, что усилители используются в различных сферах нашей жизни технике мы на каждом шагу сталкиваемся с системами усиления и преобразования различных сигналов. Они служат для усиления сигналов различной частоты.
В конкретном примере блок предназначен для усиления и преобразования сигналов радиочастоты в промежуточную частоту.
В следствии прогресса радиотехники разрабатываются более мощные и современные усилители. И именно поэтому они в настоящее время играют большую роль, применение их довольно широко, от наушников и до огромных радиостанций.
Преимущества данного блока это высокая чувствительность. Супергетеродин позволяет получить большее усиление по сравнению с приемником прямого усиления, высокая избирательность, обусловленная фильтрацией сигнала в канале ПЧ, а так же возможность принимать сигналы с модуляцией любого вида, в том числе с амплитудной манипуляцией(радиотелеграф) и однополосной модуляцией.
1 Схемотехническая часть
1.1 Супергетеродинный усилитель (супергетеродин) — один из типов радиоприемников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ) с последующим её усилением. Основное преимущество супергетеродина перед радиоприемником прямого усиления в том, что наиболее критичные для качества приёма части приёмного тракта (узкополосный фильтр, усилитель ПЧ и демодулятор) не должны перестраиваться под разные частоты, что позволяет выполнить их со значительно лучшими характеристиками.
В схемах приемников прямого усиления применяется только один тип
преобразователя колебаний — детектор, выделяющий из модулированных
колебаний высокой частоты колебания низкой частоты. В соответствии с этим
в таких приемниках осуществляется усиление колебаний высокой частоты
(частоты принимаемой станции) и усиление колебаний низкой (звуковой)
частоты.
Но возможность усиления колебаний высокой частоты ограничена
сравнительно не большими пределами (из-за опасности возникновения
паразитных колебаний), особенно если частота лежит в коротковолновой части
радиовещательного диапазона, а тем более в области коротких волн.
С другой стороны, единственный пригодный для высоких частот тип
усилителя это резонансный. Но необходимость перестройки всех контуров при
переходе от одной станции к другой очень усложняет конструкцию усилителя и
обращение с ним Обе эти трудности могут быть устранены одним и тем же
методом— преобразованием принимаемых колебаний любой частоты в
колебания одной и той же фиксированной часто ты. Эта частота выбирается
пониженной, чтобы можно было получить достаточно большое усиление, и на
нее настраивается резонансный усилитель.
Такой метод применен в супергетеродинных приемниках. Фиксированная
частота, которая получается в супергетеродине, называется обычно
промежуточной частотой.
Способ, который применяется для преобразования колебаний любой
принимаемой частоты в колебание одной промежуточной частоты, состоит в
следующем.
Если взять два колебания различной частоты и сложить их, то в результате
получаются сложные колебания, так называемые биения. Графически это
процесс сложения колебаний изображен на рис. 1.1. Кривые А и Б соответству-
ют двум гармоническим колебаниям разной частоты, а кривая В изображает
биения, полученные в результате сложения этих двух колебаний: А и Б.
У кривой В легко заметить новый период, а именно период биений,
который на рисунке отмечен буквами Т. Сразу видно, что период этих биений
больше, чем период каждого из слагаемых колебаний, и, следовательно, частота
биений меньше, чем частота каждого из слагаемых колебаний.
 |
Рисунок 1.1
Рис. 1.1. При сложении двух колебаний с разными частотами амплитуда
результирующего колебания периодически изменяется.
Частота биений равна разности частот двух слагаемых колебаний. Чем больше
разность между этими частотами, тем больше частота биений; поэтому, выбрав
достаточно большую разницу между слагаемыми частотами, мы можем
получить биения высокой частоты.
Так, если мы возьмем слагаемые колебания с частотами 1 000 кгц
(волна 300 м) и 1460 кгц (волна 205 м), то биения, полученные в результате
сложения этих колебаний, будут иметь частоту 460 кгц 1460—1000= 460), что
соответствует волне 652 м.
Однако хотя полученные биения и имеют уже период, соответствующий
промежуточной частоте, они не представляют собой гармонических колебаний
промежуточной частоты. Чтобы получить эти колебания, нужно биения
продетектировать. Так же. как из модулированных колебаний при
детектировании выделяются колебания с частотой модуляции, из биений при
детектировании выделяются колебания разностной частоты (равной разности
двух слагаемых частот). Этот метод преобразования частоты называют методом
смешения или методом гетеродинирования.
