Радиоавтоматика: основы теории и принципы построения автоматических систем, страница 4

Системы АРУ предназначены для стабилизации уровня сигнала на выходе приемника при изменениях уровня входного сигнала, которые могут достигать значений 100 дБ и более (из-за изменения расстояния между передатчиком и приемником, изменения условий распространения радиоволн и других факторов). Необходимость применения системы АРУ обусловлена тем, что в ее отсутствие приемник (прежде всего оконечные каскады) может перегружаться, что приведет к нелинейным искажениям сигнала. В следящих системах изменение уровня сигнала влечет изменение крутизны и формы дискриминационной характеристики и, как следствие, ухудшение показателей качества (устойчивости, точности и других). Системы АРУ используются также в радиопередающих устройствах (например, в синтезаторах частот), устройствах подавления помех (компенсаторы помех) и прочее. Существует много типов систем АРУ, отличающихся принципом действия (по воздействию, по рассогласованию), числом контуров регулирования (одноконтурные и многоконтурные), способом изменения усиления (изменение крутизны характеристики усилительного прибора, изменение коэффициента передачи аттенюатора, шунтирование нагрузки и прочее), видом сигнала управления (аналоговые, цифровые).

Рассмотрим простейшую однопетлевую систему АРУ с управлением по рассогласованию (рис. 2.1). Входной сигнал поступает на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления (РУ) (обычно это усилитель высокой частоты или первые каскады усилителя промежуточной частоты приемника). Выходной сигнал РУ детектируется амплитудным детектором (АД), отфильтровывается от шумов и мешающих сигналов и в качестве регулирующего напряжения Up(t) (постоянного или медленно меняющегося) подается на вход усилителя (изменяя смещение на базе транзистора, а следовательно, и его усиление). При увеличении уровня выходного сигнала возрастает регулирующее напряжение, что приводит к уменьшению усиления, и наоборот, при уменьшении уровня сигнала u2(t) напряжение Up уменьшается, а усиление РУ возрастает. Тем самым достигается стабилизация уровня выходного сигнала при изменении уровня входного сигнала. В реальных системах такая стабилизация осуществляется неидеально (остается изменение уровня в несколько децибел).

На рис. 2.2 представлены амплитудные характеристики РУ: кривая 1 соответствует линейному (идеальному) усилителю, кривая 2 – реальному усилителю без АРУ, кривая 3 – усилителю с АРУ. Там же приведена амплитудная характеристика усилителя с так называемой «задержанной АРУ» (кривая 4). Достоинством последней является то, что в ней отсутствует снижение усиления в режиме слабого сигнала (как это имеет место в не задержанной АРУ). Помимо большего усиления слабого сигнала, АРУ с задержкой обеспечивает более высокий уровень выходного сигнала, что также является ее достоинством. Задержка в работе АРУ обеспечивается тем, что на диод амплитудного детектора подается смещение U0, запирающее диод до тех пор, пока уровень сигнала u2(t) не превышает это смещение (соответственно, уровень входного сигнала не превышает порогового значения U1min).

 

Рис. 2.1                                                        Рис. 2.2

В практических схемах для повышения эффективности (глубины регулировки АРУ) в цепь обратной связи включают усилитель постоянного тока.

Фильтр нижних частот, как отмечалось, предназначен для того, чтобы отфильтровать шумовую составляющую напряжения Up(t), быстро меняющуюся во времени, а следовательно, имеющую широкий спектр. Кроме того, ФНЧ не должен пропускать составляющих сигнала с частотами модуляции, то есть частота среза ФНЧ должна быть меньше самой низкой частоты в спектре модулирующего сигнала. В противном случае усиление АМ-сигнала будет сопровождаться подавлением амплитудной модуляции (уменьшение глубины модуляции). Объясняется это тем, что помимо постоянной составляющей (пропорциональной уровню выходного сигнала), регулирующее напряжение содержит в этом случае низкочастотное модулирующее колебание, прошедшее через ФНЧ. В силу отрицательной обратной связи (если пренебречь фазовым сдвигом, вносимым ФНЧ) усилитель действует как амплитудный модулятор, управляющее напряжение которого противофазно модулирующему колебанию (огибающей АМ-сигнала). Это приводит к уменьшению глубины модуляции АМ-сигнала на выходе усилителя по сравнению с входным сигналом.

Обратимся теперь к математическому описанию системы АРУ. Будем полагать, что усилитель и детектор являются безынерционными. Это означает, что любое изменение амплитуды входного сигнала мгновенно проявляется в изменении выходного напряжения детектора. Кроме того, будем считать усилитель линейным, то есть его амплитудная характеристика имеет вид

U2(t)=kU1(t).                                         (2.1)

Регулировочная характеристика усилителя может быть описана выражением

,                                (2.2)

где     - крутизна регулировочной характеристики,

 - коэффициент усиления при разомкнутой цепи обратной связи.

Выражение (2.2) описывает регулировочную характеристику в предположении, что напряжение Up невелико (линейный участок характеристики).

При линейном детектировании характеристика АД может быть аппроксимирована

                                                             (2.3)

где  – крутизна характеристики (коэффициент передачи) детектора. Регулирующее напряжение связано с выходным напряжением детектора дифференциальным уравнением (в операторной форме)

Up(t)=Kф(р)Uд(t).                                                   (2.4)

Объединяя уравнения (2.1) – (2.4), запишем общее уравнение системы АРУ для режима сильного сигнала, когда U2³U0:

U2(t)=[k0+k0kд(U0 - U2)Kф(p)]U1(t).                          (2.5)

В соответствии с (2.5) можно составить структурную схему системы АРУ. В зависимости от того, что полагать воздействием: напряжение задержки U0 или амплитуду входного сигнала U1(t) – получим либо систему стабилизации, либо систему слежения. С точки зрения математического описания это несущественно, поскольку методы анализа систем стабилизации и систем слежения общие.