Автоматическая регулировка усиления (ару) прм

Вид материала

Документы

Содержание Блок высокой частоты Блок высокой частоты УРЧ Временные ару (вару) Блок высокой частоты УРЧ Анало – цифровая ару Все системы АРУ в зависимости от типа РУ делятся на режимные и не режимные. Пусть РУ – это резонансный усилитель. Тогда |K(jw)|=|S’||ZH’| |S’|=f (Up) менять сопротивление нагрузки (получаем не режимное АРУ) |ZH’|=f (Up) Элементы системы ару Применяются также двухзвенные фильтры Регулируемый усилитель (ру) Статический режим (ср) работы ару При выборе числа РУ надо учитывать Динамичный режим (др) работы ару Устойчивость системы АРУ Особенности работы АРУ в приемниках импульсных сигналов

Подобный материал:

• Темы курсовых работ по курсу «Основы автоматического управления». Автоматическая регулировка, 13.99kb.
• Контрольная работа №1 за VI курс по предмету: «радионавигационные приборы», 660.51kb.
• Структурные схемы операционных усилителей, 105.83kb.
• Мирошниченко Сергей Иванович, руководитель Центра рентгеновских технологий ару 10., 42.32kb.
• Д. Т. Автоматическая дискретная система регулирования расходом топлива. Сборник доклад, 66.08kb.
• Лабораторная работа №2 Автоматическая сварка под слоем флюса, 33.88kb.
• Вопросы: Как назывался кружок единомышленников, созданный Иваном iv?, 58.7kb.
• Оплаты труда как фактор усиления, 1349.99kb.
• Ару қала, жанға сая мекенім, 276.03kb.
• Ха, несколько режимов скорости, пульт дистанционного управления, таймер, регулировка, 835.86kb.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) ПРМ


АРУ предназначена для поддержания уровня выходного сигнала ПРМ вблизи заданного значения при изменении амплитуды входного сигнала.

Причины изменения амплитуды:

1. Изменение расстояния между ПРМ и передатчиком.
   
2. Изменение направления ПРМ и передающих антенн.
   
3. Изменение условий распространения радио волн.
   
4. Изменение отображающей поверхности (для РЛС).
   

К(U_p)

Блок высокой частоты

U_вх

УРЧ

ПЧ

УПЧ




U_вых

АРУ

U_p




; ; -уравнение идеальной АРУ




Для случая АМ-сигнала:










АРУ должна реагировать только на изменения средние значения амплитуды U_ср.

АРУ :1) – прямые, 2) - обратные

Блок высокой частоты

УРЧ

ПЧ

УПЧ

D

УЧМ

U_вх U_вых






U_раб АРУ


Ф1

АРУ

D1

АРУ
U_вх

Обратная



D1

АРУ
Е₃


Ф2

АРУ





Прямая

Е₃₂


Обратная АРУ - точка приложения регулировочного напряже-ния находится ближе по входу ПРМ (Ир1) чем точка съема входного напряжена АРУ.

Прямые АРУ наоборот.

Особенности:

Обратные АРУ – защищают от перегрузок систему АРУ, изменение параметров системы АРУ меньше сказывается на смещение характеристик ПРМ (т.к. есть обратная связь), но не может дать постоянства выходного напряжения. Причина - выход линейного тракта ПРМ является входом систем АРУ. Система не может обладать большой регулировкой усиления, кроме того, так как система с ОС, то она обладает ограниченным быстродействием (из-за чего система может стать неустойчивой).

Прямые АРУ – позволяют обеспечить в принципе постоянное напряжение на выходе; при выходе обеспечивает высокое быстродействие, но перегрузкам подвержена сама система, поэтому надо ставить на вход свою систему усиления


Большее распространение получили обратные АРУ.

ВРЕМЕННЫЕ АРУ (ВАРУ)

Применяются в ПРМ РЛС обнаружения и обзора земной поверхности.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА:

D

U

Блок высокой частоты

УРЧ

ПЧ

УПЧ

ВУ

_Вх U_вых




ГРН
U _p

От ПРД

U_ПРД МС ЗС




t




U_ГРН t




U_Рmax




ГРН – генератор регулирующего напряжения.

ЗС – зондирующие сигналы.

МС – мешающие сигналы.

СЦ – сигнал цели.


АНАЛО – ЦИФРОВАЯ АРУ

U
РУ

Д

ДУ
_вх U_вх



СУВКР

СФКР

ПНК
N_р






N_эт

РУ– регулируемый усилитель.

ВУ – видеоусилитель.

ПНК – преобразователь напряжения в код.

СФКР – схема формирования кода регулирования, где он сравнивается с эталонным значением кода.

СУВКР – схема усреднения и запоминания кода регулирования.

В качестве РУ используются ключевые транзисторы или диоды.

Достоинства АЦ АРУ по сравнению с аналоговой: высокая точность регулировки усиления; большой динамический диапазон; высокое быстродействие.

Все системы АРУ делятся на: инерциальные и безинерционные.

Инерционные реагируют на изменение средней амплитуды последовательности входного сигнала.

U_вх U_ср




K_прм(t) t




t

Пропорционально U_cред. будет меняться коэффициент усиления ПРМ.

Безинерционные АРУ реагируют на изменение напряжения во время длительности импульса:

U_вх





t




U_вых

U_овых







_u


U_{0 вых.} сonst.

За время _ару>_и, за время _и АРУ должно отработать изменение амплитуды, чтобы U_0вых. const . Между импульсами АРУ разомкнуто.

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

РУ

U_вх U_вых







U_р

Пусть РУ – это резонансный усилитель. Тогда |K(jw)|=|S’||Z_H’|

S – крутизна активного элемента.

Чтобы менять усиление нужно:

1. менять крутизну (получаем режимную АРУ)

|S’|=f (U_p)

2. менять сопротивление нагрузки (получаем не режимное АРУ)

|Z_H’|=f (U_p)

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ АРУ

1.Основной характеристикой является амплитудная характеристика линейного тракта приемника.

U_Вых

Без АРУ

U^*_{вых max}





C АРУ

U_{вых max}


U_{вых min}




U_{вх min} U*_{вх max} U_{вх max} U_вх


U_вход.min и U_вход.max – определяют динамический диапазон ПРМ.

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




U_вых




без АРУ








идеальная с АРУ

U_вх




U_{вх мах}

Фактически значение U _вых. должно быть постоянно.

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


ф
Ф

АРУ

D

АРУ
ильтр




U_{р Uз}


детектор АРУ открывается только, когда U _вход.>U₃

В этом случае амплитудная характеристика выглядит следующим образом:


U_вых


без АРУ








АРУ с задержкой







U_вх

U_{вх мин }U_з U_{вх макс}


ее преимущество в том, что она не подвержена воздействию помех или слабых сигналов; в зависимости от напряжения задержки U₃ система обладает большим быстродействием - чем больше U₃, тем больше быстродействие.


ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ АРУ


Любая система АРУ включает в себя:

детектор

U
РУ

Д
_вх U_вых U_д




Может

Uр отсутствовать


Усил.

Ф

фильтр


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

По этому часть детектор АРУ совмещают с детектором ПРМ.

Фильтр АРУ – строятся на базе RC - цепей.

Наиболее широко применяется однозвенный RC – фильтр.





|К| АЧХ

R_ф фильтра

С_ф

W_B ~1 /  _ф




W_B W



Чтобы правильно выбрать параметры фильтра надо учитывать, что:

1. W _в>W _{max ср.}, где W _{max ср.} – максимальная средняя частота входящего сигнала.
   
2. W_в << _min, где _min - минимальная частота спектра полезного модулированного сигнала; W_в – верхняя граничная частота фильтра.
   

Подходит




W_B







W_B _min _max W

в этом случае происходит демодуляция, т.е. такой вариант невозможен.

Применяются также двухзвенные фильтры:

R_ф1 R_ф2




C_ф1 C_ф2





они применяются для повышения быстродействия системы АРУ.

Подбирая параметры, можно сделать так, чтобы сигнал проходил в фазе. Но эта структура менее устойчива.

Еще одна разновидность фильтра:



















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


РЕГУЛИРУЕМЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (РУ)

1. Режимный РУ.





U_вых


















R_ф R_з

U_ф Е_с




С_ф





на затвор транзистора подается регулирующее напряжение U_p.

Регулируя напряжение U₃₄ меняем крутизну стоко-затворной характеристики триода, а следовательно меняем коэффициент усиления.

Глубина регулировки здесь:




Это АРУ не задержанная.

2. РУ с изменяемой ОС (тоже режимный).

V1
















V2










Up

E_k


На V₁ собрана схема резонансного усилителя, а на V₂ собрана регулируемая обратная связь.

Коэффициент усиления триода V₂ регулируется изменением регулирующего U_p.


K



где K – коэффициент усиления V₁,а  - коэффициент усиления V_2.

 переменное => K _ос. тоже переменное.

Достоинство по сравнению с первой схемой: больший динамический диапазон, а глубина регулировки тоже больше


3. Нережимный РУ (электрический управляемый аттенюатор).


Если U_p= 0, то диоды открыты и коэффициент усиления максимален и наоборот.

Достоинство: глубина регулировки 25-30 дБ. Простота.

Недостаток: большие нелинейные искажения за счет диодов.






















Uр
















Ек


СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ (СР) РАБОТЫ АРУ


При анализе СР полагают, что переходные процессы закончены и системы находятся в установившемся состоянии.


СТРУКТУРНАЯ СХЕМА:





K₀(Uр) E з


РУ

Д

U_вх U_вх Кд

Uр U1


Усил.

Ф

Кус Кф


РУ меняет свое K₀ в зависимости от U_p

Задается при этом

Для идеальной системы АРУ:

В СР анализируем:

требуемая глубина регулировки:

Задается типом РУ и определяем вид регулировочной характеристики.


K₀

К₀^max аппроксимируем K_{0 начал.} =K_{0 max}



 tg=Kapy=KdKpKyc

К₀^min глубина регулировки

Uр на одном усилителе




Для всех каскадов:

Число каскадов (округляем в большую сторону до целого числа).


При выборе числа РУ надо учитывать:

1. РУ должны находиться влзможно ближе к входу приемника, чтобы большее число каскадов ПРМ было защищено от перегрузок;
   
2. с возрастанием числа каскадов уменьшается линия глубины регулирования требуется от каждого каскада следовательно уменьшается искажения полезного сигнала.
   

N=2-5 – обычная.


ДИНАМИЧНЫЙ РЕЖИМ (ДР) РАБОТЫ АРУ


При анализе ДР анализируется длительность переходных процессов системы ее инерциальность (быстродействие) и ее устойчивость, чтобы оценить степень искажения полезного сигнала (его огибоющей).


Анализ переходных процессов.

При этом полагаем:

1. РУ является безинерционным устройством;
   
2. все инертности АРУ заключены в инерциальности ее фильтра;
   
3. регулированная характеристика РУ апраксимируется прямой линией.
   

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

Уравнение этой прямой:

K _p = K (U_p) = K_{0 начал.} – pU_p;


К(Up)

Ko_нач Kp=K(Up)=Ko_нач - pU_p;

P=tg - крутизна регулировочной

 характеристики




U_{p max}



Выберем в качестве фильтра АРУ - однозвенный RC фильтр.


R_ф

U_p Коэффициент усиления

U₁ РУ (Кус=1)

C_Ф его как бы нет


Тогда -дифференциальное уравнение

этой цепи

Найдем связь U_вх и U_вых

К₀^начК^нр U_вых< Eз(АРУ разомкнут)

U_вых= U_вх

К₀^нр ( К₀^нач – РU_р) U_вых> Eз


К₀^нр-Коэффициент усиления нерегулируемого усилителя

Найдем отсюда U_Р: (из второго условия)



U₁- напряжение на входе фильтра

U₁=К_АРУ(U_вых -РЕ_зад);

К_АРУкоэффициент передачи детектора Кd

Подставим U_p и U₁ в дифференциальное уравнение.

Получим дифференциальное уравнение системы АРУ.

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

Для анализа переходных процессов входа сигнала это скачек, тогда решение этого уравнения:

U_вх






t


U_{вых. нач.} – начальное значение выходного напряжения:

U_{вых. нач.}=K_{0 нр.}K_{0 нач.} U_вход.

-эквивалентный коэффициент усиления цепи АРУ,

=К₀^нрК_АРУР

_АРУ - постоянная времени цепи АРУ.



График переходных процессов в системе АРУ:




Входной сигнал

U_вых^нач

E₃₁ убывает по exp







E₃₂

U_вых^уст


t

При t




Чем  Е_3, тем  U_вых ^уст; Е₃₁>E₃₂


Таким образом, быстродействие системы АРУ зависит:

1. от величины нерегулируемых коэффициентов усиления (чем больше эта величина, тем меньше  и тем выше быстродействие);
   
2. от величины коэффициента усиления цепи АРУ (чем выше K_АРУ, тем больше крутизна следовательно меньше _АРУ следовательно больше быстродействие);
   
3. от амплитуды входного сигнала (чем больше U_вх., тем меньше , тем больше быстродействие, будет круче спадать exp.);
   
4. от постоянной времени фильтра _ф=С_фR_ф (чем больше _ф, тем больше _АРУ следовательно, меньше быстродействие);
   
5. от E (чем больше E₃, тем больше инерционность АРУ).
   

Устойчивость системы АРУ

Анализ устойчивости нужен только для обратных АРУ.


U
РУ
_вх U_вых




Uр


УС

Ф

Д
Е₃




Причина неустойчивости: так как есть ОС, то может оказаться, что фазы U_p и U_вх. совпадают, следовательно, будет генерация в системе с ОС.

Неустойчивость выражается: в выходе напряжения системы будет присутствовать паразитная модуляция вплоть до генерации автоколебания.

Система будет неустойчивой только при условии, что U _вх. 0. .

Можно проанализировать неустойчивость по критерию. Найквиста.

При этом нужно разорвать цепь ОС.

Тогда определяем коэффициент передачи тракта:



=U_ф/U_ВЫХ - Коэффициент передачи цепи ОС (цепи АРУ).

Для устойчивости системы с ОС должно выполнятся два условия:

1. |K| <1 – коэффициент передачи всей замкнутой системы.
   
2. Фазовый сдвиг в системе не равен 2πn
   

_к2 πn

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

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


Особенности работы АРУ в приемниках импульсных сигналов


АРУ делятся на инерционные и безинерционным.

1. Инерционные системы АРУ.
   

В таких АРУ должно выполнятся условие _АРУ>>Т_п, где Т_п – период повторения импульсов.

Тогда характеристики такой АРУ аналогичны характеристикам АРУ для непрерывных сигналов.

В качестве примера рассмотрим импульсное АРУ в ПРМ РЛС, решающую задачу по дальности и угловым координатам:



U_ВХ U_ВЫХ


U<sub>Р

СИ ПРД к ССУК</sub>


U_ВХ^АРУ(*) E₃



РУ

Д

ВУ

СК

УПТ

ФНЧ

Д

U_ВХ ЗИ СИ













t

U_{СИ n}

_ЗАД _ЗАД









U_ВХ^ару t











t

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

АРУ реагирует на среднее значение огибающей, поэтому _АРУ выбираем из условия: _АРУ>>_и, а с другой стороны эта величина должна быть гораздо меньше максимального периода отраженного сигнала: _АРУ<<_оn,

Весь остальной расчет аналогичен расчету системы АРУ для непрерывных сигналов.

2) Безынерционные системы АРУ.

Применяются по назначению самой радиосистемы: например, АРУ приемник самолетного ответчика; АРУ приемника РЛС обнаружения.

Для этих АРУ различают два режима работы:

1. _БАРУ>_u ; 2) _БАРУ<_n,
   

Рассмотрим первый режим:

_БАРУ>_{u ,} следовательно сигнал проходит при максимальном усилении.


Uвых без системы БАРУ

с системой БАРУ


Uвх

ПИ

Для системы без БАРУ


ОИ


С включенной БАРУ


t



ОИ - отраженный импульс

от цели

ПИ- помеховый импульс.

То есть БАРУ решают еще

задачу по борьбе с

импульсными помехами
















Рассмотрим второй вариант: _БАРУ<_n,


Uвх Uвых с БАРУ


U₀=var


_U = var

U_0вых



Сигнал имеет переменную амплитуду U₀ и длительность импульса так же переменная.

Нужно так выбирать _БАРУ, чтобы U_0вых была постоянна независимо от U₀ и _u.

Главная задача здесь выделить сигнал и сформировать на выходе сигнал с постоянной U_0вых.

Это более быстродействующая система, чем первая.

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