Эта характеристика наглядно иллюстрирует процесс сжатия ди намического диапазона выходных сигналов регулируемым усилите лем. Тангенс угла наклона касательной в каждой точке,, амплитуд ной характеристики регулируемого усилителя численно равен его коэффициенту усиления по напряжению. Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение амплитуд сигналов на выходе и входе усилителя
^Лп вх
В отличие от резонансного коэффициента усиления Ко он учиты вает усиление не только на резонансной частоте, но и на других ча стотах, которые содержатся в спектре импульсного сигнала.
Регулировочная характеристика регулируемого усилителя (рис. 7-34,в) дает зависимость коэффициента усиления этого усили теля от напряжения регулирования
Вид регулировочной характеристики определяется числом регу лируемых ламп и их сеточными характеристиками. Эта характери стика всегда нелинейна, и тем больше, чем больше число регулируе мых каскадов и шире диапазон входных сигналов.
Качество системы АРУ в статическом режиме можно оценить коэффициентом
d = (£Л „ вых) max |
(7-193) |
вых)ш!п |
|
Коэффициент d показывает, во сколько раз увеличивается ам плитуда выходного напряжения, если амплитуда входного напря жения возрастает в заданное число раз
D = (^Лп вх)п |
(7-194) |
(tfm вх)п |
|
Эффективность АРУ удобно определять коэффициентом сжатия
р_
г (7-195) d •
Коэффициент г показывает, во сколько раз система АРУ умень шает динамический диапазон изменения сигналов на выходе при емного устройства по отношению к его входу. Он может меняться от г = 1 (сжатие отсутствует) до г —D, когда сигнал на выходе остается постоянным при всех значениях входного сигнала внутри диапазона от (£/mBX)max до (£/mBX)mln (идеальная АРУ).
Целью статического расчета АРУ является обеспечение требуе мого диапазона изменения выходных сигналов d по заданному диа пазону изменения входных сигналов D. Для расчета необходимо
иметь регулировочную характеристику, которая может быть опре делена экспериментально или рассчитана по формуле
m |
|
пS, (£/с.и + Up) |
|
К = Кт п '-^—5------------- . |
(7-196) |
П Si(Uc.a) |
|
1=1 |
|
где Sj(t/C.n + Up) — зависимость крутизны характеристики l-й регу лируемой лампы от напряжения науправляю щей сетке;
Uc.n— начальное напряжение смещения на управляю щей сетке;
Ктах— максимальный общий коэффициент усиления регулируемого усилителя по напряжению, со ответствующий Up = 0.
Если регулировочная характеристика известна, то статический расчет сводится к выбору коэффициента усиления КАРУ (к выбору
амплитудной ■ характеристики цепи АРУ) и построению (если это
необходимо) |
амплитудной характеристики |
регулируемого |
усили |
теля. |
|
амплитудной |
характеристики цепи |
Так как рабочий участок |
АРУ (рис. 7-34,а) линеен, то можно записать |
|
|
^ ару |
' и п |
ив |
|
(7-197) |
|
и я |
|
Подставим сюда максимальные |
значения £/р и Um |
а и л |
заменим на |
(£7 т вых)т1п — U3 |
|
|
|
|
|
== |
Uр max |
|
(7-198) |
|
|
|
|
|
АРУ“ (Vm Bb.x-W ^-l) |
|
|
Величина максимального регулирующего напряжения 7/ргаах на ходится как точка регулировочной характеристики,, соответствую щая минимальному коэффициенту усиления, который в свою оче
редь определится как |
. |
|
|
Kmin = - ^ m .X. |
(7-199) |
Выбранный таким путем коэффициент усиления КАРУи обеспечи
вает требуемую величину d при заданной величине D. Графическое построение рабочего участка амплитудной характеристики регули руемого усилителя может быть выполнено по формуле
UmBm = - J ^ - + U3. |
(7-200) |
Л АРУ
Задаваясь рядом значений Up, находят соответствующие вели чины 7/гавь1х. Для этих же Upпо регулировочной характеристике на ходят соответствующие К. От £/твыхи К переходят к значениям
вх*
Каждая пара UmBm и UmBX есть координаты точки искомой ха рактеристики.
Анализ динамического режима работы инерционной АРУ с по лучением относительно простых практических результатов возмо жен лишь при следующих упрощающих предпосылках [29, 39]:
1.Импульсный характер сигнала не учитывается.
2.Регулировочная характеристика аппроксимируется линейной
зависимостью
А — А шах O.Uр , |
( 7 - 2 0 1 ) |
где а = - ^ у — угловой коэффициент характеристики.
йи р
3.Нелинейные искажения в регулируемом усилителе отсутст
вуют.
4. Усилитель регулируется напряжением Up безынерционно и без какого-либо запаздывания.
Существенное влияние на динамические свойства АРУ оказы вает характеристика используемого фильтра. В большинстве слу чаев фильтр АРУ представляет одну ячейку RC и только в редких случаях применяются двухзвенные и более сложные ^С-фильтры.
|
Поведение задержанной |
АРУ в |
общем случае можно описать |
|
следующей системой уравнений: |
|
|
|
|
|
f A max |
(^) |
П ри |
£ / вх |
U 3, |
|
|
\K(Up)U BX(t) |
при |
£ /„ > £ /,; |
(7-202) |
|
Up(t) = Аару |
( р ) [UBUX(t) — щ , |
|
|
|
где И7ф(р) — передаточная функция фильтра. |
|
|
Для однозвенного ДС-фильтра |
|
|
|
|
Wb (P )= 1 + PRC • |
|
( 7 - 2 0 3 ) |
|
|
|
|
Учитывая (7-201) и (7-203), |
уравнения (7-202) можно записать |
|
в виде: |
|
|
|
|
|
|
KmaxUBX{t) |
при Uвых < |
и г |
|
(Атах |
а^р) ^вх (^) |
При UBых |
Ul |
|
,dUp |
|
|
|
|
(7-204) |
|
Аару [иж (() - |
|
|
|
R C ^dt + UP = |
и 3\. |
|
Для U BbSX> U3 систему (7-204) можно свести к одному диффе ренциальному уравнению относительно Up или UBUX:
R C ^ + { \ + « K |
APyUBX(t)} Up = |
KAPy\KmBXUBX(t)~ U 3}; |
(7-205) |
Д С ^ - ^ + П |
+ аКАРУ UBAt) |
RC |
dUB |
и я |
|
Um(t) |
dt |
|
dt |
|
|
|
|
UBA t) [Kmm + |
*K APyU3\. |
|
(7-206) |
Уравнения (7-205) и (7-206) есть неоднородные уравнения 1-го порядка с переменным коэффициентом, зависящим от огибающей входного сигнала.
Реакция системы АРУ на радиосигнал с огибающей в виде скачка
0 при t < 0 ;
£ /«(*) =
UmBX при t > 0 ;
может быть получена непосредственным интегрированием (7-206), которое в этом случае превращается в уравнение с постоянным ко эффициентом
RC dUBU |
^вы х — ^Лп вх [Д тах "Ь а -^ д р у ^ з ] • |
dt ~f~ [1 + |
(7-207)
Решение (7-207) имеет вид |
|
|
|
|
|
tl |
вхС^тах “Ь а^АРУ^з) |
, |
|
|
^ в ы х W |
----------------- 1 |
I |
„ i s |
7 7 |
Г |
|
|
|
1 -j- a Адру Uш вх |
|
|
4- |
вха ^ А Р У |
(-^ т а х ^ -Л п |
вх |
^ з ) |
р с ( * + “ *^ А Р У вх) |
(7-208) |
|
|
|
|
|
|
1 "Н а^АРУ^швх
Таким образом, при воздействии скачка на входе выходное на пряжение регулируемого усилителя в начальный момент скачком возрастает до величины
и вт (0) = Ка а и а вг, |
(7-209) |
после чего начинает уменьшаться по экспоненте с постоянной вре мени
й при 6Ь стремится к установившемуся значению'
^вых(°°) — Пт £/ВЬ|Х(t) |
1 I |
^тах^твх |
■ |
“^ АРУapv^ глi их |
и я. |
ts |
гг |
г |
I I |
пг/ и |
t-oo |
i |
аДдруСУщ вх |
|
1 ~ г а А д р у Ь ' т вх |
|
(7-211)
Такое поведение системы понятно. В начальный момент регули рующее действие цепи АРУ отсутствует и усилитель имеет макси мальный коэффициент усиления. Затем цепь АРУ начинает умень шать усиление до некоторого конечного значения. Если считать, что процесс установления в системе АРУ оканчивается, когда выход
ное |
напряжение |
будет отличаться |
от установившегося на 0 ,1 |
£/»ых(*) |
= |
0 ,1 |
, |
то время установления определится как |
^вых (03 ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У АРУ |
11 |
|
RC |
|
1 + |
lg а^АРУ (^гпах ^Лг |
|
.(7-212) |
г “'Ааруи |
|
вх |
|
|
^max “f" а^дру^з |
|
|
Для определения искажений радиосигнала с гармонической оги |
бающей вида |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^вх(^) = |
^ ш в х (1 + т з 1 п 2 0 , |
|
|
|
(7-213) |
где Q — частота сканирования; |
|
|
|
|
|
|
|
т |
— коэффициент глубины модуляции, |
|
|
|
(7-213) в |
за счёт переходных |
процессов |
в цепи АРУ подставим |
(7-205), положив для простоты U3= 0. |
|
|
|
|
|
|
R с ^ |
2 |
+ |
(1 + |
о.КАРуи т вх + |
пшКАТ>уи т вх sin 2 zf) Up = |
|
|
|
|
|
— Km3\KApyUmвх (1 -j- ш sin St). |
|
(7-214) |
Решение этого уравнения для установившегося значения напря |
жения регулирования имеет вид [29] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
\ |
ш( а — |
„ |
) cos St |
X |
|
|
|
Up(St) = |
|
а ____L_ |
} е |
V |
2RC j |
|
|
|
|
|
|
|
|
SRC ) 6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
CO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
S'n= 0 |
l ) % |
/ n |
m |
a |
SRC |
An ( т а ) , |
|
(7-215) |
|
J > j ( — |
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
|
a = 1 + |
“^Apy^iАРУ m вх . |
_ |
[ 1 |
при n = |
0 ; |
|
|
|
|
2 |
при n > |
1 ; |
|
|
|
|
|
|
|
SRC |
|
|
|
функция Бесселя первого рода мнимого ар
гумента;
Ап (т а ) = ea3t |
a cos пШ + п sin Ш |
|
а 2 -f- /г2 |
a sin (п -f- 1 ) |
— (п — 1) cos (п + 1) Ш |
|
а 2 + (/г + I) 2 |
a sin (п — 1) Ш — (п — 1 ) cos (п — 1 ) Ш
а2 + (я — 1 )2
Из (7-215) видно, что напряжение регулирования, а следова тельно, и коэффициент усиления регулируемого усилителя меняют ся по сложному закону. Это приводит к искажению амплитуды и фазы огибающей усиливаемого сигнала. Амплитудные искажения, как уже говорилось, проявляются в демодуляции сигнала ошибки. Они оцениваются коэффициентом демодуляции, равным отношению коэффициентов глубины модуляции на выходе и входе усилителя
(7-216)
или, что то же,
(7-217)
так как коэффициент глубины модуляции т численно равен ампли туде функции сигнала ошибки S mco (см. гл. 3).
Таким образом, коэффициент демодуляции показывает, на сколько уменьшилась амплитуда сигнала ошибки в результате про хождения его через усилитель, охваченный АРУ. Это уменьшение разрушает полезную информацию о величине отклонения цели от равносигнального направления и входит непосредственно в ошибку слежения, поэтому оно всегда должно быть если не устранено пол ностью, то сведено к минимуму.
Фазовые искажения создают фазовый сдвиг сигнала ошибки на выходе усилителя относительно его входа. Этот сдвиг разрушает информацию О'направлении отклонения цели от равносигнальной линии. Заметный фазовый сдвиг обычно приводит к тому, что ось визирования РГС начинает совершать круговое движение относи тельно направления на цель, поэтому фазовые искажения, вноси мые АРУ, также должны быть сведены к минимуму.
Формула (7-215) позволяет найти связь коэффициента демоду ляции и фазового сдвига сигнала ошибки с параметрами П, R, С. Если допустимые значения коэффициента демодуляции и фазового сдвига малы, то приближенно эта связь дается соотношениями:
RC |
1 |
а ^ А Р !/ |
в х |
(7-218) |
Та > |
2к |
|/1- |
|
|
- |
f |
■ |
|
|
|
*дем |
|
RC ^ |
1 |
|
|
р у и т |
вх |
7а ^ |
2тс |
|
tga' |
(7-219) |
|
|
где Ts — период огибающей (сигнала ошибки); а' — фазовый сдвиг огибающей.
При расчете АРУ допустимые значения ^ eM и а' задаются, что позволяет по известному периоду сканирования выбрать параметры фильтра RC. Принципиальная схема усиленной по постоянному, току, задержанной, инерционной АРУ в упрощенном варианте при ведена на рис. 7-35. Напряжение задержки на детектор снимается в ней с делителя Ri, R3 от общего источника анодного питания.
Заканчивая рассмотрение схемы инерционной, задержанной АРУ, необходимо остановиться еще на одной ее особенности. Осу ществляя регулировку коэффициента усиления приемного устрой ства по среднему уровню входного сигнала с целью устранения пе регрузок, АРУ тем самым выполняет операцию деления входного сигнала на его постоянную составляющую. То есть она параллельно со своей основной задачей частично выполняет функцию нормирую щего элемента схемы выделения сигнала ошибки. Частично потому, что операция нормирования сигнала ошибки в координаторах с ко ническим сканированием, как это было показано в гл. 3, состоит не только в делении сигнала на постоянную составляющую, но и в уст
ранении постоянной составляющей из результата деления. Кроме того, операция нормирования предполагает почти полное исключе ние зависимости амплитуды нормированного сигнала ошибки от ин тенсивности входного радиосигнала при всех его значениях, начи ная с нулевого. Схема же АРУ не обеспечивает необходимого по стоянства выходного сигнала при изменении уровня входного, а входные сигналы, уровни которых ниже уровня задержки, вообще схемой АРУ не нормируются. Поэтому в координаторах с кониче ским сканированием, несмотря на наличие АРУ, в схеме выделения сигнала ошибки предусматривается специальный нормирующий каскад, который выполняет операцию нормирования на этапе уси ления самого сигнала ошибки.
В моноимпульсны'х РГС полезная информация выделяется за время действия каждого эхо-импульса. В связи с этим и все про цессы в схеме АРУ должны протекать за время, равное длитель ности импульса. Такая АРУ получила название быстродействующей (БАРУ). Функциональная схема цепи БАРУ не отличается от схе мы цепи инерционной АРУ. Разница заключается лишь в том, что постоянная времени фильтра БАРУ берется сравнимой с длитель ностью импульса. Поэтому за время между двумя смежными им пульсами конденсатор фильтра практически полностью разря жается и для очередного импульса, цикл работы БАРУ начинается при нулевых начальных условиях.
Малая постоянная времени БАРУ приводит к сужению диапазо на изменения входных сигналов, при которых схема может нор мально функционировать (не внося сильных искажений). Это в ря де случаев заставляет отказываться от параллельного регулирова ния каскадов УПЧ, как это имеет место в инерционной АРУ, и пе реходить к покаскадному регулированию. То есть к охвату само стоятельной цепью БАРУ каждого регулируемого каскада УПЧ или группы одиночных каскадов УПЧ различных усилительных каналов приемного устройства. На вход цепи БАРУ (на детектор) в этом случае подаются радиоимпульсы промежуточной частоты с выхода регулируемого каскада, а регулирующее напряжение БАРУ (/р подается на управляющую сетку лампы этого же каскада.
В амплитудных моноимпульсных координаторах с суммарно разностной обработкой сигнала оказывается удобным и возмож ным совмещать в БАРУ ее основную функцию борьбы с перегруз ками с функцией нормирования сигнала ошибки. Операция норми рования в координаторах этого типа состоит в делении сигналов суммарного и разностных каналов на амплитуду сигнала суммар ного канала (см. гл. 3). Поэтому в них схемой БАРУ охвачены кас кады суммарного канала с подачей регулирующего напряжения на отдельные каскады разностных каналов. При этом детекторы БАРУ ставятся в режим пикового детектирования, а вся система БАРУ — в режим регулирования по амплитудному значению входного сигна ла, а не по среднему уровню, как в инерционной АРУ.
