книги из ГПНТБ / Радиоприемные устройства учебник

Промежуточная частота принимает значение, которое она имела бы при отсутствии системы АПЧ. При дальнейшем увеличении расст­ ройки график зависимости (10.20) совпадает с штриховой линией, т. е. подстраивающее действие автоподстройки отсутствует.

Рассмотрим теперь обратный ход процесса: предположим, что происходит уменьшение первоначальной большой расстройки. Зна­ чение промежуточной частоты до этого находилось далеко за пределами рабочего участка статической характеристики измерительного элемен­ та. Постепенно промежуточная частота будет уменьшаться, прибли­ жаясь к своему нормальному значению. Так будет происходить до тех пор, пока на выходе измерительного элемента не появится достаточное напряжение. Это напряжение изменит частоту гетеродина, что приведет к новому уменьшению промежуточной частоты и нарастанию напряже­ ния на выходе измерительного элемента и т. д. — система переходит в режим автоподстройки, что на рис. 10.16, в характеризуется скачко­ образным переходом из точки Б в точку Д. Далее система работает

врежиме частотной автоподстройки. Таким образом, отрезок кривой

АБ соответствует неустойчивому ходу процесса в системе АПЧ. Ана­ логичные рассуждения можно провести для участков характеристики, лежащих в области отрицательных расстроек Д/с.

захвата обычно меньше полосы удержания и только в некоторых слу­ чаях они могут совпадать.

При снятии частотной характеристики приемника с АПЧ создается впечатление, что его полоса пропускания расширяется. В действи­ тельности, она не изменяется. На рис. 10.16, г приведены частотные характеристики приемника с выключенной (1) и включенной (2) сис­ темой АПЧ. Подстраивающее действие системы приводит к тому, что при изменении расстройки Af c в полосе удержания величина выходного напряжения (Увых практически не меняется, что соответствует участку а — а' на характеристике. При срыве слежения АПЧ не работает и выходное напряжение уменьшается. Если расстройку А/ с уменьшать по абсолютной величине, в точках b — Ь' система АПЧ вновь начнет подстраивать гетеродин приемника, в результате чего выходное напря­ жение увеличится.

Разновидности систем АПЧ

В радиоприемных устройствах различного назначения наряду

стиповой схемой АПЧ (см. рис. 10.12) применяются и другие варианты.

Вдиапазоне сантиметровых волн абсолютная величина нестабиль­ ности частоты гетеродина, в качестве которого обычно применяют клистрон, может в несколько раз превосходить ширину полосы пропус­ кания высокочастотного тракта приемника. Поскольку соответствую­ щее увеличение полосы пропускания во многих случаях оказывается невыгодным, устойчивый радиоприем может быть достигнут лишь применением системы автоподстройки. Радиоприемники сантиметровых

370

волн обычно входят в состав аппаратуры, к которой предъявляется требование минимального количества каких-либо ручных регулировок. Поэтому в таких приемниках ручную начальную настройку на сигнал

обычно заменяют автоматической, вводя автоматический поиск сиг­ нала.

Одна из возможных схем такой автоподстройки (рис. 10.17), при­ меняемая при радиоприеме импульсных сигналов, представляет собой с о ч е т а н и е с и с т е м ы АПЧ и с и с т е мы п о и с к а и ра­ ботает .следующим образом. Когда приемник сильно расстроен по от­ ношению к принимаемым сигналам, то напряжение на выходе частот­ ного детектора отсутствует и тиратрон Тх заперт отрицательным сме­ щением. При включении источника питания Е 0 тиратрон Т 2 зажигает­

ся, в результате чего конденсатор С3 быстро заряжается и напряжение на аноде тиратрона Т 2 уменьшается. В результате тиратрон гаснет, а конденсатор С3 начинает разряжаться через резисторы R 3 и R4. На­ пряжение на аноде тиратрона медленно возрастает, и через некоторое время тиратрон Т2 вновь зажигается, после чего процесс повторяется. Конденсатор С2 не влияет на характер генерируемых колебаний, так как R 3 C2<^(Rs+Ri) С3. Пилообразное напряжение подается на отра­ жатель клистрона К, при этом его частота периодически изменяется. Таким образом, и настройка приемника периодически изменяется в пределах полосы пропускания входного устройства, что соответст­ вует режиму поиска сигнала.

