5.6. Системы автоматической регулировки усиления

Система АРУ широко применяется, например, в РПУ и предназначена для стабилизации уровня сигнала на выходе усилителя при изменениях уровня входного сигнала .

В радиотехнических следящих системах изменение уровня сигнала на входе дискриминатора приводит к изменению его крутизны и коэффициента передачи контура регулирования. При этом параметры и характеристики следящих систем могут изменяться весьма существенно, вплоть до срыва режима слежения. Задача системы АРУ - ограничить пределы изменения уровня сигнала на выходе усилителя и при этом сохранить и по возможности мало исказить полезную модуляцию сигнала.

В известных вариантах построения систем АРУ, используются принципы управления по рассогласованию или по воздействию, что приводит к построению системы АРУ “назад“ или “вперед” соответственно. На рис. 5.22 показана схема системы АРУ “назад”, в которой реализуется принцип управления по рассогласованию.

Рис. 5.22

В схеме приняты обозначения: РУ - усилитель с регулируемым коэффициентом усиления; ФНЧ - фильтр нижних частот; Д - детектор.

Система работает следующим образом. Входное напряжение u₁(t) поступает на усилитель (РУ). Выходное напряжение u₂(t) усилителя подвергается амплитудному детектированию в детекторе Д.

Напряжение u_д (t) с выхода детектора проходит через ФНЧ и поступает в виде регулирующего напряжения u_р(t) на усилитель, изменяя его коэффициент усиления k_у .

Стабилизация уровня выходного напряжения усилителя достигается тем, что величина k_у при увеличении уровня входного сигнала уменьшается, а при уменьшении входного сигнала повышается.

Постоянная времени ФНЧ выбирается так, чтобы не пропустить быстроменяющуюся составляющую напряжения с выхода детектора, вызванную, например, полезной амплитудной модуляцией сигнала, и тем самым исключить ее подавление системой АРУ.

Уменьшение постоянной времени ФНЧ при запаздывании сигнала в РУ может также ограничиваться потерей устойчивости процесса регулирования.

Изменение коэффициента усиления достигается разными способами: изменением крутизны усилительных приборов; изменением коэффициента передачи управляемого аттенюатора; шунтированием нагрузки и др.[5].

Для предотвращения снижения коэффициента усиления слабых входных сигналов и повышения стабилизируемого уровня выходного напряжения усилителя, обычно применяют систему АРУ с задержкой.

Задержка в работе АРУ создается путем подачи на детектор запирающего его напряжения U_з (рис. 5.22).

В результате регулирующее напряжение u_p на входе детектора появляется только после того, как амплитуда U₂ выходного напряжения усилителя превысит напряжение задержки U_з.

На рис. 5.23 показаны амплитудные характеристики усилителя: без АРУ (кривая 1); с АРУ без задержки (кривая 2); с АРУ, имеющей задержку (кривая 3).

Рис. 5.23

Как видно из рис. 5.23, применение задержки позволяет повысить уровень, на котором стабилизируется амплитуда выходного напряжения усилителя.

При анализе систем АРУ часто необходимо установить их устойчивость, качество стабилизации выходного напряжения в стационарном режиме, длительность переходных процессов, условия отсутствия заметных искажений полезной амплитудной модуляции сигнала.

Для ответа на эти вопросы необходимо найти уравнения, описывающие поведение отдельных элементов и всей замкнутой системы регулирования. Основным инерционным элементом системы АРУ, является ФНЧ, остальные элементы будем считать безынерционными.

При исследовании устойчивости процесса регулирования может быть необходим также учет инерцион-

ности регулируемого усилителя.

Регулировочной характеристикой (РХ) называют зависимость коэффициента усиления k_у от величины регулирующего напряжения u_р. РХ в общем случае нелинейна; ее часто аппроксимируют линейной зависимостью вида:

k_y=k₀-S_pyu_p, (5.29)

где k₀ - значение коэффициента усиления при нулевом регулирующем напряжении, S_py - крутизна.

При отсутствии ограничителя в усилителе амплитуда U₂(t) выходного напряжения связана с амплитудой U₁(t) входного сигнала соотношением:

U₂(t)=k_yU₁(t). (5.30)

При линейном детектировании выходное напряжение детектора u_д определяется выражением:

u_д={k_д(U₂-U₃),приU₂^U₃;

0,приU_2<U₃, (5.31)

где k_д - коэффициент передачи детектора,

U₃ - напряжение задержки.

ФНЧ является линейным устройством и описывается ОКП К_ф(p). При этом выходное напряжение фильтра, являющееся регулирующим напряжением в схеме АРУ, описывается дифференциальным уравнением:

u_p(t)=K_ф(p)u_д(t), (5.32)

Структурная схема системы АРУ, построенная в соответствии с (5.29) - (5.32), показана на рис. 5.24.

На схеме обозначено: k_д (U₂ - U₃) = x, f(x) -нелинейная зависимость вида: f(x) = x, при x  0;

0, при x<0.

Таким образом, система АРУ является замкнутой системой управления.

Задающим воздействием в ней является постоянное во времени напряжение задержки U_з. Следовательно, данная система управления является системой стабилизации, в отличие от некоторых следящих систем.

Важной особенностью системы АРУ является переменность параметров во времени, вызванная наличием в контуре управления звена с коэффициентом передачи k(t) = U₁(t). Система АРУ содержит нелинейное звено и является поэтому нелинейной системой с переменными параметрами .

При оценке качества стабилизации уровня выходного напряжения в стационарном режиме амплитуду входного сигнала U₁, принимают постоянной.

Система АРУ, оставаясь нелинейной, является при этом системой с постоянными параметрами и анализ её существенно упрощается.

Пользуясь уравнениями (5.29)- (5.32) и учитывая, что функция f(x) является кусочно-линейной, можно рассчитать амплитудную характеристику усилителя с АРУ, показанную на рис. 5.23:

U₂=k₀U₁, при U₂ < U₃,

U₂=([k₀+S_py k_д K_ф(0)U₃] / [1+ S_py k_д K_ф(0)U₁])U₁ ,

при U₂  U₃ ,

где К_ф(0) - коэффициент передачи постоянного напряжения ФНЧ , k₀- значение коэффициента усиления при нулевом регулирующем напряжении, S _py - крутизна регулировочной характеристики.

Если при работе системы АРУ все время выполняется условие U₂ - U₃ > 0 , то нелинейный элемент f(x) в структурной схеме можно заменить на линейный с коэффициентом передачи, равным единице.

Система АРУ становится при этом линейной системой регулирования с переменными в общем случае параметрами, и ее структурная схема принимает вид, показанный на рис. 5.24

Рис. 5.24

Анализируя устойчивость системы АРУ, амплитуду входного сигнала обычно полагают постоянной. Система АРУ оказывается при U₂ > U₃ линейной с постоянными параметрами. При анализе переходных процессов вызванных подачей на вход усилителя сигнала с постоянной амплитудой, можно считать, что схема на рис. 5.24 имеет постоянные параметры, а на входы ее при t=0 подаются воздействия U₃ и k₀. Выполним анализ искажений АРУ полезной амплитудной модуляции сигнала. Запишем амплитуды входного и выходного сигналов в виде:

U₁(t)=U₁₀[1+m₁(t)], (5.33)

U₂(t)=U₂₀[1+m₂(t)], (5.34)

где m₁(t), m₂(t) - коэффициенты амплитудной модуляции.

Коэффициент усиления РУ:

k_y(t)=k_yo+k(t), (5.35)

где k (t) - переменная составляющая коэффициента усиления, вызванная неполным подавлением напряжения модуляции сигнала в фильтре ФНЧ.

Амплитуда выходного напряжения усилителя, записанная с учетом (5.33) и (5.35), равна:

U₂=k_yU₁=k_yU₁₀+k_yoU₁₀m₁+kU₁₀m₁. (5.36)

При малой глубине модуляции m₁ и k малы и величиной kU₁₀m₁ (последним слагаемым) в (2.36) можно пренебречь.

Тогда

U₂=k_yU₁₀+k_yoU₁₀m₁. (5.37)

Формирование k_y в рассматриваемом случае описывается по прежнему (5.29)-(5.32).

Коэффициент m₂(t) амплитудной модуляции сигнала на выходе усилителя, как вытекает из формулы (5.34), равен:

m₂(t)=[U₂(t)-U₂₀]/U_20. (5.38)

Можно найти ОКП, связывающий m₁(t) и m₂(t), и оценить искажения амплитудной модуляции сигнала. Если на вход усилителя поступает смесь сигнала и шума, то система АРУ стабилизирует уровень суммарного колебания на выходе усилителя.

При высокой крутизне S_py РХ и большой инерционности ФНЧ можно считать, что система АРУ поддерживает постоянной суммарную мощность сигнала и шума на выходе усилителя.