книги / Радиоприемные устройства.-1
.pdfстройки Д / . Выбирая величину Д /ш , можно осуществить достаточно точ ную дискретную настройку для любого заданного вида принимаемых сигна лов. Примером дискретной настройки контура в РПУ является настройка с по мощью дискретного конденсатора переменной емкости (ДКПЕ), схема вклю чения которого приведена на рис. 3.24.
Непосредственное управление настройкой колебательных контуров РПУ на частоту принимаемого сигнала с помощью конденсатора переменной емко сти и переключаемых катушек индуктивности характеризуется низкой надеж ностью, чувствительностью к механическим воздействиям, значительными га баритами и плохо согласуется с программным управлением РПУ. Поэтому основной тенденцией в настройке в последнее время является использование элементов с электронным управлением. Для этой цепи применяются электрон ные приборы с высокой добротностью, емкость которых зависит от приложен ных к ним напряжений, и электронные коммутаторы (ключи), сопротивление которых изменяется в широких пределах от весьма больших значений (ключ разомкнут) до близких к нулевому (ключ замкнут).
В качестве управляемых емкостей в РПУ широко используются варикапы (рис. 7.1, сплошная линия), т. е. специальные полупроводниковые диоды в режиме обратно смещенного р-я-перехода, для которых характерно относи тельно большое изменение емкости С в функции от постоянного управляюще го напряжения и (штриховая линия —обычный полупроводниковый диод). Типовая схема управления варикапом, включенным в колебательный контур преселектора РПУ, приведена на рис. 7.2, где потенциометр R служит для изменения постоянного напряжения на варикапе, т. е. для настройки контура; резистор R Q исключает шунтирование контура сопротивлением источника по стоянного напряжения; конденсатор С — блокировочный для тока высокой частоты. Рассматриваемое устройство допускает дискретное управление на стройкой' для чего управляющее напряжение на варикапе должно изменяться по ступенчатому закону.
Для одновременной согласованной перестройки нескольких колебатель ных контуров преселектора или гетеродина используют варикапные матрицы из нескольких (двух и более) варикапов в одном конструктивном оформле нии. В этом случае могут возникнуть трудности при согласовании настроек контуров (см.п.7.22) из-за разбросов характеристик варикапов, обычно пре вышающих разбросы характеристик секций конденсатора переменной емко сти.
Для электронной коммутации катушек индуктивности используются электронные ключи: диодные на коммутационных или p - i - «-диодах (рис. 7.3, а) , транзисторные (рис. 7.3, б) , а также миниатюрные электромеха нические реле (герметизированные контакты, сокращенно герконы) (рис. 7.3, в).
Из-за сложностей многоконтурной электронной настройки (особенно плавной) представляют интерес структуры РПУ, в которых используются переключаемые фильтры - полосовые или нижних частот. Такие структуры характерны для преселекторов инфрадинных РПУ (см. § 1.2). При примене нии широкополосных преселекторов в этих РПУ проблема перестройки и со гласования настроек преселектора с гетеродином полностью исключается; ес ли же в качестве гетеродина используется цифровой синтезатор частот, то пере
стройка контуров в РПУ не требуется вообще. Для случая фильтрового пресе лектора при переходе с одного поддиапазона на другой в нем необходимо переключить фильтры (см. рис. 7.3, б) .
А Для удобства управления ключами и повышения надежности в случае от каза от механических манипуляторов . в РПУ применяют сенсорную систему управления. Такая система содержит три функциональных блока: 1) сенсор ное поле, представляющее собой обозначенную площадь касания пальцем поль зователя; 2) сенсорный датчик, преобразующий физическое воздействие (ка сание) в электрическую командную посылку; 3) блок фиксации, запоминаю щий последнюю посылку сенсорного датчика. Для управления сенсорным дат чиком могут быть использованы различные эффекты: проводимость кожи, фоновая наводка от сети переменного тока и т.д.
