X. РЕГУЛИРОКИ В РАДИОПРИЕМНИКАХ

10.1 Назначение и виды регулировок

К регулировкам радиоприемника относятся различные виды воздействия на органы его управления и искусственное изменение параметров его элементов в процессе эксплуатации, имеющие назначение обеспечить лучшие условия для приема нужных сигналов. Регулировки позволяют произвести первоначальную настройку радиоприемников на сигналы нужного передатчика с получением лучшего качества воспроизведения принимаемых сигналов при наименьшем воздействии помех. Далее регулировки обеспечивают сохранение наилучшего качества приема при изменениях принимаемого сигнала и при изменениях внешних условий - напряжения источников электропитания, температуры, т.д.

В зависимости от назначения приемника регулировки могут производится:

– вручную,

– автоматически,

– при помощи средств телемеханики.

Обычно настройка на нужную частоту сигнала и установление основных параметров выходного сигнала в наиболее массовых видах аппаратуры производится вручную.

В то же время, специальные профессиональные приемники на автоматизированных приемных радиостанциях магистральной связи могут по сигналу с передающей станции, из центрального телеграфа или других предприятий полностью автоматически включаться, настраиваться, настраиваться на нужные сигналы и обеспечивать устойчивую дальнейшую подачу принятых сигналов потребителям.

Выбор количества и типов органов управления и регулировок при проектировании радиоприемника зависит от назначения разрабатываемой аппаратуры.

К числу наиболее распространенных регулировок можно отнести следующие виды управления и регулировок:

– настройка и подстройка колебательных контуров (регулировка частоты),

– регулировка коэффициента усиления усилительных ступеней,

– регулировка полосы пропускания и избирательности усилителя промежуточной частоты.

Регулировка частоты. В процессе развития радиоприема большое значение приобрел вопрос о точности и стабильности настройки высокоизбирательных супергетеродинных радиоприемников. Частота гетеродина, а, следовательно, и частота принимаемого сигнала, подвержены изменениям, связанных с влиянием изменяющейся температуры на колебательные контуры, непостоянством питающих напряжений и т.д. Результаты таких расстроек сказываются в снижении чувствительности, увеличения влияния помех и искажений сигнала.

Сведение до минимума отклонения частоты гетеродина позволяет сузить полосу пропускания приемника и тем самым повысить его избирательность. Постоянный ручной контроль неудобен. Кроме того, в ряде случаев ( например, при однополосной модуляции) изменение частоты гетеродина даже на 15-20 Гц ведет к сильным искажениям сигнала. Поэтому в современных приемниках получили применение автоматические регулировки частоты гетеродина (АПЧ). АПЧ не только обеспечивают должную стабильность частоты гетеродина, и производит подстройку приемника в случае изменения частоты передатчика.

Регулировки усиления. Напряжение на входе радиоприемников может изменяться в значительных пределах (для радиовещания - 60 ДБ, для радиолокационных систем - 120 ДБ).

Чтобы обеспечить прием в таких условиях необходимо применять регулировки усиления. Обычно применяются автоматическая регулировка усиления. За счет ручной регулировки в этом случае добиваются требуемого выходного сигнала.

Регулировка избирательности.

При приеме сильных сигналов от близколежащих станций применяется широкая полоса, а при приеме слабых сигналов - узкая. Поэтому в приемнике предусматривается регулировка избирательности приемника. Регулировки этого рода часто осуществляется ручным способом. Однако, чтобы избежать дополнительной ручки управления частоты, применяют автоматическую регулировку полосы пропускания приемника и избирательности.

Встречаются и другие виды автоматических регулировок, однако перечисленные (особенно две первые) используются наиболее часто.

10.2 Автоматическая регулировка усиления (АРУ)

АРУ предназначена для поддержания уровня выходного сигнала приемного устройства или усилителя вблизи некоторого номинального значения при изменения уровня входного сигнала. Автоматическое выполнение этой функции необходимо потому, что изменение уровня входного сигнала могут происходить хаотически и достаточно быстро. Ручная регулировка используется лишь для установки выходного сигнала, который должен поддерживаться системой АРУ.

В радиосвязи напряжение сигнала на входе приемника может изменяться на 103 (60 ДБ), а в радиолокации - 105 (100 ДБ) и более.

Выходное напряжение приемника при этом не должно изменяться более чем в 1,2 - 3 раза ( 1,6 - 9,6 ДБ). Это требование диктуется как допустимыми искажениями информации в тракте приемника, так и отсутствием перегрузок его каскадов, могущим привести к длительным потерям чувствительности. При этом сама система АРУ не должна вызывать чрезмерных искажений огибающей сигнала или приводить к появлению паразитной амплитудной модуляции сигнала т.е. система АРУ должна быть устойчивой. Системы АРУ могут быть обратными и прямыми:

– обратные системы АРУ являются системами с обратными связями, в них точка съема напряжения для формирования регулирующего воздействия расположена дальше от входа приемника, чем точка приложения регулирующего воздействия. Эта система часто называется регулировкой "назад". Структурная схема регулировки этого типа приведена ниже.

Рис. 10.1 Структурная схема регулировки типа «назад»

– прямая система АРУ. Точка съема напряжения для системы АРУ расположена ближе ко входу приемника, чем точка приложения регулирующего воздействия. Эта система не образует петли обратной связи обратной связи и является системой регулировки "вперед". Структурная схема такой регулировки приведена на рисунке 10.2.

Рис. 10.2 Структурная схема системы регулировки тип «вперед»

Остановимся на достоинствах и недостатках указанных систем.

Достоинства обратной системы АРУ:

– система АРУ защищает от перегрузок все каскады приемника, расположенные дальше от входа, чем точка приложения регулирующего воздействия, а сами цепи АРУ находятся под воздействием сигнала со сжатым динамическим диапазоном и также не подвержены перегрузкам.

– система нечувствительна к изменениям коэффициента усиления системы, связанных со старением активных элементов.

