Контрольные вопросы

1. Укажите назначение и области применения систем АРУ.

2. Какими показателями характеризуется качество системы АРУ?

3. Назовите основные способы регулирования усиления.

4. Поясните принцип работы системы АРУ.

5. Укажите назначение ФНЧ в системах АРУ и сформулируйте требования к выбору его характеристик.

6. Что такое «задержанная АРУ»? Как она реализуется и в чем ее преимущества?

7. Поясните сущность явления подавления амплитудной модуляции системой АРУ.

8. Изобразите структурную схему системы АРУ. При каких допущениях она составлена?

9. Какой смысл вкладывается в понятие безынерционности отдельных элементов системы АРУ (усилителя, детектора)?

10. Когда применима линейная стационарная модель системы АРУ? Какие задачи она позволяет решать?

Тема 3: «системы автоматической подстройки частоты» План лекции

Системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), их назначение и область применения.

Системы АПЧ относятся к классу следящих систем (систем слежения за частотой). Первоначально эти системы использовались исключительно для автоматической подстройки частоты гетеродинов приемников, что и обусловило такое их название. В настоящее время область применения систем АПЧ гораздо шире: стабилизация промежуточной частоты приемников, следящие фильтры доплеровских измерителей скорости, демодуляция и формирование ЧМ-сигналов и прочее.

Принцип действия системы АПЧ рассмотрим на примере использования ее для стабилизации промежуточной частоты супергетеродинного приемника. Функциональная схема системы АПЧ представлена на рис. 3.1. На вход смесителя (См) поступает сигнал u_c(t), принятый антенной (для повышения чувствительности приемника смесителю обычно предшествует усилитель высокой частоты, выполненный на малошумящих активных элементах). Номинальная частота сигнала (частота передатчика) равна f_c0. Из-за нестабильности частоты передатчика, а также ухода частоты вследствие эффекта Доплера, частота сигнала f_c отличается от f_c0 на неизвестную величину f_c (в общем случае случайная функция времени). На другой вход смесителя поступает опорное колебание u_г(t), вырабатываемое подстраиваемым генератором (ПГ) – гетеродином. Номинальная частота f_г0 гетеродина отличается от f_c0 на фиксированное значение f₀ (номинальная промежуточная частота). В зависимости от соотношения частот f_c0 и f_г0 различают «нижнюю» настройку гетеродина, когда f_c0 >f_г0, и «верхнюю» настройку (f_г0> f_c0). Для определенности далее полагаем, что используется «нижняя» настройка гетеродина.

Рис. 3.1

Колебание промежуточной частоты f_п=f_c–f_г усиливается в УПЧ, настроенном на номинальное значение f₀, а колебание суммарной частоты f_c+f_г, а также другие комбинационные составляющие вида kf_cnf_г, где k и n – целые числа (в том числе и нуль) отфильтровываются в УПЧ.

Благодаря такому построению приемника основное усиление сигнала осуществляется на промежуточной частоте, что позволяет обеспечить большое усиление и хорошую селекцию сигналов мешающих станций в широком диапазоне частот.

Частота гетеродина в силу ряда причин (отклонение температуры, напряжения питания и др.) в процессе работы приемника изменяется. Нестабильность частоты гетеродина, как и отклонение частоты сигнала от номинального значения, приводит к отклонению промежуточной частоты (частотной расстройке) f=f_п–f₀.

Для того, чтобы сохранить постоянство промежуточной частоты (f=0), необходимо корректировать настройку гетеродина. Ручная подстройка гетеродина малоэффективна, так как не обеспечивает требуемой точности, быстродействия и других показателей. Система АПЧ, действуя подобно оператору, не только высвобождает его, но и действует точнее и эффективнее (в частности, позволяет отслеживать быстрые изменения частоты).

Работает система АПЧ следующим образом. Сигнал промежуточной частоты u_п(t) поступает на вход частотного дискриминатора (ЧД), назначением которого является формирование сигнала ошибки U как функции частотной расстройки f. Зависимость U(f) носит название дискриминационной характеристики (рис. 3.2).

Рис. 3.2

Если начальная расстройка f₀ не превышает по абсолютной величине некоторого значения f_з, называемого полосой захвата, то под действием управляющего напряжения U_у(t), снимаемого с выхода ФНЧ, частота подстраиваемого генератора изменяется таким образом, что частотная расстройка f0. Полоса захвата является важной характеристикой системы АПЧ. Она определяется шириной раскрыва дискриминационной характеристики, усилением предшествующего дискриминатору тракта, характеристиками подстраиваемого генератора и другими факторами.

В качестве элемента, управляющего частотой ПГ, обычно используется варикап – полупроводниковый прибор, емкость которого зависит от управляющего напряжения. Зависимость частоты ПГ от управляющего напряжения (рис. 3.3) носит название регулировочной характеристики.

Рис. 3.3

При начальной расстройке f₀>0 на выходе дискриминатора формируется сигнал ошибки U_ош>0 (постоянное напряжение). Под действием этого напряжения частота f_г возрастает (значение f_г0, соответствующее разомкнутой обратной связи, называется собственной частотой подстраиваемого генератора). При этом частотная расстройка уменьшается, поскольку f=f_c – f_г – f₀. При начальной расстройке другого знака частота ПГ, наоборот, уменьшается, что также приводит к устранению частотной расстройки.

Фильтр нижних частот отфильтровывает мешающие сигналы и высокочастотные составляющие шума, пропуская без искажений низкочастотную составляющую напряжения U(t) частотного дискриминатора, обусловленную медленным изменением частоты f_п (вследствие нестабильностей частот передатчика и гетеродина, а также эффекта Доплера). Для повышения эффективности работы системы АПЧ в цепь обратной связи обычно включают усилитель постоянного тока.

Таким образом, система АПЧ обеспечивает постоянство промежуточной частоты (с точностью до ошибки, обусловленной шумом и инерционностью системы), компенсируя уход частоты из-за нестабильности и эффекта Доплера. Это позволяет использовать УПЧ с узкой полосой пропускания (равной ширине спектра сигнала), а, следовательно, существенно ослабить мешающее влияние шумов и таким образом повысить помехозащищенность приемника.