Пусть промежуточная частота равна

Рисунок 6.1- Структурная схема системы обратной АРУ

В этой схеме регулирующее напряжение получается путем детектирования и последующей фильтрации выходного напряжения регулируемого тракта. ФНЧ – фильтр АРУ - применяют для того, чтобы избежать изменения коэффициента усиления с частотой модуляции при амплитудной модуляции и из-за изменения амплитуды сигнала под действием помех.

Достоинство обратной АРУ – простота, недостаток – невозможность обеспечения постоянства выходного напряжения, т.к. регулировка осуществляется за счет этого изменения.

Б) Прямая АРУ (рисунок 6.2)

Рисунок 6.2 – Структурная схема системы прямой АРУ

В этой схеме регулирующее напряжение пропорционально амплитуде несущей на входе регулируемого тракта.

Достоинство – теоретическая возможность получения постоянного напряжения на выходе регулируемого тракта, недостаток – возможность перегрузки нерегулируемого тракта и первого каскада регулируемого.

В) Смешенная или комбинированная АРУ (рисунок 6.3)

2.По характеру изменения коэффициента усиления в процессе регулировки

А) простая,

Б) задержанная,

В) бесшумная.

При простой АРУ и увеличение коэффициента усиления сопровождается увеличением уровня шумов. Поэтому применяют задержанную АРУ, при которой при регулирующее напряжение не вырабатывается и коэффициент усиления остается постоянным.

Рисунок 6.3 – Структурная схема комбинированной АРУ

Для того, чтобы отсутствовали шумы при перестройке приемника уменьшают коэффициент усиления при .

Графики зависимостей коэффициента усиления регулируемого тракта от амплитуды напряжения на входе приемника приведены на рисунке 7.4

Рисунок 6.4 – Зависимости коэффициента усиления приемника от амплитуды

сигнала на входе для простой (а), задержанной (б) и бесшумной (в) АРУ

По способу регулировки коэффициента усиления различают:

А) Режимную АРУ за счет изменения режима работы каскада по постоянному току,

Б) АРУ изменением эквивалентного сопротивления нагрузки,

В) АРУ изменением глубины отрицательной обратной связи,

Г) АРУ изменением параметров цепей специально включаемых для целей регулировки.

6.2. Характеристика регулирования простой обратной АРУ

Характеристикой регулирования системы АРУ называется зависимость амплитуды несущей выходного напряжения регулируемого тракта от амплитуды несущей входного напряжения.

Пусть зависимость коэффициента усиления К от регулирующего напряжения определяется следующим соотношением

.

При обратной АРУ

.

Выразим через с учетом двух последних соотношений

.

Из последнего соотношения получим

.

Из последнего соотношения видно, что при амплитуда выходного напряжения стремится к постоянной величине.

6.3. Варианты схем электронных регуляторов усиления

На рисунке 6.5 приведена принципиальная схема резонансного усилителя на полевом транзисторе, в цепь затвора которого наряду с начальным автоматическим смещением, создаваемым за счет падения напряжения постоянного тока истока на резисторе R_и, подается через фильтр отрицательное регулирующее напряжение от детектора АРУ. При увеличении абсолютного значения этого напряжения рабочая точка смещается вниз по проходной вольтамперной характеристике на участки с меньшей крутизной. Уменьшение крутизны приводит к уменьшению коэффициента усиления

Рисунок 6.5 – Резонансный усилитель с режимной АРУ и проходная

вольтамперная характеристика транзистора

На рисунке 6.6 приведена принципиальная схема резонансного усилителя на основе трехтранзисторного дифференциального каскада. В этом усилителе регулировка усиления осуществляется за счет перераспределения тока транзистора V₃ между транзисторами V₁ и V₂. В цепь базы транзистора V₁ Подаются напряжение постоянного смещения Е и регулирующее положительное напряжение напряжение u_р. Положительное напряжение Е выбирается так, чтобы при отсутствии регулирующего напряжения транзистор V₁ был закрыт, и весь ток транзистора V₃ протекал через V₂. Коэффициент усиления усилителя в этом случае максимален. При появлении положительного регулирующего напряжения ток через V₁ увеличивается, а ток через V₂ уменьшается. В результате уменьшается коэффициент усиления.

