9

Ефимов В.В., Кузьмин В.В.

Лабораторная работа исследование автоматической регулировки усиления

Цели предлагаемой работы состоят в определении назначения автоматической регулировки усиления (АРУ), в выяснении принципов построения аналоговых (ААРУ) и цифровых (ЦАРУ) систем автоматических регулировок усиления, в исследовании основных характеристик одной из возможных схем построения ААРУ и ЦАРУ приемного устройства.

1. Общие положения

С помощью автоматической регулировки усиления (АРУ) обеспечивается необходимое для нормальной работы приемных устройств постоянство выходных сигналов при значительных изменениях интенсивности принимаемых сигналов. АРУ предотвращает перегрузки приемного устройства сильными сигналами и тем самым устраняет возникающие при этом нелинейные искажения в его выходных каскадах, расширяет динамический диапазон приемника.

Наибольшее распространение получили системы АРУ с обратной связью, в которых регулировка усиления начинается после превышения амплитудой сигнала на выходе усилителя U_вых, охваченного петлей АРУ, некоторого минимального значения, соответствующего выбранному порогу срабатывания, называемому напряжением задержки АРУ.

На рис.1 представлены амплитудные характеристики приемника без АРУ и с АРУ. Пунктирной линией на рисунке показана характеристика приемника с идеальной АРУ.

АРУ применяется практически во всех приемниках. Задачи, стоящие перед системой АРУ, достаточно сложны из-за большого диапазона изменений напряженности электромагнитного поля в месте приема от 10 мкВ/м до 1 В/м и более. При изменении сигналов в таких пределах напряжение на выходе приемника в идеальном случае не должно изменяться. Основной характеристикой АРУ является эффективность - величина, характеризующая степень поддержания постоянства сигнала на выходе при изменении уровня входного сигнала.

При работе АРУ сигнал с выхода линейного тракта приемника поступает на детектор АРУ, полученное при этом выпрямленное регулирующее напряжение U_рег управляет коэффициентом усиления регулируемого усилителя, включенного в линейный тракт.

В приемниках с амплитудной модуляцией входного сигнала АРУ не должна срабатывать на изменения амплитуды сигнала, вызванные модуляцией. Для этого в цепь АРУ обычно включают фильтр низкой частоты (ФНЧ), постоянная времени которого  выбирается так, чтобы напряжение на его выходе не изменялось при воздействии модулирующего напряжения. В то же время медленные изменения входного сигнала, вызванные колебаниями условий приема, должны "проходить" через ФНЧ и вызывать соответствующие изменения коэффициента усиления регулируемого усилителя.

Построенные по такому принципу АРУ являются статическими системами регулирования с конечной ошибкой. В то же время из теории регулирования известно, что в астатических системах регулирования ошибка стремится к нулю, при этом регулируемая величина сохраняет свое значение при любом размере внешнего воздействия. Для этого в схему регулирования включают интегрирующие звенья. Обычно применяют регуляторы с одним интегратором (астатизм первого порядка).

Техническая реализация идеального интегратора в аналоговой форме наталкивается на ряд технических трудностей, в то время как в цифровой форме он представляет собой обычный реверсивный счетчик.

Автоматическая регулировка усиления, построенная на цифровых принципах (ЦАРУ), позволяет сравнительно просто реализовать систему регулирования с астатизмом первого порядка и получить практически идеальную амплитудную характеристику приемника (см. рис.1).

Обобщенная структурная схема ЦАРУ представлена на рис.2, где Д - детектор; АЦП - аналогово-цифровой преобразователь; РС1 - первый реверсивный счетчик; БП - блокировка переполнения; РС2 - второй реверсивный счетчик; ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь; РУ - регулируемый усилитель.

Сигнал с выхода детектора ЦАРУ U_дет подвергается бинарному квантованию: если U_дет>U_з, где U_з - напряжение задержки, вырабатывается сигнал ошибки Z=-1, если U_дет<U_з, то Z=1. Опрос квантователя производится с некоторой тактовой частотой F_д (частотой дискретизации). Сигнал ошибки поступает в усредняющий реверсивный счетчик (РС1) с емкостью R1_макс. При переполнении РС1 на его выходе появляется импульс, увеличивающий или уменьшающий на 1 (в зависимости от знака переполнения) число во втором реверсивном счетчике РС2. Для того, чтобы счетчик РС2 не переполнялся, введена блокировка поступления импульсов соответствующего знака от счетчика РС1, когда код в РС2 достигает нуля или своего максимального значения R2_макс. Код в РС2 преобразуется ЦАП в регулирующее напряжение U_рег, управляющее коэффициентом усиления РУ.

Нетрудно убедиться, что в стационарном режиме описанного ЦАРУ возникают автоколебания, приводящие к изменению кода в РС2 на единицу (например, R2=15; 16; 15; 16...) и, следовательно, к паразитной амплитудной модуляции сигнала на выходе. Чтобы коэффициент паразитной амплитудной модуляции m_п не зависел от амплитуды входного сигнала U_вх (и соответственно от значения кода R2), необходимо, чтобы при изменении кода R2 на единицу коэффициент усиления РУ K_ру менялся в одно и то же число раз, т.е.

d=(K_ру+K_ру)/K_ру=const, где K_ру - абсолютное приращение коэффициента усиления РУ при изменении кода R2 на единицу. Этого можно добиться, введя экспоненциальную зависимость K_ру=f(U_рег). Коэффициент паразитной амплитудной модуляции m_п должен быть малым, т.е. m_п=K_ру/(2K_ру)=(d-1)/2<<1.

В стационарном режиме паразитную модуляцию можно практически устранить, введя в характеристику квантователя (АЦП) зону нечувствительности, что эквивалентно переходу от двухуровневого квантования (Z=-1; +1) к трехуровневому (Z=-1; 0; +1). Протяженность зоны нечувствительности при экспоненциальной зависимости K_ру=f(U_рег) целесообразно сделать равной дискрету регулирования 2m_пU_з, где m_п=(d-1)/2. При этом АЦП можно реализовать с помощью двух компараторов с порогами, равными U_оп1=U_з-m_пU_з и U_оп2=U_з+m_пU_з. На рис.3 показана характеристика трехуровнего квантователя АЦП.

Частоту дискретизации F_д выбирают обычно на порядок больше ширины спектра процесса на входе АЦП.

Период следования тактовых импульсов на выходе РС1 (t₁) выбирают, исходя из того, какие частоты изменения уровня входного сигнала _м=2F_м должна отрабатывать система ЦАРУ и какие частоты должны проходить без подавления. Это приводит к следующему условию F_мп<1/t₁<F_мс, где F_мс - минимальная частота модуляции полезного сигнала; F_мп - максимальная частота нежелательного (паразитного) изменения уровня сигнала (F_мп=0,1...1 Гц).

Задавшись F_мп, нетрудно найти необходимый коэффициент счета РС1 R1макс=t₁F_д. Для частот F_м<F_мп=1/t₁ ЦАРУ отрабатывает изменения уровня входного сигнала, осуществляя демодуляцию. В связи с этим счетчик РС1 можно рассматривать как эквивалент ФНЧ в ААРУ и иметь в виду, что от его емкости зависят частотные искажения на низких частотах модулирующего напряжения. Частотные искажения модулирующего напряжения возникают на низких частотах, попадающих в полосу пропускания ФНЧ, и проявляются в демодуляции принимаемого сигнала в АМ-приемнике.