Исследование системы автоматической регулировки усиления: Учебно-методическое пособие

Ф Е Д Е РАЛ Ь Н О Е АГ Е Н Т С Т В О П О О БРАЗО В АН И Ю Г О С У Д АРС Т В Е Н Н О Е О БРАЗО В АТ Е Л Ь Н О Е У ЧРЕ Ж Д Е Н И Е В Ы С Ш Е Г О П РО Ф Е С С И О Н АЛ Ь Н О Г О О БРАЗО В АН И Я «В О РО Н Е Ж С КИ Й Г О С У Д АРС Т В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РС И Т Е Т »

И С С Л Е ДО В А Н И Е С И С Т Е М Ы А В Т О М АТ И Ч Е С К О Й РЕ ГУ Л И РО В К И У С И Л Е Н И Я

У чеб н о-методическоепособ ие

С пециальн ость010801 (013800) - “Радиоф из икаи электрон ика”

В О РО Н Е Ж 2005

2

У тверж ден о н аучн о-методическим советом ф из ического ф акультета 05.07.2005 протокол № 7

С оставители:

П арф ен ов В .И ., Зах аров А.В .

П особ ие подготовлен о н а каф едре радиоф из ики ф из ического ф акультета В орон еж ского государствен н ого ун иверситета. Рекомен дуется для студен тов 3 курса дн евн ого отделен ия и студен тов 4 курса вечерн его отделен ия специальн ости 010801 (013800) - Радиоф из ика и электрон ика

3

1. Т еорет и ч еск а я ч а ст ь 1.1. О бщ и е при нци пы А РУ С истема автоматической регулировки усилен ия (АРУ ) предн аз н ачен а для об еспечен ия малых из мен ен ий уровн я сигн ала н а вых оде усилителя приемн ика при б ольш их из мен ен иях уровн я сигн ала н а его вх оде б ез из мен ен ия з акон амодуляции сигн ала. В то время как дин амический диапаз он из мен ен ия вх одн ых сигн алов весьма велик и мож ет достигать 60-100 dB, для н ормальн ой раб оты окон ечн ых каскадов и вых одн ых устрой ств радиоприемн ика диапаз он из мен ен ия вых одн ых сигн алов н е долж ен превыш ать 3-9 dB. В противн ом случае воз н икн етперегруз ка, которая мож етн е только привести к искаж ен ию передаваемой ин ф ормации, н о и н а з н ачительн ое время выз вать полн ую потерю чувствительн ости радиоприемн ого устрой ства. И меется мн ого причин , из -з акоторых уровен ьвх одн ого сигн алан епрерывн о из мен яется: из мен ен иерасстоян ия меж ду источн икомиз лучен ия и приемн ым устрой ством; из мен ен ие условий распростран ен ия радиоволн ; ин терф ерен ция радиоволн , приш едш их в точку приема по раз н ымпутям; из мен ен иевз аимон аправлен н ости приемн ой и передаю щ ей ан тен н и др. В радиолокации к этим причин ам доб авляю тся ф луктуации эф ф ективн ой отраж аю щ ей поверх н ости цели, смен а целей с раз личн ыми эф ф ективн ыми поверх н остями и т. д. П о х арактеру выполн яемых з адач системы АРУ делятся н а 3 группы: - ин ерцион н ые, следящ иез аиз мен ен ием средн его уровн я вх одн ого сигн ала, примен яемые, в осн овн ом, в радиовещ ательн ых приемн иках ; - б ез ын ерцион н ые, следящ ие з а из мен ен ием мгн овен н ого з н ачен ия амплитуды вх одн ого сигн ала (М АРУ – мгн овен н ая АРУ ), примен яемые, н апример, в радиолокации; - программн ые, сз аран еез адан н ымвремен н ымз акон омрегулировки (В АРУ ), использ уемые при приеме серий импульсн ых сигн алов с из вестн ым, периодически повторяю щ имся распределен ием уровн ей во времен и. С истемы АРУ могутб ытьпостроен ы по прин ципу п рямого, об рат н огои к омб ин ирован н огорегулирован ий . 1. С истем а А Р У с прям ы м регул ирование м (прям ая А Р У ). В системах АРУ с прямым регулирован ием коэф ф ициен т усилен ия регулируемого тракта (усилителя) определяется его вх одн ым сигн алом u В Х (t ) и н е з ависит от вых одн ого сигн ала u В Ы Х (t ) регулируемого тракта (усилителя). Блок-сх ема регулируемого тракта с прямой АРУ показ ан а н а рис. 1.1. Здесь усилительн ый тракт (У Т ) – это усилитель с регулируемым коэф ф ициен том усилен ия K. О н предн аз н ачен для усилен ия вх одн ого сигн ала u В Х (t ) б ез искаж ен ий . В качестве усилительн ого тракта в радиоприемн ых устрой ствах могутрассматриваться усилители высокой частоты (У В Ч),

4

усилители промеж уточн ой частоты (У П Ч) или усилитеu вх u вых ли н из кой частоты (У Н Ч). У Т Коэф ф ициен т усилен ия K регулируемого У Т з ависит у Uр от величин ы управляю щ его Д етектор н апряж ен ия U Р (t ) , подаваеАР У мого н а управляю щ ий вх од “у” усилителя (рис.1.1). Чем У силитель б ольш е управляю щ ее н апряАР У ж ен ие U Р (t ) , тем мен ьш е Р ис.1.1 коэф ф ициен тусилен ия K регулируемогоУ Т . Регулирую щ еен апряж ен иеU Р (t ) ф ормируется спомощ ью петли регулирован ия АРУ . П етля регулирован ия АРУ н арис.1.1 состоитиз усилителя АРУ и детектораАРУ . В х од петли регулирован ия АРУ подклю чен ко вх оду регулируемогоУ Т , поэтому регулирую щ еен апряж ен иеU Р (t ) ф ормируется из вх одн ого сигн алаУ Т . У силитель АРУ осущ ествляетпредварительн оеусилен иевх одн ого сигн ала u В Х (t ) , адетектор АРУ выделяетамплитуду усилен н ого вх одн ого сигн ала и ф ормирует пропорцион альн ое ей регулирую щ еен апряж ен иеU Р (t ) . Е сли амплитуда U В Х вх одн ого сигн ала u В Х (t ) регулируемого У Т воз растает, то воз растает и управляю щ ее н апряж ен ие U Р , ф ормируемое петлей регулирован ия АРУ . Т огда коэф ф ициен т усилен ия K регулируемого У Т умен ьш ается. Э то приводитк з амедлен ию ростаамплитуды U В Ы Х вых одн ого сигн ала u В Ы Х (t ) регулируемого У Т при увеличен ии амплитуды U В Х его вх одн ого сигн ала. П ри б ольш их коэф ф ициен тах усилен ия KA усилителя АРУ амплитуда U В Ы Х вых одн ого сигн алаУ Т спрямой АРУ мож ет даж еумен ьш аться сувеличен иемамплитуды U В Х вх одн ого сигн ала. Н а рис.1.2 приведен ы примеры амплитудн ой х арактеристики регулируемого У Т с прямой АРУ (кривые2-4). Здесьпод амUвых 1 3 плитудн ой х арактеристикой пон имается з ависи2 мость U В Ы Х = f (U В Х ) амплитуды U В Ы Х вых одн ого 4 сигн ала У Т от амплитуды U В Х его вх одн ого сигн ала. UA Uвх Д ля сравн ен ия кривой 1 н а рис.1.2 показ ан а амплитудРис.1.2 н ая х арактеристикарегулируемогоУ Т б ез петли регулирован ия АРУ (сотклю чен н ой АРУ ).

5

Кривая 2 н а рис.1.2 соответствует с лучаю идеальн ого регулирован ия, когда величин а U В Ы Х постоян н а и н е мен яется при из мен ен иях величин ы U В Х , б ольш ей з адан н ого з н ачен ия U А . И деальн ая амплитудн ая х арактеристика об ычн о достигается при определен н ом коэф ф ициен те усилен ия K А усилителя АРУ , б лиз ком к коэф ф ициен ту усилен ия K регулируемого У Т . П ри н едостаточн ом коэф ф ициен те усилен ия K А амплитудн ая х арактеристика приоб ретает вид воз растаю щ ей кривой 3. В этом случае амплитуда U В Ы Х вых одн ого сигн ала У Т воз растает с увеличен ием амплитуды U В Х вх одн ого сигн ала. П ри из б ыточн омкоэф ф ициен теусилен ия K А амплитудн ая х арактеристика приоб ретает вид падаю щ ей (при U В Х ≥ U А ) кривой 4. ЗдесьамплитудаU В Ы Х вых одн ого сигн алаУ Т умен ьш ается сувеличен ием амплитуды U В Х ≥ U А вх одн огосигн ала. Т аким об раз ом, прямая система АРУ мож ет об еспечить идеальн ое регулирован ие. О дн ако для этого следует об еспечить стаб ильн ость коэф ф ициен та усилен ия K А усилителя АРУ , который долж ен б ыть б ольш им, что приводитк услож н ен ию сх емы регулируемого У Т сАРУ . Крометого, АРУ с прямым регулирован ием н епосредствен н о н е кон тролирует амплитуду U В Ы Х вых одн ого сигн алаУ Т . С ледовательн о, такая АРУ н екомпен сирует из мен ен ия амплитуды U В Ы Х вых одн ого сигн ала, выз ван н ые н естаб ильн остью параметров регулируемого У Т , параз итн ыми воз дей ствиями н а У Т и др. П оэтому система АРУ с прямым регулирован ием в чистом виде н а практикен еиспольз уется. 2. С истем а А Р У с обратны м ре гул ирование м (обратная А Р У ). В системах АРУ соб ратн ымрегулирован иемкоэф ф ициен тусилен ия K регулируемого тракта (усилителя) определяется его вых одн ым сигн алом u В Ы Х (t ) . Блок-сх ема регулиuвх uвых руемого тракта с об ратн ой У Т АРУ показ ан ан арис. 1.3, где н аз н ачен ие элемен тов сх емы ан алогичн о сх еме прямой у Uр АРУ (рис.1.1). В отличие от системы с прямой АРУ Д етектор (рис.1.1) з десь точка съема АРУ сигн ала для ф ормирован ия управляю щ его н апряж ен ия U Р (t ) располож ен а н е н а Рис.1.3 вх оде, а н а вых оде регулируемого У Т . П етля регулирован ия АРУ , содерж ащ ая детектор АРУ н а рис.1.3, ф ормирует управляю щ ий сигн ал U Р (t ) из вых одн ого сигн ала u В Ы Х (t ) регулируемогоУ Т . Е сли амплитуда U В Ы Х вых одн ого сигн ала u В Ы Х (t ) регулируемого У Т воз растает, то воз растает и управляю щ ее н апряж ен ие U Р , ф ормируемое

