Аналіз функціональних схем, основні елементи систем автоматичного регулювання підсилення

Рефераты по коммуникации и связи » Аналіз функціональних схем, основні елементи систем автоматичного регулювання підсилення Скачать

АНАЛІЗ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ СХЕМ ОСНОВНІ ЕЛЕМЕНТИ СИСТЕМ АРП

1. Загальна характеристика та аналіз функціональних схем систем регулювання підсилення

Різновиди систем АРП

Автоматичне регулювання підсилення призначене для підтримки рівня вихідного сигналу прийомного пристрою або підсилювача поблизу деякого номінального значення при зміні рівня вхідного сигналу. Автоматичне виконання цієї функції необхідно тому що зміни рівня вхідного сигналу можуть відбуватися хаотично і досить швидко. Ручне регулювання підсилення використовується лише для установки рівня вихідного сигналу що повинний підтримуватися системою АРП.

Є багато причин через які рівень вхідного сигналу безупинно змінюється [8]:

- зміна відстані між джерелом випромінювання і приймальним пристроєм;

- зміна умов поширення радіохвиль;

- інтерференція радіохвиль що прийшли в місце прийому по різних

шляхах;

- перебудова приймача з однієї станції на іншу;

- зміна взаємоспрямованості приймальних і передавальних антен і т.д.

У радіозв'язку напруга сигналу на вході приймача може зміняться в 106 раз і більше. Вихідна напруга приймача при цьому не повинна змінюватися більш ніж у 1 2 ÷ 3 рази. Ця вимога диктується як припустимими перекручуваннями інформаційної складової сигналу в тракті прийомного пристрою так і відсутністю перевантажень його каскадів що можуть привести до тривалих утрат чутливості. При цьому сама система АРП не повинна викликати надмірних перекручувань огинаючої сигналу або призводити до появи паразитної амплітудної модуляції сигналу тобто система АРП повинна бути стійкою.

В ідеальному випадку вихідна напруга приймача (підсилювача) повинна залишатися незмінною після досягнення деякого значення Uвих min що забезпечує нормальну роботу кінцевої апаратури. Це значить що коефіцієнт підсилення повинний змінюватися за законом [9]

Реальні системи АРП відповідають цьому співвідношенню з великим або меншим наближенням.

Системи АРП можуть бути зворотнімиі прямими. Зворотні системи АРП є системами зі зворотним зв'язком — у них точка знімання напруги для формування регулюючого впливу розташована далі від входу приймача чим точка прикладення регулюючого впливу. Інакше кажучи це системи з регулюванням «назад». У прямих системах АРП точка знімання напруги для запуску схеми АРП розташована ближче до входу приймача чим точка прикладення регулюючого впливу. Ці системи не утворюють кола зворотнього зв'язку і є системами з регулюванням «уперед». Кожна з цих систем має переваги і недоліки.

Зворотні системи АРП не можуть дати повної сталості вихідної напруги тому що воно є вхідним для системи АРП і повинне містити інформацію для відповідної зміни регулюючого впливу. Крім того вони не можуть забезпечити одночасно велику глибину регулювання (Uвих ≈ const) і високу швидкодію з міркувань стійкості. Однак ці системи захищають від перевантажень усі каскади приймача розташовані далі від входу чим точка прикладення регулюючого впливу а самі ланцюги АРП є під впливом сигналу зі стиснутим динамічним діапазоном і також не піддані перевантаженням.

Прямі системи АРП принципово можуть забезпечити ідеальне регулювання тобто Uвих ≈constпри Uвих ≥ Uвих min і як завгодно високу швидкодію. Однак практично це не досягається тому що ступінь сталості вихідної напруги обумовлений конкретними даними елементів ланцюга АРП і ланцюгів прийомного пристрою підданих технологічним розкидам тимчасовим і режимним змінам. Ланцюг АРП захищає від перевантажень тільки ті каскади що розташовані далі точки прикладення регулюючого впливу і сам є під впливом сигналу із широким динамічним діапазоном тобто підданий перевантаженням і повинен містити внутрішні зворотні системи АРП. У цьому випадку система АРП практично перетворюється в окремий канал прийомного пристрою не менш складний чим його основний канал.

Усі ці причини призводять до того що в даний час більше поширення одержали зворотні системи АРП. Очевидно кращі результати може дати застосування комбінованої системи АРП що включає в себе ланцюги зворотньої і прямої АРП з переважаючим впливом зворотнього ланцюга АРП. Функціональна схема такої комбінованої системи АРП приведена на рис. 1.