Рисунок6.6 – Резонансный усилитель с АРУ путем перераспределения токов

На рисунке 6.7 приведена схема резонансного усилителя с плавной регулировкой усиления путем изменения глубины отрицательной обратной связи. Обратная связь создается из-за сопротивления переменному току, действующего в цепи эмиттера. Это сопротивление создается параллельно включенными по переменному току резистором R_э, сопротивлением диода и резистором R.

К диоду приложены положительное напряжение постоянного смещения Е и отрицательное регулирующее напряжение u_р. При отсутствии регулирующего напряжения диод открыт, его сопротивление минимально, коэффициент усиления усилителя максимален. При подаче регулирующего напряжения сопротивление диода увеличивается, увеличивается глубина отрицательной обратной связи, коэффициент усиления усилителя уменьшается.

Рисунок 6.7 – Резонансный усилитель с АРУ путем изменения глубины

отрицательной обратной связи

В предыдущем варианте регулятора усиления изменением глубины отрицательной обратной связи регулировка осуществлялась плавно. На рисунке 6.8 приведена функциональная схема операционного усилителя, в котором регулировка осуществляется дискретно путем коммутации резисторов, включенных в цепь обратной связи. Управление электронными ключами осуществляется двоичной кодовой комбинацией, поступающей от микропроцессорной системы управления радиоприемником.

Рисунок 6.8 – Операционный усилитель с дискретной АРУ путем изменения

глубины отрицательной обратной связи

Наряду с регулировкой усиления усилителей радиоприемника используются цепи, специально включенные для целей регулировки. Примером такой цепи является управляемый делитель напряжения, схема которого приведена на рисунке 6.9. В поперечное плечо Г-образного делителя включен полупроводниковый диод, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. При отсутствии регулирующего напряжения диод закрыт отрицательным напряжением смещения –Е, коэффициент передачи делителя напряжения максимален. Положительное регулирующее напряжение уменьшает сопротивление диода, следовательно, и коэффициент передачи делителя.

Рисунок 6.9 – Делитель напряжения с регулируемым коэффициентом усиления

Лекция 18. Автоматическая подстройка частоты

Тема 6. Регулировки в устройствах приема и обработки сигналов

6.2.Частотная автоматическая подстройка частоты

Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) предназначена для предотвращения ухода частоты сигнала за пределы полосы пропускания селективного тракта приемника.

В супергетеродинном приемнике селективность реализуется, в основном, трактом промежуточной частоты.

Пусть промежуточная частота равна

, а , .

Тогда , где ,

а .

Отклонение промежуточной частоты (преобразованной частоты сигнала) от ее номинального значения, а значит, от центральной частоты полосы пропускания тракта ПЧ снижает чувствительность, селективность приемника и вызывает нелинейные искажения сигнала.

Поскольку зависит от частоты гетеродина, то, изменяя частоту гетеродина, можно уменьшить отклонение промежуточной частоты от номинального значения.

Пусть тогда .

Обозначим - начальное отклонение ПЧ.

Тогда основное уравнение системы АПЧ можно записать в следующем виде

- остаточное отклонение ПЧ. (6.1)

Можно показать, что если , то уравнение системы АПЧ запишется следующим образом

. (6.2)

На рисунке 6.10 показана структурная электрическая схема додетекторного тракта радиоприемника, охваченного частотной автоматической подстройкой частоты (ЧАПЧ). В кольцо ЧАПЧ входят частотный дискриминатор (детектор), ФНЧ и управитель частотой гетеродина.

Рисунок 6.10 - Структурная электрическая схема додетекторного тракта

радиоприемника, охваченного ЧАПЧ

На рисунке 6.11 приведена детекторная характеристика частотного дискриминатора.