6

петлей регулирован ия АРУ . Т огда коэф ф ициен т усилен ия K регулируемого У Т умен ьш ается. Э то приводит к умен ьш ен ию амплитуды U В Ы Х вых одн ого сигн ала регулируемого У Т . П о сущ еству рассматриваемый з десь регулируемый У Т с об ратн ой АРУ представляет соб ой устрой ство с об ратн ой связ ью (О С ) по уровн ю вых одн ого сигн ала. П оэтому в системе с об ратн ой АРУ амплитудн ая х арактеристика U В Ы Х = f (U В Х ) всегда воз растает (имеет полож ительн ый н аклон ), как иллю стрирует кривая 3 н а рис.1.2. О дн ако н аклон амплитудн ой х арактеристики мож етб ытьн еб ольш им, так что степен ьприб лиж ен ия к идеальн ой х арактеристике (кривая 2 н а рис.1.2) мож ет б ыть достаточн о высокой . 3. С истем а А Р У с ком бинированны м ре гул ирование м (ком бинированная А Р У ). В рядеслучаев системаАРУ соб ратн ымрегулирован ием, в силу н аличия петли об ратн ой связ и, мож ет потерять устой чивость. Д ля повыш ен ия устой чивости раб оты системы АРУ соб ратн ой связ ью использ уется АРУ с комб ин ирован н ымрегулирован ием. Блок-сх емарегулируемого трактаскомб ин ирован н ой АРУ показ ан ан а рис. 1.4. Здесь усилительн ый тракт раз делен н а два усилительн ых б лока – У С 1 и У С 2. П ервый усилительн ый б лок (У С 1) ох вачен петлей регулирован ия об ратн ой АРУ , ан алогичн ой рис.1.3. Коэф ф ициен т усилен ия б лока У С 1 определяется амплитудой U 1 его вых одн ого сигн ала u1 (t ) . Амплитуда U1 вых одн ого сигн ала б лока У С 1 воз растает с увеличен ием амплитуды U В Х вх одн ого сигн ала u В Х (t ) , как и для об ратн ой АРУ , согласн о кривой 3 н арис.1.2. У Т u вх

У С1

u1

у U р1

У С2

u вых

у Д етектор АР У

U р2

Р ис.1.4

В торой усилительн ый б лок (У С 2) имеет систему АРУ с прямым регулирован ием, ан алогичн ую рис.1.1. Коэф ф ициен т усилен ия б лока У С 2 определяется амплитудой U1 его вх одн ого сигн ала u1 (t ) . П араметры прямой АРУ выб ираю тся так, чтоб ы об еспечитьпадаю щ ую амплитудн ую х арактеристику б лока У С 2 (кривая 4 н а рис.1.2). В рез ультате, амплитуда U В Ы Х вых одн ого сигн ала б лока У С 2 умен ьш ается с увеличен ием амплитуды U1 вх одн огосигн ала u1 (t ) этого б лока.

7

П одб ирая параметры прямой и об ратн ой АРУ , мож н о доб иться, чтоб ы об щ ая амплитудн ая х арактеристикарегулируемого У Т скомб ин ирован н ой АРУ б ылаб лиз как идеальн ой (кривая 2 н арис.1.2). В этом случае амплитуда U В Ы Х вых одн ого сигн алаУ Т приб лиз ительн о постоян н апри из мен ен иях амплитуды U В Х вх одн ого сигн алапри U В Х ≥ U A . О тметим, что в структурн ых сх емах рассмотрен н ых систем АРУ (рис. 1.1, 1.3, и 1.4) предполагалось, что соответствую щ ие детекторы АРУ в качестве н агруз очн ых цепей имею т ф ильтры н иж н их частот (Ф Н Ч). Т акие ф ильтры придаю т цепям АРУ н еоб х одимую ин ерцион н ость, об условлен н ую как сооб раж ен иями устой чивости, так и условием отсутствия демодуляции АМ -сигн алов. 1.2. О сновны е па ра мет ры си ст емы А РУ Д ля описан ия систем АРУ н аиб олее часто использ ую тся следую щ иех арактеристики: - к оэффиц иен т регулирован ия – γ, равн ый отн ош ен ию дин амического диапаз он а α из мен ен ий уровн я вх одн ого сигн алак допустимому дин амическому диапаз он у β из мен ен ий уровн я вых одн ого сигн ала: γ =α/β . (1.1) Е сли об оз н ачить U âõmin и U âõmax – з н ачен ия мин имальн ой и максимальн ой амплитуд вх одн ого сигн ала, а U âûõmin и U âûõmax – соответствую щ иез н ачен ия мин имальн ой и максимальн ой амплитуд вых одн ого сигн ала, то α = U âõmax /U âõmin , β = U âûõmax /U âûõmin и, следовательн о, ⋅U U γ = âõmax âûõmin . Зн ачен иеγ часто з адается в дециб елах : U âõmin ⋅ U âûõmax γ = 20 ⋅ lg[U âõmax / U âõmin ] − 20 ⋅ lg[U âûõmax / U âûõmin ] [dB]; - амп лит удн ая харак т ерис т ик а – з ависимость U âûõ = f (U âõ ) амплитуды U âûõ вых одн ого н апряж ен ия регулируемого усилителя отамплитуды вх одн ого сигн ала U âõ (вместо амплитуд вх одн ого и вых одн ого сигн алов мож н о рассматривать их

эф ф ективн ые з н ачен ия U âûõ / 2

и

U âõ / 2 ); - п ередат очн ая фун к ц ия п ет ли регулирован ия АР У – з ависимость U p = f (U âõ ) для прямой АРУ и U p = f (U âûõ ) – для об ратн ой АРУ ;

- регулировочн ая харак т ерис т ик а – з ависимость K = f (U ð ) коэф ф ициен таусилен ия регулируемого усилителя по н апряж ен ию отвеличин ы регулирую щ егон апряж ен ия U ð или тока I ð ; - время ус т ан овлен ия ( t ó ) – ин тервал времен и от момен та вклю чен ия вх одн ого сигн ала U âõ = U âõmax до момен та времен и, когда амплитуда вых одн ого н апряж ен ия достигаетвеличин ы U âûõ = 0.9 ⋅ U âûõmax .

8

1.3. Т и пы си ст ем А РУ с обра т ны м регули рова ни ем Как уж е отмечалось выш е, н аиб ольш ее распростран ен ие получили системы АРУ с об ратн ым регулирован ием. В то ж е время, кроме простой об ратн ой АРУ , рассмотрен н ой ран ее, н а практике использ ую тся следую щ иераз н овидн ости об ратн ой АРУ : АРУ сз адерж кой и АРУ сз адерж кой и усилен ием. Рассмотримэти раз н овидн ости АРУ б олееподроб н о. О тметим, что в об щ ем случаев систему АРУ вх одятрегулируемые элемен ты, амплитудн ый детектор, ф ильтры и дополн ительн ые усилители (вклю чаемые до детектора АРУ или после н его). С пециф ическими з десь являю тся регулируемые элемен ты. О б ычн о примен яю т чисто электрические методы регулирован ия. О сн овн ыми из н их мож н о считать следую щ ие: - из мен ен ие усилительн ых параметров активн ых приб оров путем прилож ен ия регулирую щ его н апряж ен ия к их электродам (при этом из мен яется реж имраб оты активн ого приб ора); - использ ован ие аттен ю аторов, вклю чаемых в тракт прох ож ден ия сигн алаи управляемых регулирую щ имн апряж ен ием; - примен ен ие управляемых цепей отрицательн ой об ратн ой связ и. П ри этом регулирую щ ее н апряж ен ие воз дей ствует н а элемен ты, определяю щ иекоэф ф ициен тпередачи цепи об ратн ой связ и, что приводитк из мен ен ию усилен ия усилителя, ох вачен н ого отрицательн ой об ратн ой связ ью ; - из мен ен ие н агруз очн ых сопротивлен ий усилительн ых каскадов путем примен ен ия управляемых сопротивлен ий – диодов, тран з исторов и др. u вх (t)

u вых (t)

У Uр

у

Rф

АД

Cф Р ис.1.5

1. П ростаяоб ратнаяА РУ С х емап рос т ой об рат н ой АР У, приведен н ая н арис. 1.5, вклю чаетв себ я амплитудн ый детектор (АД ), регулируемый усилитель (У ) и ф ильтр н из кой частоты (Ф Н Ч) первого порядка н а элемен тах Rф и С ф . Здесь вых одн оен апряж ен иеUвых (t) через петлю об ратн ой связ и, вклю чаю щ ую в себ я АД и Ф Н Ч, поступает н а управляю щ ий вх од “у” усилителя У , смещ ая раб очую точку и из мен яя крутиз н у вх одн ого каскадаусилителя и, соответствен н о, его коэф ф ициен тусилен ия. О тметим, что Ф Н Ч выделяетпостоян н ую составляю щ ую U p вых одн ого н апряж ен ия АД Uвых , спомощ ью которой и осущ ествляется регулирован ие. Т ак, если уровен ь вх одн ого сигн ала увеличивается, а следовательн о, увеличивается и уровен ь вых одн ого сигн ала, то величин а регулирую щ его н апряж ен ия Up такж е увеличивается.

