Принцип автоматической регулировки усиления в приемниках (АРУ)

Два последних способа менее эффективны, так как пределы регулировки усиления не превышают 2…4 раза на один каскад. Регулировка за счёт изменения режима работы транзистора по базовой цепи (изменением крутизны входной динамической характеристики) позволяет изменять усиление каскада в 8…10 раз.

Для этой цели разработаны специальные транзисторы с переменной крутизной, в которых растянутый начальный участок входной динамической характеристики позволяет плавно и в широких пределах изменять её крутизну (Рис.3). К таким транзисторам можно отнести ГТ328, ГТ346, КТ3127, КП307 и много других.

На Рис.3 видно, что при увеличении начального базового смещения U’_0Б > U_0Б рабочая точка перемещается на участок с большей крутизной входной динамической характеристики. При этом амплитуда базового тока увеличивается I’_Бm > I_Бm за счёт увеличения усиления транзистора.

Изменение U_0Б происходит автоматически по системе АРУ при помощи регулирующего напряжения U_РЕГ.

Рис.3 Пояснение принципа регулировки усиления транзистора изменением напряжения базового смещения U_0Б.

При выборе каскадов для регулировки усиления в системе АРУ необходимо учитывать следующее:

1. Амплитуда усиливаемого сигнала должна быть малой, чтобы использование нелинейных участков характеристик транзисторов не привело к появлению нелинейных искажений. С этой точки зрения пригодны все каскады УРЧ и первые каскады УПЧ.

2. Нельзя использовать в качестве регулируемых узкополосные полосовые усилители с нагрузкой в виде ФСС или пьезофильтров. Значительное изменение режимов работы транзисторов может привести к изменению межэлектродных ёмкостей транзистора, а следовательно к расстройке избирательной системы.

3. Нельзя регулировать усиление в смесительных каскада преобразователей частоты, так как при этом нарушается оптимальный режим их работы.

На Рис.4 приведены амплитудные характеристики приёмника для различных типов АРУ.

Если в приёмнике отсутствует АРУ, то зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного U_ВЫХ = ƒ(U_ВХ) соответствует кривой 1. При слабых сигналах она линейна, а при сильных в последних каскадах приёмника наступает перегрузка и усиление приёмника уменьшается, что приводит к появлению искажений.

При наличии простой АРУ (кривая 2) регулирующее напряжение создаётся и используется при любых амплитудах входного сигнала. Недостатком простой АРУ является то, что усиление приёмника снижается не только для сильных сигналов, но и для самых слабых (хотя и в меньшей степени), для приёма которых необходимо использовать полное усиление приёмника.

Рис.4 Амплитудные харктеристики приёмника. 1 – без АРУ; 2 – с простой АРУ; 3 – при задержанной АРУ; 4 – при задержанной и усиленной АРУ.

Этот недостаток устраняется в задержанной АРУ (кривая 3), где регулирование начинается тогда, когда напряжение на входе приёмника достигнет определённого уровня. Подобный режим можно получить, если подать на диод детектора АРУ некоторое запирающее напряжение, называемое напряжением задержки U_ЗАД. Его обычно выбирают равным амплитуде напряжения на входе детектора, которое соответствуюет номинальной чувствительности приёмника U_ЗАД = U_ВХ.МИН. Таким образом при увеличении уровня сигнала от 0 до U_ВХ.МИН система АРУ не действует и увеличение выходного напряжения происходит по кривой 1. После того как уровень сигнала превысит U_ЗАД, начинает действовать АРУ и выходное напряжение будет изменяться далее по кривой 3. Для регулирования усиления в высокочувствительных каскадах УРЧ применение АРУ с задержкой обязательно.

Для улучшения стабилизирующего действия системы АРУ в её шину вводят дополнительные усилители постоянного тока УПТ. Такая АРУ называется задержанной и усиленной (кривая 4).

