4. Автоматические регуляторы усиления (ару)

Общие сведения.

Место подключения – радиоканал РПУ

Решаемая задача. Автоматически стабилизирует выходное нормальное напряжение сигнала при увеличении ЭДС несущей РС на входе РПУ относительно реальной чувствительности. Основные причины изменения ЭДС радиосигнала на выходе РПУ: изменение расстояния связи, явление замирания, связанное с условиями распространениями пространственной волны, радиосвязь с РПДУ различной мощности излучения

Принцип решения задачи.

↑Э_А> Э_{А min} →АРУ→РК РПУ (↓K_{U РК})→U_вых = U_ном →Const.

Показатель работы – коэффициент регулирования АРУ

K_АРУ = (Э_{А max}/ Э_{А min})/(U_{вых c max}/ U_{вых c ном}) = А/В.

Показывает во сколько раз отношение изменения ЭДС на входе относительно реальной чувствительности (А = Э_{А max}/ Э_{А min}) больше относительного изменения отношения сигнала на выходе РПУ (В = U_{вых c max}/ U_{вых c ном}).

Критерий оценки технического состояния АРУ:

• работоспособная K_АРУ ≥ K_{АРУ норм};

• функционирует А>В;

• состояние отказа А = В.

Структурная схема (рис. 23,е)

Структурные элементы АРУ:

ДАРУ – детектор АРУ преобразует колебания АМС в пульсирующее напряжения звуковой частоты, критерий функционирования U₀ ≠ 0.

ФАРУ – фильтр АРУ выделяет постоянную составляющую из пульсирующего напряжения звуковой частоты, критерий функционирования U₀ ≠ 0.

ИЗ – источник задержки обеспечивает обратное постоянное напряжение для ДАРУ и сохраняет закрытое состояние ДАРУ, если Э_А < Э_{А min}, критерий функционирования U_VD обр = Е_зад.

ЗВ МКС – звено межкаскадной связи - исполнительное звено АРУ, критерий функционирования U_{вых ЗВ. мкс} = ψ(U^’₀).

УПЧ1 – усилитель промежуточной частоты, - VT УПЧ исполнительное звено АРУ U_{вых УПЧ1. мкс} = ψ(U^’₀).

УПЧ АРУ и УПТ АРУ – усилители промежуточной частоты и постоянного тока АРУ, увеличивают коэффициент регулирования АРУ, критерий функционирования соответственно U^’_с > U_c, U^’₀ > U₀.

УПЧ2 - возбудитель.

ЗВ мкс и VT УПЧ1 - потребители.

Классификация:

• по структурной схеме:

• простая АРУ: ДАРУ, ФАРУ, ИЭ;

• АРУ с задержкой: ДАРУ, ФАРУ, ИЭ, ИЗ;

• АРУ с задержкой и усилением: ДАРУ, ФАРУ, ИЭ, ИЗ УПЧ АРУ (УПТ АРУ).

• по способу изменения усиления РК:

• АРУ с изменением затухания в межкаскадной связи;

• АРУ с изменением смещения;

• комбинированная АРУ.

• по элементной базе: на дискретных элементах или микросхеме.

Техническое наименование АРУ. В состав информации входит наименование устройства (АРУ) и его основные классификационные элементы.

КОМБИНИРОВАННАЯ АРУ С ЗАДЕРЖКОЙ И УСИЛЕНИЕМ НА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Структура схемы (рис. 24,а).

• преобразование частоты (ПЧ);

• резисторных УПЧ на транзисторе с ОИ (VT₁, C₂, R₂, R₃, C₄, R₅, C₆, C₅, E);

• одноконтурных УПЧ на транзисторе с ОЭ (VT₂, L₁, C₁₀, R₁₄, C₁₁, R₁₂, C₁₃, R₁₆, C₁₂, C₉, C₁₄, E, R₁₃)

• делитель межкаскадной связи (VD₁, R_{вх VT2}).

