Поволжский государственный технологический университет Системы радиоавтоматики Йошкар-Ола 2012

Поволжский государственный технологический университет Системы радиоавтоматики Йошкар-Ола 2012 г.

Система АРУ широко применяется в радиоприемных устройствах различного назначения и предназначена для стабилизации уровня выходного сигнала усилителя при изменении уровня входного сигнала. Отсутствие системы АРУ приводит к перегрузке последующих каскадов приемника, к искажению амплитудной модуляции. В системах стабилизации частоты большой динамический диапазон изменения сигнала изменяет крутизну дискриминационной характеристики, что резко снижает качество работы системы. Существует три основных типа систем с АРУ: обратного действия (с обратной связью); прямого действия (без обратной связи); комбинированные.

Cхема системы АРУ обратного действия U 1(t) U 2(t) y Up(t) ФНЧ Uд(t) Д U 3 Система работает следующим образом: Входное напряжение U 1(t) поступает на усилитель (У) с регулируемым коэффициентом усиления, затем детектируется в детекторе (Д) и, проходя через фильтр нижних частот (ФНЧ), поступает в виде регулирующего напряжения Up(t) на усилитель, изменяя его коэффициент усиления ky. При увеличении уровня входного сигнала ky уменьшается, а при уменьшении входного сигнала повышается.

Изменение коэффициента усиления усилителя осуществляется разными способами: • изменением крутизны усилителя, • включением в состав усилителя управляемого аттенюатора, • шунтированием нагрузки и т. д. Пример усилителя, в котором регулирование коэффициента усиления достигается изменением крутизны транзистора. Cхема усилительного каскада в этом случае представлена на рисунке 1. 1

Напряжение Uб в этой схеме равно сумме напряжений: начального смещения Uсм рабочей точки, имеющего отрицательную полярность, и регулирующего напряжения Uр положительной полярности, т. е. Uб= - Uсм + Uр. При возрастании регулирующего напряжения Uр напряжение Uб повышается (т. е. становится более положительным), в результате чего крутизна транзистора и коэффициент усиления каскада уменьшается (рисунок 1. 2) Рис. 1. 1 Рис. 1. 2

Для того чтобы избежать снижения коэффициента усиления при слабых входных сигналах обычно применяют систему называющуюся АРУ с задержкой. Задержка создается путем подачи на детектор запирающего напряжения U 3 (рис. 2). В итоге результирующее напряжение Up на выходе детектора появляется только после того как, амплитуда U 2 выходного напряжения усилителя превысит напряжение задержки U 3. Тем самым слабые сигналы подавляться системой АРУ не будут. Это видно из графика амплитудной характеристики (АХ) усилителя (рис. 2. 1). Рис. 2. 1.

При анализе работы систем АРУ необходимо выяснить: устойчива ли система, каково качество стабилизации выходного напряжения в стационарном режиме, определить длительность переходного процесса. Для этого необходимо найти уравнения описывающие поведение отдельных элементов и всей замкнутой системы регулирования. Основным инерционным звеном является ФНЧ остальные - приближенно можно считать безынерционными.

Запишем уравнения элементов системы, чтобы построить структурную схему АРУ (рисунок 3). Зависимость коэффициента усиления ky от регулировочного напряжения Up называется регулировочной характеристикой. В общем случае она нелинейна, но ее можно аппроксимировать линейной зависимостью вида: ky=k 0 - Spy Up , где k 0 - коэффициент усиления при Up=0, Spy - крутизна регулировочной характеристики. Рис. 3

При отсутствии ограничения в усилителе: U 2(t)= ky U 1(t). При линейном режиме детектирования выходное напряжение детектора определяется выражением: Здесь kд(U 2 - U 3)=f(x) - нелинейная зависимость вида: kд - коэффициент передачи детектора, U 3 - напряжение задержки. ФНЧ линейное устройство с операторным коэффициентом передачи kф(р). Поэтому напряжение на его выходе будет: Uр= kф(р) Uд(t).

Таким образом, структурная схема системы АРУ имеет замкнутый контур управления. Задающим воздействием является U 3 которое постоянно во времени следовательно данная система управления является системой стабилизации.

Важной особенностью системы АРУ является переменность ее параметров во времени из-за наличия звена с коэффициентом передачи k(t)=U 1(t). Кроме того она содержит еще и нелинейный элемент поэтому является нелинейной системой с переменными параметрами. Анализ такой схемы затруднителен поэтому производят ряд упрощений. Так при оценке качества стабилизации уровня выходного напряжения в стационарном режиме U 1 принимают постоянным во времени и ее анализ существенно упрощается. Пользуясь вышеприведенными формулами и учитывая, что функция f(t) кусочно линейная АХ усилителя с АРУ описывается соотношениями: U 2=k 0 U 1, при U 2< U 3. где kф(0) - коэффициент передачи постоянного напряжения ФНЧ.

Для анализа устойчивости системы АРУ амплитуду входного сигнала принимают за постоянную величину. И при U 2>U 3 система оказывается линейной с постоянными характеристиками и анализ может быть проведен известными методами. При анализе переходных процессов в системе АРУ вызванных подачей на вход усилителя сигнала с постоянной амплитудой можно считать что схема имеет постоянные параметры, а на входе при t=0 подаются воздействия U 3 и k 0. При таком подходе анализ системы мoжно провести используя общие методы исследования.

Система автоматической подстройки частоты Системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) применяются: в радиоприемных устройствах для поддержания постоянной промежуточной частоты сигнала, используются для стабилизации частоты генерируемых колебаний, применяются в качестве узкополосных перестраиваемых по частоту фильтров. Упрощенная функциональная схема АПЧ радиоприемного устройства, предназначена для стабилизации промежуточной частоты сигнала представлена на рис. 4. 1.

Входной сигнал с частотой преобразуется в смесителе (СМ) в напряжение промежуточной частоты , усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ) и поступает на частотный дискриминатор (ЧД). Если промежуточная частота сигнала отличается от номинального значения , равного центральной частоте УПЧ , то на выходе УПЧ возникает напряжение, зависящее от величины и знака частоты рассогласования. Выходное напряжение дискриминатора, пройдя через фильтр нижних частот (ФНЧ), поступает на гетеродин и изменяет его частоту, а следовательно и промежуточную частоту сигнала так, что исходное рассогласование уменьшается. В результате промежуточная частота сигнала поддерживается близкой к центральной частоте УПЧ.

Сигнал с выхода ЧД поступает на гетеродин и изменяет его частоту на , где - коэффициент передачи гетеродина. Промежуточная частота в системе АПЧ равна: Ошибка регулирования промежуточной частоты - отклонения частот входного сигнала и гетеродина от номинальных значений и .

Напряжение на выходе ЧД является функцией отклонения промежуточной частоты от номинального значения Зависимость называется дискриминационной характеристикой (рис. 4. 2) UЧД При малых значениях дискриминационная характеристика линейна и принимает вид: где kчд - крутизна ЧД. ∆ω Рис. 4. 2. Дискриминационная характеристика ЧД.

Используя формулы, запишем ошибку регулирования промежуточной частоты в виде: - коэффициент передачи системы

Структурная схема АПЧ относительно отклоненной от номинальных значений изображена на рисунке: n – флуктуационная составляющая (помеху) поступающая на вход ЧД. - нестабильность частоты геродина.