Урок - продолжение предыдущего урока о структурных схемах радиоприемников разных типов. Были рассмотрены приемники прямого усиления, автодинные, прямого преобразования, регенеративные, сверхрегенеративные и рефлексные приемники.
Путь усовершенствования приемников состоял в использовании супергетеродинной схемы, предложенной к внедрению в 1917/19 годах.
Супергетеродинный приемник
Изучив в предыдущем уроке принцип действия автодина, можно легко понять устройство супергетеродинного приемника. В супергетеродине, как и в автодине, есть свой собственный генератор незатухающих колебаний - гетеродин. Но если в автодине разница между частотами приема и генерации находится в диапазоне звуковых частот (для возможности приема частот биений на слух), в супергетеродине разность частот постоянна и устанавливается стандартной в пределах от 450 до 500 кГц (или иной). Эта частота называется промежуточной частотой (ПЧ).
Эти значения не случайны, они лежат выше самой высокой частоты длинноволнового (ДВ) диапазона волн (408 кГц) и ниже самой низкой частоты средневолнового (СВ) диапазона 525 кГц.
Обычно используются следующие ПЧ:
- 450 кГц — стандарт импортных, чаще всего китайских, радиоприемников;
- 455 кГц — основной стандарт импортных радиоприемников;
- 465 кГц — советский стандарт промежуточной частоты;
- 500 кГц — применяется в приемниках с электромеханическими фильтрами (ЭМФ).
Выбор ПЧ определяется тем, что исключена работа каких-либо передающих радиостанций на этой частоте, и тем самым снижается вероятность создания помех на этой частоте.
Основное усиление супергетеродинного приемника и отстраивание от соседних станций происходит не в каскадах УРЧ, а в каскадах усиления ПЧ.
Поскольку ПЧ фиксирована, контуры ПЧ не нуждаются в перестройке при настройке приемника на разные частоты приема, и имеется возможность использовать много полосовых контуров ПЧ, что и обеспечивает недостижимую в приемниках прямого усиления избирательность.
Ниже структурная схема супергетеродина.
Колебания гетеродина смешиваются с колебаниями принимаемого сигнала в особом элементе приемника - смесителе. Смеситель совместно с гетеродином образует преобразователь частоты, выполняемый в простых моделях супергетеродинов на одном транзисторе.
Пример: При промежуточной частоте 465 кГц в приемнике, настроенном на частоту 1900 МГц, частота гетеродина может составлять (1900+465=2365) Гц (т.н. верхняя настройка) либо (1900-465=1435) кГц (нижняя настройка).
Из примера следует, что имеется возможность получить от смесителя одно и то же заданное значение промежуточной частоты при 2 настройках гетеродина: при «верхней» и при «нижней» настройке. С точки зрения теории биений обе настройки гетеродина приемлемы в равной мере, однако ряд дополнительных соображений диктует выбор «верхней» настройки гетеродина; но из этого правила могут быть и исключения.
Но при выборе по примеру выше частоты гетеродина в 2365 кГц, помимо приема частоты 1900 кГц возможен и прием частоты (2365+465=2830) кГц. Это т.н. зеркальный канал приема, отстоящий от основного канала приема вверх на удвоенную ПЧ, в нашем примере на 2*465=930 кГц.
Чтобы ослабить прием по зеркальному каналу, перед преобразователем частоты непременно необходим преселектор - это 1 или 2 колебательных контура (во входной цепи и УРЧ при его наличии), настроенные на частоту принимаемого сигнала и ослабляющие прием по зеркальному каналу.
Другой недостаток супергетеродина - интерференционные свисты, на основе возникновения биений между частотой мощной радиостанции и частотой гетеродина.
Ниже, в качестве примера, схема радиочастотного тракта простого супергетеродинного приемника.
Сопряжение частот контуров преселектора и гетеродина
При анализе схемы этого приемника особое внимание следует обратить на сопряжение частот входного контура L1C2C3 и контура гетеродина L3C4C5C6. Дело в том, что в приемнике прямого преобразования, при наличии в нем 2 колебательных контуров, оба контура всегда настраиваются на одну и ту же частоту, частоту приема, и при регулировке приемника достаточно обеспечить, путем подстройки индуктивностей 2 контуров сердечниками, а емкостей подстроечными конденсаторами, равенство частот настройки 2 контуров на нижней и верхней частотах диапазона, и равенство частот настройки будет обеспечено на любой из частот диапазона.
В супергетеродине все иначе. Берем диапазон СВ с частотными границами 525-1605 кГц. Коэффициент перекрытия диапазона равен 1605/525=3,06. Границы частот гетеродина при верхней настройке определяются как (525+465=990) кГц и (1605+465=2070) кГц. Коэффициент перекрытия равен 2070/990=2,09.
Это общее правило - при верхней настройке коэффициент перекрытия контура гетеродина всегда меньше коэффициента перекрытия преселектора. Тем самым, и коэффициент перекрытия по суммарной емкости контура гетеродина меньше чем коэф. перекрытия по емкости контура преселектора. Исходя из конструктивных соображений целесообразно использовать для совместной настройки контуров преселектора и гетеродина один двухсекционный (или трехсекционный) КПЕ с идентичными секциями и общим ротором.
Уменьшение же коэффициента перекрытия в контуре гетеродина легко решается схемным решением, добавлением в контур дополнительных конденсаторов.
А теперь пересчитаем контур гетеродина СВ в случае нижней настройки. Границы частот гетеродина определяются как (525-465=60) кГц и (1605-465=1140) кГц. Коэффициент перекрытия равен невероятно большому значению 1140/60=19, что не может обеспечить ни один КПЕ, особенно ввиду присутствия в схеме также емкостей катушки и монтажа.
Из сказанного вытекает приведенная выше предпочтительность верхней настройки гетеродина.
Вновь вернемся к приведенной выше схеме радиочастотного тракта супергетеродинного приемника. В контур гетеродина для уменьшения его коэффициента перекрытия введен особый сопрягающий конденсатор С5, включенный последовательно с КПЕ, при этом неизбежный подстроечный конденсатор включен параллельно катушке индуктивности, а катушка индуктивности также снабжена подстроечным сердечником.
Обратите внимание - приведено точное значение емкости сопрягающего конденсатора по расчету (который оставляем за границами данного курса), но подстройка данной емкости подстроечным конденсатором в данном приемнике не предусмотрена. Сопрягающий конденсатор уменьшает коэффициент перекрытия диапазона контура гетеродина в тем большей степени, чем меньше его емкость.
Итого в контуре гетеродина (в данном приемнике, существуют и иные решения) предусмотрено 2 подстроечных элемента - сердечник катушки индуктивности и подстроечный конденсатор, и точное сопряжение частот возможно лишь в 2 точках диапазона принимаемых частот (в отличие от приемника прямого усиления, где сопряжение контуров теоретически возможно на всех частотах).
На всех прочих частотах диапазона будет наблюдаться рассогласование сопряжения (ошибка), и следует добиваться того, чтобы оно не выходило за пределы допустимого. Точки точного сопряжения задаются в инструкции по настройке конкретного устройства и выбираются таким образом, чтобы ошибки по краям и внутри диапазона были равными; при самостоятельном выборе точек точного сопряжения они выбираются несколько больше нижней частоты диапазона и несколько меньше верхней частоте диапазона.
Существуют формулы для расчета оптимальных частот точного сопряжения, при 2-точечном сопряжении в диапазоне СВ (525-1605 кГц) они выбираются равными 619 и 1360 кГц. К иным вариантам сопряжения контуров мы еще раз вернемся ниже. Разобравшись с колебательными контурами преселектора и гетеродина, переходим непосредственно к гетеродину, выполненному на транзисторе V1.
Краткое описание работы приемника
Необходимая для самовозбуждения и генерации ПОС обеспечивается 2 отводами от катушки L3 гетеродина. В коллекторную цепь транзистора V1 включены 2 связанных контура ПЧ L4C9 и L5C11. Колебания ПЧ поступают на базу транзистора V2 (каскад УПЧ, коллекторной нагрузкой которого служит еще один контур ПЧ L6C13, идентичный контуру L4C9).
Через катушку связи L7 напряжение поступает на детекторный каскад на диоде Д9Б, далее на внешние (не показанные на схеме) каскады УЗЧ, что нам уже понятно по определению на основе предыдущих уроков. Осталось коснуться настройки контуров ПЧ, что имеет свои особенности.
Настройка контуров ПЧ
Ниже описано упрощенное проведение настройки контуров ПЧ с целью понимания общих принципов, полностью настройка выполняется согласно соответствующим инструкциям, прилагаемым к радиоприемному устройству.
Настройку при нескольких контурах ПЧ производят начиная с последнего каскада ПЧ. Контур L6C13 - простой колебательный контур, его передаточная характеристика имеет всего 1 максимум на частоте его настройки (это т.н. одногорбая характеристика), и достаточно подстройки частоты контура сердечником катушки индуктивности по максиму напряжения на выходе.
Иное дело со связанными контурами L4C9 и L5C11. При сильной связи (больше некоторой критической) передаточная характеристика становится двугорбой, т.е. имеет 2 симметричных максимума с провалом между ними, и провал тем глубже, чем сильнее связь.
При критическом значении коэффициента связи двух связанных контуров наблюдается максимально плоская вершина АЧХ и АЧХ по форме близка к П-образной характеристике идеального полосового фильтра. Ниже пример АЧХ двух связанных контуров при разной степени связи А относительно критической. По горизонтальной оси расстройка относительно средней частоты.
Видно, что при увеличении степени связи полоса пропускания контура расширяется. Вопрос выбора связи решается разработчиком схемы, при регулировке связанных контуров ПЧ не следует нарушать установленную степень связи.
Оптимальной считается настройка контуров с провалом на средней частоте на 3 дБ или 0,71 от максимального значения. При подобной связи, чтобы не ориентироваться на настройку двугорбой кривой, целесообразно настраивать оба контура по порядку, при этом зашунтировав ненастраиваемый контур резистором с сопротивлением порядка 10-20 кОм, чтобы снизить его добротность и влияние на настраиваемый контур. При подобном шунтировании одного контура резонансная кривая превращается в одногорбую с одним максимумом, соответствующим резонансной частоте незашунтированного контура, что облегчает регулировку с ориентированием на максимум напряжения на выходе.
Супергетеродин с двойным преобразованием частоты
В приемной части современных радиостанций в большинстве случаев применяется супергетеродин с двойным преобразованием частоты. От обычного супергетеродина он отличается наличием 2-го преобразователя частоты и 2-й ПЧ, что позволяет обеспечить еще бόльшие чувствительность, избирательность и помехозащищенность.
Схема супергетеродина с двойным преобразованием похожа на схему обычного супергетеродина, но с добавлением еще одного гетеродина, смесителя, а также соответствующих каскадов усиления и фильтрации. Первая промежуточная частота обычно более высокая, составляет единицы и десятки мегагерц, а вторая более низкая (455 кГц).
Ниже структурная схема супергетеродина с двойным преобразованием частоты.
Электромеханические фильтры промежуточной частоты
Электромеханический фильтр (ЭМФ) обычно используется вместо электронного фильтра радиочастот и пропускает колебания в определенной полосе частот и подавляет остальные. На входе и на выходе фильтра стоят электромеханические преобразователи, преобразующие электрические колебания сигнала в механические колебания рабочего тела фильтра и обратно.
В ЭМФ используются магнитострикционные и пьезоэлектрические электромеханические преобразователи. В современных ЭМФ предпочтение отдается пьезоэлектрическим преобразователям, которые одновременно могут быть использованы как резонатор, что позволяет уменьшить количество деталей и размер фильтра.
Ниже пример ЭМФ на частоту 500 кГц.
ЭМФ можно включить вместо контура ПЧ в цепь коллектора транзистора смесителя. Схема ниже. Слева каскад смесителя, справа каскад УПЧ.
Сопряжение контуров преселектора и гетеродина по 1, 2 и 3 точкам
Выше, где был рассмотрен пример сопряжения контуров по 2 точкам, было обещано вернуться к вопросу сопряжения позднее.
Число точек точного сопряжения определяется значением коэффициента перекрытия по частоте рассчитываемого диапазона KД.
- при KД < 1,1 достаточно одной точки;
- при 1,1 < KД < 1,7 необходимы две точки (иногда приводится более строгое требование KД < 1,4);
- при KД > 1,7 необходимы 3 точки точного сопряжения.
Сопряжение по 1 точке
Производится, как правило, при растянутых диапазонах коротких волн (КВ) на одной частоте диапазона, примерно равной средней частоте диапазона, а если точнее, то на средней по длине волны частоте.
В качестве примера, для любительского диапазона 10 метров (28-29,7 МГц) с коэф. перекрытия 29,7/28=1,061 и длинами волн 10,101-10,714 м, единственной точкой сопряжения явится длина волны (10,10+10,71)/2=10,41 м, или частота 28,82 МГц.
Сопряжение по 1 точке не представляет сложности и производится сердечником катушки гетеродина.
Сопряжение по 2 точкам
Пример был приведен выше. Собственно автор схемы, рассчитанной на изготовление начинающими радиолюбителями, пренебрег советом производить сопряжение при коэф. перекрытия более 1,7 (что есть случай в примере) по 3 точкам, а не 2, соответственно в примере будет повышенная ошибка на средней частоте диапазона.
Регулировка гетеродина по методу двух точек начинается с подгонки начальной емкости на высшей частоте точного сопряжения, а затем гетеродин подстраивается индуктивностью вблизи низшей частоты точного сопряжения. После подстройки индуктивности вновь возвращаются к высшей частоте точного сопряжения и восстанавливают на этой частоте настройку подстроечным конденсатором и т.д. до тех пор, пока в обеих точках не будет достигнуто соответствие шкале.
Сопряжение по 3 точкам
Если в примере схемы супергетеродина выше производить сопряжение по 3 точкам (что есть наиболее сложный вариант регулировки), емкость конденсатора С5 также следует сделать регулировочной (уменьшив номинал и подключив параллельно подстроечный конденсатор) либо менять конденсаторы в процессе настройки. Итого для настройки сопряжения по 3 точкам необходимы 3 элемента регулировки - 2 подстроечных конденсатора и сердечник катушки индуктивности.
Средняя точка сопряжения при этом равна средней геометрической частоте диапазона (на СВ 918 кГц. Расчет по точным формулам дает значения нижней частоты сопряжения 566 кГц и 1489 кГц верхней.
Первую подстройку в данном случае производят на высшей частоте сопряжения посредством параллельного подстроечного конденсатора. Затем переходят к подстройке гетеродина вблизи низшей частоты сопряжения при помощи последовательного подстроечного конденсатора. Третьей по порядку подгоняют настройку в средней точке диапазона путем подстройки индуктивности катушки гетеродинного контура.
Возможно полное исключение погрешности сопряжения контуров во всем диапазоне рабочих частот при переходе к электронной системе настройки контуров (варикапами, управляемыми синтезаторами напряжения) и применением синтезаторов частот.
На этом покончим с супергетеродинами. В следующем уроке кратко об инфрадинах и приеме сигналов с однополосной модуляцией (SSB).
Схемотехника для начинающих