Глава 10. Структурная схема выбрана
«Спец»: Итак, вопрос в принципе решен, я полагаю?
«Аматор»: Да, безусловно!
«Незнайкин»: И я так считаю!..
«А»: Хотя выбор окончательного варианта структурной схемы еще не произведен!
«С»: Вот именно этим мы сейчас и займемся!..
Итак, приступаем к обсуждению структурной схемы и ее особенностей. Я предлагаю начать с обсуждения радиотехнического тракта, затем обсудить особенности систем контроля и индикации, а затем вопросы электропитания разрабатываемого устройства. И, одновременно, не забыть о весогабаритных характеристиках.
«А»: Вы, Спец, всю жизнь занимались разработками. Поэтому — Вам и карты в руки! Какой же радиотехнический тракт вы предлагаете принять за основу?
«С»: Да вот, примерно, такой (см. рис. 10.1)!
«Н»: А почему цепи первой АРУ даны пунктиром?
«С»: Да потому, что мы должны еще выяснить такой вопрос. Будет ли аттенюатор R иметь плавную регулировку? В этом случае необходима цепь первой АРУ.
Или же аттенюатор R будет иметь некоторое фиксирование значение ослабления, которое будет задействовано,' если входной сигнал приемника превысит некоторое значение?
«А»: Аттенюатор применяется для сохранения высокого динамического диапазона приемника?
«С»: Да, именно для этого! В связи с чем, ослабление при малом сигнале должно быть равно НУЛЮ, а при большом сигнале иметь такое значение, чтобы не допустить перегрузки усилителя ВЧ, который обозначен на структурной схеме, как А1.
«А»: АРУ-1 может строиться только как обратная АРУ?
«С»: Нет, АРУ-1 может быть и прямого и смешанного типа также!
«А»: А какое значение чувствительности приемника мы примем в качестве исходного для нашего реального случая? И вообще, не кажется ли Вам, что следует более подробно остановиться на шумах?
«С»: Действительно!.. Этот вопрос мы до сих пор как-то обходили!
Так вот, шумы бывают не только внешними, но и внутренними. Внутренние шумы возникают как в пассивных элементах радиоприемных устройств — резисторах, фильтрах, линиях передач; так и в активных приборах — работа которых независимо от того, что они собой представляют (радиолампы или транзисторы) связана с наличием управляемых потоков носителей заряда.
Поскольку любой ток, как известно, имеет составляющую хаотического перемещения заряда под действием теплового возмущения. Это ведет и к появлению некоторой хаотической составляющей тока, следствием которой является появление хаотической составляющей напряжения, когда этот ток проходит через резистор.
«А»: Именно это явление и называют ТЕПЛОВЫМИ ШУМАМИ?
«С»: Верно! Значит, любой резистор R является… источником теплового шума!
Но… средние значения шумового тока и напряжения равны нулю!
«А»: Так как ВСЕ направления случайных перемещений элементарных носителей зарядов — РАВНОВЕРОЯТНЫ!
«С»: Спектр тепловых шумов ограничен и обусловлен средней длительностью импульса, создаваемого перемещением элементарного носителя заряда.
«А»: Но ведь эта длительность должна быть исключительно мала!
«С»: Ну, конечно! Поэтому энергетический спектр равномерен во всем радиотехническом диапазоне. Вплоть до частот порядка 1011 — 1012 Гц!
Формулы Найквиста и определяют среднеквадратичные шумовой ток и напряжение:
где k — постоянная Больцмана, равная 1,38х10-23 Дж/К; Т — температура в град. Кельвина; Δf = f1 — f2 — диапазон частот, Гц.
Шумы транзисторов и диодов рассмотрим далее. Поскольку для активных приборов характерен не только тепловой, но и дробовый шум!
«А»: А как рассчитывают чувствительность радиоприемного устройства?
«С»: Будем считать требуемое отношение сигнал/шум на выходе линейной части приемника заданным. В единицах напряжения чувствительность приемника составляет:
где
tA определяется по формуле:
tA = TA/T0
здесь ТА — эквивалентная шумовая температура антенны; Т0 — 293 град. Кельвина.
«Н»: Что, все это надо считать?…
«С»: Если необходимо, то да! Кстати замечу, что радиотехнические расчеты весьма и весьма громоздки! А что касается Шпр, то в практических случаях можно ограничиться следующим:
Шпр = Lвх [Шву + (Шусч- 1)/Kр. ву + (Шсм — 1)/ Кр. вуКр. усч +…] ~= LвхШву,
здесь: Lвх— коэффициент потерь входного тракта; Шву — коэффициент шума входного устройства.