9

Э то приводитк умен ьш ен ию крутиз н ы вх одн ого каскада, аследовательн о, и к умен ьш ен ию коэф ф ициен та усилен ия по н апряж ен ию усилителя У . Чемб ольш еуровен ьвх одн ого сигн ала, теммен ьш еусилен ие. Н апряж ен ие, подводимое к управляю щ ему вх оду регулируемого усилителя, ф ильтруется цепью Rф Сф , чтоб ы исклю читьвторичн ую модуляцию . П од вторичн ой модуляцией з десь пон имается параз итн ая амплитудн ая модуляция, об условлен н ая, в осн овн ом, н аличием з амиран ий в кан але связ и. П ри этом об ычн о мин имальн ый период з амиран ий сигн ала Tçàìmin н амн ого превыш ает максимальн ый период полез н ой (амплитудн ой ) модуляции сигн ала Tmax . Д ля лучш ей ф ильтрации н еоб х одимо постоян н ую времен и ф ильтравыб ратьз н ачительн о б ольш емаксимальн ого периодамодуляции усиливаемого сигн ала, т.е. Rô ⋅ Ñô >> Tmax = 2π / Ω min , (1.2) гдеΩ min – мин имальн ая частотамодуляции сигн ала. О дн ако при из б ыточн ой постоян н ой времен и Ф Н Ч н апряж ен ие н а его вых оде н е успевает следить з а из мен ен иями амплитуды усиливаемого сигн ала, выз ван н ыми из мен ен ием условий распростран ен ия радиоволн (н апример, при связ и с подвиж н ыми об ъектами). П оэтому постоян н ую времен и RôÑô следует огран ичить сверх у. В ыб ираю т постоян н ую времен и так, чтоб ы он аб ыламен ьш емин имальн ого периодаз амиран ий вх одн огосигн ала (1.3) Rô ⋅ Ñô < Tçàìmin . Н а рис. 1.6 кривой 2 U вых показ ан а амплитудн ая х аU вых н ас 1 рактеристика усилителя с простой об ратн ой АРУ . Д ля 3 U вых mах сравн ен ия н аэтомж ерисун Uп кекривой 1 показ ан а ампли2 U вх max тудн ая х арактеристика усилителя б ез АРУ . Е сли U вх п U вх н ас U вх U ≤U , то для усилителя вх вх н ас Р ис.1.6 б ез АРУ меж ду Uвых и Uвх имеется почти лин ей н ая з ависимость. П ри з н ачен иях Uвх >Uвх н ас н аб лю дается перегруз каусилителя б ез АРУ , которая приводитк искаж ен иямсигн ала, и лин ей н ая з ависимость н аруш ается. K [dB] K0 В то ж евремя в системеспростой K max об ратн ой АРУ с ростом Uвх коэф ф ициен т усилен ия регулируемого усилителя умен ьш ается, поэтому K min перегруз ки н е воз н икает (по край j н ей мередо Uвх ≤Uвх max). 0 U pmax Up Как уж е отмечалось ран ее, Р ис.1.7 под регулировочн ой х арактеристи-

10

кой пон имается з ависимость коэф ф ициен та усилен ия регулируемого усилителя по н апряж ен ию K от величин ы регулирую щ его н апряж ен ия Up: K=f(Up). П римерн ый вид этой х арактеристики в логариф мическоммасш таб е(K[dB]=20·lg(K)) из об раж ен сплош н ой лин ией н арис. 1.7. О чевидн о, что коэф ф ициен тусилен ия максимален при отсутствии регулирую щ его н апряж ен ия, т.е. K=Kmax при Up=0. П о регулировочн ой х арактеристике мож н о определить величин у Upmax, при которой K=Kmin. П ри этом коэф ф ициен т регулирован ия (1.1) γ = K max / K min . В свою очередь регулирую щ ее н апряж ен ие Up определяется уровн емсигн алан авых одерегулируемого усилителя Uвых . Зависимостьуровн я регулирую щ его н апряж ен ия Up отвеличин ы Uвых для простой АРУ показ ан ан арис. 1.8 (кривая 1). ЗависимостьUp=f(Uвых ) н аз ывается передаточн ой ф ун кцией петли регулирован ия Up АРУ . П ри н еб ольш их Uвых з ависимость Up=f(Uвых ) прямолин ей Upmax н ая. О дн ако при б ольш их з н ачен иях Uвых из -з а перегруз ки АРУ 2 1 з ависимость сущ ествен н о отличается отлин ей н ой . Т ан ген сугла e н аклон а х арактеристики Uп Uвых max Uвых Up=f(Uвых ), при ее аппроксимации с помощ ью прямой лин ии, Рис.1.8 определяет коэф ф ициен т усилен ия петли регулирован ия АРУ – KАРУ : U pmax U pmax K À Ð Ó = tg ε = = , (1.4) U âûõmax − U âûõmin U âûõmin ( β − 1) где β = U âûõmax U âûõmin . И з выраж ен ия (1.4) следует, что н евоз мож н о получить «идеальн ую » об ратн ую АРУ , имею щ ую идеальн ую амплитудн ую х арактеристику 2 н а рис.1.2 и постоян н ую амплитуду вых одн ого н апряж ен ия при U âõ > U A , т.е. β=1. Д ей ствительн о, при этомн еоб х одимо, чтоб ы KАРУ → ∞ при кон ечн омUвх , чтопрактически н евоз мож н о. Н едостатком рассмотрен н ой простой АРУ является то, что регулировка в н ей дей ствует, н ачин ая с самых слаб ых сигн алов. Т аким об раз ом, усилен ие сн иж ается н е только для сильн ых сигн алов, которые могут привести к перегруз ке, н о и для самых слаб ых сигн алов, для приема которых б ыло б ы н еоб х одимо использ оватьполн оеусилен ие. 2. О б ратнаяА Р У сзадержкой О тмечен н ый выш е н едостаток мож н о устран ить, использ уя систему АР У с задержк ой. В такой системерегулировкан ачин ается лиш ьтогда, когдан апряж ен иен авх одерегулируемого усилителя “у” превыситн екоторый пороговый уровен ь Uвх п . П одоб н ый реж им раб оты АРУ мож н о получить, если подать н а диод АД н екоторое н апряж ен ие смещ ен ия, н аз ываемоен апряж ен ием з адерж ки Uп. В этом случае детектор остается з апертым до тех пор, пока н апряж ен ие н а вых оде регулируемого усилителя н е дос-

11

тигн етпорогового з н ачен ия Uп , а соответствую щ ее ему вх одн оен апряж ен ие– з н ачен ия Uвх п . VD1

u вх

У

u вых

Rн у Сн Rф

Cф

Eз

Cб

VD2

Р ис.1.9

Н арис. 1.9 приведен аодн аиз н аиб олеепростых и эф ф ективн ых сх емАРУ сз адерж кой . Здесьдля целей АРУ использ уется постоян н ая составляю щ ая н апряж ен ия, раз виваемая н а н агруз ке диодн ого детектора VD1. Задерж ка осущ ествляется с помощ ью диодн ого клю ча VD2. Н а этот диод подается отпираю щ ее н апряж ен ие, равн ое пороговому н апряж ен ию з адерж ки Eз =Uп, от источн ика н апряж ен ия, вклю чен н ого в цепь катода диода VD1. П оэтому пока диод VD2 открыт, управляю щ ее н апряж ен ие, подводимое к регулируемому усилителю У , б удетпрактически равн о н улю , аточн ее, он о равн о паден ию н апряж ен ия н аоткрытом диодеVD2. Э тотреж им сох ран яется до тех пор, пока амплитуда Uвых вых одн ого сигн ала регулируемого усилителя У , подводимого к детектору VD1, н естан етб ольш е порогового н апряж ен ия з адерж ки Uп. П ри б ольш ом вых одн ом н апряж ен ии (Uвых >Uп) диод VD2 з апирается постоян н ой составляю щ ей н апряж ен ия н а н агруз ке детектораVD1 и н апряж ен ие, подводимоек регулируемому усилителю через ф ильтр Rф Сф , б удет равн о постоян н ой составляю щ ей н апряж ен ия н а н агруз кедетектораз авычетомн апряж ен ия з адерж ки. Амплитудн ая х арактеристика системы АРУ с з адерж кой показ ан а н а рисун ке 1.6 кривой 3. П ри Uвх Uвх п вступает в дей ствие АРУ и коэф ф ициен тусилен ия умен ьш ается, предотвращ ая перегруз ку усилителя. Л ин ей н ость амплитудн ой х арактеристики при Uвх Uп, то н апряж ен ие н а вых оде Ф Н Ч превыш ает н омин альн ое з апираю щ ее н апряж ен ие и усилен н ое н апряж ен ие Up подводится к регулируемому усилителю . Т акиесистемы АРУ сз адерж кой и усилен ием отличаю тся б ольш ой эф ф ективн остью регулировки, т.к. при отн осительн о н еб ольш ом из мен ен ии н апряж ен ия н а вх оде детектора регулирую щ еен апряж ен иеиз мен яется сильн ее. 1.4 А на ли з ра бот ы си ст емы А РУ в ди на ми ч еск ом режи ме С истема об ратн ой АРУ , н ах одясь под воз дей ствием вых одн ого н апряж ен ия, из мен яеткоэф ф ициен тусилен ия регулируемого усилителя сн екоторым з апаз дыван ием, об условлен н ым н аличием ин ерцион н ых з вен ьев. Э то приводитк искаж ен иямогиб аю щ ей вых одн ого сигн аларегулируемого усилителя, выз ываемым системой АРУ . О пределимн апряж ен иен авых оде АРУ , предполагая, что н а вх од приемн ика с системой АРУ поступает сигн ал u âõ (t ) = U âõ (t ) ⋅ sin ωc t с амплитудой U âõ (t ) и частотой ωc . П олагаем, что этот сигн ал выз ывает появлен иен авых одесигн ал вида uâûõ (t ) = U âûõ (t ) ⋅ sin(ωc t + ψ ) с амплитудой U âûõ (t ) , частотой uвх uвых ωc и ф аз ой ψ . K(Up) Д ля выявлен ия осн овн ых дин амических свой ств системы Up АРУ н еоб х одимо составить диф Ф НЧ KАРУ ф ерен циальн ое уравн ен ие, связ ываю щ ееамплитуды Uвх (t) и Uвых (t) сигн алов н а вх оде и вых оде регуРис.1.10 лируемого усилителя. П редста-

13

вим структурн ую сх ему усилительн ого тракта с об ратн ой АРУ (с з адерж кой или б ез н ее) в видерис1.10. В этой сх емерегулируемыеусилительн ые каскады представлен ы з вен ом с коэф ф ициен том усилен ия K(Up), з ависящ им от регулирую щ его н апряж ен ия Up, которое появляется при раб оте АРУ н а вых оде Ф Н Ч. Регулировочн ая х арактеристика K=K(Up) (см. сплош н ую кривую н а рис. 1.7) в об щ ем случае имеет н елин ей н ый х арактер, определяемый н елин ей н ой з ависимостью коэф ф ициен тов передачи регулируемых каскадов отвеличин ы регулирую щ его н апряж ен ия. Аппроксимируем ф ун кцию K(Up) лин ей н ой з ависимостью (ш трих -пун ктирн ая лин ия н арис.1.7), т.е. полож им, что K = K 0 − αU p , (1.5) где α = tg ϕ = K 0 / U pmax (см. рис. 1.8). О тметим, что подоб н ая аппроксимация приводит к н екоторому з авыш ен ию рез ультатов расчета искаж ен ий огиб аю щ ей з асчетз авыш ен ия величин ы α при б ольш их Up. Д алее, н а рис. 1.10 б лок KАРУ представляет соб ой лин ей н ое з вен о, описываю щ ее детектор АРУ и дополн ительн ые усилители в петлерегулирован ия АРУ . П ри этом предполагается, что в рассматриваемом усилительн ом тракте с АРУ (рис.1.10) отсутствую т н елин ей н ыеискаж ен ия и он остается лин ей н ымпо отн ош ен ию к лю б ому вх одн ому сигн алу. Крометого, считаем, что полоса пропускан ия усилительн ого тракта достаточн о великаи амплитудавых одн ого сигн аласледуетз аиз мен ен иями коэф ф ициен та усилен ия б ез з апаз дыван ия. Т аким об раз ом, процессы в системе АРУ описываю тся системой уравн ен ий вида:  K 0U âõ (t ), U âûõ (t ) < U ï , U âûõ (t ) =  (1.6) K ( U ) U ( t ), U ( t ) > U , p â õ â ûõ ï 

причем из мен ен ие Up определяется уравн ен ием вида A[U p ] = K À Ð Ó ⋅ (U âûõ (t ) − U ï ) , гдеA – лин ей н ый диф ф ерен циальн ый оператор, который описываетпроцессы в Ф Н Ч (см. рис. 1.10). Рассмотрим случай , когдав качестве Ф Н Ч примен ен аин тегрирую щ ая RC-цепь, при этом A = 1 + RC d dt . Крометого, учтем, что мы аппроксимировали з ависимость K(Up) спомощ ью (1.5). Т огдасистема(1.6) упрощ ается и прин имаетвид:  K 0U âõ (t ), U âûõ (t ) < U ï ,  d U âûõ (t ) d U âõ (t ) U âûõ (t ) =  RC + U âûõ (t )[1 + K1U âõ (t ) − RC / U âõ (t )] = dt dt  = K 0U âõ (t ) + K1U âõ (t )U ï , U âûõ (t ) > U ï , (1.7) гдеK1= α KАРУ . Н ай дем реш ен ие этой системы в предполож ен ии, что н а вх од приемн икаподается сигн алсогиб аю щ ей U , t ≥ 0, U âõ (t ) =  c 0 0, t < 0,

14

причемUc0>Uвх п . Т огдав соответствии с(1.7) поведен иесистемы АРУ б удет описываться н еодн ородн ым лин ей н ым диф ф ерен циальн ым уравн ен иемспостоян н ыми коэф ф ициен тами: d U âûõ (t ) RC + U âûõ (t )[1 + K1U c0 ] = K 0U c 0 + K1U c0U n , U âûõ (t ) > U n . (1.8) dt П римем, что в н ачальн ый момен т н апряж ен ие н а кон ден саторе ф ильтра равн о н улю , т.е. при t=0 имеем Up =0 и, следовательн о, Uвых (0)=K0Uc0 . П ри таком н ачальн ом условии реш ен ие уравн ен ия (1.8) имеетвид:  K + K1U n   K + K1U n  t   exp −   , (1.9) U âûõ (t ) = U c0  0 +  K 0 − 0 1 + K1U c 0   τ À Ð Ó   1 + K1U c 0  где τАРУ =RC/(1+K1Uc0) – эквивален тн ая постоян н ая времен и авторегулировки усилен ия. В еличин а τАРУ оказ ывается мен ьш е, чем постоян н ая времен и RC-ф ильтра, причемэто умен ьш ен иез ависитотамплитуды Uc0 вх одн ого сигн ала. И з (1.9) следует, что постоян н ая времен и τАРУ определяет скоростьустан овлен ия амплитуды вых одн ого н апряж ен ия. Е сли устремить t→ ∞ , то получим устан овивш ееся з н ачен ие амплитуды вых одн ого н апряж ен ия: K + K1U n U ó ñò = U c0 ⋅ 0 . (1.10) 1 + K1U c0 Е сли рассматривается об ратн ая АРУ б ез з адерж ки, т.е. Un=0, то из (1.10) имеем: U ó ñò0 =

U c0 ⋅ K 0 . 1 + K1U c0

(1.11)

И з сравн ен ия (1.10) и (1.11) видн о, что устан овивш ееся з н ачен ие амплитуды вых одн ого н апряж ен ия в системе с з адерж кой б ольш е, чем в системе б ез з адерж ки, т.е. Uуст>Uуст0. П ричем, чем выш е пороговое н апряж ен иез адерж ки Un , темб ольш еустан овивш ееся вых одн оен апряж ен ие. В з аклю чен ие следуетотметить, что если в качествеин ерцион н ого з вен а системы АРУ вместо простей ш ей RC-цепочки использ овать ф ильтр н из кой частоты б олее высокого порядка, то амплитудан апряж ен ия н а вых одеUвых (t) мож етн оситьколеб ательн ый х арактер. 1.5. М ет оди к а и змерени я пост оянной времени τ АР У си ст емы А РУ Рассмотрим методику н а примере усилителя промеж уточн ой частоты (У П Ч) приемн ика. П усть н а вх од У П Ч с АРУ подается радиоимпульс u В Х (t ) спрямоугольн ой огиб аю щ ей и сн есущ ей частотой f С , равн ой промеж уточн ой частоте У П Ч. О гиб аю щ ая U âûõ (t ) = U Ï× 0 (t ) вых одн ого сигн алаУ П Ч u В Ы Х (t ) в пределах длительн ости вх одн ого импульса u В Х (t ) определяется ф ормулой (1.9) и мен яется, как показ ан он арис.1.11. О б оз н ачим U 0 = U Ï× 0 (0) = K 0U c0 - амплитуда вых одн ого сигн ала У П Ч в момен т t = 0 н ачаласигн ала, а U 1 = U П Ч 0 (t1 ) - амплитуда(огиб аю -

