Все системы АРУ в зависимости от типа РУ делятся на режимные и не режимные.

 

 

Пусть РУ – это резонансный усилитель. Тогда :

 

| | _н |

где: S – крутизна активного элемента, Z_н - нагрузка

Таким образом, чтобы изменять усиление можно:

1. изменять крутизну активного прибора усилителя (получаем режимную АРУ):

2. изменять сопротивление нагрузки (получаем не режимную АРУ):

 

10.2. Основные характеристики и параметры системы АРУ

1. Основной характеристикой является амплитудная характеристика линейного тракта приемника.

и – определяют динамический диапазон ПРМ.

С применением системы АРУ динамический диапазон на линейном участке существенно расширяется, т.е. ПРМ не перегружается.

 

 

 

Для идеальной АРУ значение U_вых. должно приближаться к постоянному значению.

Чтобы АРУ не реагировало на шумы ПРМ, применяют задержанные системы АРУ.

В этой схеме детектор АРУ открывается только, когда:

В этом случае амплитудная характеристика ПРМ с задержанной системой АРУ выглядит следующим образом:

 

 

Преимущество АРУ с задержкой в том, что она не подвержена воздействию помех или слабых сигналов. При этом, в зависимости от напряжения задержки U₃ можно регулировать быстродействие системы АРУ - чем больше U₃, тем больше быстродействие.

10.3. Элементы системы АРУ

Любая система АРУ включает в себя:

Детектор АРУ – ничем не отличается от обычных диодных детекторов, которые используются в основном тракте ПРМ.

Поэтому часто детектор АРУ совмещают с детектором ПРМ.

Фильтр АРУ – обычно строится на базе RC - цепей.

Наиболее широко применяется однозвенный RC – фильтр:

 

Чтобы правильно выбрать параметры фильтра необходимо выполнить следующие условия:

1) _в > _max,

где: _max – максимальная частота закона изменения амплитуды

входного сигнала,

_в – верхняя граничная частота фильтра.

2) _в << W_min, где W_min - минимальная частота спектра полезного модулированного сигнала;

На практике применяются также двухзвенные RC –фильтры:

Такие фильтры применяются для повышения быстродействия системы АРУ.

Подбирая параметры фильтров, можно сделать так, чтобы сигнал проходил в фазе. Но эта структура фильтров приводит к меньшей устойчивости системы АРУ (в силу наличия в обратной связи двух интегрирующих звеньев).

Еще одна разновидность фильтра АРУ- пропорционально - интегрирующий фильтр:

Здесь меньший фазовый сдвиг на верхних частотах, т.е. система по сравнению с первой схемой более устойчива.

Регулируемый усилитель(РУ)

1. Режимный РУ.

На затвор транзистора (см. схему) подается регулирующее напряжение U_p.

Регулируя напряжение U_3И меняем крутизну стоко-затворной характеристики транзистора, а следовательно меняем его коэффициент усиления.

Глубина регулировки здесь:

В данной реализации система АРУ является не задержанной.

 

2. РУ с изменяемой глубиной ОС (тоже режимная регулировка).

На транзисторе V₁ собрана схема резонансного усилителя, а на - V₂ собрана регулируемая обратная связь. Коэффициент усиления транзистора V₂ регулируется изменением регулирующего U_p.

В общем виде коэффициент усиления усилителя охваченного цепью обратной связи записывается в виде:

где: K – коэффициент усиления усилителя на транзисторе V₁,а b - коэффициент передачи цепи обратной связи V_2.

Если обеспечить регулировку величины b (U_р) то => (U_р) - тоже величина переменная.

Достоинство этой регулировки по сравнению с первой схемой: больший динамический диапазон, и глубина регулировки тоже больше.

 

3. Не режимный РУ (электрически управляемый аттенюатор).

Строится на основе регулировки сопротивления нагрузки усилителя:

В качестве переменного сопротивления применяются диодные сборки. На схеме: если U_p= 0, то диоды открыты и коэффициент усиления максимален и наоборот.

Достоинство: простота. Недостаток: увеличение нелинейных искажений за счет применения диодов.

Глубина регулировки s = 25-30 дБ.

 

10.4. Статический режим (СР) работы АРУ

При анализе СР полагают, что переходные процессы закончены и система находится в установившемся состоянии.