Но практика показала, что tA = 1 и формулы приобретают вполне удобоваримый вид:
РАС (чувствительность) = kТ0ПшШпрγ2.
«А»: А какой величиной чувствительности следует задаваться?
«С»: Шумы приемника, используя доступную компонентную базу, вполне реально довести до величины порядка ОДНОГО микровольта и меньше!
Окончательно мы все решим, когда от структурной перейдем к принципиальной электрической схеме. Поскольку ее роль в этом деле — ведущая!
«А»: А как мы поступим с вопросом о ГПД? Будет ли это все-таки синтезатор, или есть возможность ограничиться обычным гетеродином?
«С»: Учитывая тот факт, что в наш приемник мы не вводим SSB — тракта (хотя это вовсе не значит, что мы отказываемся от этой идеи в перспективе), в качестве гетеродина мы используем ГПД. Хороший, спектрально чистый ГПД, выполненный на основе LC — генератора!
У меня есть на примете подходящая схемотехника!
«А»: Усилитель А1 применим двухтактный?
«С»: Возможно и это. Хотя в данный исторический период есть решения и получше!
«А»: Смеситель U1 проблем у нас не вызывает?
«С»: Я полагаю — никаких!
«А»: Ну, фильтр Z2 проходим также без проблем?
«С»: А вот здесь я неуверен! Вопрос о том, удастся ли достать узкополосный кварцевый фильтр и какой именно! Поскольку фильтр Z2 держит в неопределенности расчет исходных значений частот гетеродинов и коэффициентов перекрытий диапазонов!
«Н»: Уважаемый Спец! А если нам не повезет и вопрос с Z2 — зависнет? Как быть тогда?
«С»: Посыпать голову пеплом не придется и в этом случае! Просто мы воспользуемся альтернативными решениями.
«А»: Но от преобразования «вверх» мы не отказываемся?
«С»: Ни при каких условиях! Но я вижу что принципиальных возражений по структурной схеме не имеется! Поэтому предлагаю перейти к рассмотрению системы индикации настройки.
«А»: Какой вид индикации мы предусматриваем — аналоговый или цифровой?
«С»: В приемниках подобного класса говорить об использовании нецифровых индикаторов частоты настройки считается признаком дурного вкуса…
Поэтому, друзья мои, я полагаю, что этот вопрос должен быть решен ОДНОЗНАЧНО!
«А»: То есть Вы предлагаете включить в состав приемника устройство, напоминающее то, которое применила фирма RACAL?
«С»: Нет-нет! Как ты знаешь, я уважаю не только научную фантастику, но фантастику вообще! Но только не пустопорожнее прожектерство!..
Поэтому, безусловно, очень заманчиво было бы использовать в приемнике микропроцессорную систему! Но это был бы уже до некоторой степени снобизм!.. Потом, позднее, если вы захотите создать еще более совершенный KB-приемник, имея соответствующий опыт, можно посоревноваться и с фирмой RACAL! Хотя я не уверен, что вы станете при этом призерами!..
Но имея ограниченные ресурсы, опыт, а главное — ограниченное время на разработку и изготовление, подобную задачу ставить перед собой не стоит!
«Н»: Как же лучше поступить в данном случае,?
«С»: Прежде всего — подумать и взвесить… Не теряя при этом веры в свои силы, естественно! Что мы хотим получить реально?
Во-первых, цифровую индикацию частоты принимаемой станции в любом из диапазонов, верно?
«А»: А цифровое значение самого принимаемого поддиапазона?
«С»: Совершенно не исключено! Затем — индикатор точной настройки на станцию. Неплохо еще было бы вынести на переднюю панель управления аналоговую информацию об уровне сигнала, присутствующего на входе приемника!
«Н»: Да, это было бы классно!..
«С»: Учитывая, что это еще достаточно просто сделать технически!
«А»: В маркетах у некоторых дорогих моделей приемников, магнитол и музыкальных центров на дисплее индицируется до трех — четырех знакомест в диапазоне УКВ. А сколько знакомест (иначе разрядов) должен иметь цифровой индикатор нашего приемника?
«С»: Я полагаю — не больше ПЯТИ! Но и не меньше!
В этом случае частота принимаемой станции определяется с точностью 1 кГц! Можно, конечно же, высветить и больше знакомест! Например, многие коротковолновики в своих приемниках и радиостанциях индицируют частоту принимаемого сигнала с точностью до 100 Гц!
Это означает, что их дисплеи имеют ШЕСТЬ разрядов! Кстати, будем использовать более общепризнанное название цифрового индикатора частоты принимаемого сигнала — ЦИФРОВАЯ ШКАЛА. Или, например, ЦОУ — цифровое отсчетное устройство.
«А»: А почему? Спец, вы решили ограничиться ЦОУ на пять знакомест? Из-за экономических соображений?
«С»: Решающее значение здесь имеет не столько экономика, сколько эргономика! Опыт показывает, что любитель прослушивания передач в КВ-диапазоне «гоняет» приемник по всем диапазонам. При этом, как правило, на прослушивание радиостанции, если она не очень интересна, требуется 5–7 минут! Иными словами, визуальная индикация частоты принимаемого сигнала осуществляется в течение довольно продолжительного времени.
Выяснилось, что значение показания шкалы все время анализируется и сознательно, и подсознательно!
Так вот, указывается, что визуализация ПЯТИ знакомест утомляет В НЕСКОЛЬКО РАЗ МЕНЬШЕ, чем ШЕСТИ!
«Н»: Но ведь, как я понял, длина волны KB-диапазона тоже должна претендовать на два знакоместа, как минимум!?
«С»: Само-собой! Например: «25 м»; «16 м»; «19 м». И так далее… Но эти два знакоместа располагаются, во-первых, в ином месте дисплейного поля.
Кроме того, размер их, как правило, отличается от размера цифр ЦОУ! А в случае применения светодиодных индикаторов, различие касается и цвета.
«А»: Ну хорошо! Так какую же разновидность цифрового индикатора Вы порекомендуете применить в нашем случае?
«Н»: А что, этих разновидностей много?
«А»: Да, немало! Представь себе, что общепризнанное применение нашли: вакуумные накаливаемые индикаторы — ВНИ; вакуумные люминесцентные индикаторы — ВЛИ; полупроводниковые светодиодные индикаторы — ПСИ; жидкокристаллические индикаторы — ЖКИ. А также люминесцентные и газоразрядные индикаторы, газовые и плазменные панели и пр.!
«Н»: Во многих приборах в настоящее время стоят ЖКИ!
«С»: Потому, что они самые экономичные из всех! Но у них есть принципиальный недостаток. Показания ЖКИ легко считываются только в дневное время!
В темноте они не видны! Поэтому я предлагаю использовать полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы — ППЗСИ. Хотя это, конечно, дело вкуса! Кстати, будет ли приемник иметь аккумуляторное питание или все же сетевое?
«А»: Аккумуляторное было бы предпочтительнее! Но это ведь зависит не в последнюю очередь от потребляемой приемником энергии!
«С»: Безусловно! Поэтому, поскольку окончательно подобный вопрос может быть выяснен только после выбора полной принципиальной электрической схемы устройства, могу предложить следующий вариант.
Приемник будет иметь встроенный блок сетевого питания. Но мы предусмотрим и аккумуляторный режим! Возражений нет?
«А»: А почему они должны быть?
«Н»: Что, можно перейти, наконец, к рассмотрению принципиальных электрических схем узлов приемника?…
«С»: Я бы посоветовал перед этим этапом разработки приемника вернуться к серьезному рассмотрению особенностей используемой для этого современной компонентной базы!
«А»: Действительно, Незнайкин!.. Ты уже достаточно разбираешься в транзисторах, микросхемах, конденсаторах и т. д.?…
«Н»: «Не мастерица я полки-то различать…»
«С»: «А форменные есть отлички! В мундирах выпушки, погончики, петлички…»
«А»: Есть замечательный анекдот о советском летчике, который вернулся из американского плена после вьетнамской войны… Все им гордятся — никаких секретов не открыл врагу! Замполит его в качестве наглядного примера для прочих приводит. А когда все отметили этот образчик героизма за столом, то на откровенные вопросы однополчан летчик ответил так: «Ребята!.. Учите как следует материальную часть!.. А то так бьют!»
«С»: Я, даст Бог, надеюсь, что ни Незнайкину, ни нам никогда не придется рисковать своим здоровьем и жизнью ради «успехов» социализма!
Но электроника — дама очень требовательная! Она требует к себе бережного, вдумчивого и очень деликатного отношения! И готова за это вознаградить сторицей! Поэтому, дорогой Незнайкин, мы начинаем новый цикл бесед. На этот раз — О КОМПОНЕНТАХ!
«А»: Я тоже с удовольствием приму в ней участие!
«Н»: Нет вопросов! А когда начнем?…
«С»: А прямо со следующего раза!
КОНЕЦ ПЕРВОЙ ЧАСТИ