Рисунок 1.2
1.2 Блок предоставленный на рис. 1.2 предназначен для усиления и преобразования сигналов радиочастоты диапазона частот от 0,4 до 30 МГц в промежуточную частоту (ПЧ) 128 кГц при работе изделия в режиме “прием” и формирования сигналов радиочастоты в диапазоне от 1,5 до 30 МГц из сигнала частотой 128 кГц при работе в режиме “передача”.
При работе блока в режиме приема сигнал радиочастоты с высокочастотного соединителя Х1 “Rx” поступает на вход усилителя радиочастоты. Усилитель выполнен на транзисторах V3 (2Т399А) и V4 (2Т941А), соединенных с двух петлевой резистивной ООС: по току и напряжению. Собственный коэффициент шума УРЧ 3дБ, коэффициент передачи 19 дБ. Входной и выходной импедансы – 75 Ом.
С выхода УРЧ сигнал подается на фильтр нижних частот (ФНЧ) Z1 (Э3-399) через контакты электромеханического реле К1 и далее на первый преобразователь частоты.
Пассивный преобразователь частоты выполнен по кольцевой схеме на полевых транзисторах микросхемы D1 (590 КН8А).
Необходимое для работы смесителя напряжение гетеродина уровнем от 6 до 8В обеспечивается гетеродинным усилителем, выполненным по двухкаскадной широкополосной схеме на транзисторах V7 (2Т3108А) и V9 (2Т939А).
При работе в режиме передачи в блоке осуществляется обратное преобразование. Сигнал с частотой первой ПЧ (65, 128 МГц) и на первом смесителе (микросхема D1) в диапазон радиочастоты от 1,5 до 30МГц. С выхода ФНЧ Z1 через контакты электромеханического реле К1 сигнал поступает на вход УРЧ, выполненного V3 (2Т399А) и V4 (2Т941А) и после усиления через высокочастотный соединитель Х2 “Тх” – на выход блока “Тх”.
И в режиме “прием”, и в режиме “передача” осуществляется контроль наличия выходного напряжения с помощью детектора, выполненного на транзисторах V1, V2 (2Т368А) и V6 (2Т3117А).
1.3 Анализ элементной базы блока усиления производится на основе перечня элементов к схеме электрической принципиальной с целью возможности автоматизации и механизации процесса производства. Результаты анализа предъявляем в виде таблицы анализа элементной базы.
Таблица 1 – Анализ элементной базы
| Конденсаторы К10-17 | НЦ | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Конденсаторы КТ4-25 | НЦ | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Микросхема 590КН8А | ИП | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Индуктивность 2L09-01 | ИП | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Индуктивность 2L12 | ИП | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Сердечники УИЯД.684456.001 | ИП | Р | - | Г | - | Р | - | ПМ | |
| Резисторы С2-33Н | ИЦ | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Трансформатор 2Т124-02 | ИП | Р | - | Ж | - | Р | - | ПМ | |
| Трансформатор 2Т197 | ИП | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Трансформатор 2Т151 | ИП | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Трансформатор 2Т180-01 | ИП | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Транзисторы 2Т368А | ИЦ | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Транзистор 2Т399А | ИЦ | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Транзистор 2Т941А | ИЦ | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Диод 2Д419В | НЦ | А | - | Г | - | А | - | ПМ | |
| Транзистор 2Т3117А | ИЦ | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Транзистор 2Т3108А | ИЦ | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Диод 2Д522Б | НЦ | А | - | Г | - | А | - | ПМ | |
| Транзистор 2Т939А | ИЦ | А | - | Ж | - | А | - | ПМ | |
| Вилка ЦЛ3.645.017 | ИП | Р | + | Г | - | Р | - | ПМ | |
| Элемент Э3-399 | ИП | Р | - | Ж | - | Р | - | ПМ | Шайба, гайка |
| Реле РВИМ.647612.027 | ИП | А | - | Ж | - | А | - | ПМ |
Примечание к таблице. Сокращенным обозначениям соответствуют: *Н – неизолированный, *И – изолированный, *Г – герметичный, *П – прямоугольный, *Ц – цилиндрический тип корпуса; ***Ж/Г -–жесткие/гибкие выводы;; *****А/Р – автоматическая/ручная установка; ******ПМ/ОМ – печатный/объемный монтаж.