Структурная схема системы АРУ в общем виде выглядит следующим образом:

 

Требуемое значение коэффициента изменения выходного напряжения определяется техническим заданием с учетом параметров демодулятора приемника:

 

В РУ изменяется значение коэффициента усиления K₀ в зависимости от величины U_p.

Из ТЗ на проектирование ПРМ Задается величина _max при этом

Для идеальной системы АРУ: b = 1.

При анализе статического режима работы АРУ определяется число регулируемых каскадов УПЧ (УРЧ): n.

В соответствии с ТЗ задается требуемая глубина регулировки усиления:

G_р = K_0max / K_0min = /

Задаемся типом РУ и определяем вид его регулировочной характеристики.

K_{0 нач} = K₀^max

tgY = K_apy = K_d K_p K_yc – определяет глубину регулировки на одном усилителе:

G_рi = K_0max / K_0min

Для всех регулируемых каскадов:

В результате число каскадов определяется как: n = G_р / G_рi (и округляем в большую сторону до целого числа).

При выборе числа РУ - n надо учитывать следующее:

1) РУ должны находиться как можно ближе к входу приемника, чтобы большее число каскадов ПРМ было защищено от перегрузок;

2) с возрастанием числа каскадов уменьшается величина глубины регулирования, которая требуется от каждого каскада, следовательно уменьшается искажения полезного сигнала.

Обычные для практики значения: n = 2 - 5.

 

10.5. Динамический режим (ДР) работы АРУ

При анализе ДР оценивается длительность переходных процессов в системе АРУ, ее инерционность (быстродействие) и ее устойчивость, чтобы оценить степень искажения полезного сигнала (его огибающей).

Анализ переходных процессов.

При этом полагаем:

1) РУ является безинерционным устройством;

2) все инерционности АРУ заключены в инерционности ее фильтра;

3) регулировочная характеристика РУ аппроксимируется прямой линией.

Анализ сводится к следующему: надо найти дифференциальное уравнение этой системы и его решение.

Уравнение РУ, как прямой линии:

K _p = K (U_p) = – U_p;

 

 

= tgY - крутизна регулировочной характеристики:

Выберем в качестве фильтра АРУ - однозвенный RC фильтр.

Примем коэффициент усиления РУ: К_ус = 1 - его как бы нет

 

Тогда дифференциальное уравнение RC фильтра системы АРУ запишется в виде:

- дифференциальное уравнение цепи обратной связи АРУ.

Найдем связь U_вх и U_вых:

 

К₀^начК^нр U_вх < E_з (АРУ разомкнута)

U_вых= U_вх

К₀^нр ( К₀^нач – U_р) U_вх > E_з (АРУ замкнута)

 

К₀^нр - коэффициент усиления нерегулируемой части УРЧ и УПЧ.

Из второго условия найдем отсюда U_Р:

 

,

U₁ - напряжение на входе фильтра

U₁ = К_АРУ (U_вых - Е_зад); К_АРУ º К_d K_ф K_ус

К_d - коэффициент передачи детектора.

Подставим U_p и U₁ в дифференциальное уравнение.

В результате, получим дифференциальное уравнение системы АРУ:

 

–

- это линейное дифференциальное уравнение первого порядка. Решение этого дифференциального уравнения зависит от закона изменения входного сигнала.

Для анализа переходных процессов на вход подается сигнал в виде скачка напряжения единичной амплитуды:

Тогда решение этого уравнения можно записать в виде: , где:

U_{вых нач} – начальное значение выходного напряжения:

U_{вых нач} = K_{0 нр} K_{0 нач} U_вх

m - эквивалентный коэффициент усиления цепи АРУ: m = К₀^нр S_р К_АРУ U_вх

t_АРУ - постоянная времени цепи АРУ, которая определяется в виде:

График переходных процессов в системе АРУ:

 

 

При t ® ¥:

 

Анализ этого выражения показывает, чем ­ Е_3, тем ­ U_вых ^уст; Е₃₁ > E₃₂

 

Таким образом, быстродействие системы АРУ зависит:

1. от величины нерегулируемых коэффициентов усиления (чем больше эта величина, тем меньше t и тем выше быстродействие);

2. от величины коэффициента усиления цепи АРУ (чем выше K_АРУ, тем больше крутизна следовательно меньше t_АРУ следовательно больше быстродействие);

3. от амплитуды входного сигнала (чем больше U_вх., тем меньше t, тем больше быстродействие, будет круче спадать exp.);

4. от постоянной времени фильтра t_ф = С_фR_ф (чем больше t_ф, тем больше t_АРУ следовательно, меньше быстродействие);

5. от величины E_з (чем больше E₃, тем больше инерционность АРУ).

