Все системы АРУ в зависимости от типа РУ делятся на режимные и не режимные.
Пусть РУ – это резонансный усилитель. Тогда :
| | Żн |
где: S – крутизна активного элемента, Zн - нагрузка
Таким образом, чтобы изменять усиление можно:
1. изменять крутизну активного прибора усилителя (получаем режимную АРУ):
2. изменять сопротивление нагрузки (получаем не режимную АРУ):
10.2. Основные характеристики и параметры системы АРУ
1. Основной характеристикой является амплитудная характеристика линейного тракта приемника.
и
– определяют динамический диапазон ПРМ.
С применением системы АРУ динамический диапазон α на линейном участке существенно расширяется, т.е. ПРМ не перегружается.
Для идеальной АРУ значение Uвых. должно приближаться к постоянному значению.
Чтобы АРУ не реагировало на шумы ПРМ, применяют задержанные системы АРУ.
В этой схеме детектор АРУ открывается только, когда:
В этом случае амплитудная характеристика ПРМ с задержанной системой АРУ выглядит следующим образом:
Преимущество АРУ с задержкой в том, что она не подвержена воздействию помех или слабых сигналов. При этом, в зависимости от напряжения задержки U3 можно регулировать быстродействие системы АРУ - чем больше U3, тем больше быстродействие.
10.3. Элементы системы АРУ
Любая система АРУ включает в себя:
Детектор АРУ – ничем не отличается от обычных диодных детекторов, которые используются в основном тракте ПРМ.
Поэтому часто детектор АРУ совмещают с детектором ПРМ.
Фильтр АРУ – обычно строится на базе RC - цепей.
Наиболее широко применяется однозвенный RC – фильтр:
Чтобы правильно выбрать параметры фильтра необходимо выполнить следующие условия:
1) ω в > ωmax,
где: ωmax – максимальная частота закона изменения амплитуды
входного сигнала,
ω в – верхняя граничная частота фильтра.
2) ω в << Wmin, где Wmin - минимальная частота спектра полезного модулированного сигнала;
На практике применяются также двухзвенные RC –фильтры:
Такие фильтры применяются для повышения быстродействия системы АРУ.
Подбирая параметры фильтров, можно сделать так, чтобы сигнал проходил в фазе. Но эта структура фильтров приводит к меньшей устойчивости системы АРУ (в силу наличия в обратной связи двух интегрирующих звеньев).
Еще одна разновидность фильтра АРУ- пропорционально - интегрирующий фильтр:
Здесь меньший фазовый сдвиг на верхних частотах, т.е. система по сравнению с первой схемой более устойчива.
Регулируемый усилитель(РУ)
1. Режимный РУ.
На затвор транзистора (см. схему) подается регулирующее напряжение Up.
Регулируя напряжение U3И меняем крутизну стоко-затворной характеристики транзистора, а следовательно меняем его коэффициент усиления.
Глубина регулировки здесь:
В данной реализации система АРУ является не задержанной.
2. РУ с изменяемой глубиной ОС (тоже режимная регулировка).
На транзисторе V1 собрана схема резонансного усилителя, а на - V2 собрана регулируемая обратная связь. Коэффициент усиления транзистора V2 регулируется изменением регулирующего Up.
В общем виде коэффициент усиления усилителя охваченного цепью обратной связи записывается в виде:
где: K – коэффициент усиления усилителя на транзисторе V1,а b - коэффициент передачи цепи обратной связи V2.
Если обеспечить регулировку величины b (Uр) то => (Uр) - тоже величина переменная.
Достоинство этой регулировки по сравнению с первой схемой: больший динамический диапазон, и глубина регулировки тоже больше.
3. Не режимный РУ (электрически управляемый аттенюатор).
Строится на основе регулировки сопротивления нагрузки усилителя:
В качестве переменного сопротивления применяются диодные сборки. На схеме: если Up= 0, то диоды открыты и коэффициент усиления максимален и наоборот.
Достоинство: простота. Недостаток: увеличение нелинейных искажений за счет применения диодов.
Глубина регулировки s = 25-30 дБ.
