обеспечивается двумя выходными каскадами УПЧ, детектором и
|
|
|
|
двумя |
каскадами видеоусилителя (нвых — 5): ^выx<4,22x |
х 0,3 • |
4 • 2 = 42. Отсюда можно найти максимальное число регу |
лируемых каскадов /гр шах = 11—5 = 6. |
|
цепи АРУ. |
5. Проверим, можно ли обойтись без |
усилителя в |
Положим Кару = Кая — 0,25. При этом |
необходимо |
определить |
максимальное значение напряжения |
регулирования (10.23): |
Др max = 0,25 • 0,5 = 0,125 В.
Минимальный коэффициент усиления и изменение усиления соот ветственно равны (10.26) и (10.27)
КР mm = (1 + 0,5)/5 • 10-’ = 3 • 10’ Оу = 2 • 106/3 • 102 = 666.
Для того чтобы обеспечить такое изменение усиления в шести каскадных УПЧ, в которых используется регулировка по схеме рис. 10.10, а, по формуле (10.32) требуется регулирующее напряже ние (Uo = 0,3 В, KmaJKn = 1,98, /1Р = 6)
t/pmaxT = 0,311 -(1,98-1) (1,98 Z2W73-!)-!] —
—0,025 In [(1,98— 1)(1,98 У2-103/3— I)-1] = 0,29 В.
Отсюда следует, что Кр max< t/p maxT> и поэтому в цепь АРУ необходимо ввести усилитель так, чтобы обеспечить требуемый коэффициент передачи (10.34) цепи АРУ Кьру = 0,29/0,5 = 0,58. При коэффициенте передачи пикового детектора Кпд = 0,25 необхо дим усилитель с коэффициентом усиления (10.35) К„ = 0,58/0,25 — = 2,32.
6, Коэффициент JVmax по формуле (10.41) равен
1, Постоянную времени фильтра цепи АРУ выбираем из условия (10,45). Для этого рассчитаем значения параметра рп (10.46): pj =
= V1 — (0,95)2 = 0,36, |
р2 |
= tg 10° = 0,176, |
р3 = 0,15, |
отсюда |
рп = 0,15 и из условия (10.45) тф |
32,7/314 • 0,15 = 0,72 с. |
Находим Уп, соответствующий |
заданному |
перепаду |
амплитуд |
на входе (10.39), где |
3 |
± = |
' дп = 2 (6 дБ), |
|
Аортах |
|
* |
|
|
- 7,06.
Для того чтобы длительность переходного процесса не превышала заданной величины, постоянная времени тф должна удовлетворять
условию (10,47): тф |
0,3 |
(1 + 7,06)/2,2 |
1,1 с. |
Условие устойчивости |
определяется |
неравенством (10.49) |
<гф > 4 • 32,7 • 10-3/2 = 0,0654 с.
Сучетом выполнения всех условий выбираем тф = 1 с.
10.4.РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА СИСТЕМЫ АРУ ВТОРОГО ПОРЯДКА
Вцепи обратной связи системы АРУ второго порядка в отличие от системы АРУ первого порядка содержатся два инерционных зве на. Это может быть фильтр, состоящий из двух звеньев РФСФ (рис. 10.12, а), или инерционный детектор (рис. 10.12, б) и фильтр /?ФСФ (рис. 10.12, а). Параметры стационарного режима в этом слу чае определяются так же, как и для системы АРУ первого порядка.
Врезультате расчета необходимо определить постоянные времени
инерционных звеньев цепи |
АРУ тф и т2. При этом т2 = Р2С2, |
а тф = ЯфСф либо тф = та. |
Эти постоянные времени выбираются |
так, чтобы длительность переходного процесса и искажения модули рующего сигнала не превышали допустимых величин, а система АРУ работала устойчиво:
«min |
*2 = 4^4, . |
<10-52) |
о |
|
где рп представляет собой наибольшее из чисел рх, р2 и р3, опреде ляемых допустимыми значениями фазового сдвига (срх), от которого
зависят (йт1птф)1, изменения коэффициента модуляции |
и |
коэффициента нелинейных искажений Kf: |
|
Pi = (Цщп тФ)1; |
р2 = {20[(твых/твх)2 — 1]}_1/2; . |
|
|
Ps = ]/0,5{[1 + (4<W-21^-1), |
(10.53) |
|
|
|
|
О = Na/Nmax |
(10.54) |
— относительная интенсивность обратной связи. |
|
Величина (йщщТф)! определяется из уравнения |
|
. |
=__________________ 1__________________ |
(10.55) |
|
|
|
^mln Тф {4$ [1-{-(Йт1п Тф)г] — 1}
которое можно решить графически. Для этого строится график за
|
|
|
|
висимости tg <р |
/(йщ1пТф) (рис, 10.16) |
и по заданному допустимому |
значению tg <р± находится |
соответствующее значение (Qrain Тф^. |
Условие устойчивости импульсной |
инерцинной системы АРУ |
второго порядка при Тп |
тф, Тп<^-с2 имеет вид |
Следует заметить, что непрерывные системы АРУ второго поряд
ка всегда устойчивы.
Рис. 10.16. Графики зависимостей tg<p=f(йшшТф).
Пример 10.2. Требуется рассчитать систему АРУ второго порядка. Исходные данные: те же, что и в примере 10.1, за исключением того, что длительность переходного процесса должна быть меньше
tyy = 0,1 с. Расчет
1. Все данные, полученные при расчете стационарного режима, такие же, как и в примере 10.1, яр = 6, Кару — 0,58, Утах =
=32,7, Na = 7,06.
2.В системе АРУ первого порядка заданную длительность пе реходного процесса обеспечить невозможно, так как условие выбора максимально допустимого значения постоянной времени тф (10,47)
|
|
|
|
Тф |
0,1 (1 + 7,06)/2,2 = 0,367 с несовместимо с условием |
(10.45) |
выбора минимального значения (см. пример 10.1) тф |
0,72 |
с. |
3. Для системы АРУ второго порядка максимально допусти
мое |
значение |
(10.52) меньшей постоянной времени тф |
равно |
тф |
0,1/6 = 0,167 с. |
|
|
Параметр |
0, необходимый для дальнейших расчетов, |
равен |
(10.54) ft = 7,06/32,7 = 0,216.
Минимальное значение тф определяем из условия (10,52)
У2-0,216 [(1,05)2-1]
pg== J^O,5 ]/1 ■+(4-0,216-0,l)2 |
— 1 =2,3. |
|
|
Уравнение |
(10.55) |
решим |
графически, |
построив функцию |
tg<Pi = f (йт1ПТф) (рис, |
10.16, б) и проведя горизонтальную прямую |
с ординатой |
tgcpx = tglOQ = 0,176. |
В |
результате |
получим |
(Пт]ПТф)1 = 1,9- Из трех чисел наибольшее определяет рп |
— 4,81. |
Минимальное значение тф (10.52) равно тф |
4,81/314 = 0,0153 с. |
Следовательно, |
15,3 мс |
тф |
16,7 мс. |
Выбираем |
тф = 16 мс. |
При этом из (10.52) находим |
постоянную времени т2 |
= 4 |
• 7,06Х |
X 0,016 = 0,452 с. |
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
10.5. ВЫБОР И РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПИ АРУ
Проектирование системы АРУ заканчивается выбором и расче том принципиальных схем элементов цепи АРУ на основе рассчитан ных параметров цепи АРУ. Чтобы реализовать расчетное значение коэффициента усиления цепи обратной связи, в состав АРУ вводит ся усилитель. Целесообразнее всего осугцествлять усиление по пере менному току, т. е. усиление сигнала до детектора АРУ, так как в этом случае проще реализовать большую стабильность параметров цепи АРУ. Усилители переменного тока в цепи АРУ строятся по той же схеме, что и выходные каскады приемника (УПЧ, УНЧ, ВУ).