Недостатки обратной АРУ:

– не могут дать полного постоянства выходного напряжения, т.к, оно является входным для системы АРУ и должно содержать информацию для соответствующего изменения регулирующего напряжения.

U_вых

Рис.10.3 Идеальная регулировочная характеристика

U_вх

– указанная система АРУ не может обеспечить одновременно большую глубину регулирования (стремление к идеальной амплитудной характеристике) и высокое быстродействие. Это связано с тем, что с увеличением коэффициента усиления в цепи обратной связи, связанную с необходимостью увеличения глубины регулирования, необходимо увеличивать постоянную времени фильтра в цепи обратной связи (уменьшать быстродействие системы) с тем, чтобы обеспечить устойчивость системы АРУ.

Прямые АРУ принципиально могут обеспечить идеальное регулирование, т.е. при , и сколь угодно высокое быстродействие. Однако практически это не достигается, т.к. степень постоянства выходного напряжения обусловлена конкретными данными элементов цепи АРУ и цепей приемного устройства, подверженных технологическим разбросам, временным и режимным изменениям.

Цепь АРУ "вперед" защищает от перегрузок только те каскады, которые расположены дальше от точки приложения регулирующего воздействия, и сама находится под воздействием сигнала с широким динамическим диапазоном, т.е. подвержена перегрузкам и должна содержать внутренние обратные связи. В этом случае система АРУ практически превращается в отдельный канал приемного устройства, не менее сложный, чем основной канал.

Все эти причины приводят к тому, что в настоящее время большое распространение получили обратные системы АРУ.

Очевидно, лучшие результаты может дать применение комбинированной системы АРУ, включающей в себя цепи прямой и обратной связи, с превалирующим влиянием обратной цепи АРУ.

Структурная схема комбинированной системы АРУ приведена на рисунке 10.4.

Таким образом, прямые регулировки усиления как правило используются лишь в быстродействующих системах или в комбинированных, где основной является обратная система АРУ.

ручная регулировка

Рис. 10.4 Структурная схема комбинированной системы АРУ

10.2.1 Обратная система АРУ

Различают:

– простую систему АРУ,

– усиленную систему АРУ,

– простую систему АРУ с задержкой,

– усиленную систему АРУ с задержкой.

Простая система АРУ включает детектор АРУ и фильтр. Структурная схема простой системы АРУ приведена на рисунке 10.5.

Рис. 10.5 Структурная схема простой обратной системы АРУ

U_вых

U_вх

Рис. 10.6 Регулировочная характеристика простой обратной АРУ

Как следует из представленной регулировочной характеристики, к недостаткам простой АРУ следует отнести:

– уменьшение выходного сигнала при слабых сигналах и малая глубина регулирования.

С целью устранения второго недостатка применяются усиленные системы АРУ, которые отличаются от простой системы АРУ тем, что в цепь обратной связи включается после детектора усилитель постоянного тока. В результате этого усиленная система АРУ обладает большей глубиной регулирования. Регулировочная характеристика указанной системы АРУ представлена на рисунке 10.6 под номером 2. Однако при применении усиленной системы АРУ в большей степени подавляются слабые сигналы.

С целью устранения подавления слабых сигналов применяются системы АРУ с задержкой. Суть систем АРУ с задержкой состоит в том, что пока сигнал на выходе не превышает некоторого порогового значения (напряжение задержки U_{задержки})система АРУ отключена. При превышении напряжения задержки включается система АРУ (либо простая (кривая 3) либо усиленная (кривая 4)).

Таким образом, наиболее близко к идеальной регулировочной характеристике приближается регулировочная характеристика усиленной системы АРУ с задержкой.

Регулировка обеспечивается либо изменением рабочей точки активного элемента, либо включением делителей напряжения между каскадами.

Изменение усиления за счет рабочей точки активного элемента обычно осуществляется за счет подачи управляющего напряжения либо в цепь базы, либо в эмиттерную цепь. Принципиальная схема каскада с регулированием по базовой цепи приведена на рисунке 10.7.

Как видно из приведенной схемы управляющее напряжение подается в цепь базы. Схема отличается малым потреблением мощности по управляющей цепи. В случае применения полевых транзисторов требуемая мощность управления малая (близка к нулю). Сопротивление в цепи эмиттера R_Э мало, чтобы устранить обратную связь по току, уменьшающую эффективность системы АРУ.

Применение управления по эмиттерной цепи позволяет развязать сигнальную и управляющие цепи. Однако в этом случае требуется большая мощность для управления усилением каскада. Принципиальная схема регулировки по цепи эмиттера приведена на рисунке 10.8.

В настоящее время достаточно часто усиление изменяется за счет включения между каскадами управляемых делителей. Структурная схема этого вида изменения усиления приведена на рисунке 10.9.

R

U_упр

Рис. 10.9 Структурная схема регулировки усиления

Делитель напряжения может состоять из постоянного сопротивления и нелинейного элемента, сопротивление которого и изменяется под действием управляющего напряжения (как это показано на рисунке 10.9). Кроме того, применяются делители, в которых нелинейные элементы включаются вместо постоянного напряжения, а постоянное сопротивление включается на место нелинейного элемента. В некоторых случаях оба плеча являются нелинейными элементами, и их сопротивление изменяется под действием управляющего сигнала. Подобные схемы обладают большим диапазоном регулирования.

В качестве нелинейных управляемых элементов используются:

– полупроводниковые диоды, p-i-n диоды (вариант включения показан на рисунке 10.10а),

– транзисторы (обычно полевые, вариант включения показан на рисунке 10.10 б).

а)

б)

Рис. 10.10 Принципиальные схемы нелинейных управляющих элементов

Применение управляемых делителей позволяет уменьшить нелинейные искажения при изменении коэффициента усиления, и эти схемы более просто реализуются на современной элементной базе.