Когда частота сигнала оказывается близкой к резонансной частоте УПЧ, на сетке лампы Л х появляются видеоимпульсы, полярность которых зависит от знака расстройки и способа соединения выхода частотного детектора со входом усилительного каскада. Предположим, что при медленном разряде конденсатора С3 на входе лампы Лх вна­ чале действуют положительные видеоимпульсы, а после перехода через резонанс, когда знак расстройки тракта промежуточной частоты изме­ нится на обратный, эти импульсы становятся отрицательными.

Если в процессе поиска сигнала на управляющей сетке лампы Л х появятся положительные видеоимпульсы, усиливающиеся по мере Приближения к резонансу и ослабевающие при непосредственном под­ ходе к нему, то режим подстройки не меняется, так как импульсы на сетке тиратрона Тхотрицательны. При переходе через резонанс видео-

371

импульсы становятся положительными и, когда амплитуда их окг зывается достаточно большой, тиратрон Тх зажигается, при этом рас­ стройка лежит в пределах полосы пропускания тракта промежуточ­ ной частоты. В результате конденсатор С2 быстро разряжается и тиратрон Тх гаснет, после чего конденсатор С2 начинает заряжаться от источника Е0 через резистор Р 3. Этот процесс происходит значи­ тельно быстрее, чем разряд конденсатора С3. Зарядный ток конденса­ тора С2 вызывает на резисторе R 3 напряжение, направленное навстре­ чу напряжению на конденсаторе С3. Величина напряжения на R 3 в первый момент близка к Е0. Конденсатор С3, который до этого мо­ мента разряжался, начинает заряжаться, изменяя частоту клистрон-

ного генератора в обратном направле­ нии, что приводит к изменению знака расстройки в тракте промежуточной ча­ стоты. Так как Д3С2 < R f i з. то заряд конденсатора С2 вскоре прекращается и конденсатор С3 вновь переходит в режим разряда, а частота клистрона начинает изменяться в первоначальном направле­ нии. При переходе через резонанс про­ цесс повторяется. Таким образом ча­ стота сигнала удерживается в пределах полосы пропускания УПЧ.

В системе АПЧ с поиском частоты сигнала величина полосы захва­ та равна величине полосы удержания.

Другая схема системы АПЧ, в которой осуществляется а в т о ­ м а т и ч е с к а я п о д с т р о й к а ч а с т о т ы г е т е р о д и н а по э к с т р е м у м у а м п л и т у д ы к о л е б а н и й на в ы­ с о к о д о б р о т н о м к о н т у р е LC, изображена на рис. 10.18. Такие схемы стабилизации частоты гетеродина применяются в не­ которых видах радиоприемных устройств, когда по условиям работы возможно длительное выключение радиопередатчика. Схема работает следующим образом. На вход регулятора частоты РЧ подается напря­ жение от генератора низкой частоты ГНЧ, что приводит к частотной модуляции гетеродина Г с небольшим частотным отклонением. В ре­ зультате прохождения через высокодобротный колебательный контур ВДК частотно-модулированное напряжение гетеродина модулируется по амплитуде. Эта модуляция выделяется амплитудным детектором АД, усиливается в усилителе низких частот УНЧ и поступает на вход фа­ зового детектора ФД, на второй вход которого подается напряжение от генератора низкой частоты ГНЧ. Напряжение с выхода фазового детектора ФД усиливается усилителем постоянного тока УПТ и через сумматор поступает на вход РЧ. В случае точного совпадения час­ тоты гетеродина с резонансной частотой высокодобротного контура ВДК напряжение на выходе фазового детектора ФД будет равно нулю, так как частота напряжения на выходе амплитудного детектора равна удвоенной частоте напряжения с выхода генератора низкой частоты. При отклонении частоты гетеродина от резонансной частоты высоко­ добротного контура на выходе фазового детектора появляется напря-

372

жение, которое усиливается и через регулятор частоты воздействует на гетеродин, возвращая его частоту к первоначальному значению.