Импульсный характер работы БАРУ меняет ее динамические свойства, хотя поведение ее описывается теми же дифференциаль ными уравнениями (7-205) и (7-206), что и инерционной АРУ. Рас смотрим характер и степень искажений импульсного сигнала при прохождении его через усилитель с БАРУ и установим связь этих искажений с параметрами цепи регулирования.
Пусть на вход регулируемого усилителя подается радиоимпульс с огибающей трапецеидальной формы, фронт которого описывается уравнением
где 7/щвх— амплитуда огибающей импульса; £ф— длительность переднего фронта.
Для нахождения характера нарастания сигнала на выходе ре
гулируемого |
усилителя |
за время |
воспользуемся |
уравнением |
(7-205), считая U3 = 0. |
|
|
|
|
R C Ж + |
( ' |
) и р = |
^ л р у ^ ... |
t . |
(7-221) |
Пренебрежем единицей по сравнению со вторым слагаемым в скобке, что допустимо для малых промежутков времени [39]. Тогда получим упрощенное уравнение вида
|
^ |
+ |
а Ш |
, = |
Ы, |
|
|
(7-222) |
■ где |
ЛАдру |
|
вх |
|
A^pvAmАРУ '■max'^i-'mdx |
|
а = |
|
ь = |
(7-223) |
|
Я С * Ф |
' |
~ |
|
Я С * Ф |
|
Решением (7-222) |
с учетом начальных условий t = |
0, Up= 0, яв |
ляется |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
_ |
° КАРУ UmBx |
Л |
|
|
|
|
-Кшах [ i |
_ e |
2КС1Ф |
(7-224) |
^4 - " '
Подставив это решение в первое уравнение системы (7-204), по лучим
|
. |
_ |
аКАРУи щ вх |
|
UBKa(t) = |
Ka ^ ш в х |
„ |
2RCt.ф |
(7-225) |
|
ч |
|
|
|
Функция (7-225) имеет максимум при |
|
f |
_ ■ Г |
RCt$ |
(7-226) |
|
т ~~ \/ ®ГА д р у 7 /т вх |
|
|
который равен |
|
|
|
(7-227) |
Wsvxit)}max — 0,6Атах вх- |
Длительность фронта имйульса ф обычно — величина заданная. Следовательно, форма фронта выходного напряжения при постоян ных параметрах а и КАРУзависит от постоянной времени фильтра
RC и амплитуды входного импульса. Если RC и UmBX таковы, что
tm> |
то фронт выходного импульса |
представляет монотонно |
нарастающую функцию (кривая 1, рис. 7-36). Если значения RC |
и |
[/гавх |
приводят к неравенству |
tm |
то выходной фронт сильно |
искажается и имеет форму |
всплеска |
напряжения (кривая |
3. |
рис. 7-36). Наконец, если величины RC и UmBXобеспечивают равен ство tm= £ф, то выходное напряжение к моменту окончания фронта входного импульса успевает монотонно нарасти до макси- * мальногозначения, определяемого формулой (7-227) (кривая 2,
рис. 7-36).
и
t u x f t . /
|
Рис. 7-36 |
|
Однако, |
как это видно из рис. 7-36, |
регулирующее дей |
ствие БАРУ оказывается небольшим при tm> |
и сильным при |
tm< t<fr. |
Таким образом, если необходимо обеспечить сильное ре |
гулирующее действие цепи БАРУ (сильное сжатие динамического диапазона), то приходится мириться с сильным искажением фронта импульса. И, наоборот, добиваясь неискаженной передачи сигнала, приходится довольствоваться небольшой эффективностью отдель ных цепей БАРУ, компенсируя это увеличением их числа.
Наилучшие условия для прохождения переднего фронта имеют место, когда tm= t$. Подставляя в (7-226) tm= t$, получим зна чение постоянной времени фильтра БАРУ, обеспечивающее этот ре жим.
RС *.— ■ а А д р у вх^ф■ (7-228)