1.4. Основной активный элемент:
- Микросхема К590КН8А
Основные технические параметры К590КН8А:
К590КН8
Микросхемы К590КН8 представляют собой четырехканальный аналоговый ключ с
повышенным быстро действием (однополюсное включение, 4SPST).
Содержат 8 интегральных элементов.
Корпус типа 402.16-18, масса не более 2 г.
2 Конструкторская часть
Конструктивно-технологический анализ работы схемы
Возможные варианты конструктивного исполнения.
Все типы печатных плат (ПП) разрабатываются в соответствие с требованиями международных стандартов серии IPC-2220:
IPC-2221А – Общий стандарт по конструированию печатных плат (Generic standard on printed board design).
IPC-2222 – Конструирование жестких печатных плат из материалов на органической основе (Rigid organic printed board structure design).
IPC-2223 – Конструирование гибких печатных плат (Flexible printed board structure design).
IPC-2224 – Конструирование ПП формата PC card на органической основе (Organic, PC card format, printed board structure design).
IPC- 2225 – Конструирование ПП формата МСМ-L на органической основе (Organic, МСМ-L, printed board structure design).
IPC-2226 – Конструирование структур с высокой внутренней плотностью соединений (High density interconnect (HDI) structure design).
IPC-2227 – Конструирование ПП встраиваемых пассивных приборов (в разработке) (Embedded Passive Devices printed board design (In Process)).
Конструирование ПП выполняется в соответствии с требованиями, предъявляемыми к конечному изделию- прибору, и условно делится по назначению (как и сами изделия) на три класса:
Класс 1. ПП и ПУ в изделиях общего назначения (Бытовая электроника)
Включают потребительские изделия, такие как компьютеры и компьютерную периферию, применяемые там, где косметические дефекты не имеют
значения, а главным требованием является функционирование готового изделия электроники.
Класс 2. ПП и ПУ в изделиях промышленной электроники.
Включают коммуникационное оборудование, сложную профессиональную аппаратуру и приборы, от которых требуется высокая производительность и увеличенный срок службы, и для которых бесперебойная работа желательна, но не является особо важной. Допустимы определенные косметические дефекты.
Класс 3. ПП и ПУ в высококачественных электронных изделиях (Спецтехника).
Включает оборудование и изделия, для которых особую важность имеет бесперебойное функционирование. Простой оборудования неприемлем, оборудование должно задействоваться незамедлительно; например, в системах жизнеобеспечения, авиационной, космической или военной технике. Электронные изделия этого класса применимы для решения задач, где требуются высокие уровни надежности, функционирование является самым главным, а условия работы могут быть чрезвычайно суровыми.
Разработка моей печатной платы соответствует Классу 3.
Типы ПП.
Решение о выборе типа ПП (односторонняя, многослойная и т.д.) должно приниматься до начала разводки, и основываться на информации об условиях эксплуатации изделия, рассеиваемой мощности, механической жесткости, электрических параметров и плотности размещения компонентов и элементов рисунка.
В зависимости от базового материала печатные платы подразделяются на жесткие (rigid), гибкие (flex, flexible) и жестко-гибкие (rigid-flex).
Согласно международному стандарту IPC-2222 «Стандарт по конструированию жестких печатных плат на органической основе» жесткие ПП делятся на следующие типы:
- Односторонняя печатная плата;
- Двухсторонняя печатная плата;
- Многослойная плата без глухих или скрытых внутренних отверстий;
Согласно стандарту по конструированию жестких ПП на органической основе, мы выбираем именно такой тип печатной платы.
- Многослойная плата с глухими и/или скрытыми внутренними отверстиями;
- Многослойная плата с металлической сердцевиной без глухих или скрытых внутренних отверстий;
- Многослойная плата с металлической сердцевиной с глухими и/или скрытыми внутренними отверстиями.
