курсач / материалы / Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. Сиверса А.П. 1976г

Рассмотрим некоторые соотношения между элементами нагрузки балансного фазового детектора. Как уже отмечалось, величину ре­ зистора R выбирают из условия R ЯгПостоянная времени на­ грузки RC должна быть, с одной стороны, такой, чтобы выполнялось известное из теории амплитудных детекторов неравенство RC^>

2n/comin (где ulmin — минимальная частота входных напряжений детектора). С другой стороны, чтобы при <ог =# со2 не искажалась форма выходного напряжения и таким образом обеспечивалось тре­ буемое быстродействие, должно выполняться условие RC <<; 2л/(со1 —со2)тах. Последнее неравенство, очевидно, теряет свой смысл, когда <0j = со2. В этом случае верхняя граница постоянной времени ЯС будет определяться возможной максимальной скоростью изменения фазового угла <р0 = <рх — <р2 между сравниваемыми напряжениями.

При практическом использовании фазовых детекторов (особенно в системах фазовой автоподстройки частоты) предъявляются весьма высокие требования к фильтрации отличных от со1 — со2 комбина­ ционных частот на выходе детектора, неизбежно образующихся в процессе детектирования. Эти побочные комбинационные состав­ ляющие отрицательно сказываются на работе системы автоподстрой­ ки и могут привести к значительным ошибкам. В тех случаях, когда предъявляются высокие требования к фильтрации указанных ком­ бинационных составляющих, прибегают к использованию более сложных (например, кольцевых) фазовых детекторов. Хорошие ре­ зультаты могут быть также получены при использовании коммута­ торных фазовых детекторов.

Коммутаторный фазовый детектор

Такой фазовый детектор (рис. 9.23) выполнен в виде балансного перемножающего устройства с дифференциальным входом. Входной сигнал и.! подается на базу транзистора Т1, сигнал управляющего напряжения и2 — непосредст­ венно на затвор полевого тран­ зистора ТЗ. Последний работает как управляемый напряжением аттенюатор с нулевым смеще­ нием на участке исток — сток.

Вследствие баланса цепи по по­ стоянному току управляющее напряжение, приложенное к затвору ТЗ, изменяет только сопротивление канала полевого транзистора, не влияя на усло­ вия передачи постоянных смеще­ ний в цепи.

392

При использовании рассмотренной балансной схемы перемножителя в спектре выходного напряжения удается значительно осла­ бить составляющую частоты со2 и все комбинационные составляю­ щие, за исключением сщ ± со2. Составляющие частоты «ц при этом

давлена фильтром, стоящим после фазового детектора. Допуская, что участок затвор — канал имеет бесконечное сопротивление и что амплитуда напряжения сигнала Ul значительно меньше напряже­ ния отсечки полевого транзистора, можно показать, что коэффициент передачи фазового детектора для симметричного выхода может быть

ление нагрузки каждого плеча схемы; Д2 — амплитуда управляюще­ го напряжения на затворе.

Входное сопротивление схемы на частоте сигнала определяется величиной равных сопротивлений Rt, R2 и имеет порядок ДЕХ

1 кОм.

Максимально возможный коэффициент передачи такого фазового детектора при условии Д2 — 0,5 [7зи отс определяется выражением

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Радиоприемные устройства. Под ред. В. И. Сифорова. М., «Сов. радио», 1974. Авт.: И. Н. Амиантов, Ю. Н. Антонов-Антипов, В. П. Васильев и др.

2.Расчет радиоприемников. Под ред. Н. В. Боброва. Воениздат, 1971. Авт.: Н. В. Бобров, Г. В. Максимов, В. И. Мичурин, Д. П. Николаев.

3.Арзуманов В. Н„ Дехтярев В. С. О подавлении амплитудной модуля­

ции в дробном детекторе. — «Труды ЛПИ им. М. И. Калинина», 1958, № 194.

4.Гуткин Л. С., Лебедев В. Л., Сифоров В. И. Радиоприемные устройст­ ва. М., «Сов. радио», 1961.

5.Чистяков Н. И., Сидоров В. М., Мельников В. С. Радиоприемные уст­

ройства. М., Связьиздат, 1958.

6. Калихмаи С. Г., Левин Я. М. Основы теории и расчета радиовеща­ тельных приемников на полупроводниковых приборах. М., «Связь», 1969.

7. Лукошкин А. П. Усилители на транзисторах со стабильными фазовы­ ми характеристиками. М., «Энергия», 1973.

393

10

АВТОМАТИЧЕСКАЯ РЕГУЛИРОВКА

УСИЛЕНИЯ В РАДИОПРИЕМНИКЕ

10.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АРУ В РАДИОПРИЕМНИКАХ

Распространенным способом регулировки усиления в радиопри­ емных устройствах является ручная регулировка усиления (РРУ), основанная на использовании переменных резисторов для изменения режимов работы транзисторов в каскадах приемника или затухания в управляемых аттенюаторах. Вручную можно изменять или, нао­ борот, компенсировать возникшие по разным причинам колебания

Для того чтобы освободить оператора от операций регулировки усиления, применяют автоматические регулировки усиления (АРУ). С помощью АРУ обеспечивается необходимое для нормальной ра­ боты оконечных устройств систем постоянство выходных сигналов при значительных изменениях интенсивности принимаемых сигна­ лов. АРУ предотвращает перегрузки приемного устройства сильны­ ми сигналами и тем самым устраняет нелинейные искажения в при­ емном канале, которые могут возникнуть при приеме амплитудномодулированных сигналов [11.

По принципу построения АРУ делятся на разомкнутые, или без обратной связи (рис. 10.1, 10.2), и замкнутые, или с обратной связью (рис. 10.3, 10.4). АРУ без обратной связи обеспечивает высокое по­ стоянство амплитуды выходного сигнала при изменении входного сигнала в широких пределах. Однако величина стабилизируемого выходного сигнала в значительной степени зависит от стабильности параметров цепи АРУ (например коэффициента усиления), а время переходного процесса в разомкнутой системе больше, чем в замкну­ той системе.

391

Наибольшее распространение получили инерционные системы АРУ с обратной связью. Они подразделяются на системы непрерыв­ ного и импульсного действия. Все перечисленные системы АРУ могут быть задержанными или незадержанными. При использо­ вании задержанных АРУ регулировка усиления начинается лишь после превышения сигналом некоторого минимального значения,

Рис. 10.3. Структурные схемы систем АРУ непрерывного действия с обратной связью:

а — неусиленная с совмещенным детектированием; б — неусиленная с раздельным детек­ тированием; в —с усилением по переменному току; г — е усилением по постоянному току.

соответствующего выбранному порогу срабатывания, называемому напряжением задержки АРУ U3. В незадержанной АРУ порог сра­ батывания не вводится и регулирование осуществляется при нали­ чии сигнала любой величины.

Системы АРУ могут быть усиленные и неусиленные в зависимо­ сти от наличия или отсутствия в цепи АРУ усиления. Усиление

промежуточной частот, причем чтобы уменьшить нелинейные иска­ жения, регулировке подвергаются каскады, на входе которых уров­ ни сигналов малы.

Для всех рассмотренных видов систем АРУ с обратной связью как непрерывного действия, так и импульсных можно составить обоб­ щенную структурную схему (рис. 10.5). К такому виду можно при­ вести большинство систем АРУ, содержащих регулируемые каскады и цепь обратной связи (цепь АРУ). Регулировкой усиления мож­ но охватить отдельно УВЧ, УПЧ или УНЧ (ВУ при импульсной ра­ боте), а также сразу несколько усилителей. Основными элементами цепи АРУ являются усилители по переменному (У) и постоянному (УПТ) току, детектор (Д) и фильтр нижних частот (ФНЧ). В один из

393

элементов вводится цепь, определяющая порог срабатывания (на­ пряжение задержки АРУ Ua). В детекторе АРУ (ДАРУ) при непре­ рывной работе выделяется напряжение регулирования путем детек­ тирования высокочастотных колебаний сигнала, при импульсной ра­ боте с помощью пикового детектора (ПД) производится детектиро­ вание видеоимпульсов. Если исключить усилители, то получится неусиленная АРУ, при Ua — 0 — незадержанная.

Свойства системы АРУ и качество ее работы определяются основ­ ными ее характеристиками и параметрами. Амплитудной характе­ ристикой приемника (регулируемого усилителя) (рис. 10.6) назы-

определенного значения, близкого к t/ELIX — t/orp. При больших -1

ную характеристику приемника при отсутствии АРУ можно приб- . лиженно определить при,расчете УВЧ, УПЧ и детектора, зная коэф­ фициент усиления приемника (/(ор) и выходные характеристики транзисторов последних каскадов приемника и учитывая, что огра-

396

ничение обычно имеет место в одном из них. По выходной характе­ ристике транзистора /г-го каскада приемника оценим амплитуду тока ограничения /Огр&^0,5 /нас (/нас—ток насыщения), а следова­ тельно, и напряжение ограничения этого каскада

Это напряжение ограничения можно пересчитать на выход приемни­ ка (усилителя), умножая полученную величину на коэффициент усиления последующих каскадов. При этом напряжение ограниче­ ния приемника будет определяться меньшим из полученных напря­ жений

и в случае равных коэффициентов усиления каскадов

где Кп — коэффициент усиления последнего каскада.

Обычно ограничение имеет место в последнем или предпоследнем каскадах усиления, так что k = п — 1 или k — п. В транзисторных усилителях //огр составляет величину порядка нескольких вольт. Чтобы обеспечить неискаженную передачу сигналов с амплитудной модуляцией, а также малое время установления при быстрых из­ менениях интенсивности входного сигнала, необходимо рабочий уровень сигнала на выходе 7/вых0, определяемый напряжением за­ держки АРУ (U3 = U3iAx о)> выбрать меньше //вгр‘.

Если в выходном каскаде видеоусилителя это условие не выполняет­ ся, то замыкать петлю АРУ следует не с выхода, а с одного из пред­ шествующих каскадов видеоусилителя. По параметрам Кп р и //огр, полученным при расчете основного канала приемника, можно по­ строить приближенную (кусочно-линейную аппроксимацию) ампли­ тудную характеристику приемника (/ на рис. 10.6).

Амплитудной характеристикой цепи АРУ (рис. 10.7) называется зависимость стационарного значения напряжения регулирования от стационарной амплитуды выходного напряжения регулируемого приемника

введении задержки напряжение регулирования появляется только при превышении выходным напряжением уровня //Вых = //в, т. е. характеристика смещается вправо вдоль оси абсцисс и проходит через точку //ВЫх = U3, Up — 0. Характеристику можно аппрок­ симировать прямыми (/, 2 рис. 10.7). Пересечение аппроксимирую­ щей наклонной прямой с осью абсцисс определяет напряжение

397

задержки [73. Тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс ( н) равен коэффициенту усиления цепи обратной связи АРУ:

Ордината горизонтальной прямой, аппроксимирующей область ограничения, равна уровню ограничения [7р0Гр в цепи АРУ, Чтобы можно было регулировать усиление во всем заданном диапазоне, необходимо выполнение следующего условия:

где Д£/Вых max — максимальное изменение амплитуды сигнала на выходе. Ограничение может происходить не только в последних кас­

должна быть непрерывной и монотонно убывающей в рабочем диа- I пазоне изменения (7р, ибо только в этом случае росту напряжения i регулирования будет соответствовать уменьшение усиления. Часто 1 при расчетах применяют кусочно-линейную аппроксимацию регули­ ровочной характеристики 13]. При этом регулировочную характе­ ристику (рис. 10.8) разбивают на п участков так, чтобы на каждом из них она достаточно точно совпадала с прямой. Нумерацию этих Л участков производят последовательно вдоль оси абсцисс от начала

■398

Основными параметрами регулировочной характеристики для участка с номером k являются коэффициент усиления (Kpft), равный ординате при заданном (7Р, и начальный коэффициент усиления Кора — ордината точки, в которой С/р = 0; крутизна регулировоч­ ной характеристики (5руй), определяемая наклоном аппроксими­ рующих прямых.

Исходными данными для расчета систем АРУ радиоприемных устройств различного назначения являются:

— динамический диапазон изменения амплитуд входного сиг­ нала, равный отношению максимальной амплитуды сигнала (f/BX тах) к минимальной (Uвх т1п)

(10.13)

соответствующее этому диапазону максимально допустимое изменение амплитуды на выходе приемника ДС/ВЫХ тах;

— номинальное стабилизируемое выходное напряжение

ВЫХ о ---

—требование по обеспечению запаса устойчивости работы системы АРУ (коэффицент запаса устойчивости %);

—минимальная частота Fmin или минимальная круговая час­

тота Qmin модуляции (£2тщ = 2 лЕт1п);

—допустимый фазовый сдвиг на минимальной частоте моду­ ляции <рг;

—допустимое изменение глубины модуляции выходного сигна­

ла по отношению к глубине модуляции входного (тВых/и1вх);

—допустимый коэффициент нелинейных искажений (/(у);

—допустимое значение длительности переходного процесса (tyy) при изменении сигнала на входе скачком на Dn=UBX п/ивых. mSn (чаще всего Dn — 6 дБ), где t/EX п — амплитуда входного сигнала, соответствующего заданному скачку (перепаду) Du;

—длительность т и частота следования Fn, или период повторе­ ния Тп импульсов для импульсной системы АРУ.

Входные сигналы радиоприемного устройства могут меняться в весьма широких пределах. Например, в некоторых радиолока­ ционных станциях [4, 51 диапазон сигналов D, принимаемых от раз­ личных целей, превышает 100 дБ. Еще более значительно могут из­ меняться сигналы в космических системах связи.