15

щ ая) вых одн ого сигн алаУ П Ч в н екоторый момен твремен и t = t1 . С огласн о (1.9) имеем U1 − UУСТ = (U 0 − UУСТ ) exp(−t1 / τ АР У ) , гдеU УСТ определяется из (1.10). О тсю даследует, что постоян н ую времен и АРУ мож н о рассчитатьпо ф ормуле  U − U УСТ  τ АР У = − t1 ln  1 . U 0 − U УСТ  Е сли U1 − U УСТ = 0.1 [U 0 − U УСТ ] , то τ АР У = − t1 ln 0.1 ≈ 0.434 t1 . (1.12) Т аким об раз ом, для эксперимен тальн ого определен ия постоян н ой времен и АРУ по осциллограмме вых одн ого сигн ала У П Ч следует н а вх од У П Ч подать радиоимпульс с прямоугольн ой огиб аю щ ей и с н есущ ей частотой , равн ой промеж уточн ой частоте У П Ч. Н аб лю дая сигн ал н а вых оде У П Ч, следует из мерить длительн ость ин тервала времен и t1 , в течен ие которого превыш ен ие ∆U Ï× (t ) = U Ï× 0 (t ) − UÓ ÑÒ огиб аю щ ей вых одн ого сигн ала UП Ч0(t) У П Ч н ад ее устан овивU1-UУСТ=0.1 (U0-UУСТ) U0 ш имся з н ачен ием U УСТ умен ьш ается в 10 раз . U0-UУСТ П ример огиб аю щ ей вых одн ого сигн ала У П Ч и U1-UУСТ способ определен ия U1 UУ С Т времен и t1 иллю стрируt1 ет рис.1.11. Т огда постоян н ая времен и τ АР У 0 системы АРУ вычисля0 t1 t ется поф ормуле(1.12). Рис.1.11.

2. Эк спери мент а льна я ч а ст ь 2.1. Цель ла бора т орной ра бот ы Ц елью лаб ораторн ой раб оты является эксперимен тальн ое исследован ие процесса автоматической регулировки усилен ия (АРУ ) об ратн ого регулирован ия в тракте усилен ия промеж уточн ой частоты (У П Ч). О сн овн ыми з адачами раб оты являю тся : - из мерен иеи сравн ен иеамплитудн ых х арактеристик для У П Ч б ез АРУ , У П Ч спростой АРУ об ратн огорегулирован ия, У П Ч при н аличии АРУ об ратн ого регулирован ия с з адерж кой и усилен ием; - определен ие коэф ф ициен тов регулирован ия АРУ γ при з адан н ом диапаз он еиз мен ен ий амплитуды вх одн ого сигн аладля

16

У П Ч спростой АРУ , У П Ч при н аличии АРУ сз адерж кой и усилен ием; - н аб лю ден ие и сравн ен ие перех одн ых процессов н а вых оде У П Ч и ф ормы управляю щ его н апряж ен ия У П Ч с простой АРУ для раз личн ых ф ильтров н из кой частоты (Ф Н Ч) в петлерегулирован ия АРУ ; - определен иепостоян н ой времен и простой АРУ . 2.2. О пи са ни е ма к ет а ла бора т орной ра бот ы П ередн яя пан ельлаб ораторн ой устан овки содерж ит - из об раж ен ие структурн ой сх емы устан овки (верх н ее левое поле пан ели), - пан ель ручн ого управлен ия реж имами раб оты (н иж н яя часть пан ели), - пан ельциф роб уквен н ого дисплея (верх н ееправоеполепан ели). 2.2.1. Ст рук т урна я схема ла бора т орной уст а новк и С х емалаб ораторн ой устан овки для эксперимен тальн ого исследован ия процессов автоматической регулировки усилен ия показ ан а н а рис.2.1. Л аб ораторн ая устан овкавклю чаетв себ я следую щ иеб локи. 1. Ф орм ировате л ьвходного сигнал а u В Х (t ) У П Ч. Ф ормирователь вх одн ого сигн ала У П Ч состоит из следую щ их б локов (рис.2.1). 1) Ге не ратор вы сокой частоты (Г В Ч ) G ≈ , ф ормирую щ ий син усоидальн ый сигн ал н емодулирован н ой н есущ ей uС (t ) = U С 0 sin(2π f С t ) с ф иксирован н ой частотой f С = 520 кГ ц , амплитудой U С 0 и с эф ф ективн ым з н ачен ием н апряж ен ия U С = U С 0 / 2 , регулируемым в пределах от 3 до 300 мВ . С игн ал uС (t ) с вых ода Г В Ч поступаетн а один из вх одов перемн ож ителя (смесителя) “X”. 2) Гене ратор прям оугол ьны х им пул ьсов (Г П И ) G П , ф ормирую щ ий последовательн ость прямоугольн ых модулирую щ их импульсов u М (t ) с ф иксирован н ыми амплитудой , длительн остью и частотой следован ия f М = 40 Г ц. С игн ал u М (t ) с вых ода Г П И через выклю чатель “В КЛ ” поступает н а другой вх од перемн ож ителя (смесителя) “X”. 3) П е ре м нож ите л ь (см е сите л ь), ф ормирую щ ий вх одн ой сигн ал У П Ч u В Х (t ) = uC (t ) u M (t ) = U C 0 u M (t ) sin(2π f С t ) , ф орма огиб аю щ ей которого определяется ф ормой модулирую щ их импульсов u М (t ) . Ф орма вых одн ого сигн алаф ормирователя (вх одн ого сигн алаУ П Ч) u В Х (t ) з ависитот состоян ия (з амкн ут или раз омкн ут) выклю чателя “В КЛ ” ф ормирователя сигн ала. а) Ес ли вы к лючат ель “ВК Л ” разомк н ут , то сигн ал с вых ода Г П И н е поступает н а смеситель и мож н о считать, что u М (t ) = 1 . Т огда н а вых оде ф ормирователя н аб лю дается син усоидальн ый сигн ал н емодулирован н ой н есущ ей

17

u В Х (t ) = U C 0 sin( 2π f С t ) (2.1) с частотой f С = 520 кГ ц, амплитудой U В Х ≡ U C 0 и с эф ф ективн ым з н аче-

н ием U C = U C 0 / 2 , регулируемым в пределах от 3 до 300 мВ . С ин усоидальн ый сигн ал (2.1) подается н а вх од У П Ч при исследован ии амплитудн ых х арактеристик У П Ч. б ) Ес ли вы к лючат ель “В К Л ” замк н ут , то с вых ода ф ормирователя сн имается последовательн остьрадиоимпульсов u В Х (t ) = U C 0 u М (t ) sin(2π f С t ) , (2.2) имею щ их прямоугольн ую огиб аю щ ую U C 0 u M (t ) с амплитудой U C 0 . И мпульсн ый сигн ал (2.2) подается н авх од У П Ч при н аб лю ден ии перех одн ых х арактеристик У П Ч. В ых одн ой сигн ал ф ормирователя (вх одн ой сигн ал У П Ч) мож н о сн имать с кон трольн ого вых ода “Out1”, располож ен н ого н а з адн ей стен ке лаб ораторн огомакета. 2. У сил ите л ь пром е ж уточной частоты (У П Ч) срегулируемым коэф ф ициен том усилен ия. П редн аз н ачен для усилен ия вх одн ого сигн ала u В Х (t ) . Является (вместеспетлей регулирован ия АРУ ) об ъектом исследован ия в дан н ой лаб ораторн ой раб оте. У силитель промеж уточн ой частоты состоит из следую щ их б локов (рис.2.1). 1) Входной фил ьтр Ф , пропускаю щ ий б ез искаж ен ий полез н ый сигн ал u В Х (t ) н апромеж уточн ой частоте f С и ослаб ляю щ ий меш аю щ иесигн алы (помех и), леж ащ ие вн е полосы пропускан ия [ f C − ∆f ; f C + ∆f ] ф ильтра. В х одн ой ф ильтр Ф определяет раб очую полосу усилен ия [ f C − ∆f ; f C + ∆f ] рассматриваемогоУ П Ч. 2) У сил ите л ь У с регулируемым коэф ф ициен том усилен ия K, который з ависит от величин ы управляю щ его н апряж ен ия U P (t ) н а управляю щ ем вх оде У П Ч. У силитель У , использ уемый в лаб ораторн ом макете, выполн ен н а осн ове диф ф ерен циальн ой пары тран з исторов. У правлен ие коэф ф ициен томK его усилен ия происх одитпутемиз мен ен ия крутиз н ы одн ого из тран з исторов с помощ ью управляю щ его н апряж ен ия U P (t ) , поступаю щ его н а управляю щ ий вх од У П Ч с вых ода кон тура регулирован ия АРУ . В раб очей полосе усилен ия вых одн ой сигн ал рассматриваемого У П Ч равен u В Ы Х (t ) = K u В Х (t ) , где K – коэф ф ициен т усилен ия У П Ч (усилителя У ). Е сли н а вх од У П Ч поступает син усоидальн ый сигн ал (2.1), то сигн ал н авых одеУ П Ч u В Ы Х (t ) = U П Ч 0 sin(2π f С t ) , U П Ч 0 = K U С 0 , (2.3) гдеU В Ы Х ≡U П Ч 0 - амплитудавых одн ого сигн алаУ П Ч. В ых одн ой сигн ал У П Ч мож н о сн иматьскон трольн ого вых ода“Out2”, располож ен н огон аз адн ей стен келаб ораторн ого макета.

18

Ф орм ировате л ь входного сигнал а У ПЧ uM(t)

В КЛ

ГП И

У ПЧ

uВ Х (t)

Out2 В ых од У ПЧ Р е гул ир. усил ите л ь

Ф

X

G П

Out1 В х од У ПЧ

uС (t) G

≈

ГВЧ

Входной ф ил ьтр У пр. вх од У ПЧ

П етл я ре гул ирования А Р У Ф НЧ

А м пл . дете ктор

Ф Н Ч1 АД

У

1

П

uВ Ы Х (t)

2 Ф Н Ч2

П орог UР (t)

К2 К2

у

U0

U2

Ф НЧ

У силен ие

2 UР (t)

П ороговое устрой ство В КЛ

Рис.2.1.

К3 К3

U1 1

Out3 У пр. вх од У П Ч

У сил ите л ь АРУ К1 К1

19

3. П етл я ре гул ирования А Р У П етля регулирован ия АРУ преоб раз ует вых одн ой сигн ал У П Ч u В Ы Х (t ) в управляю щ ее н апряж ен ие U P (t ) , которое подается н а управляю щ ий вх од У П Ч и определяетего коэф ф ициен тусилен ия K. П етля регулирован ия АРУ состоит из следую щ их последовательн о вклю чен н ых б локов (рис.2.1). 1) А м пл итудны й де те ктор АД , выделяю щ ий амплитуду (огиб аю щ ую ) U П Ч 0 = U П Ч 0 (t ) вых одн ого сигн алаУ П Ч u В Ы Х (t ) . 2) Пороговое устрой ство, являю щ ееся лин ей н ым усилителем П , раб очая точка которого смещ ается постоян н ым пороговым н апряж ен ием U Ï , подаваемым н а управляю щ ий вх од “у” усилителя. Е сли U Ï× 0 ≤ U Ï , то усилитель (пороговое устрой ство) з акрыт, его вых одн ое н апряж ен ие U В (t ) равн о н улю и система АРУ выклю чен а. Е сли ж е U Ï× 0 > U Ï , то вых одн ое н апряж ен ие порогового устрой ства равн о U  (t ) = U Ï× 0 (t ) − U Ï > 0 , системаАРУ вклю чается и н ачин аетф ун кцион ировать. В еличин а порогового н апряж ен ия U Ï в лаб ораторн ом макете з адается с помощ ью переклю чателя “П О РО Г ” и выб ирается равн ой U 0 = 0 , U1 > 0 или U 2 > U 1 . В ыб ор порогового з н ачен ия U Ï = U 0 = 0 соответствуетсх емеУ П Ч спростой АРУ , вклю чаю щ ей ся вн ез ависимости отамплитуды вых одн ого сигн ала У П Ч. В ыб ор U Ï = U1 или U Ï = U 2 соответствует АРУ с з адерж кой , которая вклю чается только при сильн ом вых одн ом сигн алеУ П Ч самплитудой U Ï× 0 > U Ï . 3) Ф ил ьтр ниж них частот (Ф Н Ч), предн аз н ачен н ый для подавлен ия высокочастотн ых составляю щ их в спектре управляю щ его сигн ала U P (t ) . Ф ильтр н из ких частотн еоб х одимдля придан ия ин ерцион н ости системе АРУ . В частн ости, Ф Н Ч поз воляет исклю чить колеб ан ия управляю щ его сигн алаU P (t ) при н аличии амплитудн ой модуляции вх одн ого сигн алаУ П Ч. Т ип ф ильтра, использ уемого в качествеФ Н Ч, з адается в лаб ораторн ом макете с помощ ью переклю чателя “Ф Н Ч”. В оз мож н ы два типа ф ильтров: ф ильтр 1 (Ф Н Ч1), который является RC-ф ильтром первого порядка, и ф ильтр 2 (Ф Н Ч2), который является RC-ф ильтромвторогопорядка. 4) У сил ите л ь А Р У , усиливаю щ ий управляю щ ий сигн ал(н апряж ен ие) U P (t ) до н еоб х одимой величин ы. У правляю щ еен апряж ен иеU Р (t ) является вых одн ым сигн алом петли регулирован ия АРУ и поступает через выклю чатель “В КЛ ” в поле “АРУ ” н а управляю щ ий вх од У П Ч. В еличин а управляю щ его н апряж ен ия U P (t ) определяеткоэф ф ициен тусилен ия K регулируемого усилителя У , вх одящ его в состав У П Ч. В лаб ораторн оммакете(рис.2.1) спомощ ью переклю чателя “У С И Л Е Н И Е ” мож н о выб рать один из трех усилителей АРУ с коэф ф ициен тами усилен ия К1, К2 или К3. П ри этом коэф ф ициен ты усилен ия усилителей АРУ соотн осятся как K1< K2< K3.

20

Е сли выклю чатель “В КЛ ” в петле регулирован ия АРУ з амкн ут, то управляю щ ее н апряж ен ие U Р (t ) поступает н а управляю щ ий вх од У П Ч и АРУ ф ун кцион ирует. Е сли ж евыклю чатель “В КЛ ” раз омкн ут, то управляю щ еен апряж ен иеU Р (t ) н епоступаетн ауправляю щ ий вх од У П Ч и АРУ отклю чен а. У правляю щ ее н апряж ен ие У П Ч U Р (t ) , являю щ ееся вых одн ым сигн алом петли регулирован ия АРУ , мож н о сн имать с кон трольн ого вых ода “Out3”, располож ен н ого н аз адн ей стен келаб ораторн огомакета. 2.2.2. Па нель руч ного упра влени я И спольз уется для з адан ия параметров вх одн ого сигн ала и х арактеристик АРУ . П ан ельсодерж итполя “G П ” , “G ≈ Г В Ч” и “АРУ ” срегуляторами, кн опками и ин дикаторами. О б щ ий вид пан ели показ ан н арис.2.2. GП G ≈ Г ВЧ АРУ В КЛ

У РО В Е Н Ь АМ П Л И Т У Д А < 30 mv > 30 mv

В КЛ

П О РО Г

Ф Н Ч У СИЛ Е Н ИЕ U 0 U1 U 2 1 2 K1 K2 K3

Рис.2.2. Кн опки н а пан ели ручн ого управлен ия вклю чаю тся и выклю чаю тся последовательн ыми н аж атиями. П ри вклю чен н ом состоян ии светится соответствую щ ий кн опкеин дикатор. Е сли кн опкаиспольз уется для переклю чен ия одн ого из н ескольких реж имов раб оты, то реж имы переклю чаю тся последовательн ыми н аж атиями н акн опку. П ри этомз агорается ин дикатор, соответствую щ ий выб ран н ому реж иму. П ан ельручн ого управлен ия содерж итследую щ иеполя. 1) Пол е “G П ” ген ератора прямоугольн ых импульсов (Г П И ), ф ормирую щ его последовательн ость модулирую щ их прямоугольн ых импульсов u М (t ) . С одерж итедин ствен н ую кн опку “В КЛ ” вклю чен ия Г П И . Е сли Г П И выклю чен , то н авх од У П Ч поступаетсин усоидальн ый сигн ал (2.1) н емодулирован н ой н есущ ей . Е сли Г П И вклю чен , то н авх од У П Ч поступаетпоследовательн остьпрямоугольн ых радиоимпульсов (2.2). 2) Пол е “G ≈ Г В Ч ” ген ератора высокой частоты, ф ормирую щ его син усоидальн ый сигн ал н емодулирован н ой н есущ ей (2.1). В полеимею тся: - кн опка “У РО В Е Н Ь ”, переклю чаю щ ая диапаз он ы из мен ен ия эф ф ективн ого з н ачен ия U С амплитуды вх одн огосигн алаУ П Ч ; - потен циометр “АМ П Л И Т У Д А” для точн ой устан овки треб уемого эф ф ективн огоз н ачен ия U С амплитуды вх одн ого сигн алаУ П Ч. 3) Пол е “А Р У ”, з адаю щ ее параметры исследуемой АРУ . В поле имею тся : - кн опка “В КЛ ”, вклю чаю щ ая или отклю чаю щ ая кон тур регулирован ия АРУ отуправляю щ его вх одаУ П Ч (при выклю чен н ой кн опке“В КЛ ” в поле“АРУ ” системаАРУ отклю чен а) ;

21

- кн опка “П О РО Г ” для пере- клю чен ия порогового н апряж ен ия U В Ы Х П системы АРУ (при вклю чен н омреж имеU 0 пороговоен апряж ен ие равн о н улю , что соответствует простой АРУ , а при вклю чен н ых реж имах U1 или U 2 АРУ раб отаетсз адерж кой ) ; - кн опка “Ф Н Ч” для вклю чен ия одн ого из ф ильтров 1 (Ф Н Ч1) или 2 (Ф Н Ч2) в кон тур регулирован ия АРУ ; - кн опка“У С И Л Е Н И Е ” для подклю чен ия одн ого из усилителей АРУ с коэф ф ициен томусилен ия К1, К2 или К3 в кон тур регулирован ия АРУ . Замечан ие. Е сли н и один из усилителей АРУ н е подклю чен в кон тур регулирован ия кн опкой “У С И Л Е Н И Е ” (ин дикаторы К1, К2 и К3 н есветятся), то кон тур регулирован ия АРУ раз омкн ути АРУ н ераб отает. 2.2.3. Па нель ци ф робук венного ди сплея И спольз уется для выб ора пун кта лаб ораторн ой раб оты и для отоб раж ен ия величин , из меряемых в этомпун кте, н ациф роб уквен н омж идкокристаллическом дисплее. М икропроцессорн ая сх ема управлен ия раб отой макета при выб оре пун кта раб оты автоматически произ водитподклю чен ие к н еоб х одимым точкам сх емы циф ровых из мерительн ых приб оров. В рез ультате, н а дисплее автоматически отоб раж аю тся величин ы, треб уемые при выполн ен ии выб ран н ого пун ктараб оты. О б щ ий вид пан ели циф роб уквен н огодисплея показ ан н арис. 2.3.