7.2.2. Системы настройки радиоприемных устройств
В супергетеродинном РПУ необходимо согласовать в соответствии с (1.9)—(1.11) частоты настроек контуров гетеродина и преселектора. Если для настройки РПУ использовать блок конденсаторов переменной емкости, имею щий обычно секции из отдельных конденсаторов с одинаковыми параметрами (Cmin и Стах), то требуется специальная процедура —сопряжение настроек контуров преселектора и гетеродина. Это объясняется различием требований к коэффициенту К поддиапазонов этих контуров. Действительно, например,
для диапазона СВ £>25 |
-1607 кГц) и / |
=465 кГц коэффициент перекрытия |
|
контуров преселектора |
в соответствии |
с (1.25) равен КЛЩ> = |
= |
= 1607/525 =3,06, а коэффициент перекрытия контура гетеродина для случая
верхнего преобразования, когда f r ~ f c+f n * - = (fT |
+ / |
) / ( / . + / ) |
= |
||
=2072/990 = 2,09, откуда следует, что К |
< |
v max |
|
|
|
д.пр |
|
|
|
||
Аналогичный результат (/<Гд г Ф /Гд пр) |
|
|
|
|
|
получается в случае нижнего пре |
|||||
образования частоты, когд а/г = /с= /п >однако здесь /Гд г > |
/Гд ^ |
|
|||
Так как при емкостной настройке К |
|
определяется только емкостью |
|||
контура, путем включения в контур гетеродина дополнительных так называе мых сопрягающих конденсаторов Сс1 Сс2 можно обеспечить требуемые
величины /Гд г (рис. 7.4). Однако нельзя достигнуть того, чтобы разность час тот настройки контуров преселектора / и гетеродина / г равнялась промежу точной частоте / п РПУ на всех частотах заданного поддиапазона. Это объясня ется сложным законом зависимости / от угла поворота а оси конденсатора переменной емкости или органа, регулирующего напряжение на варикапе. Ис
следуя функцию / г в зависимости от величины а , CHmin-C Hmax f Сс1 , С |
, |
можно показать,что она аналогична приведеннойнарис.7.5,д,щедана также |
за |
висимость / = / (а). Как следует из рис. 7.5, д,в заданном частотном диапазо не возникает погрешность сопряжения А / = / г — (/с + / п) , которая не равна нулю на всех частотах поддиапазона, а является функцией а и величин емко стей Сс1 , Сс2. Исследование этой функции на экстремум позволяет миними зировать А ^ ^ , выбрав соответствующим образом три точки сопряжения f x , / 2 и / 3 для прямочастотного конденсатора (fQпропорциональна а) следу ющим образом:
Рис. 7 3
|
( I |
с т а х |
- |
/ . ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
^ |
|
J cm m J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
= / - |
— — |
|
( / |
|
Ч |
, |
V T |
|
|
- / • ) . |
|
/ „ m |
J . |
А |
= Л + “ Г |
( /,с т а х |
||||||
' i |
J 2 |
л |
|
'••'стах |
; с т ш ; |
||||||
Для поддиапазона с малой величиной |
(так называемых ’’растянутых” |
||||||||||
поддиапазонов) |
сопряжение |
может |
осуществляться |
в |
двух |
точках f x и / 2 |
|||||
(рис. 7.5, б) или даже в одной точке f х |
(рис. 7.5, в). |
Это позволяет умень |
|||||||||
шить число сопрягающих конденсаторов, а в последнем случае упростить на стройку РПУ при его изготовлении.
Следует заметить, что чем шире полоса пропускания преселектора, тем ме нее жесткими являются требования к точности сопряжения. Это объясняется тем, что при настройке РПУ с неточным сопряжением пользователь с помощью
ручки настройки приемника будет настраивать его по максимуму сигнала в са мом узкополосном тракте —в ТПЧ. Таким образом, преобразованная частота сигнала будет совпадать с промежуточной частотой / . Однако, если при этом не обеспечено точное сопряжение, то на величину Д/относительно требуемого значения окажутся расстроенными контуры преселектора. В результате воз можны искажения спектра сигнала в преселекторе и даже частичное его подав ление, что приводит к ухудшению чувствительности РПУ. Этот эффект особен но заметен в узкополосных преселекторах, например в одноконтурном на ДВ. Наобороу, на КВ, где преселектор имеет более широкую полосу пропускания, требования к точности сопряжения могут быть существенно ослаблены. Ясно, что при значительной величине Д/ сигнал в преселекторе подавляется настоль ко, что прием становится невозможным.
Переход к электронной системе управления частотой настройки РПУ прин ципиально позволяет полностью исключить погрешность сопряжения, обеспе чив Д / = 0 с требуемой точностью во всем рабочем поддиапазоне. На рис. 7.6 приведена упрощенная структурная схема такой системы, предназначенной для управления ДКПЕ (см. § 3.5), включенным в колебательный контур.
Для ручного ввода требуемого значения частоты настройки используется тастатура, позволяющая набирать частоту в десятичном коде. В преобразовате ле основания кода десятичный код преобразуется в двоичный, с помощью ко торого осуществляется дальнейшее управление емкостью в системе настройки. Набранный код хранится в запоминающем устройстве (ЗУ) до поступления команды стирания. Таким образом, возникает возможность ввести информа цию о частотах приема не одной, а многих станций, вызывая их по желанию пользователя в любой последовательности. Тем самым может быть легко осу ществлен вариант программного управления настройкой РПУ.
В блоке управления ДКПЕ реверсивный счетчик с помощью импульса 'Установка нуля" переводится в исходное положение. Выход реверсивного счетчика с помощью преобразователя "код-аналог" связан со схемой сравне ния, для чего используется напряжение U y Напряжение Ut , соответствующее коду вводимой в систему частоты настройки, получается с помощью второго преобразователя "код-аналог". Как следует из рис. 7.6, на вход, управляющий работой реверсивного счетчика, поступают импульсы от схемы сравнения. Ес ли = U2 , т. е. осуществлена настройка на заданную соответствующим ко дом частоту, то поступление импульсов от схемы сравнения на вход реверсив ного счетчика прекращается. В результате ДКПЕ остается в положении, соот ветствующем коду заданной частоты настройки. Если Ux Ф U2 , то происходит последовательное изменение емкости ДКПЕ в сторону увеличения или умень шения до тех пор, пока напряжения Ux и U2 не сравняются, т. е. пока не будет установлено требуемое значение емкости.
На рис. 7.7 приведена другая система точной настройки контуров пресе лектора и гетеродина РПУ. Она содержит микропроцессор М, работающее вместе с ним ЗУ и программатор (П ), с помощью которого можно осущест вить набор частоты Д нужного радиоканала (аналогичен блоку ввода и запи си частоты на рис. 7.6). По значению / в микропроцессоре определяется вели чина / г = / с + / п (случай "верхней’* настройки) или / г = / - / (случай "нижней" настройки). Необходимая частота / г устанавливается в синтезаторе частоты (СЧ). С помощью микропроцессора М электронный переключатель
” Н а з а д 99
Рис. 7.6
Рис. 7,7
(ЭП) затем отключает вход РПУ от антенны и включает его к выходу синтеза тора частот (СЧ). Таким образом, осуществляется имитация контрольного сигнала нужной частоты / с на входе РПУ. Далее в синтезаторе напряжения (СН) происходит скачкообразное изменение напряжения и , управляющего варикапом первого контура преселектора, что обеспечивает его перестройку (рис. 7.8). Напряжение с выхода УПЧ поступает на детектор и через аналогоцифровой преобразователь АЦП —на микропроцессор. В последнем фиксиру ется максимум напряжения на детекторе, что соответствует точной настройке контура сигнала при заданных / с и / г . Далее (или одновременно) перестраи ваются таким же способом и другие контуры преселектора, причем по мере уточнения их настройки уровень контрольного сигнала может автоматически уменьшаться. После окончания процедуры настройки ЭП переводится в верх нее положение и РПУ оказывается готовым к приему полезного сигнала.
7.3. Автоматшеская подстройка частоты
|
|
в радиоприемном устройстве |
|
|
|
7.5.7. Общие сведения |
|
В |
процессе |
работы супергетеродинного |
РПУ преобразованная частота |
/ = |
/ - / ( / > |
/ ) или / = / - / ( / < / ) |
может изменяться и отличать- |
ся от промежуточной частоты / п , на которую настраивается тракт промежу точной частоты при изготовлении РПУ. Причинами неравенства Ф / п яв
ляются изменение (уход) после настройки РПУ частоты |
радиопередающего |
устройства, т. е. / с , а также уход частоты гетеродина РПУ/ |
из-за действия де |
стабилизирующих факторов (температуры, влажности, времени, механиче ских воздействий и др .). В результате спектр преобразованного полезного сиг нала в ТПЧ оказывается смещенным относительно его АЧХ. В узкополосных ТПЧ это может привести к частотным искажениям спектра, что после детекти рования проявляется как нелинейные искажения сигнала, а при больших отли
чиях / |
пР от / |
п - как подавление сигнала в ТПЧ и полное прекращение при- |
ема. |
|
|
Для автоматического поддержания равенства преобразованной f m и промежуточной / п частот в РПУ служит система автоматической подстройки частоты гетеродина (АПЧГ) радиоприемника.
Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) использует принципы работы систем автоматического регулирования по параметру —частоте сигнала. Та кая система выполняется обычно как замкнутая петлевая структура (рис.7.9).
УГ <*- |
УЭ |
Рис. 7,9
Вых.
Тракт АПЦ
Рис. 7.10
Она содержит измерительный элемент или раэличитель (Р) , на один вход кото рого поступает колебание входного сигнала с частотой / , на другой —колеба ние управляемого генератора (УГ) с частотой Раэличитель имеет частотно
зависимую характеристику выходного напряжения му = v ( f Q - / с) , что позво ляет установить отличие / от / с , а также дать количественную оценку такого отличия, т. е. величину и знак разности Д /= f Q- / с; f Q & f c Требуемая ха рактеристика различителя иу = <р(А0 должна иметь вид, аналогичный детек торной характеристике детектора сигнала с ЧМ, например, представленной на рис. 6.26. С выхода различителя управляющее напряжение после ФНЧ поступа ет на управляемый элемент (УЭ), который изменяет частоту генератора / й При необходимости это напряжение может быть усилено в усилителе (У) .
В качестве УЭ могут быть использованы: варикап; катушка индуктивно сти с ферритовым сердечником, намагничиваемым полем, величина которого изменяется под действием постоянного управляющего тока i ; "реактивные” лампа или транзистор и т.д. Так как управляемые емкость или индуктивность включаются в колебательный контур управляемого генератора УГ, то измене ние их величин под действием му или /у приводит к изменению частоты гене ратора / 0 .Наряду с электронными УЭ используются электромеханические (на пример, конденсатор переменной емкости, связанный с реверсивным электро двигателем) .
Задача АПЧ в супергетеродинном РПУ отличается от задачи управления частотой в структуре, приведенной на рис. 7.9, тем, что здесь обычно контро лируется не частота входного сигнала РПУ, а преобразованная в тракте проме жуточной частоты, т. е. разностная частота, поэтому такая АПЧ называется разностной. Пример структурной схемы разностной АПЧ в РПУ приведен на рис. 7.10, где ПЧ —преобразователь частоты; УПЧ - усилитель промежуточ ной частоты; ЧД — частотный детектор; остальные обозначения аналогичны принятым на рис. 7.9. Как видно, в структуре осуществляется сравнение пре образованной / и промежуточной / частот. Тогда роль различителя факти чески выполняет часть тракта, показанная на рис. 7.10. (штриховыелинии).
В зависимости от вида управляемого элемента различают частотную авто подстройку частоты (ЧАПЧ) и фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ).
В системах ЧАПЧ (см. рис. 7.10) измеряется отклонение частоты / от ее эталонного значения / п . В качестве последнего берется значение централь ной частоты частотного детектора / = / п (см. рис. 6.26). В системах ФАПЧ в качестве измерительного элемента используется фазовый детектор. Так как такой детектор работает в установившемся режиме только при строгом равен стве сравниваемых частот, системы ФАПЧ сравнительно с системами ЧАПЧ имеют более высокую чувствительность, осуществляя сравнение колебаний ”с точностью до фазы” , т. е. реагируют на весьма малые разницы частот / и / п Рассмотрим первый вид АПЧ. Второй вид (ФАПЧ) рассмотрен в § 9 .6 .
Кроме разностных систем АПЧ, различают системы, поддерживающие не изменное значение / г при настройке РПУ на заданную частоту. Эти системы могут работать даже при отсутствии сигнала (временное прекращение работы радиопередатчика, глубокие замирания и т.д.), однако они не устраняют изме нения / .Разностные системы свободны от указанного недостатка, но требуют специальных мер по сохранению работоспособности при исчезновении сигнала.
7.5.2. Анализ работы АПЧ
Так как основное уравнение для частот в тракте, приведенном на рис.7.10, имеет вид / п = / г - / с или / = / - / г , в процессе работы АПЧ следует так изменять/г "Рчтобы, напримерГдля ’Нижнего” преобразования частоты
/ = |
/ - |
/ |
= |
/ . |
|
|
(7.1) |
J T t p J C |
J T |
J n |
|
|
4 7 |
||
Но в соответствии с (7.1) |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
<7-2> |
следовательно, при введении АПЧ необходимо, чтобы величина Д/ |
стреми |
||||||
лась к нулю. Полагая, что все |
частотные нестабильности в (7.2) |
отражены |
|||||
Д /с , оценим, как изменяется |
Д/ |
при отсутствии и наличии АПЧ. |
|
||||
В соответствии с обозначениями рис. 7.10, система уравнений петли АПЧ |
|||||||
имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
Д /г = |
|
(Иу) , |
Му = |
К и |
ф ' “ р = 1 1“ ф1 • “ р = *2 ( Д4 р ) > |
М |
|
где К — коэффициент передачи усилителя У; L [и^\ — линейный оператор, |
|||||||
связывающий |
переменные на вдоде и выходе фильтра, обратный оператору |
||||||
’’выход-вход” Иф = |
iV [up] |
L [мф ] = N ~ 1 [ыр] |
|
||||
Сократив число переменных в (7.3), получим |
|
||||||
д/г = Ч>, (КЫф). L [Мф] |
= Ч (Д /с - д / г) |
(7.4) |
|||||
Используя (7.4), рассмотрим сначала процессы при малых расстройках Д / Тогда зависимости Д f = (м„) и и = <р ( A f ) можно представить соответствующими рядами Тейлора и ограничиться их первыми членами, т.е-
Д/г = Л («V) = ~ S puy . Ъ (Д/пр) = - 5вд'л^пр • |
(7-5) |
где^цд —крутизна статической характеристики частотного детектора систе мы АПЧ) (см. (6.8)); £р - крутизна статической характеристики регулято
ра частоты.
Следует обратить внимание на то, что при анализе АПЧ сигналы предпола гаются непрерывными и используются статические характеристики ЧД и управляемого элемента УЭ, так как переходные процессы в них можно не учи тывать. Тогда вместо (7.4) с учетом (7.5) можно записать
L [Д/г] + K 0A f r = K 0A fc , |
(7.6) |
где/С()= 5 р5’Чд/С (предполагается, что |
при наличии амплитудного ограничи |
теля на входе различителя последний реагирует только на изменение преобра зованной частоты).
Переходя к конкрерюму ФНЧ, например, однозвенной интегрирующей АС-цепиС'гф = ^ [ ^ ] = £ у (1 + ртф),гд е тф = Я С , находимЬ [ 0 ф] = N ~ l х
х [Йр] = 0ф (1 + рТф) или во временной форме
du
(7’7)
Подставляя (7.7) в (7.6), с учетом соответствия Д /г -*Мф получаем урав нение системы АПЧ:
<*(А/Г) |
|
|
|
||
'ф |
- Г |
- |
+ QAfr - |
> |
<™ > |
где величину Q = |
1 + K Qназьшают |
коэффициентом подстройки АПЧ. |
|||
Решение линейного дифференциального уравнения (7.8) |
при нулевых на |
||||
чальных условиях имеет вид |
|
|
|||
д / г |
= |
7 “ |
e ~ t,T I b f ce x/Td x , |
(7.9) |
|
Ф°
ще величина т= т^/Q представляет собой постоянную времени АПЧ.
Если при t = 0 частота сигнала изменится на некоторую величину А / = = ДГс= Д /с0,не выходящую за пределы линейной аппроксимации статическоиха-
рактеристики |
(А/пр)> то ДДя |
t > 0 из (75) и (7.2) следует |
|
|||
А /.пр |
(1 +v |
* |
/T) |
|
|
(7.10) |
Так как изменение А /р |
приведет к такому же изменению А / |
, то для |
||||
установившегося значения Д /г |
при |
°° находим |
1,5 |
|
||
|
|
|
|
|
|
(7.11) |
Из (7.11) |
следует: а) |
система АПЧ уменьшает |
нестабильность |
частоты |
||
гетеродина и, значит, преобразованной частоты сигнала при действии любых дестабилизирующих факторов, причем количественная характеристика этого уменьшения определяется коэффициентом подстройки Q ; б) чем больше ве
личина |
Q b т,е. чем больше значения 5ЧД, S |
К , тем выше эффек |
тивность |
АПЧ. Поэтому в систему УПЧ целесообразно вводить дополнитель |
|
ный усилитель и использовать частотный детектор и управляемый элемент с большой крутизной характеристики.
Влияние параметра АПЧ Q = 1 + K Q может быть пояснено, исходя из принципа действия цепей отрицательной обратной связи. Нетрудно видеть, что величина Q аналогична глубине отрицательной обратной связи, обладающей известным свойством уменьшать влияние дестабилизирующего фактора.
Основное уравнение (7.8) описывает также и переходный режим установ ления А /г (А/пр) • При скачках А/г или перестройке РПУ возникает переход
ный процесс, в течение которого может не достигаться расчетная эффектив ность АПЧ в стационарном режиме.
Как следует из (7.10), скорость переходного процесса зависит от постоян ной времени фильтра ФНЧ системы АПЧ и величины Q , т. е. глубины обрат
ной связи в петле АПЧ, определяемой как Q - |
1 + 5р£чд/С |
Для |
сокращения |
времени установления надо уменьшать т^ и |
увеличивать |
Q . |
Очевидно , |
что при больших величинах KQ имеет место неравенство г « |
|
, т. е. время |
|
установления в петле АПЧ существенно меньше времени установления фильт ра.
При усложнении ФНЧ порядок уравнения системы АПЧ (7.8) повышается, а при числе звеньев более двух она может возбудиться. Это выражается в появлении на выходе ПЧ дополнительной паразитной частотной модуляции,
хотя на входе РПУ сигнал может ее не иметь. |
|
Мы уже рассматривали работу АПЧ при малых расстройках А/ |
относи |
тельно нуля. Теперь исследуем случай больших расстроек. Полагая для просто ты оператор L равным единице, вместо системы (7.4) с учетом (7.2) запишем
А |
/ ^ А / ^ + ^ ^ С А / п р ) ) . |
|
(7.12) |
По известным характеристикам |
и |
построим зависимость (7.12) в |
|
виде А/„р |
“ </>(А/с). Возможный упрощенный характер такой зависимости |
||
приведен на рис. 7.11, где штриховой линией показана характеристика при от сутствии АПЧ.
Как следует из рис. |
7.11, при введении АПЧ существенно уменьшается |
крутизна характеристики |
(область АА), что подтверждает стабилизирующее |
действие АПЧ: большим |
изменениям ДГС соответствуют малые изменения |
АГдр . Значительная расстройка А /с (движение на рис. 7.11 по стрелке S ) со ответствует нерабочим участкам характеристики ЧД (см. рис. 6.26), когда на пряжение на его выходе, а следовательно, и и в структуре АПЧ (см.рис.7.10) резко падают/ Тогда система АПЧ "скачком” переходит в новое состояние (точку С), характеризуемое отсутствием стабилизирующего действия. Поэто му характеристики = ^(А f c) при отсутствии и наличии АПЧ совпадают.