11.7. Автоматические регуляторы уровня

Автоматические регуляторы уровня (АРУ) –четырехполюсники, коэффициент передачи которых изменяется по заданному закону в за­висимости от значения уровня сигнала. Иногда строят АРУ, реагирую­щие и на другие параметры сигнала, например на его спектр, крутизну нарастания и убывания огибающей, на скважность сигнала. Названные устройства предназначены для решения различных творческих и техни­ческих задач. С помощью АРУ уменьшают или увеличивают динами­ческий диапазон сигналов, поддерживают в заданных пределах пико­вые или средние значения уровней, ограничивают усиление тракта при меньшении входного уровня ниже установленного минимума, улучша­ют разборчивость речи, уменьшают различия громкости речи и музыки. защищают оборудование трактов 3В от последствий превышения номи­нального входного уровня (перевозбуждения) или перегрузки мощных усилителей проводного вещания и модуляторов передатчиков, уменьша­ют влияние шумов в каналах и трактах 3В.

Динамический диапазон ЗС автоматически сжимают для того, что­бы подчеркнуть, выделить звучание голоса солиста или солирующе­го инструмента над оркестровым сопровождением, улучшить разборчи­вость речи при звукоусилении или передаче по трактам со сравнительно большими помехами, например по МКЗВ, или радиовещании в диапазо­не ДКМВ. Уменьшение динамического диапазона ЗС приводит к возра­станию его средней мощности и, как следствие, среднего коэффициента модуляции передатчика, что увеличивает эффективность действия по­следнего. По расчетам А.А. Пирогова сжатие динамического диапазона в 2 раза эквивалентно увеличению мощности передатчика с амплитудной модуляцией при передаче симфонической музыки в 1,5 раза, эстрадной музыки – в 2,6 раза, речи – примерно в 3 раза.

Сжатие динамического диапазона сигналов на входе МКЗВ, с од­ной стороны, уменьшает влияние шумов и помех, а с другой стороны, возникающее возрастание средней мощности ЗС приводит к увеличению загрузки групповых усилителей систем междугородной связи с частот­ным разделением сигналами 3В. При этом из-за нелинейных переходов возрастают помехи в других частотных каналах.

Автоматическое регулирование коэффициента передачи уменьшает перепады уровня громкости при переходе от речи к музыке и наоборот, что важно при слушании вещательных программ в домашних условиях. Автоматическое нивелирование (выравнивание) среднего уровня гром­кости речи применяют в системах звукоусиления для уменьшения из­менений громкости голоса оратора, при выступлении отклоняющегося или отворачивающегося от микрофона.

Автоматическое ограничение пиковых (максимальных) уровней на входе усилительных устройств предотвращает возрастание нелинейных искажений сверх допустимой величины и возможные аварии, например из-за пробоя изоляции конденсаторов или межвитковых пробоев в транс­форматорах. Автоматические устройства срабатывают также при пере­грузке, т.е. при резком уменьшении сопротивления нагрузки, ограничи­вают в этом случае мощность или ток и тем защищают выходной каскад оконечных усилителей или модуляторов передатчиков от аварий.

В зависимости от реализуемого закона регулирования уровней раз­лича­ют сжиматели и расширители динамического диапазона, ограничи­тели максимальных и минимальных уровней (последние называют еще пороговыми ограничителями или шумоподавителями).

По форме представления регулируемого сигнала и управляющего напряжения различают аналоговые, аналоговые с цифровым управле­нием и полностью цифровые АРУ. В зависимости от длительности про­цесса регулирования АРУ разделяют на безынерционные и инерционные.

Аналоговые безынерционные устройства в 3В почти не применяются, так как им свойствен­ны большие нелинейные искажения

Безынерционные ограничители (пикосрезатели) иногда включают на выходе инерци­онных ограничителей максимальных уровней для устранения возможных пиков срабатыва­ния, которые могут создать помехи прохожде­нию других сигналов в многоканальных систе­мах связи.

Особым видом АРУ являются так назы­ваемые речевые сжиматели. Они встраива­ются в дикторские пульты и предназначают­ся для выравнивания громкости голосов дик­торов. К сожалению, их действие приводит к неприятному результату – подчеркнутому "астматическому" дыханию. Для устранения этого недостатка речевые сжиматели дополняют ограничителями ми­нимальных уровней, но их порог срабатывания нуждается в кропотли­вом регулировании.

Вещательные АРУ в некоторой степени подобны устройствам, при­меняемым в технике радиоприема. Принцип действия сжимателя анало­гичен принципу действия устройства простого АРУ, ограничителя макси­мальных уровней – устройству АРУ с задержкой. Ограничитель мини­мальных уровней (отчасти и расширитель) подобен шумоподавителю ра­диоприемника. Главное различие заключается в том, что АРУ действу­ют в диапазоне звуковых частот, а АРУ радиоприемников – на радиоча­стотах. Соответственно этому по иному выбираются временные параме­тры АРУ – время установления (срабатывания) и время восстановления.

Обобщенная структурная схема АРУ изображена на рис. 11.19. Она содержит регулируемое звено РЗ и управляющее звено УЗ. Регулируе­мое звено – усилитель с переменным коэффициентом усиления или делитель напряжения (потенциометр) с переменным коэффициентом передачи (рис. 11.20,а). Переменным сопротивлением делителя слу­жит динамическое внутреннее сопротивление полупроводникового ди­ода (рис. 11.20,б,в) или сопротивление сток-исток полевого транзи­стора (рис. 11.20,г). Используют также оптрон, т.е. пару светодиод-фоторезистор (рис. 11.20,д). Световой поток светодиода изменяется под действием выпрямленного напряжения сигнала. Удобство последнего варианта заключается в том, что РЗ и УЗ полностью разделены по по­стоянному току. Это упрощает схемные решения.

В УЗ входят двухполупериодный выпрямитель, детектор В и зарядно-разрядная (интегрирующая) цепь И. Эквивалентная схема УЗ изо­бражена на рис. 11.21. Здесь r – сопротивление цепи заряда, С – за­ряжаемая (накопительная) емкость, R – сопротивление цепи разряда. Параметры цепи: постоянная времени це­пи заряда и разряда – определяют длительность процессов регу­лирования.

В более сложных АРУ в УЗ входят линейные и нелинейные преобразовате­ли и вычислительное (микропроцессор­ное) устройство, анализирующее свойства сигнала и изменяющее закон управления. В качестве аргумента функции управления кроме напряжения могут слу­жить частота, скорость изменения уровня сигнала, скважность сигналов.

Однополярное управляющее напряжение Еу получается в резуль­тате выпрямления напряжения звукового сигнала и сглаживания полу­чающихся при этом пульсаций. Напряжение звукового сигнала на вход УЗ поступает со входа или выхода РЗ. Управление соответственно на­зывают прямым или обратным. В теории автоматического регулиро­вания первое называют управлением с разомкнутой цепью управле­ния, второе – с замкнутой цепью (к устройствам с разомкнутой цепью кроме некоторых АРУ относят устройства дистанционного и программ­ного управления). В устройствах с обратным управлением результат управления сказывается на формировании Еу. Устройства с обратным управлением (с замкнутой цепью управления) имеют то преимущество, что процесс регулирования в них совершается быстрее, характеристики АРУ более стабильны, требования к разбросу параметров регулируемо­го звена менее жесткие. Но обратное управление в некоторых случаях оказывается нежелательным. Ограничителю максимальных уровней с обратным управлением свойственно нарастание выходного напряжения даже на участке ограничения, что ухудшает защиту устройств. Дей­ствие расширителя, собранного по схеме с обратным управлением, не­устойчиво: увеличение коэффициента передачи при росте входного на­пряжения и соответствующее возрастание выходного напряжения при­водят к лавинообразному увеличению коэффициента передачи. Чтобы избежать этого, амплитудную характеристику расширителя сохраняют лишь до некоторого предела, после которого устройство действует как обычный усилитель с постоянным коэффициентом передачи Обычно прямое управление используют в расширителе, а обратное – в огра­ничителе и сжимателе.

Иногда осуществляют смешанное управление, используя и входное, и выходное напряжения. В АРУ со смешанным управлением объединя­ются дос­тоинства прямого и обратного управлений, если обе управля­ющие цепи действуют одновре­менно. При неодновременном действии звеньев прямого и обратного управлений реализуются разные регулиро­вочные характеристики: на­пример, при небольших входных напряжени­ях формируется характеристика расширителя или шумоподавителя, при больших – сжимателя, а после превышения номинального уровня – ог­раничителя максимальных уровней.

В качестве регулируемой величины чаще всего выбирают величину сигнала (напряжение, уровень), иногда громкость, ток или мощность. Наиболее распространены АРУ, регулирующие напряжение (или уро­вень) сигнала.

Особой группой являются адаптивные (самонастраивающиеся, при­спосабливающиеся) АРУ. В них режим управления, амплитудная харак­теристика, временные параметры, степень сжатия или расширения дина­мического диапазона сигнала автоматически изменяются в зависимости от свойств сигнала и условий действия АРУ. Для этого вводят блок ада­птации, который анализирует свойства сигнала и изменяет структуру и параметры АРУ. Чаще всего режим действия изменяется при смене речи музыкой и наоборот. Иногда учитываются изменения спектра, среднего уровня, соотношение между средним и пиковым уровнями. В адаптив­ных АРУ стремятся реализовать преимущества устройств ручного и авто­матического регулирования и исключить их недостатки. Это обеспечит наивыгоднейшее значение обобщенного критерия качества в том случае, когда входящие в него частные критерии качества заданы определенным образом, т.е. могут быть представлены в математической форме.

Управляющее звено получает сведения о параметрах сигнала от различных анализаторов. Корреляционные анализаторы вырабатывают сведения о корреляционных свойствах входного сигнала, что необходи­мо для управления длительностью процесса регулирования. Анализатор средних значений уровня необходим для поддержания среднего уровня громкости. Анализатор спектра сравнивает спектры сигнала до и после регулирования с целью введения частотной коррекции. Число и типы анализаторов изменяются в зависимости от требований, предъявляемых к регулируемому звену, и от уровня знаний о вещательном ЗС. Следует однако заметить, что полностью оптимизировать действие адаптивных АРУ не удается, так как строго математического описания критерия их оптимальности пока не существует.

Своеобразным видом АРУ являются устройства без УЗ. В них коэф­фициент передачи РЗ изменяется непосредственно под действием сиг­нала. Таковы, например, АРУ с мостовой или потенциометрической схемой на терморезисторах. Их сопротивление меняется под воздей­ствием тока сигнала. В результате изменяется коэффициент переда­чи регулируемого звена.