Рис 1. Функціональна схема комбінованої системи АРП

Зворотня система АРП утворюється детектором АРП ДАРП 1 фільтром Ф1 і всіма каскадами основного тракту розташованими між точкою прикладення регулюючої напруги Uр1 і виходом блоку високої частоти (БВЧ).

В пряму систему АРП входять детектор Д АРП 2 фільтр Ф2 і підсилювач постійної напруги У АРП 2 .Регулююча напруга Uр2 вводиться в БВЧ і в підсилювач низької частоти - ПНЧ (останнє не обов'язково і використовується рідко). Фільтри Ф1 Ф2 додають ланцюгам АРП необхідну інерційність обумовлену як розуміннями стійкості (АРП1) так і відсутності демодуляції АМ-сигнала (АРП1 АРП2 ). Роль фільтрів Ф1 і Ф2 можуть грати навантажувальні ланцюги відповідних детекторів. Регулюючі напруги Uр1 і Uр2 містять складові що змінюються з частотами паразитної амплітудної модуляції вхідного сигналу обумовленої перерахованими раніше причинами але не містять складових що змінюються з частотою корисної модуляції. Ці складові безперешкодно проходять через основний тракт радіоприймального пристрою виділяються детектором Д и підсилюються підсилювачем низької частоти утворюючи вихідну напругу приймача U вих. НЧ . Звичайно немає необхідності знижувати посилення слабких сигналівU вх > U вх min що не створюють перевантажень приймача і не забезпечують номінальної вихідної напруги навіть при максимальному посиленні БВЧ і ПНЧ. Для додання ланцюгам АРП граничних властивостей тобто включення їх тільки при визначеній амплітуді сигналу ланцюг АРП замикають примусовим зсувом і відмикають тільки після того як напруга сигналу перевищить напругу запирання. Звичайна напруга запирання («затримки») подається на детектори або підсилювачі АРП. На рис. 3.1 це напруги Ез1 і Е з Подібні системи АРП називаються затриманими. Затримка може бути введена по середньому значенню сигналу або по максимуму. Якщо постійна часу навантажувального ланцюга ДАРП 1 менше періоду повторення імпульсів (при імпульсному сигналі) і діод Д АРП 1 замкнений напругою затримки Е31 то при Uвих < Е31 система АРП буде розімкнута. При U вих31 діод ДАРП 1 відкривається кожним імпульсом що задовольняє цій умові і після фільтрації у фільтрі Ф1 виробляється регулююча напруга Uр1 пропорційна амплітуді максимального імпульсу. Це система АРП по максимуму сигналу що прагне підтримати постійним максимальне значення вихідної напруги.

У системі АРП2 напругою затримки Ез2 закритий підсилювач постійної напруги У АРП Він відкриється тільки тоді коли випрямлена і профільтрована фільтром Ф2 напруга перевищить Ез Ця напруга пропорційна середньому значенню вхідного сигналу. У такий спосіб створюється система АРП по середньому значенню що прагне підтримати незмінним середнє значення вихідної напруги. На рис. 3.1 у ланцюзі АРП 1 немає спеціального підсилювача ні в ланцюгах високої частоти ні на постійному струмі. Це не посиленасистема АРП. Система АРП 2 - посилена тому що містить підсилювач У АРП 2 посилюючий сигнал у ланцюзі АРП 2 (регулююча напруга). Посилені системи АРП мають більшу глибину регулювання і здатні забезпечувати менший динамічний діапазон вихідного сигналу.

З принципу дії системи АРП випливає що при слабкому сигналі коефіцієнт підсилення приймача максимальний. При цьому на виході прослуховуються шуми створені зовнішніми перешкодами і власними флуктуаційними процесами в каскадах радіоприймального пристрою. У деяких випадках це небажано і тоді використовується безшумова система АРП (рис. 2). Автогенератор Г генерує коливання досить високої частоти які знаходяться поза межами смуги пропускання ПНЧ. Ці коливання детектуються детектором Дг і випрямлена напруга замикає один з каскадів ПНЧ. З появою сигналу за умови Uвих > Е3 замикається система АРП і починає виробляти напругу UР що прикладається до електродів активного приладу генератора Г и зриває його коливання. При цьому знімається напруга що замикає ПНЧ і сигнал починає надходити на вихід.


Рис. Часове регулювання підсилення(ЧРП)

Така функціональна схема приведена на рис. 3. Пусковий імпульс 1 від модулятора РЛС генеруємий одночасно з зондувальним імпульсом запускає генератор регулюючої напруги (ГРН). У початковий момент часу напруга Uр взагалі може замикати прийомний тракт здійснюючи «бланкування» приймача. Потім по мірі зменшення U р підсилення приймача збільшується доходячи до максимально можливого. Таким чином підсилення виявляється зв'язаним з дальністю. Визначена форма і швидкість зміни Uр (t) встановлюються в залежності від конкретних умов. Система ЧРП є автономною не зв'язаною з інтенсивністю вхідного сигналу в кожен даний момент часу.

По ступені швидкодії розрізняють інерційніАРП і швидкодіючі АРП (ШАРП). Ступінь швидкодії визначається відносно швидкості зміни інтенсивності сигналу. Висока швидкодія не дозволяє одержати великої глибини регулювання з розумінь стійкості тому для досягнення загальної великої глибини регулювання приходиться застосовувати кілька послідовних кілець ШАРП (рис. 4. Послідовні кільця ШАРП) причому найчастіше одне кільце охоплює всього один підсилюючий каскад.


Рис. 3.Функціональна схема імпульсної системи АРП

Рис. 4. Послідовні кільця ШАРП


ЦифроваАРП (ЦАРП) має ряд переваг перед звичайними аналоговими системами [8 9]:

- незалежність тривалості процесу встановлення необхідного підсилення від рівня вхідного сигналу;

- незалежність регулюючих характеристик від розбросів і конкретних властивостей ланцюга АРП і регулюємого підсилювача (при цілком цифровому виконанні);

- можливість встановлення необхідного підсилення після прийому першого імпульсу;

- астатизм і збереження встановленого підсилення при перервах у прийомі сигналу.

Побудова зворотної системи ЦАРП ілюструється функціональною схемою ( рис. 5. Функціональна схема зворотньої системи ЦАРП ). Вихідна напруга відеопідсилювача перетворюється у двійковий код у перетворювачі напруга — код (ПНК). Код вихідної напруги N вих порівнюється з еталонним кодом Nе в схемі порівняння кодів (СПК) у результаті чого утворюється код неузгодженості ∆N. Помітимо що СПК — не що інше як цифровий граничний пристрій а еталонний код — цифровий аналог напруги затримки. У результаті порозрядного усереднення в схемі усереднення і запам'ятовування (СУЗ) (цифровий аналог фільтра звичайної АРП) виробляється код регулювання. Код регулювання керує регульованими елементами з дискретним двійковим регулюванням. Число таких елементів дорівнює числу розрядів коду регулювання й у залежності від наявності в даному розряді N р нуля або одиниці відповідний елемент регулювання має мінімальний або максимальний коефіцієнт передачі. У схемі рис. 5 покладається що цими регульованими елементами є каскади ППЧ із дискретним регулюванням (ППЧДР). Перепад коефіцієнта передачі елемента що відповідає даному розрядові сполучений зі старшинством розряду.


Uвх Uв и х Uв и х ВУ

Nр ∆NNвих

Рис. 5. Функціонльна схема зворотньої системи ЦАРП

Нехай число регульованих елементів п = 6 і відповідно код регулювання -шестирозрядний. Максимальне значення шестирозрядного двійкового коду

N р max = 25 + 24 + 23 + 22 + 2 +1 = 63

( Nр = ап-1 2n -1 + аn -2 2n - 2 +...+ аn -1 2n -1 + ...+а1 21 + а0 20

де аj = 0 або 1 ). Нехай загальний динамічний діапазон регулювання посиленняGр - 126 дБ. Тоді ціна молодшого розряду т = Gp /N p max = 126/63 =2 дБ .

Для і -го регульованого елемента перепад посилення G pi =т2 n -1 дБ

Таким чином регульовані елементи повинні давати наступні перепади підсилення (див. табл. 3.1).

Таблиця 3.1.

І 1 2 3 4 5 6 Всього
G р1 ,дБ 64 3232 16 8 4 2 126

Ціна молодшого розряду визначає досяжну точність регулювання при ідеальній роботі всіх інших елементів схеми. В принципі можна мати як завгодно високу точність роботи ЦАРП. тому що цифрова схема запам'ятовування Np є ідеальним інтегратором і забезпечує системі властивість астатизму.

Розглянемо коротко особливості амплітудних характеристик регульованого підсилювача при дії АРП (рис. 6. Амплітудна характеристика регулювання підсилення ). Якщо система АРП відсутня (крива 1) то починаючи з деякого значення Uвх n з'являється перевантаження підсилювача і його здатність передавати збільшення напруги Uвх губиться. При цьому амплітудна модуляція вхідної напруги спотворюється або усувається зовсім.

При наявності незатриманої системи АРП (крива 2) коефіцієнт підсилення починає зменшуватися з появою напруги Uвх однак скривлення амплітудної характеристики ще не свідчить про перекручування АМ-сигналу якщо система АРП інерційна. Зображені на рис. 6 амплітудні характеристики є статичними і зняті при повільній зміні напруги Uвх тобто при замкнутій системі АРП. Інерційна система АРП не замикається для складових корисної модуляції і тому захищаючи підсилювач від перевантаження сприяє неспотвореному відтворенню цієї корисної модуляції сигналу на виході. При наявності затриманої (або підсилено-затриманої) системи АРП (крива 3) коефіцієнт підсилення слабких сигналів (Uвх < Uвх min ) не знижується й амплітудні характеристики підсилювача без АРП і з АРП збігаються за умови Uвх < U вх min . Починаючи з деякого значення Uвх АРП сам ланцюг АРП починає перевантажуватися і його стабілізуюча дія послабляється.

Елементи систем АРП

У загальному випадку в систему АРП входять регулюємі елементи амплітудний детектор із примусовим зсувом (затримкою) або без нього фільтри і додаткові підсилювачі на змінному або постійному струмі (до детектора АРП або після нього). Специфічними тут є регулюємі елементи тому далі вони розглядаються більш докладно. Звичайно застосовуються чисто електричні методи регулювання. Основними з них можна вважати наступні [9]:

1) зміна підсилювальних параметрів активних приладів шляхом додатка регулюючої напруги Uр до їхніх електродів. При цьому змінюється режим роботи активного приладу тому подібні способи зміни посилення іноді називають режимними;

2) використання аттенюаторів. що включаються в тракт проходження сигналу і керованих регулюючою напругою UР ;

3) застосування керованих ланцюгів негативного зворотного зв'язку. При цьому регулююча напруга Uр впливає на елементи що визначають коефіцієнт передачі ланцюга зворотного зв'язку β = Uoc / Uвих що приводить до зміни посилення підсилювача охопленого негативним зворотнім зв'язком;

4) зміна навантажувальних опорів підсилювальних каскадів шляхом застосування керованих опорів — варикапів варисторів діодів біполярних і польових транзисторів.

Використовуються і комбіновані схеми регулювання що поєднують кілька перерахованих методів регулювання.

Приведемо кілька конкретних прикладів різних регулювань посилення. Режимні регулювання найкраще реалізуються стосовно до польових транзисторів і електронних ламп. У цих приладів крутість S залежить від напруги між затвором і джерелом (сіткою і катодом) причому в області напруг де струми затвора або керуючої сітки відсутні. Це дозволяє подачею UР у ланцюг затвора або керуючої сітки регулювати посилення каскаду практично без витрати потужності від джерела напруги UР .

Принципові схеми введення напруги UР стосовно до польових транзисторів приведені на рис. 7. У схемі рис. 7 а регулююча напруга вводиться в ланцюг затвора через СR - фільтр що володіє малою постійної часу і призначений тільки для фільтрації складових несущої частоти сигналу. Напруга UР має негативний знак тому що використовується транзистор з n-каналом а збільшення Uр повинне приводити до зниження крутизни.

У схемі рис. 7 б напруга Uр вводиться в ланцюг другого затвора двухзатворного транзистора з р-каналом. В обох випадках при Uр - 0 положення робочої точки визначається автоматичним зсувом за рахунок опору Ru (|Е0 | = Іо Ru ).Це опір створюючий зворотній зв'язок на постійному струмі перешкоджає зміні крутизни S при впливі UР і тому іноді виключається зі схеми регульованого каскаду. У цьому випадку початкова напруга зсуву подається по ланцюгу напруги Uр (UР = Е0 при непрацюючій системі АРП).

а) б)
Рис. 7. Принципові схеми регулювання підсилення на польових транзисторах
Рис. 8. Схеми підсилювачів на біполярних транзисторах

Для підсилювачів на польових транзисторах можна вважати що залежність коефіцієнта підсилення від напруги UР К0 (UР ) цілком визначається залежністю S (Uр ) тому що Ко = SRеК а RеК = const.

У схемах підсилювачів на біполярних транзисторах регулююча напруга звичайно вводиться в ланцюг бази (рис. 8. а б Схеми підсилювачів на біполярних транзисторах) з такою полярністю щоб його збільшення зменшувало колекторний струм Ік транзистора. Низькочастотна крутизна S0 біполярного транзистора його вхідна g і вихідна g1 провідності а також постійна часу t залежать від струму Ік так як показано на рис. 9. Таким чином при збільшенні напруги Uр буде зменшуватися струм Ік а також крутизна S0 що і потрібно для здійснення АРП.

Страницы: 1 2