10.4. Статический режим (СР) работы АРУ
При анализе СР полагают, что переходные процессы закончены и система находится в установившемся состоянии.
Структурная схема системы АРУ в общем виде выглядит следующим образом:
Требуемое значение коэффициента изменения выходного напряжения определяется техническим заданием с учетом параметров демодулятора приемника:
В РУ изменяется значение коэффициента усиления K0 в зависимости от величины Up.
Из ТЗ на проектирование ПРМ Задается величина α → αmax при этом
Для идеальной системы АРУ: b = 1.
При анализе статического режима работы АРУ определяется число регулируемых каскадов УПЧ (УРЧ): n.
В соответствии с ТЗ задается требуемая глубина регулировки усиления:
Gр = K0max / K0min = α / β
Задаемся типом РУ и определяем вид его регулировочной характеристики.
K0 нач = K0max
tgY = Kapy = Kd Kp Kyc – определяет глубину регулировки на одном усилителе:
Gрi = K0max / K0min
Для всех регулируемых каскадов:
В результате число каскадов определяется как: n = Gр / Gрi (и округляем в большую сторону до целого числа).
При выборе числа РУ - n надо учитывать следующее:
1) РУ должны находиться как можно ближе к входу приемника, чтобы большее число каскадов ПРМ было защищено от перегрузок;
2) с возрастанием числа каскадов уменьшается величина глубины регулирования, которая требуется от каждого каскада, следовательно уменьшается искажения полезного сигнала.
Обычные для практики значения: n = 2 - 5.
10.5. Динамический режим (ДР) работы АРУ
При анализе ДР оценивается длительность переходных процессов в системе АРУ, ее инерционность (быстродействие) и ее устойчивость, чтобы оценить степень искажения полезного сигнала (его огибающей).
Анализ переходных процессов.
При этом полагаем:
1) РУ является безинерционным устройством;
2) все инерционности АРУ заключены в инерционности ее фильтра;
3) регулировочная характеристика РУ аппроксимируется прямой линией.
Анализ сводится к следующему: надо найти дифференциальное уравнение этой системы и его решение.
Уравнение РУ, как прямой линии:
K p = K (Up) = – γUp;
γ = tgY - крутизна регулировочной характеристики:
Выберем в качестве фильтра АРУ - однозвенный RC фильтр.
Примем коэффициент усиления РУ: Кус = 1 - его как бы нет
Тогда дифференциальное уравнение RC фильтра системы АРУ запишется в виде:
- дифференциальное уравнение цепи обратной связи АРУ.
Найдем связь Uвх и Uвых:
К0начКнр Uвх < Eз (АРУ разомкнута)
Uвых= Uвх
К0нр ( К0нач – γ Uр) Uвх > Eз (АРУ замкнута)
К0нр - коэффициент усиления нерегулируемой части УРЧ и УПЧ.
Из второго условия найдем отсюда UР:
,
U1 - напряжение на входе фильтра
U1 = КАРУ (Uвых - γ Езад); КАРУ º Кd Kф Kус
Кd - коэффициент передачи детектора.
Подставим Up и U1 в дифференциальное уравнение.
В результате, получим дифференциальное уравнение системы АРУ:
–
- это линейное дифференциальное уравнение первого порядка. Решение этого дифференциального уравнения зависит от закона изменения входного сигнала.
Для анализа переходных процессов на вход подается сигнал в виде скачка напряжения единичной амплитуды:
Тогда решение этого уравнения можно записать в виде: , где:
Uвых нач – начальное значение выходного напряжения:
Uвых нач = K0 нр K0 нач Uвх
m - эквивалентный коэффициент усиления цепи АРУ: m = γ К0нр Sр КАРУ Uвх
tАРУ - постоянная времени цепи АРУ, которая определяется в виде:
График переходных процессов в системе АРУ:
При t ® ¥:
Анализ этого выражения показывает, чем Е3, тем Uвых уст; Е31 > E32
Таким образом, быстродействие системы АРУ зависит:
1. от величины нерегулируемых коэффициентов усиления (чем больше эта величина, тем меньше t и тем выше быстродействие);
2. от величины коэффициента усиления цепи АРУ (чем выше KАРУ, тем больше крутизна следовательно меньше tАРУ следовательно больше быстродействие);
3. от амплитуды входного сигнала (чем больше Uвх., тем меньше t, тем больше быстродействие, будет круче спадать exp.);
4. от постоянной времени фильтра tф = СфRф (чем больше tф, тем больше tАРУ следовательно, меньше быстродействие);
5. от величины Eз (чем больше E3, тем больше инерционность АРУ).
10.6. Устойчивость системы АРУ
Анализ устойчивости нужен только для обратных систем АРУ.
Причина неустойчивости: так как есть ОС, то может оказаться, что фазы Up и Uвх совпадают, следовательно, возможна генерация в системе АРУ. Эта неустойчивость выражается в том, что в выходном напряжении системы будет присутствовать паразитная амплитудная модуляция вплоть до генерации автоколебаний.
Система будет неустойчивой только при условии, что Uвх ¹ 0. .
Можно проанализировать устойчивость системы АРУ по критерию Найквиста.
При этом нужно разорвать цепь ОС.
Тогда определяем коэффициент передачи тракта:
b = Uф/Uвых - коэффициент передачи цепи ОС (цепи АРУ).
Для обеспечения устойчивости системы с ОС в соответствии с критерием Найквиста должно выполняться два условия:
1. |Kb| < 1 – коэффициент передачи всей замкнутой системы.
2. Фазовый сдвиг в системе не равен 2πn: Yкb ¹ 2πn
Если какое-то одно из условий не выполняется, то генерации не будет и система с ОС будет устойчивой.
Система с однозвенным фильтром почти всегда устойчива, так как второе условие не выполняется. В таком фильтре максимальный фазовый сдвиг равен 900.
10.7. Особенности работы АРУ в приемниках
импульсных сигналов
Как отмечалось выше АРУ делятся на инерционные и безинерционные.
1. Инерционные системы АРУ.
В таких АРУ должно выполнятся условие: tАРУ >> Тп, где Тп – период повторения импульсов. Тогда характеристики такой АРУ аналогичны характеристикам АРУ для ПРМ непрерывных сигналов.
В качестве примера рассмотрим импульсную АРУ в ПРМ РЛС, решающую задачу обнаружения и сопровождение цели по дальности и угловым координатам:
На рисунке обозначено: ВУ - видеоусилитель; СК - стробирующий каскад, открывающийся строб-импульсами передатчика. Выход СК используется для ССУК – схемы слежения по угловым координатам; ЗИ - зондирующие импульсы передатчика; ОИ - отраженные от цели импульсы. Uр - пропорционально последовательности видеоимпульсов: UвхАРУ*.
АРУ реагирует на изменения среднего значения огибающей входного сигнала, поэтому tАРУ выбираем из условия: tАРУ >> tи. С другой стороны эта величина должна быть гораздо меньше максимальной задержки отраженного сигнала: tАРУ << tоn,
Весь остальной расчет аналогичен расчету системы АРУ для непрерывных сигналов.
2) Безинерционные системы АРУ (БАРУ).
Применяются в соответствии с назначением самой радиосистемы: например, АРУ приемника самолетного ответчика; АРУ приемника РЛС обнаружения.
Для этих АРУ различают два режима работы:
1) tБАРУ > tи ; 2) tБАРУ < tи,
Рассмотрим первый режим:
tБАРУ > tи , следовательно сигнал проходит при максимальном усилении.
ОИ – отраженный импульс от цели
ПИ – помеховый импульс
То есть система БАРУ решают еще задачу по борьбе с импульсными помехами:
Рассмотрим второй режим: tБАРУ < tи
Сигнал имеет переменные амплитуду U0 и длительность импульса. Нужно так выбирать tБАРУ, чтобы U0вых было постоянным независимо от значений U0 и tи. Главная задача здесь – это выделить сигнал и сформировать на выходе сигнал с постоянной U0вых.
Это более быстродействующая система, чем первая.
В периоды между импульсами обе системы БАРУ не работают - они разомкнуты, то есть это системы дискретные во времени.