По степени быстродействия регулировки усиления различают:

– инерционные АРУ,

– быстродействующие (мгновенные) АРУ,

– ключевые АРУ,

– временные АРУ,

– цифровые АРУ.

1. Инерционные АРУ.

Системы АРУ с большой постоянной времени цепи обратной связи (0,1с и более). То, что рассматривалось ранее, относится к этому виду регулировок усиления. АРУ этого типа используется в большенстве современных приемниках.

2. Быстродействующие (мгновенные) АРУ (БАРУ).

Этот вид АРУ применяется в радиолокационных приемниках и является эффективным средством борьбы с помехами, длительность которых превышает длительность сигнального импульса.

Принцип действия быстродействующей АРУ можно пояснить следующим образом. Если на приемник действует мощная помеха, то при отсутствии системы АРУ эта помеха перегружает приемник. При этом если одновременно с помехой на вход приемника поступает сигнальный импульс, то под действием помехи сигнал попадает на участок насыщения амплитудной характеристики приемника. В силу этого происходит подавление сигнала мощной помехой. Приведенные ниже осциллограммы процессов поясняют это явление.

U_вых U_вых

Таким образом, за счет перегрузки приемника происходит подавление сигнала (уменьшается отношение сигнал/помеха).

Для устранения этого и вводится быстродействующая АРУ. Постоянная времени цепи обратной связи выбирается равной (t_и – длительность сигнального импульса). На рисунке 10.11 пунктирными линиями показан характер переходных процессов в быстродействующей АРУ. Как видно из представленных графиков за счет системы АРУ повышается отношение сигнал/помеха, так как усиление сигнала происходит на линейном участке амплитудной характеристики приемника. Ввиду малой постоянной времени системы АРУ, последняя имеет следующие особенности. Цепью обратной связи охватывается только один каскад, чтобы избежать возбуждения усилителя за счет малой постоянной времени цепи обратной связи. С целью увеличения глубины регулирования используется несколько последовательно включенных каскадов, охваченных цепью обратной связи. Кроме того, для повышения эффективности системы АРУ в цепь обратной связи вводится усилитель постоянного тока. Структурная схема быстродействующей АРУ приведена на рисунке 10.12.

Рис. 10.12 Структурная схема быстродействующей АРУ

Таким образом, быстродействующие системы АРУ состоят из идентичных каскадов и являются эффективным средством с помехами, длительность которых значительно превышает длительность сигнального импульса.

3. Ключевая АРУ.

Этот тип регулировки используется в системах телеметрии и телевидения. Вид сигналов, используемый в таких системах, представлен на рисунке 10.13.

Рис. 10.13 Вид сигналов, используемый при регулировки быстродействующей АРУ

При передачи информации в таких системах необходимо сохранить масштаб передаваемой информации. Для привязки к масштабной сетке используются синхроимпульсы. Амплитуда синхроимпульсов в месте приема зависит лишь от условий распространения радиоволн. Уровни передаваемых сигналов по амплитуде привязываются к амплитуде синхроимпульсов, поэтому если на приемном конце восстановить уровень синхроимпульсов, то масштабированной окажется и вся передаваемая информация. Поэтому в таких системах требуемое усиление сигналов обеспечивается за счет работы системы АРУ по синхроимпульсам. Между синхроимпульсами коэффициент усиления не изменяется и остается постоянным.

Структурная схема ключевой АРУ представлена на рисунке 10.14.

синхроимпульсы

Рис. 10.14 Структурная схема ключевой АРУ

Таким образом, за счет применения ключевой АРУ не происходит искажения передаваемой информации.

4. Временная АРУ.

Указанная система АРУ применяется в радиолокационных приемниках. Как известно, отраженный от цели сигнал обратно пропорционален квадрату расстояния до цели в случае активной радиолокации и обратно пропорционален четвертой степени расстояния в случае пассивной локации. Поэтому динамический диапазон современных радиолокационных систем не редко бывает более 100 - 120 дБ. Кроме того, желательно, чтобы отраженные сигналы не зависели от расстояния до цели. Отраженный сигнал должен нести информацию о размерах цели. Поэтому для достижения указанных целей в радиолокационных приемниках применяются системы временной АРУ.

Так как в локационных системах приемник и передатчик находятся в непосредственной близости, то чувствительность приемника можно осуществлять за счет запуска синхроимпульсом передатчика специального генератора управляющего напряжения системы АРУ.

Структурная схема временной АРУ представлена на рисунке 10.15.

синхроимпульс от передатчика

Рис. 10.15 Структурная схема временной АРУ

Ниже приводятся осциллограммы, поясняющие работу системы АРУ.

З.И. сигнальные импульсы

З.И. – задающий импульс

управляющее напряжение АРУ

U_АРУ

К_УС

U_вых без системы АРУ

Рис. 10.16 Осциллограммы, поясняющие работу системы временной АРУ

Предположим, что на разных расстояниях находятся одинаковые цели. В этом случае сигналы на выходе приемника не должны зависит от расстояния и иметь одинаковую амплитуду. Вид управляющего напряжения показан на втором графике. Ниже приведен график изменения коэффициента усиления УПЧ во времени. За счет этого сигналы на выходе УПЧ имеют одинаковую амплитуду. Если бы временная система АРУ отсутствовала бы, то импульсы на выходе приемника имели бы различные амплитуды (характер процессов для этого случая показан пунктирными линиями).

5. Цифровые АРУ.

В последнее время для управления РЛС и обработки радиолокационной информации широко используются ЭВМ. Их можно использовать и для создания цифровой АРУ (ЦАРУ). Структурная схема цифровой АРУ представлена на рисунке 10.17.

DN

N_Э

Рис. 10.17 Структурная схема цифровой АРУ: АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ССК - схема сравнения кодов, СУЗ - схема усреднения и запоминания, ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь.

Работу цифровой АРУ можно пояснить следующим образом. Сигналы с видеоусилителя поступают на АЦП системы АРУ. Далее цифровой сигнал сравнивается с эталонным значением N_Э и на выходе системы сравнения кодов появляется цифровой сигнал рассогласования подается на ЦАП. На выходе ЦАП формируется аналоговый сигнал управления усилением приемника.

Цифровые системы АРУ имеют ряд преимуществ перед обычными аналоговыми системами:

– независимость длительности установления требуемого усиления от уровня входного сигнала,

– независимость регулировочных характеристик от разброса и конкретных свойств цепи АРУ и регулируемого усилителя (при полностью цифровом выполнении),

– возможность установления требуемого усиления после приема первого импульса сопровождения цели,

– астатизм (независимость от прихода импульса) и сохранения установленного усиления при перерывах в приеме сигналов.

10.3 Переходные процессы при автоматической

регулировки усиления

При проектировании АРУ особое место занимает выбор постоянной времени фильтра в цепи обратной связи. При слишком большой постоянной времени фильтра, АРУ оказывается неработоспособной при быстрых изменениях величины сигнала. Напротив, при слишком малой постоянной времени возможна демодуляция и искажения амплитудно-модулированных сигналов.

При проектировании сглаживающих фильтров необходимо иметь виду, что последствием неправильного выбора его схемы и параметров может явиться неустойчивость коэффициента усиления, и вместо стабилизации напряжения сигнала на выходе могут возникнуть сильные колебания этого напряжения. Поэтому для обеспечения нормальной работы автоматической регулировки усиления следует знать особенности нестационарных процессов в этой системе.

Рассмотрим упрощенную схему регулировки усиления, представленную на рисунке 10.18.

U₁ U₂

U_p=k_Дk_ФU₂ Дет. АРУ

k_ДU₂

Рис. 10.18 Упрощенная схема регулировки усиления

Коэффициент усиления регулируемого усилителя зависит от регулирующего напряжения . В установившемся режиме напряжение на выходе усилителя определяется выражением:

(10.1)

На основании приведенной схемы регулирующее напряжение, подаваемое на усилитель, определяется как:

(10.2)

где k_ф - коэффициент передачи фильтра, k_д - коэффициент передачи детектора АРУ.

В установившемся режиме обычно k_ф близко к единице. В первом приближении k_д также можно считать постоянным и близок к единице.

Рассмотрим поведение системы АРУ через некоторое время после скачкообразного увеличения напряжения U₁ на некоторую величину ΔU₁, причем будем полагать, что переходной процесс ко времени наблюдения закончился. В этом случае напряжение U₂ также возрастет на величину ΔU₂, что вызовет соответствующее увеличение регулирующего напряжения:

(10.3)

Соответственно измениться и коэффициент усиления регулируемого усилителя:

(10.4)

При малых ΔU_р последнее выражение можно разложить в ряд Тейлора и ограничиться первыми членами разложения, тогда коэффициент усиления можно представить в следующем виде:

(10.5)

где - положительный коэффициент, характеризующий чувствительность усилителя к изменению управляющего напряжения.

Таким образом, получаем:

(10.6)

Отсюда

(10.7)

Разрешая последнее выражение относительно приращения сигнала на выходе усилителя, получим:

(10.8)

Если , то из последнего получим:

(10.9)

При отсутствии автоматической регулировки мы имели бы:

(10.10)

Следовательно, коэффициент характеризует эффективность автоматической регулировки усиления. Нетрудно видеть, что обычно это сравнительно большой коэффициент, т.к. если напряжение на входе изменяется в сотни и тысячи раз, то напряжение на выходе возрастает в единицы раз. Следовательно, К_У измеряется десятками и сотнями. Это позволяет пренебречь единицей при определении коэффициента К_Р и считать, что:

(10.11)

При близости k_д и k_Ф к единице коэффициент регулирования можно определять по формуле:

(10.12)

Коэффициент регулирования К_Р имеет смысл в том случае, если изменение напряжения на выходе ΔU₂ приходит к установившемуся значению и теряет смысл, если нестационарные процессы в системе принимают характер длительных или незатухающих колебаний выходного напряжения.

Переходные процессы имеют место во всех звеньях системы автоматического регулирования, однако не везде они играют одинаковую роль.

Появление прироста напряжения на выходе усилителя вызывает прежде всего переходный процесс в цепи нагрузки детектора АРУ и в последующем сглаживающем фильтре. Обычно постоянная времени нагрузки детектора делается сравнительно малой, так что напряжение устанавливается здесь во много раз быстрее, чем на выходе фильтра. Такой выбор постоянной времени целесообразен при диодном детектировании потому, что процессы нарастания и спадания напряжения на нагрузке детектора происходят с неодинаковой скоростью (при заряде конденсатора нагрузки детектора скорость больше, чем при его разряде, т.к. заряд емкости происходит через малое сопротивление открытого диода, а разряд емкости через сопротивление нагрузки, которое намного больше внутреннего сопротивления диода детектора).

Следовательно, если бы переходные процессы в детекторе играли существенную роль, то система автоматического регулирования действовала по разному при положительных и отрицательных приращениях напряжения сигнала. Такие явления в системе регулирования нежелательны и нецелесообразны.

Переходными процессами в колебательных контурах усилителя промежуточной частоты можно пренебречь, так как полоса пропускания УПЧ во много раз больше, чем полоса пропускания фильтра обратной связи.

Поэтому основные переходные процессы связаны с переходными процессами в фильтре.

С учетом изложенного с учетом выражения (10.8) для исследуемой системы операторное дифференциальное уравнение, описывающее поведение сигнала на выходе, можно записать в следующем виде:

(10.13)

где k_Ф(р) - операторный коэффициент передачи фильтра, а р=a+jw .

Обычно в качестве фильтров используются следующие резистивно-емкостные структуры.

R₁ R₁ R₂

U_вх C₁ U_вх C₁ C₂ U_вых

а) б) в)

Рис. 10.19 Резистивно-емкостные фильтры. Схема а) соответствует однозвенному RC-фильтру, схема б) -двухзвенному RC-фильтру, схема с) - трехзвенному RC-фильтру.

Комплексный коэффициент передачи однозвенного RC-фильтра имеет вид:

(10.14)

В общем случае коэффициент передачи для n-звенных RC-фильтров можно записать следующим образом:

(10.15)

где а_k - коэффициент разложения.

Подставляя (10.15) в (10.13) получим:

(10.16)

или

(10.17)

Решение линейного дифференциального уравнения этого вида имеет показательную форму, причем показателями являются корни знаменателя, т.е. корни уравнения:

(10.18)

В случае применения однозвенного RC-фильтра характеристическое уравнение получает вид:

(10.19)

Откуда получаем корень уравнения:

(10.20)

Следовательно, переходный процесс будет экспоненциальным, апериодическим с постоянной времени:

(10.21)

Решение дифференциального уравнения запишем в следующем виде:

(10.22)

Следует отметить, что постоянная времени системы автоматической регулировки усиления не равна постоянной времени фильтра, меньше ее в К_Р раз (т.е. меньше ее в сотни раз).

Для схемы с двухзвенным RC-фильтром характеристическое уравнение имеет вид:

(10.23)

При корни характеристического уравнения являются комплексными числами, поэтому переходной процесс будет колебательным. При этом действительные части корней отрицательны и в системе возможны затухающие колебания.

Появление колебаний коэффициента усиления неблагоприятно отражается на качестве воспроизведения сигналов, поэтому их появление нежелательны. Чтобы избежать колебаний в системе АРУ требуется выполнение следующего условия .

В этом случае:

(10.24)

где .

Если необходимо получить высокий коэффициент регулирования К_Р и вместе с тем избежать колебаний коэффициента усиления, то следует делать постоянную времени одного из звеньев фильтра много больше постоянной времени другого звена.

В случае трехзвенного фильтра характеристическое уравнение получается третьего порядка. При этом возможен режим незатухающих колебаний и нормальная работа радиоприемного устройства становится при этом невозможной.

Поэтому при проектировании автоматической регулировки усиления в радиоприемниках, как правило, избегают применения сглаживающих фильтров более, чем с двумя звеньями.

10.4 Автоматическая подстройка частоты (АПЧ)

10.4.1 Принципы АПЧ. Разновидности системы АПЧ

Частоты колебаний, генерируемые задающим генератором передатчика и гетеродином приемника подвержены влиянию ряда дестабилизирующих факторов (изменение температуры, влажности, давления, питающего напряжения и т.д.).

В однокаскадных передатчиках, когда генератор непосредственно связан с антенной, сильное влияние оказывают условия согласования передатчика и антенно-фидерного тракта. При вращении антенны изменяется коэффициент стоячей волны (КСВ) тракта, а, следовательно, и реактивная нагрузка на генератор, и как следствие, изменяется частота генерируемых колебаний.

Существенное влияние оказывает обтекатель антенны, от которого отражается часть энергии, причем влияние обтекателя проявляется по разному при различных положениях антенны.

Нестабильности частоты передатчика и гетеродина заставляют расширять полосу пропускания приемника для обеспечения устойчивого приема. Расширение полосы пропускания приемника приводит к снижению помехозащищенности приемного устройства и снижает его чувствительность.

В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн при использовании магнетронных и клистронных генераторов нормальная работа радиолинии оказывается невозможной, т.к. общие уходы частоты передатчика и гетеродина во много раз превосходят полосу пропускания, согласованную с шириной спектра сигнала. Приведем некоторые оценки. На частоте 10 ГГц температурный коэффициент частоты клистрона и магнетрона имеет значение 0,1 - 0,2 МГц/град. Изменение напряжения на резонаторе отражательного клистрона на 1% вызывает отклонение генерируемой частоты на 1,2-2 МГц, изменение напряжения на отражателе на 1% приводит к изменению частоты на 2,5-3 МГц.

При сканировании антенны РЛС магнетронный передатчик изменяет частоту на +(15 - 20) МГц, причем скорость изменения частоты в режиме сопровождения доходит до 1000 МГц/с (при большой частоте сканирования). Ясно, что в этих условиях приемник практически расстроен настолько, что прием сигналов оказывается практически невозможным. На рисунке 10.20 представлено соотношение требуемой полосы пропускания, определенной с учетом нестабильностей частоты передатчика и приемника, и полосы пропускания приемника определенной исходя из спектра передаваемого сигнала.

требуемая полоса пропускания

мгновенный спектр сигнала

уходы частоты, связанные с нестабильностью частот

гетеродина и передатчика

Рис. 10.20 Соотношение требуемой полосы пропускания, определенной с учетом нестабильностей частоты передатчика и приемника, и полосы пропускания приемника определенной исходя из спектра передаваемого сигнала.

Таким образом, нестабильности частоты передатчика и гетеродина приводят к необходимости расширения полосы пропускания приемника, чтобы обеспечить уверенный прием сигналов.

С целью уменьшения требуемой полосы пропускания используются следующие методы:

– применение стабилизации частоты передатчика и гетеродина, за счет использования высокостабильных кварцевых автогенераторов;

– использование автоматической подстройки частоты гетеродина.

Системы АПЧ можно разбить на 2 класса в зависимости от признака , на основании которого вырабатывается сигнал ошибки:

– частотная система АПЧ (ЧАПЧ), в этой системе указанным выше признаком является отклонение частоты сигнала от переходной частоты частотного детектора;

– фазовая система АПЧ, этим признаком является - отличие фазы колебаний сигнала от фазы опорного колебания.

Особенностью системы ЧАПЧ является наличие статической ошибки регулирования по частоте, т.е. отличие частоты, генерируемой подстраиваемым генератором от частоты, которая точно соответствует эталонному значению. Система ЧАПЧ имеет широкий диапазон начальных расстроек, в котором она способна резко снижать расстройку генератора относительно эталонной частоты или частоты передатчика. Говорят, что ЧАПЧ имеет широкую область втягивания.

