10.2.1 Обратная система ару

Различают:

– простую систему АРУ,

– усиленную систему АРУ,

– простую систему АРУ с задержкой,

– усиленную систему АРУ с задержкой.

Простая система АРУ включает детектор АРУ и фильтр. Структурная схема простой системы АРУ приведена на рисунке 10.5.

Рис. 10.5 Структурная схема простой обратной системы АРУ

Р егулировочная характеристика простой системы АРУ представлена на рисунке 10.6 под номером 1.

U_вых

U_вх

Рис. 10.6 Регулировочная характеристика простой обратной АРУ

Как следует из представленной регулировочной характеристики, к недостаткам простой АРУ следует отнести:

– уменьшение выходного сигнала при слабых сигналах и малая глубина регулирования.

С целью устранения второго недостатка применяются усиленные системы АРУ, которые отличаются от простой системы АРУ тем, что в цепь обратной связи включается после детектора усилитель постоянного тока. В результате этого усиленная система АРУ обладает большей глубиной регулирования. Регулировочная характеристика указанной системы АРУ представлена на рисунке 10.6 под номером 2. Однако при применении усиленной системы АРУ в большей степени подавляются слабые сигналы.

С целью устранения подавления слабых сигналов применяются системы АРУ с задержкой. Суть систем АРУ с задержкой состоит в том, что пока сигнал на выходе не превышает некоторого порогового значения (напряжение задержки U_{задержки})система АРУ отключена. При превышении напряжения задержки включается система АРУ (либо простая (кривая 3) либо усиленная (кривая 4)).

Таким образом, наиболее близко к идеальной регулировочной характеристике приближается регулировочная характеристика усиленной системы АРУ с задержкой.

Регулировка обеспечивается либо изменением рабочей точки активного элемента, либо включением делителей напряжения между каскадами.

Изменение усиления за счет рабочей точки активного элемента обычно осуществляется за счет подачи управляющего напряжения либо в цепь базы, либо в эмиттерную цепь. Принципиальная схема каскада с регулированием по базовой цепи приведена на рисунке 10.7.

Р ис. 10.7 Принципиальная схема каскада с регулированием по базовой цепи

Как видно из приведенной схемы управляющее напряжение подается в цепь базы. Схема отличается малым потреблением мощности по управляющей цепи. В случае применения полевых транзисторов требуемая мощность управления малая (близка к нулю). Сопротивление в цепи эмиттера R_Э мало, чтобы устранить обратную связь по току, уменьшающую эффективность системы АРУ.

Применение управления по эмиттерной цепи позволяет развязать сигнальную и управляющие цепи. Однако в этом случае требуется большая мощность для управления усилением каскада. Принципиальная схема регулировки по цепи эмиттера приведена на рисунке 10.8.

Р ис. 10.8 Принципиальная схема регулировки по цепи эмиттера

В настоящее время достаточно часто усиление изменяется за счет включения между каскадами управляемых делителей. Структурная схема этого вида изменения усиления приведена на рисунке 10.9.

R

U_упр

Рис. 10.9 Структурная схема регулировки усиления

Делитель напряжения может состоять из постоянного сопротивления и нелинейного элемента, сопротивление которого и изменяется под действием управляющего напряжения (как это показано на рисунке 10.9). Кроме того, применяются делители, в которых нелинейные элементы включаются вместо постоянного напряжения, а постоянное сопротивление включается на место нелинейного элемента. В некоторых случаях оба плеча являются нелинейными элементами, и их сопротивление изменяется под действием управляющего сигнала. Подобные схемы обладают большим диапазоном регулирования.

В качестве нелинейных управляемых элементов используются:

– полупроводниковые диоды, p-i-n диоды (вариант включения показан на рисунке 10.10а),

– транзисторы (обычно полевые, вариант включения показан на рисунке 10.10 б).

а)

б)

Рис. 10.10 Принципиальные схемы нелинейных управляющих элементов

Применение управляемых делителей позволяет уменьшить нелинейные искажения при изменении коэффициента усиления, и эти схемы более просто реализуются на современной элементной базе.

По степени быстродействия регулировки усиления различают:

– инерционные АРУ,

– быстродействующие (мгновенные) АРУ,

– ключевые АРУ,

– временные АРУ,

– цифровые АРУ.

1. Инерционные АРУ.

Системы АРУ с большой постоянной времени цепи обратной связи (0,1с и более). То, что рассматривалось ранее, относится к этому виду регулировок усиления. АРУ этого типа используется в большенстве современных приемниках.

2. Быстродействующие (мгновенные) АРУ (БАРУ).

Этот вид АРУ применяется в радиолокационных приемниках и является эффективным средством борьбы с помехами, длительность которых превышает длительность сигнального импульса.

Принцип действия быстродействующей АРУ можно пояснить следующим образом. Если на приемник действует мощная помеха, то при отсутствии системы АРУ эта помеха перегружает приемник. При этом если одновременно с помехой на вход приемника поступает сигнальный импульс, то под действием помехи сигнал попадает на участок насыщения амплитудной характеристики приемника. В силу этого происходит подавление сигнала мощной помехой. Приведенные ниже осциллограммы процессов поясняют это явление.

U_вых U_вых

Р

сигнал

помеха

ис. 10.11 Осциллограммы процессов

Таким образом, за счет перегрузки приемника происходит подавление сигнала (уменьшается отношение сигнал/помеха).

Для устранения этого и вводится быстродействующая АРУ. Постоянная времени цепи обратной связи выбирается равной (_и – длительность сигнального импульса). На рисунке 10.11 пунктирными линиями показан характер переходных процессов в быстродействующей АРУ. Как видно из представленных графиков за счет системы АРУ повышается отношение сигнал/помеха, так как усиление сигнала происходит на линейном участке амплитудной характеристики приемника. Ввиду малой постоянной времени системы АРУ, последняя имеет следующие особенности. Цепью обратной связи охватывается только один каскад, чтобы избежать возбуждения усилителя за счет малой постоянной времени цепи обратной связи. С целью увеличения глубины регулирования используется несколько последовательно включенных каскадов, охваченных цепью обратной связи. Кроме того, для повышения эффективности системы АРУ в цепь обратной связи вводится усилитель постоянного тока. Структурная схема быстродействующей АРУ приведена на рисунке 10.12.

Рис. 10.12 Структурная схема быстродействующей АРУ

Таким образом, быстродействующие системы АРУ состоят из идентичных каскадов и являются эффективным средством с помехами, длительность которых значительно превышает длительность сигнального импульса.

3. Ключевая АРУ.

Этот тип регулировки используется в системах телеметрии и телевидения. Вид сигналов, используемый в таких системах, представлен на рисунке 10.13.

передаваемый сигнал

Рис. 10.13 Вид сигналов, используемый при регулировки быстродействующей АРУ

При передачи информации в таких системах необходимо сохранить масштаб передаваемой информации. Для привязки к масштабной сетке используются синхроимпульсы. Амплитуда синхроимпульсов в месте приема зависит лишь от условий распространения радиоволн. Уровни передаваемых сигналов по амплитуде привязываются к амплитуде синхроимпульсов, поэтому если на приемном конце восстановить уровень синхроимпульсов, то масштабированной окажется и вся передаваемая информация. Поэтому в таких системах требуемое усиление сигналов обеспечивается за счет работы системы АРУ по синхроимпульсам. Между синхроимпульсами коэффициент усиления не изменяется и остается постоянным.

Структурная схема ключевой АРУ представлена на рисунке 10.14.

синхроимпульсы

Рис. 10.14 Структурная схема ключевой АРУ

Таким образом, за счет применения ключевой АРУ не происходит искажения передаваемой информации.

4. Временная АРУ.

Указанная система АРУ применяется в радиолокационных приемниках. Как известно, отраженный от цели сигнал обратно пропорционален квадрату расстояния до цели в случае активной радиолокации и обратно пропорционален четвертой степени расстояния в случае пассивной локации. Поэтому динамический диапазон современных радиолокационных систем не редко бывает более 100 - 120 дБ. Кроме того, желательно, чтобы отраженные сигналы не зависели от расстояния до цели. Отраженный сигнал должен нести информацию о размерах цели. Поэтому для достижения указанных целей в радиолокационных приемниках применяются системы временной АРУ.

Так как в локационных системах приемник и передатчик находятся в непосредственной близости, то чувствительность приемника можно осуществлять за счет запуска синхроимпульсом передатчика специального генератора управляющего напряжения системы АРУ.

Структурная схема временной АРУ представлена на рисунке 10.15.

синхроимпульс от передатчика

Рис. 10.15 Структурная схема временной АРУ

Ниже приводятся осциллограммы, поясняющие работу системы АРУ.

З.И. сигнальные импульсы

З .И. – задающий импульс

управляющее напряжение АРУ

U_АРУ

К_УС

U_вых без системы АРУ

Рис. 10.16 Осциллограммы, поясняющие работу системы временной АРУ

Предположим, что на разных расстояниях находятся одинаковые цели. В этом случае сигналы на выходе приемника не должны зависит от расстояния и иметь одинаковую амплитуду. Вид управляющего напряжения показан на втором графике. Ниже приведен график изменения коэффициента усиления УПЧ во времени. За счет этого сигналы на выходе УПЧ имеют одинаковую амплитуду. Если бы временная система АРУ отсутствовала бы, то импульсы на выходе приемника имели бы различные амплитуды (характер процессов для этого случая показан пунктирными линиями).

5. Цифровые АРУ.

В последнее время для управления РЛС и обработки радиолокационной информации широко используются ЭВМ. Их можно использовать и для создания цифровой АРУ (ЦАРУ). Структурная схема цифровой АРУ представлена на рисунке 10.17.

N

N_Э

Рис. 10.17 Структурная схема цифровой АРУ: АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ССК - схема сравнения кодов, СУЗ - схема усреднения и запоминания, ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь.

Работу цифровой АРУ можно пояснить следующим образом. Сигналы с видеоусилителя поступают на АЦП системы АРУ. Далее цифровой сигнал сравнивается с эталонным значением N_Э и на выходе системы сравнения кодов появляется цифровой сигнал рассогласования подается на ЦАП. На выходе ЦАП формируется аналоговый сигнал управления усилением приемника.

Цифровые системы АРУ имеют ряд преимуществ перед обычными аналоговыми системами:

– независимость длительности установления требуемого усиления от уровня входного сигнала,

– независимость регулировочных характеристик от разброса и конкретных свойств цепи АРУ и регулируемого усилителя (при полностью цифровом выполнении),

– возможность установления требуемого усиления после приема первого импульса сопровождения цели,

– астатизм (независимость от прихода импульса) и сохранения установленного усиления при перерывах в приеме сигналов.