Рисунок 6.11- Детекторная характеристика частотного дискриминатора

В качестве управителя в системах автоподстройки, как правило, используются варикапы. На рисунке 6.12 приведена зависимость емкости варикапа от запирающего напряжения u. К варикапу приложены напряжение начального смещения Е и регулирующее напряжение u_р. При увеличении положительного регулирующего напряжения относительно напряжения начального смещения увеличивается емкость варикапа. Следствием этого является уменьшение частоты, а значит, отрицательное приращение частоты. При увеличении абсолютного значения отрицательного регулирующего напряжения относительно напряжения смещения уменьшается емкость варикапа, увеличивается частота гетеродина и увеличивается положительное приращение частоты гетеродина, вызванное действием управителя. Зависимость отклонения частоты гетеродина из-за работы управителя от регулирующего напряжения также приведена на рисунке 6.12.

Рисунок 6.12 – Зависимость емкости варикапа от запирающего напряжения и

характеристика управителя

Характеристикой регулирования системы АПЧ называется зависимость остаточного отклонения частоты при замкнутом кольце АПЧ после завершения переходных процессов от начального отклонения частоты при разомкнутом кольце АПЧ.

Сначала найдем характеристику регулирования системы ЧАПЧ при малых начальных отклонениях частоты.

В пределах линейных участков характеристик частотного дискриминатора и управителя частотой гетеродина в установившемся режиме можно записать

,

где и - крутизна характеристики управителя и крутизна характеристики частотного дискриминатора соответственно.

Подставляя последнее соотношение в (61), получим

. (63)

Чтобы остаточное отклонение частоты было меньше начального, нужно потребовать выполнения условия

.

Если частота гетеродина меньше частоты сигнала, то

. (6.4)

В этом случае должно выполняться неравенство

.

Коэффициент автоподстройки частоты показывает, во сколько раз остаточное отклонение частоты меньше начального.

Таким образом, коэффициент автоподстройки равен

.

Коэффициент автоподстройки характеризует эффективность АПЧ.

Особенностью системы ЧАПЧ является то, остаточное отклонение частоты равно нулю только при начальном отклонении равном нулю. Во всех остальных случаях остаточное отклонение частоты существует, но его можно сделать достаточно малым за счет увеличения коэффициента автоподстройки.

Ниже при обозначении начального и остаточного отклонения промежуточной частоты будем для простоты обозначений опускать индекс «ПР».

Для нахождения характеристики регулирования системы ЧАПЧ при больших начальных отклонениях воспользуемся графическим методом.

Сущность этого метода состоит в совмещении графиков детекторной характеристики и характеристики управителя (рисунок 6.13), при котором совпадают оси частотного отклонения этих характеристик, а начало координат характеристики управителя соответствует значению начального отклонения . В этом случае абсцисса точки пересечения двух характеристик дает значение остаточного отклонения .

Перемещение характеристики управителя вдоль оси частотного отклонения позволяет при другом значении начального отклонения определить остаточное отклонение. Решение является однозначным, пока существует только одна точка пересечения двух характеристик.

Рисунок 6.13 – Графический метод определения остаточного отклонения частоты

при заданном начальном при одной точке пересечения характеристик

Дальнейшее перемещение характеристики управителя приводит к ситуации, когда имеется одна точка пересечения двух характеристик (а) (рисунок 6.14) и одна точка касания (b). При перемещении характеристики управителя слева направо при увеличении начального отклонения для прехода из точки а в точку b требуется скачок остаточного отклонения от значения остаточного отклонения в точке а к значению остаточного отклонения, соответствующего точке b. Этот скачок мог бы произойти, если бы точка а оказалась точкой неустойчивого равновесия, а точка b точкой устойчивого равновесия. Однако из характеристик следует, что всякое увеличение остаточного отклонения по сравнению с значением в точке а вызывает такое изменение u_р, при котором происходит возвраи системы в состояние, соответствующее точке а.

Рисунок 6.14 - Графический метод определения остаточного отклонения частоты

при заданном начальном и одной точке пересечения а характеристик

и одной точке касания b

Последующее премещение характеристики управителя вправо приводит к ситуации, представленной на рисунке 6.15, когда появляется точка касания с и точка пересечения d.