Во многих случаях принимаемая полезная информация содер­ жится в амплитудной модуляции сигналов. В приемных устройствах с АРУ медленные изменения сигналов, обусловленные изменением расстояния между радиокорреспондентами, изменением условий про­ хождения электромагнитных колебаний и т. п., должны компенси­ роваться, в то время как модулирующий сигнал должен быть передан с малыми искажениями. На практике при инженерных

399

расчетах задают требования к искажениям не всего сложного моду­ лирующего сигнала, а только составляющих нижних частот оги­ бающей (в случае периодической огибающей — это 1-я гармоника).

- На этих частотах происходят наибольшие искажения.

Таким образом, при проектировании приемника сигналов с ам­ плитудной модуляцией задают следующие параметры: фазовый сдвиг изменение глубины модуляции твых/твх и коэффициент нелинейных искажений Kf на заданной частоте Qrnin-

В приемных устройствах, в которых возможны быстрые измене­ ния сигналов (быстрая перестройка приемника с одной станции на . другую, быстрое перемещение приемника относительно передатчика и т. д.), задают требования к параметрам переходных процессов

Часто задают требования к форме переходной характеристики АРУ, ограничивая максимальный выброс б единицами процентов от стационарного значения. В отдельных случаях выбросы вообще не­ допустимы. Требования обеспечения малых искажений модулирую­ щего сигнала и малой длительности переходного процесса противо­ речивы. Поэтому при проектировании систем, к которым одновре­ менно предъявляются те и другие требования, необходимо найти разумный компромисс между ними.

В расчет системы АРУ по заданным требованиям входит расчет стационарного и динамического режимов. В первом случае опре­ деляют необходимое число регулируемых каскадов пр, напряжение задержки АРУ U3 и коэффициент усиления цепи обратной связи Аару. Во втором случае помимо этих параметров оценивают еще и постоянные времени фильтров цепи АРУ. Параметры, опре­ деленные в результате расчета стационарного режима, уточняются исходя из условий устойчивости и переходного процесса.

10.2. РАСЧЕТ СТАЦИОНАРНОГО РЕЖИМА

При расчете исходными данными являются:

400

— максимально допустимое изменение выходного напряжения

А^вых maxi

—номинальное выходное напряжение приемника ивых 0.

Вкачестве примера рассмотрим порядок расчета задержанной, усиленней системы АРУ с раздельным детектированием, так как этот наиболее общий случай охватывает системы как непрерывного действия, так и импульсные. Общее число пр и параметры каскадов приемника, на которые можно подавать регулирующее напряжение, определяются выбранной схемой построения приемника. В радио­ приемных устройствах регулировка усиления может производиться

вУВЧ, УПЧ и УНЧ (ВУ), поэтому полное число каскадов, в кото­ рых можно регулировать усиление, оценивается полным числом каскадов перечисленных устройств.

При расчете следует выбрать каскады приемника, на которые целесообразно и допустимо вводить регулировку усиления, и опре­ делить необходимый коэффициент усиления цепи обратной связи Дару, при котором обеспечивается требуемое напряжение регу­ лирования для этих каскадов. При этом необходимо помнить, что не во всех каскадах перечисленных устройств можно регулировать усиление. Чтобы избежать нелинейных искажений, регулировку усиления часто не вводят на смеситель, на выходные каскады УПЧ

иУНЧ (ВУ). Кроме того, максимальное число регулируемых кас­ кадов (пр тах) ограничено условиями эффективности регулировки и отсутствия больших нелинейных искажений модулирующего сиг­ нала. Для уменьшения нелинейных искажений регулировкой уси­ ления охватываются только те транзисторные каскады, амплитуды и^э сигналов на базе которых значительно меньше уровня ограни­

чения Uorpk, определенного по формуле (10.3) и пересчитанного к базе этих каскадов.

Указанный пересчет для каскада с номером k можно осуществить, зная его коэффициент усиления Kh-

t/orpft/(5...10)(10.14)

Поделив заданную амплитуду напряжения на выходе приемника (усилителя) t/вых о на найденную величину Uвэ, находим коэф­ фициент усиления выходных каскадов, которые не должны подвер­ гаться регулированию

Зная схему построения и параметры выходных каскадов приемника, по полученному коэффициенту ДВых легко определить число нере­ гулируемых выходных каскадов пвых и максимальное число регу­ лируемых каскадов np тах = п — пвых. Если все выходные каскады приемника одинаковы, то максимальное число регулируемых кас­ кадов равно

ftp шах — п Двых/lg ^1 вых, (10.16)

401