Структурные элементы АРУ:

ДАРУ выполнен по последовательной схеме АД на диоде (L₂, VD₂, R₂₁, C₁₆);

ФАРУ – фильтр нижних частот (R₁₈, C₁₃);

ИЗ (E, R₁₉, R₂₀, C₁₅);

исполнительные звенья АРУ (VT₁ и звено межкаскадной связи: VD₁, Е, R₇, R₈, C₇, R₉, R₁₅, VT₃, R₁₀, R₁₁)

УПТ АРУ (VT₃, R₁₅, R₁₇, Е)

развязывающие фильтры АРУ в цепях смещения (R₄C₃ и R₁₁C₈).

Принцип стабилизации выходного напряжения сигнала.

• Исходный режим. ЭДС входного радиосигнала меньше реальной чувствительности РПУ:

• диод детектора (VD₂) АРУ закрыт за счет обратного постоянного напряжения Е, приложенного к VD₂ через делитель задержки.

• R₁₉R₂₀C₁₅ (U_{вх VD2 m}<E_зад = U_R20), напряжение на выходе ДАРУ равно нулю;

• к выходу ФАРУ (R₁₈C₁₃) приложено постоянное напряжение смещения источника Е через гасящий резистор R₁₇;

• транзистор VT₃, входящий в состав делителя постоянного напряжения (E, R₁₅, R_кэVT3) УПТ АРУ, работает в режиме насыщения, его сопротивление для постоянного тока на участке коллектор-эмиттер близко к нулевому значению, по этому постоянное напряжение на выходе УПТ АРУ равно нулю;

• к диоду межкаскадной связи приложено неизменное прямое постоянное напряжение смещения от Е через делитель R₇R₈C₇, сопротивление диода для переменного тока минимальное, коэффициент передачи напряжения делителя межкаскадной связи близок по значению к 1 и не изменяется во времени;

• к затвору транзистора VT₁, как к исполнительному элементу АРУ, приложено оптимальное обратное напряжение от звена истокового автоматического смещения R₃C₄, транзистор имеет максимальную крутизну с неизменным значением, коэффициент усиления УПТ1 максимальный и не зависит от амплитуды входного сигнала;

• АРУ не функционирует, амплитуда напряжения сигнала на выходе РПУ изменяется прямо пропорционально амплитуде ЭДС радиосигнала на входе.

• Динамика процесса стабилизации выходного напряжения сигнала:

• ↑Э_А > Э_{А min};

• ДАРУ формирует пульсирующее напряжение звуковой частоты, постоянная составляющая которого пропорциональна разности:

• U₀ = (U_{вх VD2m} – E_зад)*А;

• ФАРУ выделяет постоянную составляющую U₀ из пульсирующего напряжения ДАРУ;

• УПТ АРУ формирует на выходе постоянное напряжение U^’₀; пропорциональное уменьшению прямого напряжения на его базе за счет обратного напряжения ФАРУ;

• диод VD₁ делителя межкаскадной связи увеличивает сопротивление по переменному току, так как на его зажимах уменьшается прямое напряжение смещения благодаря дополнительному приложенному обратному напряжению от УПТ АРУ, коэффициент передачи делителя межкаскадной связи уменьшается, он способствует стабилизации амплитуды напряжения сигнала на выходе РПУ;

• у транзистора VT₁ уменьшается крутизна характеристики за счет добавочного напряжения смещения на затворе, приложенного с выхода УПТ АРУ, коэффициент усиления каскада УПЧ1 уменьшается по напряжению, по этому он способствует стабилизации амплитуды напряжения сигнала на выходе РПУ, учитывая исходные условия.

• выходное напряжение сигнала РПУ стабилизируется при увеличении ЭДС радиосигнала на его входе благодаря пропорциональному уменьшению коэффициента усиления по напряжению радио канала, обеспечиваемому исполнительными элементами и АРУ.

Свойства АРУ

• Амплитудная характеристика радиоприемника U_вых = ψ(Э₁) дает информацию об относительном изменение ЭДС радиосигнала на входе, при котором сохраняется достоверная информация (рис. 24,б). минимальная ЭДС ограничена внутренними шумами (Э_{А min}), максимальная – допустимыми нелинейными искажениями (Э_{А max})

АРУ может расширить динамический диапазон до 10⁴ – 10⁵ раз.