В качестве детектора АРУ иногда используется основной детектор приемника, в этом случае сигнал регулирования снимается с на грузки этого детектора и через разделительный фильтр подается в цепь АРУ. Детектор АРУ можно рассчитать по общей методике, изложенной в гл. 9. Но, учитывая, что к детектору АРУ предъяв ляются менее жесткие требования, чем к детектору приемника, эту методику можно упростить. Чтобы обеспечить коэффициент передачи диодного детектора близким к единице (7<д да 1) и большое входное сопротивление, сопротивление нагрузки детектора /?Нд выбирают в пределах 100—500 кОм. При этом емкость детектора Ся должна быть значительно больше межэлектродной емкости диода и удовле творять условию
Сд>(10...20) /?нд Amin- |
(10.57) |
Часто детектор используется и как инерционное звено, обеспе чивающее рассчитанную постоянную времени тэ = тф. В системах второго порядка большую расчетную постоянную времени т2 > Тф реализуют с помощью дополнительного фильтра
В импульсной системе АРУ эквивалентная постоянная времени пи
кового детектора (рис. 10.12) должна быть равна расчетному значе
нию постоянной времени тв цепи АРУ.
Тв+ тР/<?
где q = Тп/т — скважность импульсного сигнала; т3 = (7?0 + ‘ + £д) Сд — постоянная времени заряда конденсатора (Сд) детек
тора; 7?0 — сопротивление источника импульсного тока (например, выходное сопротивление видеоусилителя); 7?д — сопротивление дио да детектора; тр = /?ндСд— постоянная времени разряда конден сатора Сд; 7?.нд — сопротивление нагрузки с учетом входного со противления следующего каскада и обратного сопротивления диода,
Коэффициент передачи пикового детектора равен
Если считать, что Кпд и тф заданы, то, решая совместно уравнения (10.59) и (10.60), можно определить постоянные т3 и тр;
т3 Тф/Кпд7> тф/ 0 ^пД)" (10.62)
Определив из расчета видеоусилителя Ro, а по справочнику пря мое сопротивление диода 7?д, можно найти емкость детектора
|
Сд = т3/ (Яо + Яд) |
(10.63) |
и сопротивление нагрузки |
|
|
|
(10.64) |
Усилитель |
постоянного Тока (УПТ) необходимо |
использовать |
в том случае |
когда нельзя обеспечить требуемое линейное усиле |
ние до детектора АРУ. Функции УПТ в этом случае иногда выпол няет один из регулируемых каскадов приемника.
Задержка в цепи АРУ осуществляется подачей запирающего напряжения на один из усилительных каскадов или на детектор цепи АРУ. В приемных устройствах, в которых необходимо сохра нить амплитудную модуляцию с высокой степенью точности и обес печить независимость средней амплитуды на выходе от глубины модуляции, задержку надо вводить после фильтра АРУ. В этих цепях переменная составляющая значительно ослаблена, и поэтому не возникает дополнительных нелинейных искажений за счет от сечки ее.
При проектировании приемного устройства на ИС для цепи АРУ также подбираются соответствующие' ИС. В настоящее время раз работаны и выпускаются промышленностью отдельные универсаль ные ИС, в которых в одном корпусе собраны практически все эле менты системы (УПЧ, детектор и цепь АРУ). Примером могут слу жить универсальные ИС типа К2ЖА372 и К2ЖА421, К2ЖА243 [8].
Пример 10.3. Требуется выбрать и рассчитать элементы цепей АРУ, параметры которых рассчитаны в примерах 10.1 и 10.2.
Исходные данные-, исходными данными служат параметры цепей АРУ первого и второго порядка, рассчитанные в примерах 10.1
и10.2.
Расчет
Чтобы реализовать рассчитанные параметры системы АРУ
первого |
порядка: Лу = 2,32, Кпд = 0,25, U3 = 1 |
В, тф = 1 с, |
Пр шах |
= 0,29 В (при &UBMX тах — 0,5 В), — производим выбор |
и расчет элементов цепи АРУ. |
|
1 В |
качестве усилителя цепи АРУ используем |
интегральную |
схему К2УИ181, обладающую параметрами, приемлемыми для данной цепи АРУ: Ку > 3, т = 1 мс, Ро = 400 Ом.
Рис. 10.17. Принципиальная схема импульсной системы АРУ.
2. Если рассчитанная постоянная времени цепи АРУ опреде ляется фильтром, то можно выбрать следующие параметры этого
фильтра: ф = 100 кОм, Сф = 10 мФ. |
на диоде |
КД503А |
3. |
Если пиковый |
детектор проектировать |
с |
= 200 Ом так, |
чтобы его эквивалентная |
постоянная |
времени |
равнялась тэ = тф, то постоянные заряда и разряда (10.62) Должны быть равны т3 = 1/0,25 • 103 = 4 • 10_3 с, тр = 1/(1 — 0,25) = -
=1,33 с.
4. Если сопротивление заряда Ra = (Ro + /?д) = 600 Ом, то
емкость детектора (10.63) равна Ся = 4 • |
10_3/600 = 6,66 |
мкФ. |
5. Сопротивление нагрузки детектора |
(10.64) равно |
/?ид — |
—1,33/6,66 • 10~6 = 200 кОм.
6. Для того чтобы исключить шунтирование нагрузки детек
тора сравнительно низким входным сопротивлением цепи регулиров ки, на выходе АРУ используем стоковый повторитель на полевом транзисторе КП102Л. Запас усиления в видеоусилителе компенси рует потери усиления в стоковом повторителе.
Параметры системы АРУ второго порядка отличаются от пара метров системы АРУ первого порядка только постоянными времени
'Тф |
т<>. |
определяется пиковым детектором, |
7. |
Постоянная времени |
поэтому из (10.62) т3 = 0,016/0,25 • 103 = 0,064 • 10~3 с, тр = « 0,016/(1 —0,25) = 22,3 • 10-3 с.
8. Емкость детектора (10.63) Сд = 0,064 • 10"3/600 = 0,107 мкФ.
9. Сопротивление нагрузки детектора (10.64) |
/?яд = 22,3 х |
X ;0"3/0,107 • 10~6 |
= 208 кОм. |
|
10. Сопротивление фильтра выбираем равным /?ф = 510 кОм,, |
при этом |
емкость |
фильтра |
Сф = 0,452/510 • 103 |
= 0,888 мкФ. |
Принципиальная схема рассчитанных импульсных систем АРУ |
приведена |
на рис. |
10.17. |
|
|
10.6. ОСОБЕННОСТИ |
ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ |
|
РАЗНОВИДНОСТЕЙ СИСТЕМ АРУ |
|
При проектировании радиоприемного устройства РЛС необ |
ходимо учитывать, что на его |
вход поступают не только полезные |
сигналы (сигналы от целей), но и помехи, в частности отражения от местных предметов (зданий, возвышенностей, облаков, дождя и т. д.), которые могут создавать перегрузку каскадов приемника. Для уменьшения влияния такого рода помех [4] в приемных уст ройствах применяют быстродействующие автоматические регули ровки усиления (БАРУ).
Особенности проектирования БАРУ заключаются в том, чтопостоянную времени ФНЧ необходимо выбирать равной или не сколько большей длительности полезного сигнала так, чтобы БАРУ не успевало уменьшить усиление приемника во время дей ствия этого сигнала. БАРУ не может охватывать сразу несколько каскадов приемника, так как в этом случае создается опасность самовозбуждения регулируемого усилителя из-за слабой развязки в цепи обратной связи по высокой частоте при малой постоянной времени ФНЧ.
Для обеспечения быстрой регулировки усиления при изменении помех в большом динамическом диапазоне самостоятельные цепи БАРУ вводят в нескольких каскадах приемника. Каждая цепь БАРУ содержит детектор и фильтр, кроме того, в ее состав могут входить усилители переменного и постоянного тока. Выбор параме тров БАРУ, кроме указанных выше, и расчет ее элементов произ водятся так же, как и для инерционных АРУ.
На входе приемного устройства обзорной РЛС уровни сигна-й лов, отраженных от различных целей, в значительной степени за-’q
висят от дальности до этих целей. Для выравнивания амплитуд выходных сигналов в таких приемных устройствах [4] применяют временные (программные) автоматические регулировки усиления- (ВАРУ), формирующие регулирующее напряжение специальной (обычно экспоненциальной) формы (рис. 10.1). Исходные данные, необходимые для проектирования ВАРУ: динамический диапазон изменения амплитуд входного сигнала D, т. е. диапазон изменения усиления приемника; период повторения импульсных сигналов Тп, длительность импульсов г, время действия ВАРУ Твару- По за данному диапазону изменения усиления D определяют число qje-j
гулируемых каскадов и необходимое максимальное регулирующее напряжение Up max так же, как и для замкнутых систем АРУ.
Параметры Тп, т, Твару, Up max служат исходными данными для расчета импульсного формирующего (программного) устройст ва, в качестве которого можно использовать ждущий генератор пилообразного напряжения [9]. В состав ВАРУ (рис. 10.18) входит источник питания Е„, зарядное устройство ЗУ, обеспечивающее заряд конденсатора С и управляемое синхронизатором РЛС, разряд ное устройство (РУ) и эмиттерный повторитель (ЭП), обеспечиваю щий необходимую развязку с цепями регулировок усилителя.
В настоящее время автома тические регулировки усиле ния широко используются при проектировании приемных уст ройств со специальными вида ми амплитудных характери стик, в том числе логарифми
ческих, дискретных и |
др. Наи |
Рис. 10.18. Схема системы ВАРУ. |
более полно вопросы |
проекти |
|
рования таких устройств изложены в работах [4, 10, 111.
При проектировании приемных устройств с АРУ часто прихо дится учитывать, что на его входе действуют не только сигналы, но и помехи (белый шум). Если на выходе приемника используется только часть составляющих спектра сигнала, расположенных вбли зи несущей частоты (например, в приемных устройствах РЛС со провождения по угловым координатам), то под действием АРУ, имеющей сравнительно малую постоянную времени фильтра ниж них частот (ФНЧ), энергия помех вблизи несущей частоты может возрасти 112]. В этом случае для уменьшения этих помех прихо дится увеличивать постоянную времени ФНЧ тф. Время переход ного процесса (10.47) при этом соответственно возрастает. .Иногда применяют переключение постоянных времени ФНЧ в цепи АРУ. При появлении помех в цепи АРУ включается фильтр с большой постоянной времени. Максимальное значение постоянной времени выбирают исходя из допустимого увеличения инерционности всей системы, в которую входит приемное устройство с АРУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Тартаковский Г. П. Динамика систем автоматической регулировки усиления. М.. Гос.энергоиздат, 1957.
2.Крылов Г. М., Смирнов Г. А Транзисторные усилители с автомати
ческой регулировкой усиления. М., «Энергия», 1967.
3.Крисилов Ю Д. Автоматическая регулировка и стабилизация усиле ния транзисторных схем. М., «Сов. радио», 1972.
4.Лукошкин А. П. Радиолокационные усилители с большим диапазо
ном входных сигналов. М., «Сов. радио», 1964. |
Киев, |
5. Волков В. М. Логарифмические усилители на транзисторах. |
«Техника», 1965. |
419 |
14* |
6 Быстрин В. Ф. Стационарный режим транзисторного усилителя. — «Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника», 1968, т. XI, № 4.
7. Быстрик В. Ф. Аналитические выражения амплитудных характе ристик транзисторного усилителя с АРУ. — «Изв. вузов СССР. Радиоэлект
роника», 1968, |
т. XIII, N° 12. |
] |
8. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интег-, |
ральным схемам. Под ред. Горюнова Н. Н. Изд. 3-е, М., «Энергия», |
1972. |
Авт.: Н. Н. Горюнов, А. Ю. Клейман, Н Н. Комков и др. |
схем. • |
9. Степаненко И П. Основы теории транзисторов и транзисторных |
М., «Энергия», |
1973. |
4 |
10. Волков |
В. М. Функциональные электронные усилители с широким; |
динамическим диапазоном. Киев, «Техника», 1967. |
4 |
' 11. Крылов Г. М., Вишневская А. В. Проектирование логарифмических усилителей с непрерывным детектированием сигналов. М., «Энергия», 1970.