Точка с является точкой неустойчивого равновесия, так как всякое случайное увеличение остаточного отклонения по сравнению с значением в точке c приводит к такому изменению регулирующего напряжения, при котором происходит дальнейшее увеличение остаточного отклонения, т.е. перескок в точку d.

Из рисунка видно, что остаточное отклонение в точке d примерно равно начальному отклонению. Следовательно, система выходит из состояния автоподстройки. Этот скачок остаточного отклонения показан на характеристике регулирования (рисунок 6.16).

Удвоенное значение начального отклонения частоты, при котором система выходит из состояния автоподстройки, называется полосой удержания.

Рисунок 6.15 - Графический метод определения остаточного отклонения частоты

при заданном начальном и одной точке пересечения d характеристик

и одной точке касания c

Если определение остаточного отклонения графическим методом начать с больших начальных отклонений, то можно убедиться в том, остаточное отклонение будет оставаться примерно равным начальному до появления точки касания b и точки пересечения а.

Следуя описанной методике, можно показать, что из точки пересечения b осуществляется переход в точку устойчивого равновесия a, т.е. система входит в состояние равновесия (рисунок 6.16).

Удвоенное значение начального отклонения частоты, при котором система входит в состояние автоподстройки, называется полосой захвата.

Аналогичные процессы происходят при отрицательных значениях начального отклонения.

Рисунок 6.16 – Характеристика регулирования системы ЧАПЧ

Из характеристики регулирования следует:

· полоса захвата системы ЧАПЧ меньше полосы удержания,

· остаточное отклонение частоты отлично от нуля при начальном отклонении, отличном от нуля.

6.3. Фазовая автоматическая автоподстройка частоты

Структурная схема додетекторного тракта приемника с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) приведена на рисунке 6.17. Отличие построения системы ФАПЧ от системы ЧАПЧ состоит в том, что вместо частотного дискриминатора в ней используется фазовый с опорным генератором, настроенным на номинальное значение промежуточной частоты.

Рисунок 6.17 – Додетекторный тракт приемника с ФАПЧ

Фазовый детектор вырабатывает регулирующее напряжение, которое зависит от фазового сдвига выходного сигнала УПЧ относительно опорного сигнала, вырабатываемого опорным генератором

.

Фазовый сдвиг зависит от постоянного начального фазового сдвига и зазового сдвига, обусловленного остаточным отклонением частоты

.

В пределах линейного участка характеристики управителя отклонение частоты гетеродина, вызванное управителем, равно

.

Воспользовавшись уравнением автоподстройки (7.1), получим

.

Последнее соотношение позволяет построить фазовый портрет системы ФАПЧ, т.е. зависимость первой производной мгновенной фазы от ее значения (рисунок 6.18).

Из рисунка видно, что косинусоида с амплитудой , приподнятая над осью абсцисс на расстояние , пересекает эту ось.

Рисунок 6.18 – Фазовый портрет системы ФАПЧ

Белые точки пересечения являются точками устойчивого равновесия, т.к. увеличение фазы по сравнению с значением в этой точке приводит к отрицательному значению производной , т.е. скорости изменения фазы. В результате система возвращается в прежнее состояние. Случайному уменьшению фазы соответствует положительное значение производной. И в этом случае система возвращается в состояние, соответствующее данной точке.

Аналогичным образом можно показать, что черные точки являются точками неустойчивого равновесия.

Наличие хотя бы одной точки устойчивого равновесия означает, что в установившемся режиме .

Следовательно, пока имеет место пересечение кривой оси абсцисс, остаточное отклонение равно нулю при заданном начальном отклонении.

Условием наличия точек пересечения является .

Характеристика регулирования системы ФАПЧ представлена на рисунке 6.19.

Рисунок 6.19 – Характеристика регулирования системы ФАПЧ

Система выходит из состояния автоподстройки при , следовательно,

.

При наличии ФНЧ для вхождения системы в состояние автоподстройки необходимо, чтобы начальное отклонение было меньше граничной частоты полосы пропускания фильтра, поэтому полоса захвата системы меньше полосы удержания.