Эффективность АРУ характеризуется следующими показателями:

— величиной изменения входного напряжения Д= U_ВХ.МАХ ⁄ U_ВХ.МИН;

— допустимой величиной изменения выходного напряжения В = U_{ВЫХ.МАХ} ⁄ U_{ВЫХ.МИН};

— величиной изменения коэффициента усиления системой АРУ: Д ⁄ В (раз).

Для приёмников высшей группы сложности по отечественному стандарту Д = 40 дБ (100 раз), В = 6 дБ ( 1,7 раз).

Схема простой АРУ.

В незадержанной АРУ (Рис.5) детектор приёмника и детектор АРУ можно совместить в одном VD1C5R5C6. Включение диода VD1 позволяет выделить на нагрузке R6С6 постоянную составляющую напряжения отрицательной полярности, из которого после фильтрации в ФНЧ R_АРУС_АРУ образуется регулирующее напряжение – U_РЕГ.

Начальное базовое смещение +U_0Б транзистора VT1 первого каскада УПЧ образуется как сумма положительного напряжения +U_ПИТ, подаваемого от источника +Е_К через R2, L2 и отрицательного регулирующего напряжения — U_АРУ. Причём +U_0Б = +U_ПИТ – U_АРУ, т.е. IU_ПИТI > IU_АРУI.

Рис.5 Принципиальная схема простой АРУ.

Чем больше амплитуда принимаемых сигналов U_ВХ, тем больше регулирующее напряжение – U_АРУ, что приводит к уменьшению начального базового смещения +U_0Б, крутизны характеристики транзистора S и усиления каскада УПЧ К_U. В результате компенсации, выходное напряжение приёмника U_ВЫХ будет стабильно и мало зависеть от изменения уровня входного сигнала U_ВХ.

Постоянная времени АРУ, как было отмечено раньше, t_АРУ = R_АРУC_АРУ = 0,1…0,3 сек. Учитывая, что в биполярных транзисторах базовый ток I_0Б относительно большой и принимает значения десятки и сотни мкА, то сопротивление резистора R_АРУ не может быть больше нескольких десятков кОм (по схеме R_АРУ = 20 кОм). Конденсатор С_АРУ рассчитывается из соотношения С_АРУ = (0,1…0,3 с) ⁄ R_АРУ = 10 мкФ.

Использование в регулирующих каскадах полевых транзисторов с большим входным сопротивлением позволяет увеличить R_АРУ до 1…1,5 МОм. Тогда номинал С_АРУ составит всего 0,1 мкФ.

Сопротивление резистора обратной связи R1 должно быть незначительным, чтобы ООС не снижала эффективность регулировки системы АРУ.

Из-за уменьшении чувствительности приёмника при слабых сигналах простую АРУ нельзя использовать для регулировки усиления в каскадах УРЧ, так как при этом снижается отношение сигнал/шум.

Дата добавления: 2016-07-05 ; просмотров: 14120 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Расчет автоматической регулировки усиления

Наибольшее распространение в радиовещательных приемниках получила режимная схема автоматической регулировки усиления (АРУ), принцип действия которой заключается в изменении режима работы транзистора по постоянному току, в результате чего изменяется коэффициент усиления УПЧ. Назначения автоматической регулировки усиления-предотвращения перезагрузки детектора и УЗЧ с целью ограничения нелинейных искажений при приеме мощных сигналов. Напряжение АРУ может подаваться на базу транзистора или на эмиттер. Схема с подачей напряжения АРУ на базу более экономична, так как требует меньшей мощности регулирования от детектора.

Напряжение АРУ может создаваться либо сигнальным детектором, либо сигнальным детектором АРУ на диоде.

Полярность включения диода в детекторе определятся полярностью напряжению регулирования, подаваемого на базу первого каскада УПЧ. Если транзистор р-п-р, то на выходе первого каскада должно быть положительное напряжение регулирования, для транзистора п-р-п типа наоборот, отрицательное (диод включен в противоположной полярности)

(1.36)

где, В,Д- параметры АРУ из задания, дБ:

— необходимое изменение напряжения АРУ, дБ.

Находим число каскадов УПЧ, на которое надо подать напряжение АРУ:

(1.37)

где, — число каскадов УПЧ охваченных АРУ;

— изменение коэффициент усиления транзистора (примем ).

Полученный результат округлим до большого целого значения.

На основании предварительного расчета РЧ — части приемника составим структурную электрическую схему, как это показано на рис. 2.

Рис 2. Структурная электрическая схема ВЧ- части радиоприемника

На основе расчета схема имеет вид:

Другие стьтьи в тему

Расчет системы автоматического регулирования (САР)
Центральной проблемой автоматизации является автоматическое управление. Необходимость автоматического управления возникает в тех случаях, когда требуется заранее с заданной точностью управлять тем или иным физическим параметром (регулируемой величиной) объекта управления .

Расчет многоканальной линии связи
Развитие современной техники привело к необходимости быстрого и точного решения задач управления и координации с учетом событий, происходящих на больших расстояниях от центров управления. Характер в этом случае обуславливает особые требования к тракту: во-первых, повышение пропускн .

Понятие автоматической регулировки усиления

Первое, что мы узнаем, войдя в мир электроники, – это как разработать схему на операционном усилителе с заданным коэффициентом усиления. Это не особенно сложно, и даже после того, как мы познакомимся со всеми нюансами и недостатками, связанными со схемами усилителей, мы всё еще можем уверенно проектировать системы, для которых требуется выходной сигнал, равный входному сигналу, умноженному на фиксированный коэффициент усиления.

Но что происходит, когда вся эта парадигма разваливается? Что мы можем сделать, если фиксированным параметром является не коэффициент усиления, а величина выходного сигнала? Фиксированный коэффициент усиления может создавать постоянную амплитуду выходного сигнала, когда амплитуда входного сигнала известна и неизменна, но это не всегда так, и, кроме того, иногда амплитуда входного сигнала сильно изменяется.

Замыкание петли

Решением здесь является то, что называется автоматической регулировкой усиления, сокращенно АРУ (англ. AGC, automatic gain control). Мы можем интуитивно сделать вывод, что в системе с разомкнутой петлей фактически нет способа достичь этого – чтобы правильно регулировать усиление, схема усилителя должна знать амплитуду сигнала на выходе. Следовательно, АРУ требует обратной связи. Она также (и неудивительно) требует усилителя с переменным коэффициентом усиления (VGA, variable gain amplifier).

Ниже приведена (очень) базовая архитектура системы АРУ.

Рисунок 1 – Структурная схема усилителя с системой АРУ

Выходной сигнал усилителя с переменным коэффициентом усиления (VGA) подается не только на следующее устройство в тракте сигнала, но также и на измерительную схему, которая определяет амплитуду выходного сигнала и регулирует усиление соответствующим образом. Измерение амплитуды выполняется детекторным блоком, для чего используется различные типы детекторов – четыре стандартных типа: детектор огибающей (или выпрямитель), квадратичный, среднеквадратичный (СКЗ, RMS) и логарифмический.

Адаптация к изменениям

Как и другие системы обратной связи, АРУ может «захватывать» входной сигнал, поэтому постепенные изменения амплитуды на входе будут иметь минимальное влияние на выходной сигнал. Однако АРУ не может мгновенно адаптироваться к быстрым изменениям; на самом деле, чрезвычайно быстрое время отклика нежелательно, потому что это сделает систему АРУ чрезмерно чувствительной к шуму или преднамеренным изменениям амплитуды входного сигнала (то есть амплитудной модуляции).

Термин «время срабатывания» (в англоязычной литературе «attack time», «время атаки») относится к реакции схемы АРУ на увеличение амплитуды входного сигнала, а «время восстановления» (в англоязычной литературе «decay time», «время затухания») относится к ее реакции на уменьшение амплитуды входного сигнала. На следующем графике от Analog Devices сравниваются характеристики срабатывания и восстановления для четырех стандартных типов детекторов.

Рисунок 2 – Характеристики срабатывания и восстановления АРУ для четырех стандартных типов детекторов

Как видите, при выборе типа детектора необходимо принять во внимание требования к отклику системы.

АРУ для радиочастотного приемника

АРУ является критическим аспектом конструкции радиочастотного приемника. Плотность энергии электромагнитного излучения уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, уровень радиочастотного сигнала в приемнике резко меняется в зависимости от того насколько близко приемник находится к передатчику. АРУ постоянно обеспечивает усиления принимаемого сигнала до уровня, обеспечивающего эффективную обработку схемой демодулятора.

В наш век высокоинтегрированных, профессионально разработанных, широкодоступных микросхем аналоговых и смешанных сигналов маловероятно, что вам когда-либо понадобится (или вы захотите) разработать собственную систему АРУ (что является не простым процессом). Тем не менее, хорошо бы знать и понимать основные приемы и концепции.

Ограничители уровня и устройства автоматической регулировки усиления

Во время телефонного разговора напряжение на выходе микрофона непрерывно изменяется и часто достигает большого значения. Поступая в схему модулятора, фильтра или усилителя, эти пиковые напряжения создают режим перегрузки, вызывая нелинейные искажения. Перегрузки особенно опасны в групповой части аппаратуры, где появление нелинейности вызывает возникновение комбинационных колебаний, совпадающих с полосой частот того или иного канала.

Этот эффект устраняют ограничителем уровня, который включают на входе модулятора. Его действие проявляется при превышении уровнем передачи определенного значения, называемого порогом ограничения. Если он не превышается, то ограничитель амплитуды никакого влияния на качество передачи не оказывает.

Параметры воздушных и кабельных линий не являются постоянными. В зависимости от метеорологических условий (инея, гололеда, большой температуры, влажности) изменяется сопротивление проводов воздушных линий и проводимость изоляции и, как следствие, затухание цепей. На кабельных цепях необходимо учитывать сезонные температуры грунта. Затухания кабельных цепей изменяются более медленно, чем воздушных.

На цепях связи большой протяженности изменения затухания, суммируясь от различных усилительных участков, могут достигать весьма больших значений. Возрастание затухания цепи приводит к увеличению затухания в канале. Для снижения затухания повышают уровни передачи и возможна перегрузка усилителей. То же самое наблюдается в случае колебаний напряжения питания усилителей (изменяется усиление промежуточных и оконечных пунктов).

Для устранения этих влияний применяют ряд мер. Прежде всего стабилизируют напряжения электропитания аппаратуры, поддерживают усиления усилителей постоянными, применяя отрицательную обратную связь, компенсируют изменения затухания и амплитудно-частотной характеристики воздушной или кабельной цепи, для этой цели усилители аппаратуры промежуточных и оконечных станций снабжают устройствами автоматической регулировки усиления (АРУ).

Устройства АРУ прямого действия контролируют изменение затухания цепи с помощью специальных контрольных токов, постоянно передаваемых по тракту передачи. Устройства АРУ косвенного действия контролируют колебания температуры грунта, отражающиеся на затухании (грунтовая АРУ), или следят за током дистанционного питания, который изменяется в зависимости от активного сопротивления цепи.

Использовать для контроля затухания передаваемые по каналам токи сигналов (например, телефонного разговора) невозможно, так как они непрерывно изменяются и появляются только во время передачи. Поэтому в аппаратуре многоканальной связи организуют специальные контрольные каналы, расположенные по краям рабочей полосы частот или в промежутках между рабочими каналами.

Рассмотрим схему устройств АРУ (рис. 1.44). По контрольным каналам с каждого направления передачи от специальных генера-. торов контрольной частоты ГКЧ посылаются токи контрольных частот /_кч, уровень которых должен быть строго постоянным. Ток контрольной частоты, пройдя по воздушной или кабельной цепи, изменяет свое значение и на промежуточной станции выделяется приемником контрольного канала ПКК- Далее с помощью этого тока управляющее устройство УУ изменяет значение затухания регулятора АРУ в ту или другую сторону. Аналогично восстанавливается затухание цепи на приемной станции Прм.