Дополнительные сведения по системам АПЧ можно найти в

14, 9-12].

10.5. Автоматическая регулировка усиления \

Система автоматической регулировки усиления (АРУ) предназна­

В то время как динамический диапазон изменения входных сигналов весьма велик и обычно достигает 60—100 дБ, для нормальной работы

Рис. 10.!9

оконечных каскадов и выходных устройств диапазон изменения вы­ ходных сигналов не должен превышать 3—8 дБ. В противном случае возникнет перегрузка, которая может не только привести к искаже­ нию передаваемой информации, но и на значительное время вызвать полную потерю чувствительности радиоприемного устройства.

Действие системы АРУ основано на изменении коэффициента уси­ ления приемника, при автоматической регулировке которого исполь­ зуются методы, рассмотренные в § 10.3. В отличие от рассмотренных ранее систем автоматического регулирования систему АРУ нельзя свес­ ти к типовой структурной схеме следящей системы, подобной изоб­ раженной на рис. 10.9. Существенное отличие системы АРУ состоит в том, что регулирующее действие достигается в ней не путем сравне­ ния заданной величины с действительной, а путем изменения пара­ метра системы регулирования, каким является коэффициент усиле­ ния. Следствием этого отличия является большое разнообразие дина­ мических процессов в системе, которые в значительной степени опре­ деляются видом и величиной входного сигнала.

По способу действия системы АРУ разделяются на три класса: с обратной связью, без обратной связи и комбинированные. Струк­

через фильтры на элементы регулировки, включенные в тракт приема,

373

или на управляющие электроды усилительных приборов радио- (УРЧ) и промежуточной (УПЧ) частоты, а также на управляющий электрод преобразователя ПЧ. Фильтры низких частот ФНЧ позволяют от­ фильтровать напряжения промежуточной частоты и частот модуля­ ции, которые имеются на нагрузке детектора.

При увеличении амплитуды сигнала на входе приемника возрас­ тает постоянное напряжение на выходе ДАРУ. Это напряжение, воздействуя на элементы регулировки в тракте приема, снижает его усиление. Поэтому чем больше амплитуда входного сигнала, тем мень­ ше коэффициент усиления каскадов приемника, стоящих до детектора.

Однако получить полную стабильность выходного напряжения прием- *

Рис. 10.20

ника при использовании такой системы АРУ невозможно, так как необходимое снижение усиления достигается только при увеличении регулирующего напряжения на выходе ДАРУ, что в свою очередь возможно только при возрастании напряжения на выходе приемника. Иногда для улучшения стабилизирующего действия системы АРУ между детектором и регулируемыми каскадами вводят дополнитель­ ные усилители. В этой связи различают «усиленные» и «неусиленные» системы АРУ.

На рис. 10.20 изображена структурная схема приемника с систе­ мой АРУ без о б р а т н о й с в я з и (АРУ «вперед»), В отличие от предыдущей схемы, в которой напряжение авторегулировки подается на каскады, предшествующие детектору, здесь напряжение авторегу­ лировки поступает на следующие за детектором АРУ каскады. Это могут быть не только каскады УПЧ, но и каскады УНЧ (пунктир на рис. 10.20). В рассматриваемой схеме напряжение АРУ не зависит от напряжения на детекторе Д приемника, поэтому принципиально можно обеспечить полную стабильность напряжения на выходе при­ емника. Однако при этом регулируемые каскады должны иметь спе­ циальную форму характеристик.

Действительно, напряжение Uвых на выходе системы АРУ можно определить как произведение напряжения на входе системы АРУ и коэффициента усиления усилителя К (t/p), величина которого зависит от регулирующего напряжения Uv — К Д0 ВХ, где Кд — коэффициент передачи детектора АРУ по напряжению. Таким образом,

U вых — К (K RU BX)U BX.

374

в этой системе АРУ изменение напряжения на входе приемника может привести к изменению напряжения на его выходе. Вместе с тем не­ достатком такого способа регулирования является подача значитель­ ных управляющих напряжений на каскады, которые включены после детектора авторегулировки и поэтому работают при достаточно боль­ ших напряжениях сигнала. В результате в этих каскадах возникают повышенные нелинейные искажения. Кроме того, рассматриваемый способ регулирования не в состоянии защитить от перегрузки каскады, которые предшествуют детектору авторегулировки, поэтому обычно сочетают системы АРУ с обратной и без обратной связи, т. е. исполь­ зуют к о м б и н и р о в а н н у ю систему АРУ. В результате возможно получить практически постоянное напряжение на выходе приемника при изменении напряжения на его входе в широких пределах, правда, за счет достаточно существенного усложнения схемы и повышения требований к ее настройке.

Во всех рассмотренных способах авторегулировки предполагалось, что она действует, начиная с самых слабых сигналов. Таким образом, усиление приемника снижается не только для сильных сигналов, кото­ рые могут привести к перегрузке его каскадов, но и для самых слабых сигналов, для приема которых было бы необходимо использовать пол­ ное усиление приемника. Этот недостаток можно устранить, используя систему АРУ с задержкой. В такой системе регулировка начинается лишь тогда, когда напряжение на входе приемника превысит некото­ рую начальную величину. Подобный режим работы АРУ можно получить, если подать на анод ее детектора некоторое отрицательное напряжение, называемое напряжением задержки. В этом случае де­ тектор авторегулировки остается запертым до тех пор, пока напряже­ ние на входе приемника не достигнет упомянутого начального зна­ чения. При переходе к системам АРУ с задержкой повышается усиле­ ние приемника и увеличивается при прочих равных условиях напря­ жение на детекторе.

Для эффективной работы АРУ важно не только значительное из­ менение напряжения авторегулировки при небольшом изменении на­ пряжения сигнала на входе, но и достаточно большое число регулируе­ мых каскадов. Сточки зрения защиты приемника от перегрузки напря­ жение авторегулировки целесообразно подавать в первую очередь на его входные каскады. Тем не менее, в высокочувствительных прием­ никах, когда существен внутренний шум преобразователя частоты и с точки зрения повышения отношения сигнала к шуму важно получить достаточно большое усиление в УРЧ, каскады последнего не подвер­ гают регулировке, обеспечивая для них линейный режим работы. Аналогичное решение принимается в случаях приема сигналов при наличии интенсивных помех от расположенных поблизости передаю-

375

щих радиостанций, когда приходится считаться с опасностью возник­ новения интенсивной перекрестной модуляции.

Наличие автоматической регулировки усиления затрудняет точную настройку приемника. Действительно, при точной настройке приемника с АРУ на несущую частоту сигнала абсолютная величина напряжения авторегулировки будет максимальна, а коэффициент усиления прием­ ника снижается до минимального. При расстройке приемника отно­ сительно несущей частоты принимаемого сигнала регулирующее на­ пряжение уменьшается по абсолютной величине, в результате чего коэффициент усиления приемника возрастает. Поэтому падение уси­ ления приемника, вызванное расстройкой колебательных контуров

относительно принимаемого сигнала, в значительной степени компен­ сируется действием системы АРУ. При значительной расстройке прием­ ника относительно принимаемого сигнала регулирующее напряжение снижается практически до нуля и усиление приемника сильно возрас­ тает, что приводит к значительному увеличению уровня помех на его выходе. Эти помехи весьма ощутимы. Для того чтобы избежать этого недостатка, были разработаны различные схемы бесшумной авторегу­ лировки усиления. В основе действия этих схем лежит принцип за­ пирания выходных каскадов приемника при напряжениях на его входе, лежащих ниже определенного порога.

Таким образом, в приемниках с системой АРУ особенно необходим визуальный индикатор настройки, который позволяет быстро и точно настроить приемник.

Принципиальные схемы задержанных систем АРУ с обратной связью. Такие системы получили наиболее широкое распространение в приемниках различного назначения.

На рис. 10.21 приведена схема АРУ с задержкой на электронных лампах, применяемая в приемниках амплитудно-модулированных радиосигналов. Здесь левая половина двойного диода используется как детектор основного канала, а правая — как детектор системы АРУ. Для более равномерного шунтирования контуров фильтра предшест­ вующего усилительного каскада сигнал на детектор АРУ, который выполнен по схеме параллельного детектора, снимается с-1-го контура полосового фильтра через конденсатор С, а сигнал на детектор основ­ ного канала, который выполнен по схеме последовательного детектора,

376

Для выявления основных динамических свойств системы АРУ не­ обходимо, используя характеристики звеньев ее функциональной схемы, составить дифференциальное уравнение, связывающее колеба­ ния u l (t) и « г (t) на входе и выходе приемника. На рис. 10.23 изобра­ жена функциональная схема приемника, в котором применена АРУ с обратной связью. В этой схеме усилительные каскады в тракте прием­ ника представлены звеном с коэффициентом усиления К (Др), зави­ сящим от регулирующего напряжения Др, которое появляется при работе АРУ на выходе ФНЧ (А). Регулировочная характеристика приемника К = К (Up) (рис. 10.24) в общем случае имеет нелинейный характер, определяемый нелинейной зависимостью коэффициентов

передачи регулируемых каскадов в схеме приемника от величины регу­ лирующего напряжения. При анализе процессов в системе АРУ функ­ цию К = К (Up) аппроксимируют линейной зависимостью, т. е. по­ лагают, что

где а = tg ф = Kq/Uр макс— угловой коэффициент характеристики. Следует отметить, что линейная аппроксимация зависимости

К(Up) позволяет существенно упростить последующий анализ, хотя

иприводит к некоторому завышению результатов расчета искажений

огибающей за счет завышения величины а при больших Up. Предположим, что в приемнике отсутствуют нелинейные искажения

и он остается линейным по отношению к любому амплитудно-модули- рованному входному сигналу. Поэтому детектор АРУ, а также допол­ нительные усилители, которые в общем случае могут быть введены в цепь обратной связи, можно представить линейным звеном с коэф­ фициентом передачи /Са р у , как это сделано в схеме на рис. 10.23. До­ пустим, что полоса пропускания приемника достаточно велика и амплитуда выходного сигнала следует за изменениями коэффициента усиления, обусловленными регулирующим напряжением Uv, без запаздывания.

Тогда, если амплитуда огибающей выходного сигнала меньше на­ пряжения задержки, регулирующее напряжение Up = 0 и коэф-

378

При амплитуде входного сигнала U 1МИП амплитуда выходного на­ пряжения становится равной Е3 и К 0 = Ea/Umu„.

При «1 (/) > £/1мпн для огибающей сигнала на выходе приемника можно записать

причем изменение /7Р будет определяться уравнением вида

где А — линейный дифференциальный оператор, который описывает процессы в ФНЧ (см. рис. 10.23). , '

Таким образом, процессы в системе АРУ описываются следующей системой уравнений:

A[ UV\ — /Сару [м2(/)— £ 3] при u%(t ) > E 3. ,

Анализ этой нелинейной системы для произвольного вида опера­ тора А и произвольной зависимости К (Др) провести не удается. В тех случаях, когда используется зависимость (10.25), а в качестве

где К — а/Сдру. Даже эту более простую систему уравнений решить удается только для некоторых частных случаев изменения огибающей сигнала на входе приемника. Рассмотрим вначале простейший случай.

Перепад уровня сигнала. Предположим, что в момент / = 0 на вход приемника подается сигнал, амплитуда которого иг (t) — Uг = = const > Н1мин. Тогда в соответствии с (10.30) поведение системы АРУ будет описываться неоднородным линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами:

RC — + [1 + к и х] щ = Ко Ux + KUXE3, и2> Е3. (10.31) dt

Примем, что в начальный момент напряжение на конденсаторе фильтра равно нулю, т. е. при t = 0 Up — 0, поэтому и2 (0)= K6Uг.

379