UC= UП Ч =




Т

Рис.2.3 Н апан ели под циф роб уквен н ымдисплеем(рис.2.3) располож ен ы следую щ иекн опки: - кн опка“>>” перех одак следую щ ему пун кту раб оты (последовательн ыен аж атия н аэту кн опку приводятк переб ору пун ктов раб оты отн ачала к кон цу раб оты) ; - кн опка “>” н апан ели циф роб уквен н ого дисплея, располож ен н ого в правом верх н ем углу макета, переведя макет и встроен н ые циф ровые из мерительн ые приб оры в реж им выполн ен ия пун кта 1 лаб ораторн ой раб оты. Замечан ие. П ри выполн ен ии пун кта 1 использ уется реж им раб оты макета, устан овлен н ый перед н ачалом раб оты (см. п.2.3). В рез ультате н а вх од У П Ч с вых ода Г В Ч подается гармон ический сигн ал uВ Х (t) (2.1) c эф ф ективн ымз н ачен иемUС . С вых одаУ П Ч сн имается гармон ический сигн ал uВ Ы Х (t) (2.3) c эф ф ективн ым з н ачен ием UП Ч . Зн ачен ия UС и UП Ч отоб раж аю тся н а пан ели циф роб уквен н ого дисплея или сн имаю тся по показ ан иям милливольтметров (осциллограф ов). У правляю щ ее н апряж ен ие Uр (t) отклю чен о от управляю щ его вх ода У П Ч (кн опка “В КЛ ” в поле “АРУ ” выклю чен а). П оэтому АРУ н ераб отаети исследуется У П Ч б ез АРУ . Задан ие. С н ятьз ависимостьэф ф ективн ого з н ачен ия UП Ч вых одн ого н апряж ен ия У П Ч отэф ф ективн ого з н ачен ия UС н апряж ен ия вх одн ого сигн алав диапаз он ез н ачен ий UС от3 до 300 мВ . Рез ультаты из мерен ий з ан ести в таб лицу. П остроить граф ик амплитудн ой х арактеристики UП Ч = f(UС ), откладывая з н ачен ия UС по гориз он тальн ой оси в логариф мическом масш таб е. Ук азан ие. Э ф ф ективн оез н ачен иеUС устан авливается спомощ ью регулятора“АМ П Л И Т У Д А” в поле“G ≈ Г В Ч” н апан ели ручн ого управлен ия. П ри устан овкен апряж ен ия до 30 мВ кн опкой “У РО В Е Н Ь ” вклю чается реж им “30

23

mV” . Ш аг из мен ен ия н апряж ен ия UС следует выб ирать так, чтоб ы об еспечить приб лиз ительн о эквидистан тн ое располож ен ие выб ираемых з н ачен ий UС при логариф мическоммасш таб епо оси UС . И з мерен ия произ водитьпри н емен ее20-ти раз личн ых з н ачен иях н апряж ен ия UС в диапаз он е от 3 до 300 мВ . И з мерен ия эф ф ективн ых з н ачен ий UС (вых од Out1) и UП Ч (вых од Out2) осущ ествлять с помощ ью милливольтметров или осциллограф ов (по указ ан ию преподавателя). П .2. И зме рениеамплитудны х характеристик У П Ч с простой А Р У при различ ны х знач ениях коэ ф ф ициента усиления в пе тлере гулиров ания А РУ . Н аж атькн опку “>>” н апан ели циф роб уквен н ого дисплея, переведя макет и встроен н ые в н его из мерительн ые приб оры в реж им выполн ен ия пун кта2 лаб ораторн ой раб оты. В клю читькн опку “В КЛ ” в поле“АРУ ” н апан ели ручн ого управлен ия. П ри этом управляю щ ее н апряж ен ие Uр (t) подается н а управляю щ ий вх од У П Ч и АРУ н ачин аетраб отать. Кн опкой “П О РО Г ” в поле “АРУ ” долж н о б ыть устан овлен о пороговое н апряж ен иеUП = U0 (вклю чен реж имU0 = 0), что соответствуетУ П Ч спростой АРУ . Кн опкой “Ф Н Ч” в поле “АРУ ” долж ен б ыть устан овлен реж им “1”, когдав петлю регулирован ия АРУ вклю чен RC-ф ильтр н иж н их частот 1-го порядка(Ф Н Ч1). Замечан ие. П о указ ан ию преподавателя мож ет выб ираться реж им “2”, когда в петлю регулирован ия АРУ вклю чен RC-ф ильтр 2-го порядка (Ф Н Ч2). Задан ие. П ри вклю чен ии каж дого из трех усилителей АРУ (К1, К2 и К3) в петлю регулирован ия АРУ сн ять з ависимость эф ф ективн ого з н ачен ия UП Ч вых одн ого н апряж ен ия У П Ч отэф ф ективн ого з н ачен ия UС н апряж ен ия вх одн ого сигн ала. И з мерен ия произ водитьв диапаз он ез н ачен ий UС от 3 до 300 мВ . Рез ультаты из мерен ий з ан ести в таб лицу. П остроить граф ики амплитудн ых х арактеристик UП Ч = f(UС ) для каж дого з н ачен ия коэф ф ициен таусилен ия (К1, К2 и К3), откладывая з н ачен ия UС в логариф мическоммасш таб е. П о граф икамкаж дой из амплитудн ых х арактеристик определитьз н ачен ия коэф ф ициен тарегулирован ия γ для ин тервалаэф ф ективн ых з н ачен ий UC U В Х min ≡ U C min = 20 mВ вх одн ого сигн ала от до U В Х max ≡ U C max = 200 mВ . П олучен н ые з н ачен ия коэф ф ициен та регулирован ия з ан ести в таб лицу. Ук азан ие. В ыб ор усилителя АРУ произ водится кн опкой “У С И Л Е Н И Е ” в поле“АРУ ” н апан ели ручн ого управлен ия . П ри этомкаж дый усилитель имеетсвой коэф ф ициен тусилен ия (К1, К2 или К3). П ри сн ятии амплитудн ых х арактеристик следует руководствоваться указ ан иями п.1 з адан ия к лаб ораторн ой раб оте. П .3. И змере ниеамплитудны х характеристик У П Ч при использов ании А Р У сзадержкой для различ ны х знач ений порогов ого напряженияи коэ ф ф ициента усиле ния в пе тлере гулиров анияА Р У .

