Систем автоматической подстройки частоты.

С О Д Е Р Ж А Н И Е.

Стр.

Лекция 2.1.5. Устройства автоматического регулирования. 3

1. Назначение, состав, классификация и основные параметры систем

автоматической подстройки частоты. 4

2. Принципы построения систем АПЧ различного типа. 10

3. Назначение, состав, классификация и основные параметры систем

автоматической регулировки усиления. 12

4. Принципы построения систем АРУ различного типа. 20

Список литературы. 26

Лекция 2.1.5. Устройства автоматического регулирования.

Для обеспечения заданных параметров приемных устройств РЛС (или ГСН КР) в процессе их эксплуатации в различных условиях под влиянием случайных факторов (изменение температуры, напряжения источника питания, нагрузки и т.д.) применяются устройства регулирования.

Основными видами регулировок в приемном устройстве являются:

- регулировка частоты;

- регулировка усиления;

- регулировка полосы пропускания.

Возможны регулировки и других параметров приемного устройства.

Регулировки могут осуществляться в трактах радиочастоты, промежуточной частоты и в последетекторной части приемного устройства.

По виду управления различают:

- регулировки с местным управлением;

- регулировки с дистанционным управлением.

По принципу регулирования различают:

- ручные регулировки;

- автоматические регулировки;

- смешанные регулировки.

Автоматические регулировки поддерживает заданные параметры приемного устройства на требуемом уровне без участия оператора РЛС, т.е. автоматически. Основными требованиями, предъявляемыми к автоматическим регулировкам являются:

- эффективность (глубина) регулирования;

- плавность регулирования;

- скорость срабатывания;

- устойчивость работы;

- взаимная независимость регулировок различного вида;

- отсутствие искажений, вносимых регулировками.

Назначение, состав, классификация и основные параметры

систем автоматической подстройки частоты.

Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) предназначена для стабилизации промежуточной частоты приемного устройства при изменении частоты передатчика (гетеродина приемного устройства) под влиянием случайных факторов (изменение температуры, нагрузки и т.д.) или при перестройке частоты.

Система АПЧ приемного устройства является замкнутой системой автоматического регулирования частоты гетеродина (передатчика) с обратной связью и включает три основных элемента: измерительное, управляющее и исполнительное устройства (рис.2.1).

Рис.2.1. Структурная схема системы АПЧ.

Принцип действия системы АПЧ заключается в следующем. Случайные изменения несущей частоты передатчика f_c или частоты гетеродина f_г приводят к изменению промежуточной частоты приемного устройства f_пр, т.к.:

f_пр = f_г − f_с (2.1)

Система АПЧ измеряет величину отклонения промежуточной частоты f_пр от ее номинального значения f_пр0 и осуществляет подстройку частоты гетеродина (передатчика) до выполнения условия:

f_пр = f_пр0

Измерительное устройство предназначено для выработки напряжения регулирования, величина и знак которого зависят от величины и знака отклонения промежуточной частоты (фазы) от ее номинального значения.

В качестве измерительного устройства в системах АПЧ используется частотный (ЧД) или фазовый детектор (ФД).

Управляющее устройство предназначено для отфильтровывания только медленных изменений напряжения регулирования, связанных с изменением частоты гетеродина или сигнала под влиянием случайных факторов.

В качестве управляющего устройства в системах АПЧ используется фильтр низкой частоты (ФНЧ).

Исполнительное устройство (ИУ) предназначено для изменения частоты объекта регулирования (гетеродина или передатчика) в соответствии с величиной и знаком напряжения рассогласования.

По месту подключения системы АПЧ различают:

- АПЧ, стабилизирующие промежуточную частоту приемника f_пр;

- АПЧ, стабилизирующие частоту гетеродина f_г (передатчика f_c).

По типу измерительного устройства различают:

- частотные АПЧ (ЧАПЧ);

- фазовые АПЧ (ФАПЧ).

В системах частотной АПЧ в качестве измерительного элемента используется ЧД, который измеряет отклонение частоты напряжения на входе схемы АПЧ от ее номинального значения.

В системах фазовой АПЧ используется ФД, который измеряет отклонение фазы напряжения на входе схемы АПЧ по отношению к фазе опорного генератора. Фазовая АПЧ по сравнению с ЧАПЧ более чувствительна, т.к. реагирует даже на незначительные расхождения частот.

По типу исполнительного устройства различают:

- электромеханические АПЧ;

- электронные АПЧ;

- цифровые АПЧ.

В электромеханических системах АПЧ в качестве исполнительного устройства используется электродвигатель, который через редуктор связан с переменным конденсатором. В электронных системах АПЧ исполнительным устройством обычно является варикап (полупроводниковый диод с управляемой емкостью р-n перехода), а в цифровых – цифровое устройство сравнения (компаратор).

В приемных устройствах непрерывных сигналов широко используется электронная частотная АПЧ гетеродина (рис.2.2).

Рис.2.2. Электронная частотная АПЧ гетеродина.

Основными параметрами системы АПЧ являются:

- точность подстройки;

- полоса удержания;

- полоса схватывания.

Точность подстройки характеризует остаточную расстройку частоты гетеродина (магнетрона передатчика) δf, которая устанавливается в системе АПЧ после завершения процесса подстройки частоты.

Так как система АПЧ имеет обратную связь, то она не может полностью устранить расстройку частоты гетеродина (магнетрона передатчика).

Допустим, что в системе ЧАПЧ (рис.2.2) из-за действия дестабилизирующих факторов частота сигнала изменилась на Δf_с.

