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 U_p(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 U_p 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 U_1min).

 

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 U_p(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 U_p 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)

U_p(t)=K_ф(р)U_д(t).                                                   (2.4)

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

U₂(t)=[k₀+k₀k_д(U₀ - U₂)K_ф(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.