АНАЛІЗ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ СХЕМ, ОСНОВНІ ЕЛЕМЕНТИ СИСТЕМ АРП

1. Загальна характеристика та аналіз функціональних схем систем регулювання підсилення

 

Різновиди систем АРП

Автоматичне регулювання підсилення призначене для підтримки рівня вихідного сигналу прийомного пристрою або підсилювача поблизу деякого номінального значення при зміні рівня вхідного сигналу. Автоматичне виконання цієї функції необхідно тому, що зміни рівня вхідного сигналу можуть відбуватися хаотично і досить швидко. Ручне регулювання підсилення використовується лише для установки рівня вихідного сигналу, що повинний підтримуватися системою АРП.

Є багато причин, через які рівень вхідного сигналу безупинно змінюється [8]:

- зміна відстані між джерелом випромінювання і приймальним пристроєм;

- зміна умов поширення радіохвиль;

- інтерференція радіохвиль, що прийшли в місце прийому по різних

шляхах;

- перебудова приймача з однієї станції на іншу;

- зміна взаємоспрямованості приймальних і передавальних антен і т.д.

У радіозв'язку напруга сигналу на вході приймача може зміняться в 10⁶ раз і більше. Вихідна напруга приймача при цьому не повинна змінюватися більш ніж у 1,2 ÷ 3 рази. Ця вимога диктується як припустимими перекручуваннями інформаційної складової сигналу в тракті прийомного пристрою, так і відсутністю перевантажень його каскадів, що можуть привести до тривалих утрат чутливості. При цьому сама система АРП не повинна викликати надмірних перекручувань огинаючої сигналу або призводити до появи паразитної амплітудної модуляції сигналу, тобто система АРП повинна бути стійкою.

В ідеальному випадку вихідна напруга приймача (підсилювача) повинна залишатися незмінною після досягнення деякого значення U_{вих min}, що забезпечує нормальну роботу кінцевої апаратури. Це значить, що коефіцієнт підсилення повинний змінюватися за законом [9]

 

Реальні системи АРП відповідають цьому співвідношенню з великим або меншим наближенням.

Системи АРП можуть бути зворотніми і прямими. Зворотні системи АРП є системами зі зворотним зв'язком — у них точка знімання напруги для формування регулюючого впливу розташована далі від входу приймача, чим точка прикладення регулюючого впливу. Інакше кажучи, це системи з регулюванням «назад». У прямих системах АРП точка знімання напруги для запуску схеми АРП розташована ближче до входу приймача, чим точка прикладення регулюючого впливу. Ці системи не утворюють кола зворотнього зв'язку і є системами з регулюванням «уперед». Кожна з цих систем має переваги і недоліки.

Зворотні системи АРП не можуть дати повної сталості вихідної напруги, тому що воно є вхідним для системи АРП і повинне містити інформацію для відповідної зміни регулюючого впливу. Крім того, вони не можуть забезпечити одночасно велику глибину регулювання (U_вих ≈ const) і високу швидкодію з міркувань стійкості. Однак ці системи захищають від перевантажень усі каскади приймача, розташовані далі від входу, чим точка прикладення регулюючого впливу, а самі ланцюги АРП є під впливом сигналу зі стиснутим динамічним діапазоном і також не піддані перевантаженням.

Прямі системи АРП принципово можуть забезпечити ідеальне регулювання, тобто U_вих ≈const при U_вих ≥ U_вих min і як завгодно високу швидкодію. Однак практично це не досягається, тому що ступінь сталості вихідної напруги обумовлений конкретними даними елементів ланцюга АРП і ланцюгів прийомного пристрою, підданих технологічним розкидам, тимчасовим і режимним змінам. Ланцюг АРП захищає від перевантажень тільки ті каскади, що розташовані далі точки прикладення регулюючого впливу, і сам є під впливом сигналу із широким динамічним діапазоном, тобто підданий перевантаженням і повинен містити внутрішні зворотні системи АРП. У цьому випадку система АРП практично перетворюється в окремий канал прийомного пристрою, не менш складний, чим його основний канал.

Усі ці причини призводять до того, що в даний час більше поширення одержали зворотні системи АРП. Очевидно, кращі результати може дати застосування комбінованої системи АРП, що включає в себе ланцюги зворотньої і прямої АРП з переважаючим впливом зворотнього ланцюга АРП. Функціональна схема такої комбінованої системи АРП приведена на рис. 1.