Частотная АПЧ подстраивает частоту гетеродина на Δf_г так, чтобы промежуточная частота f_пр осталась без изменений. После завершения процесса подстройки на выходе УПЧ устанавливается остаточная расстройка частоты гетеродина δf.

δf = Δf_с − Δf_г (2.2)

При условии, что характеристика детектирования ЧД линейна (рис.2.2) и имеет крутизну S_ЧД на выходе ЧД вырабатывается напряжение:

U_ЧД = S_ЧД δf (2.3)

Тогда на выходе ФНЧ с коэффициентом передачи К_ф устанавливается напряжение регулирования U_р.

U_р = К_ф U_ЧД = К_ф S_ЧД δf (2.4)

При условии, что характеристика ИЭ линейна и имеет крутизну S_ИЭ под действием напряжения регулирования происходит подстройка частоты гетеродина на величину Δf_г:

Δf_г = S_ИЭ U_ф = S_ИЭ К_ф S_ЧД δf (2.5)

В соответствии с выражением (2.2) получаем:

δf = Δf_с − S_ИЭ S_ЧД К_ф δf (2.6)

Отсюда:

δf = Δf_с /(1 + S_ИЭ S_ЧД К_ф) = Δf_с /К_АПЧ, (2.7)

где: К_АПЧ – коэффициент усиления АПЧ (коэффициент подстройки).

К_АПЧ = Δf_с /δf = 1 + S_ИЭ S_ЧД К_ф (2.8)

В реальных АПЧ К_АПЧ ≈ 20 – 50, а точность подстройки системы АПЧ в сантиметровом диапазоне δf = 100 – 200 кГц.

В соответствии с выражением (2.7) для повышения точности подстройки (уменьшения остаточной расстройки частоты) необходимо увеличить коэффициент усиления АПЧ, т.е. увеличить S_ИЭ, S_ЧД и К_ф.

Поэтому для повышения точности подстройки в схему АПЧ после ФНЧ дополнительно включают усилитель постоянного тока (УПТ).

Система АПЧ приемного устролйства импульсных сигналов дополнительно включает видеоусилитель (ВУ) и пиковый детектор (ПД). Поэтому в соответствии с выражением (2.7) остаточная расстройка частоты равна:

δf = Δf_с /(1 + S_ИЭ S_ЧД К_ВУ К_ПД К_ф), (2.9)

где: К_ВУ, К_ПД – коэффициенты передачи соответственно видеоусилителя и пикового детектора.

Графическая зависимость δf = F(Δf_с), построенная на основании выражения (2.7) для различных значений коэффициента усиления АПЧ, показана на рис.2.3.

Рис.2.3. Графическая зависимость δf = F(Δf_с).

Отсюда видно, что если в приемном устройстве система АПЧ отсутствует или не работает, то К_АПЧ = 1 и δf = Δf_с.

При наличие системы АПЧ К_АПЧ» 1 и угол наклона графика δf = F(Δf_с) к оси абсцисс уменьшается.

Проанализируем зависимость δf = F(Δf_с) подробнее.

Если АПЧ работает (К_АПЧ» 1), то при увеличении отклонения частоты принятого сигнала Δf_с от номинального значения остаточная расстройка δf также увеличивается. Поэтому увеличивается напряжение на выходе ЧД (характеристика U_ЧД = F(f_пр) на рис.2.2).

Если остаточная расстройка частоты δf превысит ширину линейного (рабочего) участка Δf_ЧД дискриминаторной характеристики ЧД (δf > Δf_ЧД), то напряжение на выходе ЧД уменьшается, а δf резко возрастает. Данное явление приводит к срыву АПЧ. На графике δf = F(Δf_с) это явление соответствует переходу от прямой при К_АПЧ» 1 на прямую при К_АПЧ = 1.

Полоса удержания (П_уд = 2Δf_с) – полоса пропускания приемного устройства, при выходе за которую система АПЧ перестает работать.

Допустим, что при неработающей АПЧ (К_АПЧ = 1) отклонение частоты Δf_с начинает уменьшаться. Так как δf = Δf_с, то δf также уменьшается. При выполнении условия δf < Δf_ЧД напряжение на выходе ЧД начинает следить за изменением частоты f_пр и работа АПЧ восстанавливается.

Полоса схватывания (П_сх = 2Δf_с) – полоса пропускания приемного устройства, при которой происходит восстановление работы АПЧ.

Таким образом, система АПЧ работает, если остаточная расстройка частоты δf не превышает ширину линейного участка Δf_ЧД дискриминаторной характеристики ЧД (δf < Δf_ЧД), а срыв АПЧ происходит при δf = Δf_ЧД.

В соответствии с выражением (2.7):

Δf_ЧД = Δf_с /К_АПЧ (2.10)

Следовательно, срыв АПЧ происходит при отклонении частоты сигнала:

Δf_с = Δf_ЧД К_АПЧ (2.11)

Однако процесс срыва и восстановления АПЧ крайне неустойчив. Поэтому график δf = F(Δf_с) на практике не соответствуют действительному ходу процесса.

Большинство современных систем АПЧ имеет автоматическую схему поиска, которая с помощью периодического изменения напряжения поиска осуществляет электронную настройку частоты гетеродина.

Схема поиска начинает работу при увеличении остаточной расстройки до величины, превышающей полосу удержания, и прекращает поиск при уменьшении расстройки до величины, меньшей полосы схватывания. Диапазон поиска обычно составляет 0,5 – 1,0% от несущей частоты передатчика.

Дата добавления: 2015-08-05