Систем автоматической регулировки усиления.

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) предназначена для поддержания постоянного напряжения на выходе приемного устройства, необходимого для нормальной работы его оконечных устройств.

Задачей АРУ является пропорциональное изменение коэффициента усиления приемного устройства в зависимости от уровня входного сигнала, которое может быть вызвано изменением ЭПР, дальности до цели или воздействием активных шумовых помех.

Система АРУ является замкнутой системой автоматического регулирования коэффициента усиления приемного устройства (ПРМ).

Простая АРУ (рис.2.7) состоит из амплитудного детектора (АД) и фильтра низкой частоты (ФНЧ).

Рис. 2.7. Структурная схема простой АРУ.

Детектор АРУ предназначен для выработки медленно меняющегося напряжения регулирования U_р, пропорционального уровню сигнала на выходе U_вых (или на входе U_вх) приемного устройства.

U_р = К_АРУ U_вых (2.12)

где: К_АРУ – коэффициент передачи АРУ.

Напряжение с выхода АД через ФНЧ подается на регулируемый УПЧ приемного устройства. В результате коэффициент усиления К₀ приемного устройства изменяется в зависимости от уровня входного сигнала. В общем случаерегулировочная характеристика приемного устройства К = F(U_р)имеет нелинейный характер.Линейная аппроксимация регулировочной характеристики приемника показана на рис.2.8.

Рис.2.8. Регулировочная характеристика приемного устройства.

Фильтр АРУ предназначен для подавления переменной составляющей выходного напряжения детектора Е_Д (сплошная кривая на рис.2.9) и пропуска медленно меняющейся составляющей этого напряжения (пунктирная кривая на рис.2.9). В результате напряжение регулирования U_р на выходе схемы АРУ зависит только от изменения уровня входного сигнала и не зависит от полезной амплитудной модуляции сигнала.

Рис.2.9. Диаграммы напряжений в схеме АРУ.

В качестве ФНЧ используют простую RC-цепь. Если схема АРУ осуществляет регулировку усиления одновременно в нескольких каскадах усилителя, то в схему АРУ дополнительно включают развязывающие RC-фильтры.

Развязывающие фильтры позволяют исключить паразитную обратную связь между регулируемыми каскадами и, следовательно, устранить опасность самовозбуждения усилительных каскадов (рис.2.10).

Рис.2.10. Фильтр схемы АРУ.

На практике выбирают R_ф1С_ф1 = R_ф2С_ф2 = … 0,1 R_фС_ф.

Приемное устройство с АРУ характеризуется амплитудной характеристикой, которая представляет собой графическую зависимость U_вых = F(U_вх) (рис.2.11).

Рис.2.11. Амплитудные характеристики приемного устройства

при различных видах АРУ.

Эффективность системы АРУ оценивается по степени уменьшения (сжатия) динамического диапазона изменения напряжения на выходе приемного устройства U_вых по сравнению с динамическим диапазоном изменения напряжения на его входе U_вх (рис.2.12).

Рис.2.12. Оценка эффективности системы АРУ.

Количественно эффективность систем АРУ оценивается коэффициентом регулирования АРУ (коэффициентом сжатия) N, которыйпоказывает во сколько раз система АРУ уменьшает динамический диапазон на выходе приемного устройства по отношению к его входу.

N = D_вх/D_вых, (2.13)

где: D_вх = U_{вх max} /U_{вх min} – динамический диапазон изменения напряжения на входе приемного устройства;

D_вых = U_{вых max} /U_{вых min} – динамический диапазон изменения напряжения на выходе приемного устройства.

Для современных приемных устройств динамический диапазон изменения напряжения на входе приемного устройства достигает 80 – 100 дБ. Для нормальной работы оконечных устройств система АРУ должна обеспечивать уменьшение динамического диапазона на выходе до уровня 4 – 10 дБ.

Схемы АРУ классифицируются по следующим основным признакам:

- по принципу регулирования;

- по порогу срабатывания;

- по инерционным свойствам.

По принципу регулирования (способу подачи напряжения регулирования в приемное устройство) различают:

- обратные АРУ (с регулировкой «назад»);

- прямые АРУ(с регулировкой «вперед»);

- комбинированные АРУ(с регулировкой «назад» и «вперед»).

В зависимости от порога срабатывания различают:

- АРУ без задержки (простые АРУ);

- АРУ с задержкой.

В простых АРУ (без задержки) порог срабатывания отсутствует и АРУ работает при любых уровнях сигнала на входе приемного устройства. При этом коэффициент усиления приемника уменьшается и при приеме слабых сигналов, когда этого не требуется.

В АРУ с задержкой процесс регулирования начинается при превышении входным напряжением некоторого порогового уровня U_пор (рис.2.11). В результате слабые сигналы схемой АРУ не ослабляются. При идеальной работе АРУ с задержкой для U_вх ≥ U_пор напряжение на выходе приемного устройства постоянно (пунктирная прямая идеальной АРУ на рис.2.11).

Для приближения амплитудной характеристики приемного устройства с АРУ к идеальной в схему АРУ с задержкой либо до детектора, либо после детектора дополнительно включают усилитель (УПЧ или УПТ). С увеличением коэффициента усиления дополнительного усилителя характеристика приемного устройства с усиленной АРУ приближается к идеальной.

Часто требуется, чтобы усиление АРУ изменялось по определенной программе (программное АРУ). Например, в РЛС уровень сигналов на входе приемного устройства U_вх уменьшается с увеличением дальности от объекта (рис.2.13).

Действительно, импульс О₁ отражен от объекта вблизи РЛС, так как по сравнению с импульсами О₂, О₃ … он сдвинут на наименьшее время относительно зондирующего импульса (ЗИ) передатчика. Импульс О₂ отражен от более удаленной цели. Поэтому уровень импульса О₂ меньше уровня импульса О₁, соответственно уровень импульса О₃ меньше импульса О₂ и т. д.

Если усиление в приемном устройстве установить исходя из обеспечения приема более слабых сигналов, то импульсы от близких объектов вызовут перегрузку каскадов приемника.

Наоборот, если усиление в приемном устройстве установить по сильному сигналу, то прием слабых импульсов будет затруднен. Следовательно, коэффициент усиления приемного устройства целесообразно изменять во времени по определенной программе.

Рис.2.13. Сигнал на входе приемного устройства РЛС и

диаграммы напряжений в схеме ВАРУ.

С этой целью в приемном устройстве РЛС (ГСН КР) применяется система временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ).

Напряжение регулирования U_р в схеме ВАРУ представляет собой периодически изменяющуюся функцию времени, обратную закону изменения коэффициента усиления приемного устройства К₀ (рис.2.13).

На практике выработка напряжения регулирования в схеме ВАРУ синхронизируется импульсами запуска передатчика РЛС. Поэтому усиление приемного устройства в момент излучения ЗИ передатчиком близко к нулю, а затем постепенно увеличивается.

По инерционным свойствам различают:

- инерционные АРУ;

- быстродействующие АРУ (БАРУ).

Инерционные свойства АРУ обусловлены наличием в схеме ФНЧ. В результате скачкообразное изменение уровня входного сигнала U_вх приводит к постепенному изменению напряжение регулирования U_р на выходе схемы АРУ. Поэтому изменение коэффициента усиления К₀ и выходного напряжения U_вых приемного устройства также происходит с задержкой.

Таким образом, в приемном устройстве с АРУ возникает переходный процесс, который в зависимости от типа ФНЧ является апериодическим или колебательным.

Если ФНЧ представляет собой однозвенный R_фC_ф – фильтр (АРУ первого порядка), то напряжение на выходе приемника устанавливается по экспоненциальному апериодическому закону с постоянной времени:

τ_ф = R_фC_ф/ (1 + k), (2.14)

где: k = ,

ΔК₀ – приращение коэффициента усиления регулируемого усилителя, которое вызвано увеличением входного сигнала на ΔU_вх.

Инерционные свойства АРУ определяет постоянная времени АРУ τ_АРУ, котораяхарактеризует способность приемного устройства следить за изменением уровня принимаемого сигнала. Постоянная времени развязывающих фильтров на практике значительно меньше постоянной времени фильтра τ_ф и при оценке инерционных свойств схемы АРУ обычно не учитывается.

На практике зз-за влияния переходных процессов в схеме АРУ:

τ_АРУ < τ_ф.

Кроме того, для устранения искажений входного сигнала постоянная времени АРУ должна быть значительно меньше периода изменения сигнала, но больше периода повторения ЗИ передатчика.

Если ФНЧ представляет собой двух- или трехзвенный R_фC_ф – фильтр (схема АРУ второго или третьего порядка), то переходный процесс носит колебательный характер, что нарушает нормальный прием сигнала.

На практике в РЛС (ГСН КР) часто применяют быстродействующую АРУ (БАРУ), которая устраняет перегрузку приемного устройства при действии мощной помехи (отражений от береговой черты, островов и т.д.).

БАРУ отличается высокой скоростью срабатывания при поступлении на вход приемного устройства сигнала большой длительности от мощной помехи. Однако для полезного сигнала БАРУ должна быть инерционна. Поэтому постоянную времени БАРУ τ_БАРУ выбирают значительно меньше, чем постоянная времени АРУ τ_АРУ, т.е.:

τ_БАРУ < τ_АРУ

При этом также должно выполняться условие:

T_c < τ_БАРУ < T_п,

где: T_c – длительность полезного сигнала;

T_п – длительность помехи.

Обычно схема БАРУ регулирует только один каскад последнего УПЧ приемного устройства, т.к. в противном случае при малой τ_БАРУ значительно снижается устойчивость УПЧ из-за слабой развязки регулируемых каскадов. На практике эффективной БАРУ добиваются при использовании 2 – 3 автономных схем БАРУ.

Недостатки БАРУ:

- Приемное устройство с БАРУ не защищено от перегрузки помехами, которые имеют длительность, соизмеримую с длительностью полезного сигнала;

- После воздействия мощной помехи чувствительность приемного устройства с БАРУ восстанавливается с задержкой, что может привести к потери полезного сигнала.

Для устранения этих недостатков и безинерционного регулирования коэффициента усиления приемного устройства вместо БАРУ применяются усилители с логарифмической амплитудной характеристикой (ЛАХ). Они одинаково реагируют на регулярные и случайные помехи, а после воздействия сильной помехи их чувствительность восстанавливается мгновенно.

Для обеспечения максимального усиления слабых сигналов начальный участок амплитудной характеристики усилителя с ЛАХ делают линейным, а остальную часть характеристики – логарифмической. Тогда, начиная со значения входного напряжения U_вх1, выходное напряжение усилителя изменяется пропорционально логарифму входного напряжения и перегрузки приемного устройства происходить не будет.

Линейно-логарифмическая амплитудная характеристика приемного устройства и зависимость его коэффициента усиления К от сигнала на входе U_вх показана на рис.2.14.

Рис.2.14. Характеристики усилителя с ЛАХ.

В приемном устройстве наиболее подвержены перегрузке усилители промежуточной частоты (УПЧ). Поэтому применение АРУ, как и получение линейно-логарифмической амплитудной характеристики, наиболее целесообразно в каскадах УПЧ приемного устройства.

Дата добавления: 2015-08-05