Особенностью системы ФАПЧ является нулевая статическая ошибка регулирования по частоте, т.е. равенство частот опорного генератора и сигнала или подстраиваемого генератора и эталонного генератора. Вместе с тем существует статическая ошибка регулирования по фазе. Системы ФАПЧ обычно имеют узкий диапазон начальных расстроек, в котором они осуществляют подстраивающее действие.

Для устранения этого недостатка такие системы обычно используются совместно с ЧАПЧ, причем система ФАПЧ вступает в работу тогда, когда система ЧАПЧ введет частоту в область втягивания системы ФАПЧ.

Системы АПЧ подразделяются на:

– системы абсолютной частоты;

– системы промежуточной частоты.

Системы абсолютной частоты поддерживают частоту колебаний гетеродина на заданной эталонной частоте. Функциональная схема такой системы АПЧ приведена на рисунке 10.21.

Рис. 10.21 Функциональная схема системы абсолютной частоты

В состав системы входят подстраиваемый генератор с управляемым элементом и цепи регулирования, включающая в себя частотный детектор, усилитель постоянного тока и фильтр нижних частот. В этом случае частота генератора стремиться к переходной частоте частотного детектора и не зависит от частоты передатчика.

Системы АПЧ промежуточной частоты поддерживают постоянство промежуточной частоты ( ) при уходе, как частоты передатчика, так и частоты гетеродина приемника.

Различают две разновидности систем АПЧ промежуточной частоты:

– одноканальная АПЧ;

– двухканальная АПЧ.

Наиболее часто используется одноканальная АПЧ промежуточной частоты. Структурная схема одноканальной АПЧ представлена на рисунке 10.22.

Рис. 10.22 Структурная схема одноканальной АПЧ

В петлю обратной связи входят смеситель, УПЧ, частотный детектор, фильтр нижних частот и генератор с управляющим элементом. Система АПЧ поддерживает постоянной разностную частоту между частотой входного сигнала и гетеродина, равной переходной частоте частотного детектора. В данном случае переходная частота равна номинальному значению промежуточной частоты.

Поскольку промежуточная частота ( ) зависит от частоты сигнала и гетеродина, то система АПЧ устраняет нестабильности обеих частот, поддерживая значение промежуточной частоты.

В тех случаях, когда передатчик расположен близко от приемника, применяются двухканальные системы АПЧ. В этом случае подстройку гетеродина производят под частоту излучаемого сигнала (например, в РЛС). При этом систему АПЧ строят так, чтобы канал АПЧ оказывался полностью автономным, не связанным с трактом прохождения сигнала в приемнике. Это повышает помехоустойчивость системы АПЧ за счет исключения возможности "увода" частоты гетеродинных колебаний мощным сигналом с плавно-изменяющейся частотой (что может иметь место при применении одноканальной АПЧ).

Структурная схема двухканальной АПЧ представлена на рисунке 10.23.

Рис. 10.23 Структурная схема двухканальной АПЧ. Принятые обозначения на рисунке : АП - антенный переключатель, УВЧ - усилитель высокой частоты, См - смеситель, УПЧ - усилитель промежуточной частоты, Дет - амплитудный детектор, Упр.э. - управляющий элемент, ФНЧ – фильтр нижних частот, ПРД - пердатчик, УПТ - усилитель постоянного тока, Ат - входной аттенюатор системы АПЧ, См.АПЧ и УПЧ_АПЧ - смеситель и усилитель промежуточной частоты системы АПЧ, ЧД частотный детектор.

Колебания сигнала с передатчика подаются на смеситель АПЧ через аттенюатор АТ. Далее следует кольцо автоподстройки, изменяющая частоту гетеродина. Гетеродин применяется как для основного канала, так и для канала АПЧ. Полоса пропускания УПЧ системы АПЧ должна быть достаточной для пропускания большей части спектра импульсного сигнала без существенных искажений. Обычно ее выбирают из условия . Смеситель АПЧ должен работать в режиме обеспечения слабого содержания гармоник промежуточной частоты в спектре выходного сигнала. Это необходимо для того, чтобы система АПЧ не оказалась вовлеченной в слежение за частотой гетеродина по одной из высших гармоник промежуточной частоты.

Поскольку мощность передатчика велика, то на смеситель АПЧ просачивается значительная мощность зондирующего сигнала (0,1-0,2 мВт). Управляемая мощность сигнала должна быть значительно больше этих значений. Обычно берут мощность на входе смесителя АПЧ равной (1 - 2) мВт и исходя из этого рассчитывается затухание аттенюатора Ат.

Для снижения содержания гармоник в спектре выходного колебания смесителя одно из образующих колебаний должно быть много слабее другого. В данном случае слабым является колебание гетеродина (Р_г = 0,4 - 0,5 мВт). При этом уровень второй гармоники составляет примерно -20 дБ по сравнению с уровнем первой гармоники и возможность неправильной работы системы АПЧ оказывается маловероятной. Кроме того, желательно применение балансных смесителей в каналах АПЧ, т.к. в них осуществляется сильное подавление четных гармоник выходного колебания.

Т.к. величина сигнала при указанных мощностях сигнала и гетеродина в системе АПЧ составляет обычно (0,2-0,4) вольта, то для получения требуемого сигнала на выходе ЧД на уровне (1-2) вольт требуемое число каскадов УПЧ системы АПЧ составляет 1-3.

4.4.2 Системы АПЧ при импульсных сигналах

По скорости протекания переходных процессов системы АПЧ можно подразделить:

– на инерционные;

– на быстродействующие;

– поисковые.

Эта квалификация применяется в основном при импульсных сигналах, т.к. длительность переходных процессов оценивается относительно длительности импульсного сигнала t_имп.

В системах БАПЧ (быстродействующей АПЧ) подстройка частоты гетеродина осуществляется за время действия одного импульса сигнала. Следовательно, Время протекания переходного процесса меньше длительности сигнального импульса. В промежутках между импульсами система АПЧ разомкнута и должна сохранять настройку гетеродина, установленную во время действия импульсного сигнала.

Функциональная схема системы БАПЧ представлена на рисунке 10.24.

Рис. 10.24 Функциональная схема системы БАПЧ

Нагрузочная цепь на выходе частотного детектора имеет малую постоянную времени и при воздействии на его входе радиоимпульсов ЧД вырабатывает видеоимпульсы, амплитуда которых пропорциональна разности частоты заполнения и переходной частоты ЧД, а полярность соответствует знаку этой разности. Эти видеоимпульсы усиливаются видеоусилителем и подаются на фиксирующую цепь (ФЦ). Последняя вырабатывает постоянное напряжение и поддерживает (фиксирует) его до прихода следующего импульса. Далее это напряжение через усилитель У подается на управляющий элемент гетеродина.

В инерционных системах АПЧ каждый сигнальный импульс вносит некоторую поправку в настройку гетеродина, приближая ее к исходному номинальному значению. Стационарное значение частоты гетеродина устанавливается в результате действия нескольких сигнальных импульсов, следующих на одной и той же несущей. Инерционность системы определяется постоянной времени фильтра и глубиной регулирования. Инерционная система АПЧ используется не только в импульсных системах.

Степень инерционности системы АПЧ в приемниках АМ-сигналов обусловлена только условиями устойчивости и может быть весьма малой.

В приемниках ЧМ-сигналов допустимое быстродействие системы АПЧ ограничено требованиями отсутствия демодуляции сигнала. Системы АПЧ в этих случаях должна устранять медленные паразитные изменения промежуточной частоты, но не должны отслеживать изменения, происходящие в соответствии с полезной частотной модуляцией. В этом отношении требования к системе АПЧ в приемниках ЧМ-сигналов аналогичны требованиям к системам АРУ в приемниках АМ-сигналов.

Каждая система АПЧ обладает ограниченной областью начальных расстроек, генерируемого гетеродином, частоты, от номинального значения, в пределах которой она резко снижает ошибку настройки.

При выходе начальной расстройки за пределы этой области система АПЧ перестает работать. Такие условия работы достаточно характерны, например, для РЛС сантиметрового диапазона волн с магнетронными передатчиками и клистронными гетеродинами. В этих случаях применяют поисковые системы АПЧ. Структурная схема поисковой АПЧ приведена на рисунке 10.25.

Рис. 10.25 Структурная схема поисковой АПЧ

Здесь ГП - генератор пилообразного напряжения, который при отсутствии внешнего воздействия генерирует пилообразное напряжение, перестраивающее частоту гетеродин в Г в максимально возможных пределах. Это позволяет найти такое значение частоты гетеродина, при котором появляется сигнал на выходе УПЧ. С приближением промежуточной частоты к переходной частоте ЧД амплитуда видеоимпульсов на его выходе сначала увеличивается, затем уменьшается и далее изменяется полярность импульсов. После этого начинается новый рост амплитуды. Когда амплитуда сигнала на выходе ЧД достигает определенного значения, фиксирующая цепь ФЦ вырабатывает постоянное напряжение, срывающего автоколебания генератора поиска и переводящего его в режим усиления постоянного напряжения.

Таким образом, прекращается поиск по частоте и осуществляется захват найденного значения частоты гетеродина, обеспечивающего близость промежуточной частоты к номинальному.

Эпюры напряжения, поясняющие работу поисковой системы АПЧ, можно представить следующим образом (см. рисунок 10.26).

f_гет

t

поиск удержание поиск удержание

Рис. 10.26 Эпюры напряжения, поясняющие работу поисковой системы АПЧ

При новом значительном уходе промежуточной частоты или прекращения приема сигналов система АПЧ переходит в режим поиска по частоте, при этом новый захват нужного значения частоты происходит за один или несколько циклов поиска. В качестве ФЦ может использоваться детектор видеосигналов (пиковый детектор).

Таким образом, в поисковой системе АПЧ чередуются режимы поиска частоты и удержания по частоте принимаемого сигнала.

10.4.3 Элементы системы АПЧ

В состав АПЧ входят ЧД, управляющие элементы, фильтры, усилители, которые в основном Вами были изучены ранее. Поэтому более подробно остановимся на управляющих элементах подстройки частоты гетеродина.

Все управляющие элементы можно подразделить:

– на электронные;

– электромеханические.

Электронные управляющие элементы отличаются безинерционностью, малым потреблением мощности от источника регулирующего напряжения, но обычно они не позволяют перестраивать гетеродин в широких пределах.

Для гетеродинов с отдельными колебательными системами основными видами управляющих элементов являются варикапы (варакторы) и реактивные транзисторы.

Варикап - полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении на p-n-переходе. Емкость варикапа изменяется в соответствии с приведенной ниже формулой:

(10.25)

где С_к(0) - емкость p-n-перехода при U=0, - модуль напряжения на p-n-переходе, j_к - контактная разность потенциалов (для кремния - 0,8 В).

График изменения емкости р-n-перехода от приложенного напряжения представлен на рисунке 10.27.

С_в

U

U_max U_min

Рис. 10.27 График изменения емкости р-n-перехода от приложенного напряжения

Пределы изменения емкости ограничены пробоем p-n-перехода (U_max) и выход на участок прямого детектирования с увеличением шунтирующего действия варикапа на перестраиваемый контур (U_min).

Добротность варикапа зависит от частоты. На низких частотах она определяется активным сопротивлением p-n-переехода ( , в данном случае большое сопротивление p-n-перехода подключается параллельно емкости контура), на высоких – объемным сопротивлением потерь полупроводника r_s, которое подключается на эквивалентной схеме последовательно емкости p-n-перехода ( ).

Имеется частота, на которой добротность варикапа максимальна Q_max. Значение Q_max может достигать несколько тысяч на частотах порядка единиц мегагерц и падает до нескольких десятков на частотах порядка 100 МГц.

Рис. 10.28 Эквивалентная электрическая схема

В качестве переменных емкостей могут использоваться обычные диоды при обратном смещении, а также емкости p-n-переходов транзисторов.

Управляющими элементами могут быть также реактивные транзисторы или реактивные лампы. Благодаря особой схеме включения в них создается отличный от нуля (или 180⁰) фазовый сдвиг между током и напряжением. В качестве реактивных элементов могут служить активные приборы с большим внутренним сопротивлением. Реактивное сопротивление таких устройств поддается регулированию от внешних управляющих напряжений.

Схема реактивного полевого транзистора приведена на рисунке 10.29.

а

б

Рис. 10.29 Схема реактивного полевого транзистора

Если выполняется условие, что , тогда проводимость приведенной выше схемы между точками a и б определяется следующей формулой:

(10.26)

где S - крутизна активного элемента в рабочей точке.

Ниже приводится таблица, из которой можно определить при каких значениях Z₁ и Z₂ получается та или иная реактивность.

Таблица 10.1

Реактивный транзистор подключается параллельно контуру гетеродина полностью или частично в зависимости от требуемого перекрытия по частоте и допустимого шунтирования контура проводимостью реактивного транзистора.

Электромеханические управляющие устройства отличаются значительной инерционностью, но позволяют получить автоподстройку в широком диапазоне частот. В этих системах в качестве исполнительного механизма обычно используется электродвигатель с редуктором, перемещающий ротор переменного конденсатора или вариометра, подстроечный плунжер объемного резонатора.

Электродвигатель является интегрирующим звеном системы АПЧ и в принципе придает ей астатические свойства, т.е. возможность сведения остаточной ошибки регулирования до нуля. Практически этому препятствует неизбежное влияние трения в подшипниках двигателя и редуктора.

Основной областью применения электромеханических управляющих устройств являются широкодиапазонные системы АПЧ малого быстродействия.

В качестве гетеродинов приемных СВЧ-устройств широкое применение находят отражательные клистроны и лампы обратной волны. Эти генераторные приборы не требуют специальных управляющих элементов, т.к. частота генерируемых ими колебаний зависит от напряжения на электродах.

Для отражательных клистронов наиболее удобно изменять регулирующее напряжение на отражателе. Это бестоковый электрод, не потребляющий мощности от источника регулирования U_р и сильно влияющий на частоту генерации.

Диапазоном электронной перестройки для этого случая считается диапазон Df_г, в пределах которого мощность гетеродина не менее 0,5Р_max. Эта величина для клистронных гетеродинов составляет

(10.27)

где f_г - центральная частота генерации, Q_н - нагруженная добротность резонатора клистрона.

Крутизна перестроечной характеристики климтрона f(U_обр)составляет доли мегагерц на вольт.

ЛБВ (лампы бегущей волны) - имеют большое перекрытие по частоте при изменении напряжения на замедляющей системе.

Для гетеродинных ЛБВ изменение напряжения от сотен вольт до единиц киловольт вызывает изменение частоты генерации в несколько раз. Подобного перекрытия по частоте не дают другие генераторные приборы. Следует отметить, что при этом частота генерации слабо зависит от характера нагрузки.

Крутизна регулировочной характеристики генераторов на ЛБВ равна доли-единицы МГц на вольт.

Следует отметить, что в последнее время стали широко использоваться гетеродина на лавинно-пролетных диодах, позволяющие осуществлять электронную перестройку частоты.

10.4.4 Регулировочные характеристики

Систему гетеродин-управляющее устройство принято описывать регулировочной характеристикой f_г(U_р), являющейся зависимостью частоты генерируемых колебаний от регулирующего напряжения в статическом режиме.

При анализе процессов в системе АПЧ регулировочную характеристику обычно линеаризуют и характеризуют ее крутизной регулировочной характеристики:

(10.28)

Иногда вместо абсолютного значения частоты берут или , где f_э - эталонное значение частоты.

Любые действия на частоту f_г отличные от воздействия U_р, перемещают регулировочную характеристику вдоль оси частот, вызывая начальную расстройку гетеродина Df_г (смещенная регулировочная характеристика показана на рисунке пунктирной линией).

Для нормальной работы системы АПЧ (для уменьшения ошибки настройки) необходимо обеспечить согласование по знаку крутизны частотного детектора S_чд и крутизны регулировочной характеристики. Для систем абсолютной частоты и промежуточной при необходимо, чтобы знаки S_чд и S_г были противоположными, т.е. . Для систем промежуточной частоты при наоборот требуется, чтобы (знаки одинаковы).

Фильтры системы АПЧ в основном аналогичны фильтрам системы АРУ. Чаще всего используются однозвенные RC-фильтры нижних частот.

10.4.5 Переходные процессы в системах АПЧ

и стационарный режим

Так же как и системе АРУ время установления t_У определяется следующим образом:

(10.29)

где - постоянная времени системы АПЧ, K_апч = S_чд S_г - коэффициент обратной связи.

Как видно из приведенных формул, здесь также как и для системы АРУ эквивалентная постоянная времени системы в (1+K_апч) раз меньше постоянной времени RC-фильтра.

Остановимся на графическом анализе систем АПЧ при больших расстройках по частоте. Для этого объединим в одной системе координат f,U_чд детекторную характеристику частотного детектора и регулировочную характеристику гетеродина.

При этом учтем, что в стационарном режиме (dU_p/dt =0) U_р=U_чд.

Предположим, что в начальный момент времени имелась начальная расстройка Df_нач между частотой гетеродина и f_{г ном}. При этом эта начальная расстройка сохранялась бы, если система АПЧ была отключена (U_p=0).

При включении системы АПЧ при данной расстройке напряжение на выходе частотного детектора не равно нулю, что приведет к изменению частоты гетеродина под действием управляющего сигнала, связанного с появлением напря