24

Н аж ать кн опку “>>” н а пан ели циф роб уквен н ого дисплея, переведя макет и встроен н ые в н его из мерительн ые приб оры в реж им выполн ен ия пун кта3 лаб ораторн ой раб оты. Кн опкой “Ф Н Ч” в поле“АРУ ” долж ен б ыть устан овлен реж им“1”, когда в петлю регулирован ия АРУ вклю чен RC-ф ильтр н иж н их частот 1-го порядка(Ф Н Ч1). Замечан ие. П о указ ан ию преподавателя мож ет выб ираться реж им “2”, когда в петлю регулирован ия АРУ вклю чен RC-ф ильтр 2-го порядка (Ф Н Ч2). Задан ие 1. Кн опкой “П О РО Г ” в поле“АРУ ” устан овитьвеличин у порогового н апряж ен ия UП = U1 , что соответствует переводу АРУ в реж им с з адерж кой . П ри вклю чен ии каж дого из трех усилителей АРУ (К1, К2 и К3) в петлю регулирован ия АРУ , сн ять з ависимость эф ф ективн ого з н ачен ия UП Ч вых одн ого н апряж ен ия У П Ч от эф ф ективн ого з н ачен ия UС н апряж ен ия вх одн ого сигн ала. И з мерен ия произ водитьв диапаз он ез н ачен ий UС от 3 до 300 мВ . Рез ультаты из мерен ий з ан ести в таб лицу. П остроитьграф ики амплитудн ых х арактеристик UП Ч = f(UС ) для каж дого з н ачен ия коэф ф ициен та усилен ия, откладывая з н ачен ия UС по гориз он тальн ой оси в логариф мическоммасш таб е. П о граф икамкаж дой из амплитудн ых х арактеристик определитьз н ачен ия коэф ф ициен тарегулирован ия γ для ин тервалаэф ф ективн ых з н ачен ий UC вх одн ого сигн ала от U В Х min ≡ U C min = 20 mВ до U В Х max ≡ U C max = 200 mВ . П олучен н ые з н ачен ия коэф ф ициен та регулирован ия з ан ести в таб лицу. Задан ие 2. Кн опкой “П О РО Г ” в поле“АРУ ” устан овитьвеличин у порогового н апряж ен ия UП = U2. П овторить выполн ен ие з адан ия 1 дан н ого пун ктараб оты для з н ачен ия порогового н апряж ен ия UП = U2 . Ук азан ие. П ри сн ятии амплитудн ых х арактеристик следует руководствоваться указ ан иями п.1 з адан ия к лаб ораторн ой раб оте. П .4. И ссле дов аниепереходны х характе ристик У П Ч с простой А Р У для Ф Н Ч различ ны х порядков при различ ны х знач ениях коэ ф ф ицие нта усиле нияв пе тлере гулиров ания А РУ . Н аж атькн опку “>>” н апан ели циф роб уквен н ого дисплея, переведя макет и встроен н ые в н его из мерительн ые приб оры в реж им выполн ен ия пун кта4 лаб ораторн ой раб оты. Кн опкой “П О РО Г ” в поле “АРУ ” н а пан ели ручн ого управлен ия устан овитьреж имU0, что соответствуетвыб ору н улевого порогаUП = U0 = 0 и , следовательн о, вклю чен ию простой АРУ . С помощ ью потен циометра“АМ П Л И Т У Д А” в поле“G ≈ Г В Ч” устан овить величин у эф ф ективн ого з н ачен ия UC амплитуды вх одн ого сигн ала У П Ч равн ой 30 - 150 мВ (по указ ан ию преподавателя). П ри этомГ П И долж ен б ыть отклю чен кн опкой “В КЛ ” в поле“G П ”, апереклю чатель “У РО В Е Н Ь ” в поле“G ≈ Г В Ч” долж ен н ах одиться в полож ен ии “> 30 mv ”. В клю чить Г П И кн опкой “В КЛ ” в поле “G П ”. П ри этом н а вх од У П Ч поступает последовательн ость радиоимпульсов (2.2) с гармон ической н е-

25

сущ ей , имею щ ей частоту f С = 520 кГ ц, и с прямоугольн ой огиб аю щ ей . Частотаследован ия импульсов равн а f М = 40 Г ц. В клю чить вн еш н ий электрон н о-лучевой осциллограф и подготовить егок раб отеслаб ораторн ыммакетом: - перевести осциллограф в реж имвн утрен н ей раз вертки; - перевести осциллограф в реж имвн утрен н ей син х рон из ации; - вх од “Y” осциллограф а перевести в реж им открытого вх ода и подклю чить его через коаксиальн ый соедин ительн ый каб ель к кон трольн ому вых оду “Out1”, располож ен н ому н аз адн ей стен келаб ораторн ого макета; - доб иться устой чивого из об раж ен ия осциллограммы вх одн ого сигн ала У П Ч н а экран е осциллограф а, устан овив длительн ость раз вертки так, чтоб ы н аэкран ен аб лю дался один импульсвх одн ого сигн ала(дальн ей ш иен аб лю ден ия произ водитьпри устан овлен н ой з десьдлительн ости раз вертки). Зарисовать огиб аю щ ую одн ого импульса вх одн ого сигн ала У П Ч, указ ав н а рисун ке масш таб ы по гориз он тали и вертикали, соответствую щ ие устан овкамэлектрон н огоосциллограф а. Задан ие 1. Кн опкой “Ф Н Ч” в поле“АРУ ” устан овитьреж им “1”, когда в петлю регулирован ия АРУ вклю чен RC-ф ильтр н иж н их частот 1-го порядка(Ф Н Ч1). П ри вклю чен ии каж дого из трех усилителей АРУ (К1, К2 и К3) в петлю регулирован ия АРУ н аб лю дать н а экран е осциллограф а и з арисоватьосциллограммы : - огиб аю щ ей вых одн ого сигн ала У П Ч uВ Ы Х (t) (при этом вх од Y осциллограф аподклю чается к кон трольн ому вых оду “Out2” н аз адн ей стен келаб ораторн огомакета); - управляю щ его н апряж ен ия Uр (t) (при этомвх од Y осциллограф аподклю чается к кон трольн ому вых оду “Out3” н аз адн ей стен ке лаб ораторн ого макета). Н арисун ках указ атьмасш таб ы по гориз он тали и вертикали, соответствую щ иеустан овкамэлектрон н огоосциллограф а. П о осциллограммам вых одн ого сигн ала У П Ч uВ Ы Х (t) для каж дого из трех усилителей К1, К2 и К3 из мерить: - максимальн ую амплитуду U0 вых одн ого сигн алаУ П Ч (рис.1.11), - постоян н ую времен и τ АР У системы АРУ . Рез ультаты из мерен ий з ан ести в таб лицу. Ук азан ие. М етодика из мерен ия постоян н ой времен и τ АР У из лож ен а в теоретической части описан ия лаб ораторн ой раб оты (п.1.5). Задан ие 2. Кн опкой “Ф Н Ч” в поле“АРУ ” устан овитьреж им “2”, когда в петлю регулирован ия АРУ вклю чен RC-ф ильтр н иж н их частот 2-го порядка(Ф Н Ч2). П ри вклю чен ии каж дого из трех усилителей АРУ (К1, К2 и К3) в петлю регулирован ия АРУ н аб лю дать н а экран е осциллограф а и з арисоватьосциллограммы : - огиб аю щ ей вых одн ого сигн алаУ П Ч uВ Ы Х (t) (вых од “Out2”), - управляю щ его н апряж ен ия Uр (t) (вых од “Out3”) . Н арисун ках указ атьмасш таб ы по гориз он тали и вертикали, соответствую щ иеустан овкамэлектрон н огоосциллограф а.

26

Задан ие 3. О тклю чить АРУ кн опкой “В КЛ ” в поле “АРУ ”. Н аб лю датьн аэкран еосциллограф аи з арисоватьосциллограммы : - огиб аю щ ей вых одн ого сигн алаУ П Ч uВ Ы Х (t) (свых ода“Out2” макета), - управляю щ его н апряж ен ия Uр (t) (свых ода“Out3” макета) . Н арисун ках указ атьмасш таб ы по гориз он тали и вертикали, соответствую щ иеустан овкамэлектрон н огоосциллограф а. П о осциллограмме из мерить амплитуду вых одн ого сигн ала У П Ч и сравн итьеесустан овивш имися з н ачен иями амплитуд UУ С Т вых одн ого сигн алапри вклю чен н ой АРУ . 2.5. Содержа ни е от ч ет а к ла бора т орной ра бот е Рез ультаты выполн ен ия лаб ораторн ой раб оты долж н ы б ыть аккуратн о оф ормлен ы в виде отчета в специальн ой тетради. О тчет по лаб ораторн ой раб отедолж ен вклю чать: - н аимен ован иераб оты ; - структурн ую сх ему лаб ораторн ой устан овки; - таб лицы срез ультатами из мерен ия амплитудн ых х арактеристик и граф ики амплитудн ых х арактеристик У П Ч : * при раз омкн утой петлерегулирован ия АРУ ; * для простой АРУ при раз личн ых коэф ф ициен тах усилен ия АРУ ; * для АРУ с з адерж кой при раз личн ых коэф ф ициен тах усилен ия АРУ и раз личн ых з н ачен иях порога; - таб лицы срез ультатами расчетакоэф ф ициен тов регулирован ия АРУ : * для простой АРУ при раз личн ых коэф ф ициен тах усилен ия АРУ ; * для АРУ с з адерж кой при раз личн ых коэф ф ициен тах усилен ия АРУ и раз личн ых з н ачен иях порога; - осциллограммы огиб аю щ их вх одн ого и вых одн ого сигн ала У П Ч, а такж ерегулирую щ его н апряж ен ия при н аб лю ден ии перех одн ых процессов в У П Ч с простой АРУ при раз личн ых коэф ф ициен тах усилен ия и раз личн ых ф ильтрах н иж н их частотв петлерегулирован ия АРУ ; - таб лицы з н ачен ий максимальн ой амплитуды вых одн ого сигн алаУ П Ч и постоян н ой времен и системы АРУ для простой АРУ сФ Н Ч1; - осциллограммы огиб аю щ их вых одн ого сигн алаУ П Ч, атакж ерегулирую щ его н апряж ен ия для У П Ч б ез АРУ . Л И Т Е РА Т У РА 1. Г оловин О .В . Радиоприемн ые устрой ства / О .В . Г оловин . - М . : Г орячая лин ия - Т елеком, 2002. - 383 с. 2. Румян цев К.Е . П рием и об раб отка сигн алов / К.Е . Румян цев. - М . : Academia, 2004. - 527 с. 3. Радиотех н ические устрой ства и элемен ты радиосистем / В .А. Каплун [и др.]. - М . : В ысш . ш к., 2002. - 293с. 4. П алш ков В .В . Радиоприемн ыеустрой ства/ В .В . П алш ков. – М . : Радио и связ ь, 1984. – 390с. 5. Богдан ович Б.М . Радиоприемн ыеустрой ства/ Б.М .Богдан ович. – М ин ск : В ыш ей ш . Ш к., 1991. – 427с.

27

С оставители:

Редактор

П арф ен ов В ладимир И ван ович, Зах аров Алексан др В икторович

Т их омироваО .А.