Рис 1. Функціональна схема комбінованої системи АРП

Зворотня система АРП утворюється детектором АРП Д_{АРП 1} , фільтром Ф1 і всіма каскадами основного тракту, розташованими між точкою прикладення регулюючої напруги U_р1 і виходом блоку високої частоти (БВЧ).

В пряму систему АРП входять детектор Д _{АРП 2} , фільтр Ф₂ і підсилювач постійної напруги У _{АРП 2} . Регулююча напруга U_р2 вводиться в БВЧ і в підсилювач низької частоти - ПНЧ (останнє не обов'язково і використовується рідко). Фільтри Ф₁, Ф₂ додають ланцюгам АРП необхідну інерційність, обумовлену як розуміннями стійкості (АРП1), так і відсутності демодуляції АМ-сигнала (АРП₁, АРП₂). Роль фільтрів Ф₁ і Ф₂ можуть грати навантажувальні ланцюги відповідних детекторів. Регулюючі напруги U_р1 і U_р2 містять складові, що змінюються з частотами паразитної амплітудної модуляції вхідного сигналу, обумовленої перерахованими раніше причинами, але не містять складових, що змінюються з частотою корисної модуляції. Ці складові безперешкодно проходять через основний тракт радіоприймального пристрою, виділяються детектором Д и підсилюються підсилювачем низької частоти, утворюючи вихідну напругу приймача U _{вих. НЧ}. Звичайно немає необхідності знижувати посилення слабких сигналівU _вх > U _{вх min}, що не створюють перевантажень приймача і не забезпечують номінальної вихідної напруги навіть при максимальному посиленні БВЧ і ПНЧ. Для додання ланцюгам АРП граничних властивостей, тобто включення їх тільки при визначеній амплітуді сигналу, ланцюг АРП замикають примусовим зсувом і відмикають тільки після того, як напруга сигналу перевищить напругу запирання. Звичайна напруга запирання («затримки») подається на детектори або підсилювачі АРП. На рис. 3.1 це напруги Е_з1 і Е _з Подібні системи АРП називаються затриманими. Затримка може бути введена по середньому значенню сигналу або по максимуму. Якщо постійна часу навантажувального ланцюга, Д_{АРП 1}, менше періоду повторення імпульсів (при імпульсному сигналі) і діод Д _{АРП 1} , замкнений напругою затримки Е₃₁, то при U_вих < Е₃₁ система АРП буде розімкнута. При U _вих >Е₃₁ діод Д_{АРП 1} відкривається кожним імпульсом, що задовольняє цій умові, і після фільтрації у фільтрі Ф₁ виробляється регулююча напруга U_р1 , пропорційна амплітуді максимального імпульсу. Це система АРП по максимуму сигналу, що прагне підтримати постійним максимальне значення вихідної напруги.

У системі АРП₂ напругою затримки Е_з2 закритий підсилювач постійної напруги У _АРП Він відкриється тільки тоді, коли випрямлена і профільтрована фільтром Ф₂ напруга перевищить Е_з Ця напруга пропорційна середньому значенню вхідного сигналу. У такий спосіб створюється система АРП по середньому значенню, що прагне підтримати незмінним середнє значення вихідної напруги. На рис. 3.1 у ланцюзі АРП ₁ немає спеціального підсилювача ні в ланцюгах високої частоти, ні на постійному струмі. Це не посилена система АРП. Система АРП ₂ - посилена, тому що містить підсилювач У _{АРП 2} посилюючий сигнал у ланцюзі АРП ₂ (регулююча напруга). Посилені системи АРП мають більшу глибину регулювання і здатні забезпечувати менший динамічний діапазон вихідного сигналу.

З принципу дії системи АРП випливає, що при слабкому сигналі коефіцієнт підсилення приймача максимальний. При цьому на виході прослуховуються шуми, створені зовнішніми перешкодами і власними флуктуаційними процесами в каскадах радіоприймального пристрою. У деяких випадках це небажано і тоді використовується безшумова система АРП (рис. 2). Автогенератор Г генерує коливання досить високої частоти, які знаходяться поза межами смуги пропускання ПНЧ. Ці коливання детектуються детектором Д_г і випрямлена напруга замикає один з каскадів ПНЧ. З появою сигналу за умови U_вих> Е₃ замикається система АРП і починає виробляти напругу U_Р, що прикладається до електродів активного приладу генератора Г и зриває його коливання. При цьому знімається напруга, що замикає ПНЧ, і сигнал починає надходити на вихід.

Рис. Часове регулювання підсилення (ЧРП)

Така функціональна схема приведена на рис. 3. Пусковий імпульс 1 від модулятора РЛС, генеруємий одночасно з зондувальним імпульсом, запускає генератор регулюючої напруги (ГРН). У початковий момент часу напруга U _р взагалі може замикати прийомний тракт, здійснюючи «бланкування» приймача. Потім по мірі зменшення U _р підсилення приймача збільшується, доходячи до максимально можливого. Таким чином підсилення виявляється зв'язаним з дальністю. Визначена форма і швидкість зміни U_р (t) встановлюються в залежності від конкретних умов. Система ЧРП є автономною, не зв'язаною з інтенсивністю вхідного сигналу в кожен даний момент часу.

По ступені швидкодії розрізняють інерційні АРП і швидкодіючі АРП (ШАРП). Ступінь швидкодії визначається відносно швидкості зміни інтенсивності сигналу. Висока швидкодія не дозволяє одержати великої глибини регулювання з розумінь стійкості, тому для досягнення загальної великої глибини регулювання приходиться застосовувати кілька послідовних кілець ШАРП (рис. 4. Послідовні кільця ШАРП), причому найчастіше одне кільце охоплює всього один підсилюючий каскад.

 

Рис. 3.Функціональна схема імпульсної системи АРП

Рис. 4. Послідовні кільця ШАРП

Цифрова АРП (ЦАРП) має ряд переваг перед звичайними аналоговими системами [8,9]:

- незалежність тривалості процесу встановлення необхідного підсилення від рівня вхідного сигналу;

- незалежність регулюючих характеристик від розбросів і конкретних властивостей ланцюга АРП і регулюємого підсилювача (при цілком цифровому виконанні);

- можливість встановлення необхідного підсилення після прийому першого імпульсу;

- астатизм і збереження встановленого підсилення при перервах у прийомі сигналу.

Побудова зворотної системи ЦАРП ілюструється функціональною схемою ( рис. 5. Функціональна схема зворотньої системи ЦАРП ). Вихідна напруга відеопідсилювача перетворюється у двійковий код у перетворювачі напруга — код (ПНК). Код вихідної напруги N _вих порівнюється з еталонним кодом N_е в схемі порівняння кодів (СПК), у результаті чого утворюється код неузгодженості ∆N. Помітимо, що СПК — не що інше, як цифровий граничний пристрій, а еталонний код — цифровий аналог напруги затримки. У результаті порозрядного усереднення в схемі усереднення і запам'ятовування (СУЗ) (цифровий аналог фільтра звичайної АРП) виробляється код регулювання. Код регулювання керує регульованими елементами з дискретним двійковим регулюванням. Число таких елементів дорівнює числу розрядів коду регулювання й у залежності від наявності в даному розряді N _р нуля або одиниці відповідний елемент регулювання має мінімальний або максимальний коефіцієнт передачі. У схемі рис. 5 покладається, що цими регульованими елементами є каскади ППЧ із дискретним регулюванням (ППЧДР). Перепад коефіцієнта передачі елемента, що відповідає даному розрядові, сполучений зі старшинством розряду.

U_вх U_вих U_{вих ВУ}

 N_р ∆N N_вих

Рис. 5. Функціонльна схема зворотньої системи ЦАРП

Нехай число регульованих елементів п = 6 і відповідно код регулювання -шестирозрядний. Максимальне значення шестирозрядного двійкового коду

N _{р max} = 2⁵ + 2⁴ + 2³ + 2² + 2 +1 = 63

( N_р = а_п-1 2^n-1 + а _n-2 2 ^n-2 +...+ а _n-1 2^n-1 + ...+а₁ 2 ¹ + а₀ 2⁰,

де а_j = 0 або 1 ). Нехай загальний динамічний діапазон регулювання посилення G_р - 126 дБ. Тоді ціна молодшого розряду т = G_p/N_{p max} = 126/63 =2 дБ.

Для і-го регульованого елемента перепад посилення G _pi =т2 ^n-1 дБ,

Таким чином, регульовані елементи повинні давати наступні перепади підсилення (див. табл. 3.1).

Таблиця 3.1.