10.6. Устойчивость системы АРУ

Анализ устойчивости нужен только для обратных систем АРУ.

 

Причина неустойчивости: так как есть ОС, то может оказаться, что фазы U_p и U_вх совпадают, следовательно, возможна генерация в системе АРУ. Эта неустойчивость выражается в том, что в выходном напряжении системы будет присутствовать паразитная амплитудная модуляция вплоть до генерации автоколебаний.

Система будет неустойчивой только при условии, что U_вх ¹ 0. .

Можно проанализировать устойчивость системы АРУ по критерию Найквиста.

При этом нужно разорвать цепь ОС.

Тогда определяем коэффициент передачи тракта:

b = U_ф/U_вых - коэффициент передачи цепи ОС (цепи АРУ).

Для обеспечения устойчивости системы с ОС в соответствии с критерием Найквиста должно выполняться два условия:

1. |Kb| < 1 – коэффициент передачи всей замкнутой системы.

2. Фазовый сдвиг в системе не равен 2n: Y_кb ¹ 2n

 

Если какое-то одно из условий не выполняется, то генерации не будет и система с ОС будет устойчивой.

Система с однозвенным фильтром почти всегда устойчива, так как второе условие не выполняется. В таком фильтре максимальный фазовый сдвиг равен 90^0.

10.7. Особенности работы АРУ в приемниках

импульсных сигналов

Как отмечалось выше АРУ делятся на инерционные и безинерционные.

1. Инерционные системы АРУ.

В таких АРУ должно выполнятся условие: t_АРУ >> Т_п, где Т_п – период повторения импульсов. Тогда характеристики такой АРУ аналогичны характеристикам АРУ для ПРМ непрерывных сигналов.

В качестве примера рассмотрим импульсную АРУ в ПРМ РЛС, решающую задачу обнаружения и сопровождение цели по дальности и угловым координатам:

На рисунке обозначено: ВУ - видеоусилитель; СК - стробирующий каскад, открывающийся строб-импульсами передатчика. Выход СК используется для ССУК – схемы слежения по угловым координатам; ЗИ - зондирующие импульсы передатчика; ОИ - отраженные от цели импульсы. U_р - пропорционально последовательности видеоимпульсов: U_вх^АРУ*.

АРУ реагирует на изменения среднего значения огибающей входного сигнала, поэтому t_АРУ выбираем из условия: t_АРУ >> t_и. С другой стороны эта величина должна быть гораздо меньше максимальной задержки отраженного сигнала: t_АРУ << t_оn,

Весь остальной расчет аналогичен расчету системы АРУ для непрерывных сигналов.

 

2) Безинерционные системы АРУ (БАРУ).

Применяются в соответствии с назначением самой радиосистемы: например, АРУ приемника самолетного ответчика; АРУ приемника РЛС обнаружения.

Для этих АРУ различают два режима работы:

1) t_БАРУ > t_и ; 2) t_БАРУ < t_и,

Рассмотрим первый режим:

t_БАРУ > t_{и ,} следовательно сигнал проходит при максимальном усилении.

ОИ – отраженный импульс от цели

ПИ – помеховый импульс

То есть система БАРУ решают еще задачу по борьбе с импульсными помехами:

 

Рассмотрим второй режим: t_БАРУ < t_и

 

 

Сигнал имеет переменные амплитуду U₀ и длительность импульса. Нужно так выбирать t_БАРУ, чтобы U_0вых было постоянным независимо от значений U₀ и t_и. Главная задача здесь – это выделить сигнал и сформировать на выходе сигнал с постоянной U_0вых.

Это более быстродействующая система, чем первая.

В периоды между импульсами обе системы БАРУ не работают - они разомкнуты, то есть это системы дискретные во времени.