Системы автоматического регулирования усиления в УПиОС (АРУ)

12 Системы автоматического регулирования усиления в УПиОС (АРУ)

12.1 Определение, назначение, классификация и основные параметры АРУ

Определение: Совокупность функциональных узлов, обеспечивающих устранение перегрузки в каскадах УПиОС и поддерживающих заданное постоянство выходного напряжения в условиях изменения интенсивности принимаемого сигнала – называется системой АРУ.

Причины изменения уровня входного сигнала:

–  за счет изменения расстояния до объекта локации;

–  за счет изменения расстояния между перед и приемн.;

–  за счет «замирания» сигнала.

Причем, скорость изменения уровня сигнала такова, что в ручную не возможно обеспечить слежение за ним.

Назначение: АРУ изменяет Кр в тракте без нарушения параметров модуляции (АМ).

Классификация:

1.  По принципу действия – без ОС, с ОС, комбинированные, с программным управлением или временные ВАРУ.

Схема АРУ без ОС (прямые АРУ) представлена на рис.12.1.

Рис.12.1.

Недостатки: такая АРУ не отслеживает изменения Кр каскада, вызванные изменением температуры, старением и т.д. Не обеспечивает изменения работы при росте динамики входного сигнала. Требуется большое усиление для формирования регулирующего напряжения в цепи регулирования.

Достоинство: возможность получит идеальную амплитудную характеристику вида рис.12.2, что в принципе не возможно в АРУ с ОС.

Рис.12.2.

Схема АРУ с ОС (обратные АРУ) представлена на рис.12.3.

Рис.12.3.

Достоинства: все изменения Кр автоматически учитываются за счет ОС, не надо большого усиления – получили широкое распространение.

Недостаток: не возможно получить постоянное вых. Напр., не может обеспечить одновременно большую глубину регулирования и быстродействие.

Схема комбинированной АРУ представлена на рис.12.4. Применяется в условиях большого динамического диапазона входного сигнала, а также когда требуется большее постоянство выходного напряжения.

Рис.12.4.

Недостаток: сложность.

Схема ВАРУ показана на рис.12.5. Здесь регулировка напряжения происходит по определенному закону.

2.  По принципу формирования регулировки: аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные).

Разделяются на – с аналоговым электронным управлением аттенюатора (ЭУА) и дискретным сигналом управления; с дискретным ЭУА и дискретным сигналом управления; с комбинированием принципов аналогового и дискретного регулирования в составе одного устройства.

Достоинства цифровых АРУ: большая точность регулирования; большая надежность; большая стабильность работы.

3.  По способу изменения Кр: – путем изменения режима ЭП по постоянному току (простота реализации, но меняются параметры АЧХ и ФЧХ); – путем изменения глубины ОС (меньше уровень искажений, но не в полной мере используются усилит. Возможности ЭП); – путем изменения сопротивления, шунтирующего нагрузку; – путем изменения затухания ЭУА; – путем изменения напряжения гетеродина (редко используется).

4.  По наличию задержки: – простые АРУ без задержки; системы с задержкой.

График, поясняющий работу этих типов АРУ на рис.12.6.

Рис.12.6.

Для реализации «задержки» требуется специальная цепь.

5.  По наличию усилителя непосредственно в тракте АРУ: усиленные и неусиленные.

6.  По степени быстродействия: инерционные и быстродействующие.

Параметры АРУ:

1.  Регулировочная характеристика К(Up). В простом случае она линейна, как на рис.12.7.

Рис.12.7.

Реально  рег. Характеристика нелинейна, например, для регулируемого диф. Каскада – пунктир на рис.12.7.

2.  Динамический диапазон АРУ (1) – пределы изменения входного сигнала, при которых АРУ обеспечивает заданное постоянство выходного напряжения.

3.  (2) – изменение выходного напряжения, при заданном динамическом диапазоне АРУ.

4.  Время установления переходного процесса в системе АРУ tу при скачкообразном изменении амплитуды входного сигнала.

5.  Уровень нелинейных, частотных и фазовых искажений.

6.  Изменение глубины модуляции на выходе АРУ.

7.  Изменение фазового сдвига на выходе.

12.2 Принципы работы и схемы АРУ

12.2.1 Простые прямая и обратная АРУ

Схема обратной АРУ приведена на рис.12.8.

Рис.12.8.

АФ выделяет уровень несущего сигнала и не должен реагировать на амплитудную модуляцию от низкой частоты. Граничная частота ФНЧ должна быть меньше мин. модулирующей частоты. ФНЧ исключает опасность самовозбуждения.

Схема подачи управляющего напряжения на регулируемый каскад на транзисторе приведена на рис.12.9.

Рис.12.9

Реализация цепи задержки может быть на основе диода как на рис.12.10.

Рис.12.10.

12.2.2 АРУ на диф. Каскаде.

Более высокие характеристики дает АРУ на диф. Каскаде. Здесь по сигналу реализована каскодная схема.

Рис.12.11.

Это схема с «отсасывающим» транзистором, т.к. суммарный ток Т1 и Т2 всегда постоянен – при росте одного уменьшается другой. Режим Т3 не меняется в процессе регулировки. Можно реализовать большую глубину регулирования по формуле (1).

12.2.3 Цифровые АРУ

Цифровое АРУ на основе изменения сопротивления может быть построено по схеме на рис.12.12.

Рис.12.12.

Здесь ЦУС – цифровое управление сопротивлением (цифровой аттенюатор).

Шаг регулировки определяется младшим разрядом.

Для рассмотренных схем возможна реализация следующей глубины регулировки:

–  транзисторный усилитель – 10–25дБ;

–  усилитель с изменением глубины ОС – 25–30дБ;

–  ЭУА – 25–35дБ;

–  усилитель на диф. каскаде – 30–35дБ;

–  цифровая АРУ (при 8 разрядах) – 63дБ.

12.3 Описание работы АРУ в статическом и динамическом режимах. Определение времени установления переходных процессов и выбор постоянной времени фильтра

Работа в статическом режиме описывается коэффицентами (1и2) со стр. 1. Если G–требуемый коэфф. регулирования, то (1). Регулировочная характеристика апроксимируется прямой (рис.12.13) и описывается (2) и (3) – крутизна.

Рис.12.13.

Коэффициент передачи системы АРУ в общем виде (4). Физически – это тангенс угла характеристики на рис.12.14.

Рис.12.14.

Здесь (5), (6) и (7).

Амплитудная характеристика замкнутой АРУ будет (8), где (9) – эквивалентный коэффициент системы АРУ.

График амплитудной характеристики АРУ с задержкой показан на рис.12.15.

Рис.12.15.

На нем два участка: при (10), т.к. (11), а при (12).

Для оценки динамических свойств системы АРУ в качестве возмущающего воздействия рассмотрим скачок напряжения, больший Ез, а в качестве фильтра применена простая RC цепочка.

Тогда выходное напряжение будет (13), где (14)–эквивалентная постоянная времени АРУ.

Вывод: процесс установления носит экспоненциальный характер и Тару зависит от величины скачка входного напряжения.

Графи зависимости изменения выходного напряжения при скачке на входе от времени показан на рис.12.16.

Рис.12.16.

За время установления tу принимается время, в течение которого напряжение на выходе становится равным 1.1 от установившегося значения. Тогда значение (15). Для определения времени установления приравняем к 0,1 и получим (16) или (17), где (18). (19) – порог срабатывания АРУ по входу.

Для расчета используют упрощенную формулу (20).

Полученные соотношения позволяют рассчитать постоянную времени фильтра. Для приемников с АМ Тф выбирают из условия (21). Где (22).

Эти условия связаны с тем, что система АРУ вносит дополнительные искажения за счет неполного подавления пульсаций регулирующего напряжения. Поэтому индекс модуляции на входе и выходе различен – на выходе меньше, чем больше МЮ. Зависимость отношения от параметров фильтра на рис.12.17. Потому что отношение (23)

Рис12.17.

Эквивалентный коэфф. передачи (24), а (25). Вывод – нужно по возможности увеличивать Тф.

12.4 Влияние флуктуационных помех на искажения АМ сигнала на усилителе с АРУ

При воздействии полезного АМ сигнала и стационарной помехи с нулевым мат. Ожиданием и дисперсией σ_ш² на приемник на выходе Д АРУ среднее значение будет отличаться от того значения, которое было в отсутствие помехи (1).

Такое изменение среднего значения амплитуды вызовет изменение эквивалентного коэфф. пердачи по контуру , а следовательно динамической характеристики слежения. Из анализа можно показать, что система АРУ осуществляет перенос НЧ составляющих спектра помехи на частоту огибающей полезного сигнала.

Интенсивность НЧ составляющих обратно пропорциональна Тфэ (2), поэтому желательно увеличивать Тф вплоть до ограничения, накладываемого требованием к длительности переходного процесса. Иногда применяют фильтры с переключением.

12.5 Особенности систем АРУ УПиОС импульсных сигналов