• Коэффициент регулирования АРУ увеличивают:

• применением в канале АРУ усилителей;

• использованием исполнительных звеньев (VD₁, VT₁) с квадратичной ВАХ;

• увеличением количества исполнительных звеньев АРУ, при этом необходимо принять во внимание, что первый каскад УСЧ и последний каскад УПЧ охватывают АРУ не рекомендуется.

• Инерционность работы АРУ определяет постоянная времени фильтра АРУ τ_ф = R₁₈*C₁₈. Звено фильтра призвано отфильтровать переменные составляющие несущей и модулирующее напряжение, однако, постоянная составляющая должна успевать изменятся за быстрыми замираниями РС исходя из этих условий постоянную времени фильтра АРУ выбирают: τ_ф = 0.05 – 0.2 с.

Постоянная времени развязывающих фильтров R₄C₃, и R₁₁, C₈ выбирается в 10 раз меньше.

Применение АРУ:

• простая АРУ в составе экономичных вещательных РПУ с низкой группой сложности;

• АРУ с задержкой в составе вещательных РПУ с высокой группой сложности;

• АРУ с задержкой и усилением в составе профессиональных; установленных на подвижных объектах.

МИКРОМИНИАТЮРИЗАЦИЯ АРУ

Опознавание микросхемы, выполняющей функцию АРУ, осуществляется по буквенному коду второго элемента обозначения микросхемы и перечню номера серии (рис. 13, 14).

ХА (ЖА) – многофункциональная микросхема, в составе которой предусматривается АРУ (К2ЖА243, К174ХА2).

Алгоритм формирования схемы с использованием сложной многофункциональной микросхемы.

• Выбирают необходимую многофункциональную микросхему в зависимости от требуемых операций по обработке сигнала.

Допустим, необходимо усилить радиосигнал АМС, обеспечить высокую помехозащищенность по всем опасным помехам, продетектировать его, предусмотреть АРУ и индикацию точной настройки РПУ на заданную частоту. Этим функциональным требованиям удовлетворяет микросхема типа К174ХА2.

• Принципиальную схему микросхемы К174ХА2 преобразуют в покаскадную структуру (рис. 25.б).

• Дополняют схему путем подключения необходимых элементов к выводам микросхемы по ранее разработанному алгоритму:

• ко входу УСЧ (1-2) подключают одноконтурную ВЦ с емкостной связью с антенной и индуктивной с УСЧ (L₂, C₈, C₅, C₂, C₉ и L₄);

• к выводам 4-5 катушку обратной связи L₃ и 6 – (+Е) колебательный контур (L₁, C₁₀, C₇, C₆, C₄, C₁) с элементами сопряжения С₄ и С₆ в составе простого диапазонного гетеродина с индуктивной обратной связью;

• к выводам 16 – (+Е) колебательный контур L₆C₁₄, настроенный на промежуточную частоту, который связывает одно плечо балансного СМ с детектором АРУ (L₅, VD₁, R₁, C₁₂);

• к выводам 15 – (+Е) полосовой пьезокерамический фильтр ПФ1П через звено связи (L₇, L₈, C₁₇) со вторым плечом балансного СМ;

• через выводы 12-8 подключен выход ПФ1П со входом многокаскадного апериодического УПЧ;

• через выводы 7-8 подключен одноконтурный полосовой фильтр L₉C₁₈ и последовательный АД на диоде (VD₂, R₄, C₂₀, C₁₉) к выходному каскаду УПЧ;

• через выводы 14-8 подключен источник питания с необходимой полярностью (Е) через звено развязывающего фильтра R₃C₃;

• через выводы 3-8 электрически связан детектор АРУ (L₅, VD₁, R₁, C₁₂), выполненный по схеме последовательного АД на диоде VD₁, со входом УПТ АРУ;

• через выводы 9-8 электрически связан детектор АРУ (VD₂, R₄, C₂₀), выполненный по схеме последовательного АД на диоде VD₁, со входом УПТ АРУ;

• через выводы 10-8 подключен индикатор настройки РА (прибор магнитоэлектрической системы) к УПТ АРУ;

• через выводы 13-11 предусматривается обратная связь между каскадами УПЧ по постоянному току.

Лекция № 9

Тема лекции: