22.3. Управление и регулировки

Требования, предъявляемые к современным радиоприемникам, очень высокие. Они должны принимать мощные сигналы местных радиостанций и слабые сигналы отдаленных станций, обеспечить перекрытие широкого частотного диапазона и высокую точность настройки на заданную частоту. Некоторые радиоприемники должны допускать дистанционное управление, беспоисковую на­стройку. Выполнение таких требований достигается с помощью специально вводимых элементов и систем, позволяющих вручную и автоматически изменять и регулировать коэффициент усиления, частоту настройки, полосу пропускания, режим работы.

Регулирование усиления в радиоприемниках выполняется вручную и автоматически. Цель ручного регулирования — подо­брать оптимальный уровень выходного сигнала с помощью управ­ляемых делителей напряжения, включаемых в усилитель звуко­вой частоты.

Автоматическое регулирование усиления (АРУ). Для обеспе­чения незначительных (3—8дБ) изменений уровня сигнала на выходе приемника при больших (60—100 дБ) изменениях уровня входного сигнала применяют АРУ. Действие системы АРУ осно­вано на управлении коэффициентом усиления приемника напря­жением u_у, получаемым с детектора АРУ (рис. 22.2).

Управляющее напряжение и_у должно быть пропорционально среднему уровню сигнала и не должно изменяться по закону изменения огибающей сигнала, поэтому детектор АРУ обязатель­но нагружается фильтром нижних частот.

В простейшем случае применения фильтра в виде интегрирующей RC-цепи управляющее напряжение u_у и амплитуда напряжения на выходе УПЧ U_п связаны дифференциальным уравнением первого порядка

, (22.9)

где τ — постоянная времени фильтра; K_д — коэффициент передачи детектора.

Зависимость коэффициента усиления радиоприемника от управляющего напряжения u_у в общем случае нелинейная. В первом приближении эту зави­симость можно аппроксимировать уравнением прямой

K(u_y) = K₀(1 — au_у). (22.10)

При увеличении сигнала на входе приемника и_вх напряжение на выходе детектора АРУ также увеличивается и уменьшает коэффициент усиления. Вследствие этого выходной сигнал приемника увеличивается значительно мень­ше, чем входной.

Уравнение, устанавливающее связь между сигналом на входе приемника и управляющим напряжением u_у, записывается на основе (22.9) и (22.10):

.

Для дальнейшего рассмотрения полученное уравнение целесообразно пред­ставить в следующем виде:

. (22.11)

Уравнение (22.11) нелинейно, его коэффициент при u_у зависит от ампли­туды U_BX сигнала, поступающего на приемник. Однако в процессе установле­ния управляющего напряжения u_у при подключении входного сигнала с по­стоянной амплитудой (U_BX = const) коэффициенты уравнения (22.11) не изме­няются. При этом решение этого уравнения

, (22.12)

где

; (22.13)

, (22.14)

показывает, что управляющее напряжение нарастает по экспоненциальному закону до стационарного значения U_СТ. Подставив (22.13) в (22.10), получим выражение

, (22.15)

отражающее зависимость коэффициента усиления радиоприемника от стацио­нарного значения амплитуды входного сигнала. Если

, (22.16)

то коэффициент усиления обратно пропорционален ампли­туде входного сигнала.

Амплитуда выходного сигнала

при этом не зависит от амплитуды входного. Следовательно, условие (22.16) является условием идеального АРУ, которое легко выполняется при сильном сигнале U_BX, но при слабом сигнале, когда требуется большее значение про­изведения K_дK₀a, приходится применять усилители постоянного тока, включае­мые на выходе детектора АРУ.

Постоянная времени цепи АРУ Ту также должна удовлетворять опреде­ленным требованиям. При малых τ_у напряжение на выходе детектора АРУ может изменяться по закону изменения амплитуды сигнала с амплитудной мо­дуляцией. В такой ситуации АРУ будет действовать как демодулятор, умень­шающий глубину модуляции принимаемого сигнала. Для исключения демоду­ляции τ_у нужно выбирать больше наибольшего периода огибающей сигнала (τ_у > Т_max). Чрезмерно большая постоянная времени также недопустима, так как при этом система АРУ станет слишком инерционной и при наличии мультипликативной помехи не успеет следить за быстрыми изменениями уровня сигнала. В современных радиоприемниках чаще всего используются АРУ с задержкой, которые начинают уменьшать коэффициент усиления только тогда, когда сигнал превышает некоторое пороговое значение. При слабых сигналах АРУ отключается.

Исполнительная часть АРУ, обеспечивающая изменение ко­эффициента усиления под воздействием управляющего напряже­ния u_у, в различных приемниках выполняется по-разному. В простейших радиоприемниках управляющее напряжение u_у подается на входные электроды усилительных элементов и изме­няет напряжение смещения. Из-за нелинейности вольт-амперных характеристик при изменении смещения изменяется и коэффици­ент усиления. Однако такая реализация исполнительной части АРУ обладает существенным недостатком. При работе на нели­нейных участках вольт-амперных характеристик усилительных элементов увеличиваются нелинейные искажения усилителей. В таких усилителях при сильных мешающих колебаниях возни­кают перекрестные искажения (см. § 22.2).

Оптимальные режимы усилителя и регулятора усиления уда­ется обеспечить только при их реализации в виде отдельных каскадов.

Настройка супергетеродинного радиоприемника на частоту. Настройка про­изводится с одновременной перестройкой частоты гетеродина, входных цепей и усилителя радиочастоты. Весь частотный диапазон приемника разбивают на несколько поддиапазонов. Пере­ход с одного поддиапазона на другой осуществляется путем скачкообразного изменения ре­активных элементов контуров приемника. Внутри поддиапа­зона реактивные элементы из­меняются плавно, чаще всего с помощью блока переменных конденсаторов. На рис. 22.3 показаны контуры входной цепи (L1, С1, С2) и гетеродина (L2, СЗ, С4, С5, С6). Плав­ная перестройка контуров осуществляется изменением сблокированных конден­саторов С1 и С5. Так как частоты сигнала и гетеродина отличаются на вели­чину промежуточной частоты, то и пределы изменения емкостей контура входной цепи и контура гетеродина должны быть различными. Для повышения частоты гетеродина (ω_г > ω_с) переменный конденсатор С5 к контуру гетеродина под­ключается через емкостный делитель СЗ, С4. Этим достигается сужение преде­лов изменения емкости гетеродина по сравнению с пределами изменения емкости контура С_К = С₁ + С₂. Конденсаторы С2 и С6 — подстроечные и предназначены для регулировки приемника в про­цессе производства.

Резонансные системы радиоприемников диапазонов метровых волн и мик­роволн, как правило, плавно настраиваются с помощью электрически управ­ляемых конденсаторов — варикапов. Достоинства такой перестройки очевидны: меньшие габариты и нет механически изнашивающихся элементов. Недостатки — меньшая добротность, большой разброс параметров, сильная зависимость ем­кости от внешних факторов (температуры, напряжения).

Нестабильность частоты настройки приемника в основном за­висит от нестабильности промежуточной частоты, которая скла­дывается из нестабильности частоты сигнала и нестабильности частоты гетеродина. Так как перестраиваемые генераторы неста­бильны, то из-за ухода частоты гетеродина приемник перестраи­вается на другую частоту.

Автоматическая подстройка частоты (АПЧ). Для предотвра­щения самопроизвольной расстройки приемника применяется АПЧ гетеродина (см. рис. 22.2). Сигнал с усилителя промежуточной частоты поступает на частотный детектор. Если промежуточная частота точно равна номинальному значению, то напряжение на выходе частотного детектора равно нулю. Если же промежуточ­ная частота не точно равна номинальному значению, то на выходе частотного детектора появляется напряжение U_{ч. д}, которое через фильтр нижних частот поступает на вход АПЧ гетеродина и из­меняет его частоту.

В стационарном состоянии при малых расстройках напряжение на выходе частотного детектора

,

где K_{ч. д} — коэффициент передачи частотного детектора.

Так как номинальная промежуточная частота f_п0 равна разности номи­нальных частот гетеродина f_г0 и сигнала f_с0 (f_п0 = f_г0 — f_с0), то, введя подста­новки f_с = f_с0 + Δf_с, f_г = f_г0 + Δf_г, напря-жение на выходе частотного детектора можно выразить через расстройки Δf_с и Δf_г:

. (22.17)

Управление частотой гетеродина обычно выполняется с помощью вари­капа, подключаемого к резонансному контуру генератора. Так как емкость варикапа изменяется при изменении напряжения, приложенного к его выво­дам, то частота генерируемых колебаний гетеродина управляется напряжением. При малом управляющем напряжении характеристика управления частотой гетеродина может также считаться линейной:

; , (22.18)

где К_Г — коэффициент, соответствующий крутизне характеристики управления; u₁, и₂ — напряжения, соответствующие границам характеристики управления. В стационарном состоянии устанавливается равновесие, поэтому

. (22.19)

Здесь K_ф — коэффициент передачи постоянной составляющей фильтра нижних частот.

Из выражения (22.19) получаем

. (22.20)

Таким образом, остаточная расстройка по промежуточной частоте

(22.21)

и, как видно, в 1 + K_ГK_ФK_{Ч. Д} раз меньше, чем расстройка частоты сигнала. Увеличивая K_ГK_ФK_{Ч. Д} (например, включив усилитель постоянного тока в цепь АПЧ), можно сделать остаточную расстройку сколь угодно малой. При этом надо помнить, что при большом K_ГK_ФK_{Ч. Д} система АПЧ может стать неустойчивой.

Применение АПЧ решает задачу слежения за частотой выб­ранного сигнала только в том случае, когда сигнал достаточно сильный и на вход приемника не поступает более мощный, близкий по частоте мешающий сигнал. Когда на входе приемника имеется более мощный сигнал и его частота близка к частоте принимае­мого сигнала, то система АПЧ может перестроить приемник на этот мешающий сигнал.

Принципиальное решение задачи настройки приемника на за­данную частоту обеспечивается при использовании высокостабиль­ных гетеродинов. Для неперестраиваемых приемников это легко сделать, применив в качестве гетеродина генератор с кварцевой стабилизацией частоты. В высококачественных перестраиваемых радиоприемниках в качестве гетеродина обычно применяются синтезаторы частоты. Распространены синтезаторы частоты, реа­лизуемые методами прямого и непрямого синтеза.

Литература: А.А. Каяцкас, “Основы радиоэлектроники”, Издательство «Высшая школа», Москва, 1988.