12. Широков В. В.. Репин В. Г. Воздействие помех на систему автомати ческой регулировки усиления. — «Радиотехника», 1959, Ns 4.
11
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ПОДСТРОЙКА ЧАСТОТЫ В РАДИОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВАХ
11.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ
При проектировании супергетеродинных радиоприемных уст-
,ройств различного назначения предусматривают ручные и автома тические регулировки частот гетеродинов. Указанные регулировки необходимы для обеспечения настройки приемника на частоты раз
ных источников сигналов и подстройки его, чтобы создать наилуч шие условия приема сигналов при всех возможных изменениях как частот сигналов, так и частот настроек приемника [1]. Изменениячастот могут быть вызваны колебаниями температуры, влажности и давления окружающей среды, изменениями условий распростра нения радиоволн, напряжений источников питания, эффектом Доп плера и рядом других факторов. Несущая частота сигнала может также изменяться в соответствии с заданной программой (напри мер, при быстрой перестройке от импульса к импульсу частоты пе редатчика импульсной РЛС). Если в приемном устройстве не при менять регулировок частот, то необходимо расширять его полосу пропускания так, чтобы принимаемые сигналы не выходили из по лосы приема при всех условиях эксплуатации. Это приво дит к ухудшению чувствительности и избирательности приемника.
Ручные регулировки частоты (РРЧ) сравнительно просты, и их часто применяют в радиоприемных устройствах. Однако, так как изменения частот нерегулярны, то наибольшую эффективность при-
• ема можно обеспечить, применяя автоматическую подстройку ча
\стоты (АПЧ) гетеродина.
По характеру изменения частоты подстраиваемого гетеродина системы АПЧ делятся на две группы [2].
1. Системы АПЧ, стабилизирующие частоту гетеродина. В этом случае АПЧ осуществляет подстройку частоты гетеродина (Г) под
|
|
|
|
|
|
|
эталонную |
частоту (рис. |
11.1). |
|
В качестве источника колеба-- |
Ксмесителю |
ний |
эталонной |
частоты |
могут |
1 |
использоваться |
высокочастот |
|
ные |
контуры, |
которые |
опреде |
|
ляют стабилизируемую |
частоту. |
|
■Измерительный |
элемент |
(ИЭ) |
|
при |
этом |
представляет |
собой |
|
'частотный детектор (ЧД), |
на |
|
строенный на эталонную часто |
Рис. 11.1. Структурная схема системы |
ту. Эталоном могут также быть |
АПЧ, стабилизирующей |
частоту ге |
колебания генератора эталонной |
теродина. |
|
частоты (ГЭЧ). Колебания гете |
|
в качестве |
родина и эталонного генератора сравниваются в ИЭ, |
которого может использоваться фазовый детектор (ФД). Напряже ние, пропорциональное отклонению частоты гетеродина от эталон-
а. |
|
|
Рис. 11.2. Структурная схема системы АПЧ, |
Рис. 11.3. |
Структурная схема |
стабилизирующей промежуточную частоту |
системы |
АПЧ с поисковым |
сигнала. |
устройством. |
ной, используется в качестве сигнала ошибки в |
цепи управления |
гетеродина, состоящей из фильтра нижних частот (ФНЧ), усили теля постоянного тока (УПТ) и регулятора частоты (РЧ).
2. Системы АПЧ, стабилизирующие промежуточную частоту сигнала /п, т. е. разность (или сумму) частот сигнала (передатчик!) /с и гетеродина /г, которые могут независимо меняться под дейст- 'вием различных причин (рис. 11.2). В таких системах АПЧ, в от личие от систем первой группы, содержится еще смеситель (С) и ■усилитель промежуточной частоты (УПЧ). Как и в системах пер вой группы, промежуточная частота здесь сравнивается с эталонной,