Согласно международному стандарту IPC-2223А «Стандарт по конструированию гибких печатных плат» гибкие ПП делятся на следующие типы:
- Односторонний гибкий печатный монтаж, содержащий один проводящий слой с или без элементов жесткости;
- Двухсторонний гибкий печатный монтаж, содержащий два проводящих слоя с металлизированными переходными отверстиями с или без элементов жесткости;
- Многослойный гибкий печатный монтаж, содержащий три или более проводящих слоя с металлизированными переходными отверстиями с или без элементов жесткости;
- Многослойные жесткие и гибкие комбинации материалов, содержащие три или более проводящих слоя с металлизированными переходными отверстиями.
Согласно стандарту по конструированию гибких ПП, мы выбираем именно такой тип печатной платы.
- Гибкий или жестко-гибкий печатный монтаж, содержащий два или более проводящих слоя без металлизированных переходных отверстий.
Существуют так же более высокие уровни конструкции- монтажные устройства и системы.
Но в проектируемом блоке они не потребуются, так как схема достаточно проста и не имеет большого числа элементов. Поэтому рассмотрим два возможных варианта конструктивного исполнения блока:
1. Узел печатный с необходимыми элементами электрическими соединения и механического крепления. Недостатком такого варианта является необходимость пред усмотрения дополнительного объема для размещения проектируемого узла печатного, что не всегда удобно.
2. Блок выполненный с защитным экраном, под которым размещен разрабатываемый узел печатный. При этом необходимо предусмотреть в конструкции блока только элементы электрического соединения (разъемы для подключения блока).
Для дальнейшего проектирования выбираем вариант 2 – блок, так как он не требует согласования конструкций проектируемого узла и различного конструктивного исполнения.
Целесообразность разбиения схемы на функциональные узлы.
Простота схемы и небольшое количество элементов на ней делает не целесообразным ее разбиение на функциональные узлы, выполненные в виде отдельных узлов печатных. Поэтому, конструктивно вся схема будет выполнена в виде одной печатной платы.
Описание конструкции
Выбор материала экрана проводится, исходя из обеспечения заданной эффективности экранирования в рабочем диапазоне частот при соответствующих ограничениях:
влияния на экранируемый объект, массогабаритных параметров, а также устойчивости против коррозии, обеспечения механической прочности, технологичности конструкции и т.д.
При конструировании печатного узла выбор экранирующих материалов достаточно ограничен. Наиболее подходящим материалом представленной печатной платы является медь и медные сплавы. Эти материалы обеспечивают приемлемое значение эффективности экранирования при электростатических полях и при электродинамическом экранировании.
При разработке подобных экранов и способов их крепления на печатной плате следует обеспечивать возможность автоматизированной сборки и монтажа. Поверхность экрана должна быть эквипотенциальной. При соединении с шиной заземления потенциал на экране будет 0 В.
Следует помнить, что по экрану протекают возвратные токи высокой частоты, поэтому заземление экрана должно обладать низким полным сопротивлением на тех максимальных частотах, которые характерны для проектируемого печатного узла. Проектируя систему экранирования, большое внимание следует уделить обеспечению низкого полного сопротивления соединения экрана с системой заземления аппаратуры. Один из важнейших принципов, заложенных в подобные проектные решения, состоит в обеспечении непрерывности экранирования.
Согласно этому принципу все экраны в аппаратуре, системе, установке должны представлять собой непрерывные металлические стенки с минимальными нарушениями целостности экрана.
Установка элементов производится по ОСТ 4.010.030-81. Шаг координатной сетки 1,25 мм. На печатной плате блока управления установлены элементы: диоды V5 и V7, индуктивности L1, L3, L5, L6 конденсаторы C1, C2, C3, C9, C10, C4, C5, C7, C6, C8, C11, C12, C13, C14, C15, C16, 17, C18, C19, C20, C21, C22, C23, резисторы R1, R2, R3, R5, R4, R6, R7, R8, R9, R10, R13, R11, R14, R16, R18, R12, R15, R17, R19, R23, R26, R20, R21, R22, R24, R25, R27, R56, сердечники L2, L4, транзисторы V1-V2, V3, V4, V6, V7, V9, трансформаторы T1, T2, T3 T4, переключатель S1, микросхемa D1, вилки X1, X2, X3, реле К1, К3, К5, элемент Z1.
После установки элементов на печатную плату и распайки их выводов, платы покрываются лаком УР-231 УХЛ2 ТУ6-21-14-90.