Заключение по теме 6

Система АРУ предназначена для обеспечения малых изменений уровня сигнала на выходе додетекторного тракта приемника при больших изменениях уровня сигнала на его входе.

Коэффициент регулирования показывает, во сколько раз изменение амплитуды входного сигнала приемника больше изменения амплитуды сигнала на выходе додетекторного тракта приемника.

Характеристикой регулирования системы АРУ называется зависимость амплитуды несущей выходного напряжения регулируемого тракта от амплитуды несущей входного напряжения.

Системы АРУ подразделяются на прямую, обратную и комбинированную.

Достоинство обратной АРУ – простота, недостаток – невозможность обеспечения постоянства выходного напряжения, т.к. регулировка осуществляется за счет этого изменения. Достоинство прямой АРУ - теоретическая возможность получения постоянного напряжения на выходе регулируемого тракта, недостаток – возможность перегрузки нерегулируемого тракта и первого каскада регулируемого. Комбинированная АРУ устраняет недостатки прямой и обратной АРУ.

По способу регулировки коэффициента усиления различают:

• Режимную АРУ за счет изменения режима работы каскада по постоянному току,
• АРУ изменением эквивалентного сопротивления нагрузки,
• АРУ изменением глубины отрицательной обратной связи,
• АРУ изменением параметров цепей специально включаемых для целей регулировки.

Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) предназначена для предотвращения ухода частоты сигнала за пределы полосы пропускания селективного тракта приемника.

Характеристикой регулирования системы АПЧ называется зависимость остаточного отклонения частоты при замкнутом кольце АПЧ после завершения переходных процессов от начального отклонения частоты при разомкнутом кольце АПЧ.

Коэффициент автоподстройки частоты показывает, во сколько раз остаточное отклонение частоты меньше начального.

Удвоенное значение начального отклонения частоты, при котором система выходит из состояния автоподстройки, называется полосой удержания

Удвоенное значение начального отклонения частоты, при котором система входит в состояние автоподстройки, называется полосой захвата.

Особенностью системы ЧАПЧ является то, остаточное отклонение частоты равно нулю только при начальном отклонении равном нулю. Во всех остальных случаях остаточное отклонение частоты существует, но его можно сделать достаточно малым за счет увеличения коэффициента автоподстройки.

Особенностью система ФАПЧ является нулевое остаточное отклонение в пределах полосы удержания.

Контрольные вопросы по теме 6

1. Каково назначение автоматической регулировки усиления радиоприемника?

2. Начертите структурные электрические схемы прямой, обратной и комбинированной АРУ.

3. Что такое характеристика регулирования системы АРУ.

4. Как оценивается эффективность АРУ радиоприемника?

5. Каково назначение автоматической подстройки частоты?

6. Что понимают под характеристикой регулирования системы автоподстройки частоты?

7. Что такое полоса удержания системы АПЧ и что такое полоса захвата?

8. Начертите структурную электрическую схему системы ЧАПЧ.

9. Начертите структурную электрическую схему системы ЧФАПЧ.

10. Чем отличается фазовая автоподстройка частоты от частотной?

11. Зависимость коэффициента усиления К от регулирующего напряжения определяется следующим соотношением

, где К₀ =10⁶, а = 1 1/В.

1. Коэффициент передачи детектора АРУ равен K_д=0.9, коэффициент передачи фильтра АРУ равен K_ф = 0.5. Во сколько раз изменяется амплитуда напряжения на выходе додетекторного тракта приемника при изменении амплитуды входного напряжения от 1 мкВ до 1 мВ при простой обратной АРУ?

Контрольная карта ответов по теме 6

12. Амплитуда выходного напряжения изменится в 3,2 раза.

Список литературы по теме 6

1. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов./ Под редакцией Фомина Н.Н. М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 520с.: ил.

2. Колосовский Е.А. Устройства приема и обработки сигналов. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007.-456с.: ил.

3. Румянцев К.Е. Прием и обработка сигналов: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 528с.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: