Реферат: Автоматическая регулировка усиления (ару) прм

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) ПРМ


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

Причины изменения амплитуды:

Изменение расстояния между ПРМ и передатчиком.

Изменение направления ПРМ и передающих антенн.

Изменение условий распространения радио волн.

Изменение отображающей поверхности (для РЛС).


К(Up)





^ Блок высокой частоты
Uвх

УРЧ
ПЧ

УПЧ




Uвых

АРУ
Up




; ; -уравнение идеальной АРУ




Для случая АМ-сигнала:










АРУ должна реагировать только на изменения средние значения амплитуды Uср.

АРУ :1) – прямые, 2) - обратные


^ Блок высокой частоты УРЧ
ПЧ

УПЧ

D УЧМ Uвх Uвых






Uраб АРУ


Ф1

АРУ

D1

АРУ
Uвх

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 Uвых




ГРН
U p
От ПРД



UПРД МС ЗС




t




UГРН t




UРmax




ГРН – генератор регулирующего напряжения.

ЗС – зондирующие сигналы.

МС – мешающие сигналы.

СЦ – сигнал цели.


^ АНАЛО – ЦИФРОВАЯ АРУ

U
РУ

Д

ДУ
вх Uвх



СУВКР
СФКР
ПНК
Nр






Nэт

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.

UвхUср




Kпрм(t) t




t

Пропорционально Ucред. будет меняться коэффициент усиления ПРМ.

Безинерционные АРУ реагируют на изменение напряжения во время длительности импульса:

Uвх





t




Uвых

Uовых







u


U0 вых. сonst.
За время ару>и, за время и АРУ должно отработать изменение амплитуды, чтобы U0вых. const . Между импульсами АРУ разомкнуто. ^ Все системы АРУ в зависимости от типа РУ делятся на режимные и не режимные.

РУ

Uвх Uвых







Uр

^ Пусть РУ – это резонансный усилитель. Тогда |K(jw)|=|S’||ZH’| S – крутизна активного элемента. Чтобы менять усиление нужно: менять крутизну (получаем режимную АРУ) ^ |S’|=f (Up) менять сопротивление нагрузки (получаем не режимное АРУ) |ZH’|=f (Up)





ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМЫ АРУ

1.Основной характеристикой является амплитудная характеристика линейного тракта приемника.

UВых

Без АРУ

U*вых max





C АРУ

Uвых max


Uвых min




Uвх min U*вх max Uвх max Uвх


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

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




Uвых




без АРУ








идеальная с АРУ

Uвх




Uвх 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




Uр Uз


детектор АРУ открывается только, когда U вход.>U3

В этом случае амплитудная характеристика выглядит следующим образом:


Uвых


без АРУ








АРУ с задержкой







Uвх

Uвх мин Uз Uвх 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 Uвых Uд




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

Rф фильтра

Сф

WB ~1 /  ф




WBW



Чтобы правильно выбрать параметры фильтра надо учитывать, что:

W в>W max ср., где W max ср. – максимальная средняя частота входящего сигнала.

Wв << min, где min - минимальная частота спектра полезного модулированного сигнала;Wв – верхняя граничная частота фильтра.

Подходит




WB







WB min maxW

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

^ Применяются также двухзвенные фильтры:

Rф1 Rф2




Cф1 Cф2





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.





Uвых


















Rф Rз

Uф Ес




Сф





на затвор транзистора подается регулирующее напряжение Up.

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

Ek


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

Коэффициент усиления триода V2 регулируется изменением регулирующего Up.


K









где K – коэффициент усиления V1,а  - коэффициент усиления V2.

 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 Up= 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

Uвх Uвх Кд

Uр U1


Усил.
Ф





Кус Кф


РУ меняет свое K0 в зависимости от Up

Задается при этом

Для идеальной системы АРУ:

В СР анализируем:

требуемая глубина регулировки:

Задается типом РУ и определяем вид регулировочной характеристики.


K0

К0max аппроксимируем K0 начал. =K0 max



 tg=Kapy=KdKpKyc

К0min глубина регулировки

Uр на одном усилителе




Для всех каскадов:

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


^ При выборе числа РУ надо учитывать:

РУ должны находиться влзможно ближе к входу приемника, чтобы большее число каскадов ПРМ было защищено от перегрузок;

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:

РУ является безинерционным устройством;

все инертности АРУ заключены в инерциальности ее фильтра;

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 (Up) = K0 начал. – pUp;


К(Up)

Koнач Kp=K(Up)=Koнач - pUp;

P=tg - крутизна регулировочной

 характеристики




Up max



Выберем в качестве фильтра АРУ - однозвенный RC фильтр.


Rф

Up Коэффициент усиления

U1 РУ (Кус=1)

CФ его как бы нет


Тогда -дифференциальное уравнение

этой цепи

Найдем связь Uвх и Uвых

К0начКнр Uвых< Eз(АРУ разомкнут)

Uвых= Uвх

К0нр ( К0нач – РUр) Uвых> Eз


К0нр-Коэффициент усиления нерегулируемого усилителя

Найдем отсюда UР: (из второго условия)



U1- напряжение на входе фильтра

U1=КАРУ(Uвых -РЕзад);

КАРУкоэффициент передачи детектора Кd

Подставим Upи 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:

Uвх






t


Uвых. нач. – начальное значение выходного напряжения:

Uвых. нач.=K0 нр.K0 нач. Uвход.

-эквивалентный коэффициент усиления цепи АРУ,

=К0нрКАРУР

АРУ - постоянная времени цепи АРУ.



График переходных процессов в системе АРУ:




Входной сигнал

Uвыхнач

E31 убывает по exp







E32

Uвыхуст


t

При t




Чем  Е3, тем  Uвых уст; Е31>E32


Таким образом, быстродействие системы АРУ зависит:

от величины нерегулируемых коэффициентов усиления (чем больше эта величина, тем меньше  и тем выше быстродействие);

от величины коэффициента усиления цепи АРУ (чем выше KАРУ, тем больше крутизна следовательно меньше АРУ следовательно больше быстродействие);

от амплитуды входного сигнала (чем больше Uвх., тем меньше , тем больше быстродействие, будет круче спадать exp.);

от постоянной времени фильтра ф=СфRф (чем больше ф, тем больше АРУ следовательно, меньше быстродействие);

от E (чем больше E3, тем больше инерционность АРУ).



^ Устойчивость системы АРУ

Анализ устойчивости нужен только для обратных АРУ.


U
РУ
вх Uвых




Uр


УС

Ф

Д
Е3




Причина неустойчивости: так как есть ОС, то может оказаться, что фазы Up и Uвх. 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:



=Uф/UВЫХ - Коэффициент передачи цепи ОС (цепи АРУ).

Для устойчивости системы с ОС должно выполнятся два условия:

|K| <1 – коэффициент передачи всей замкнутой системы.

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 900.


^ Особенности работы АРУ в приемниках импульсных сигналов


АРУ делятся на инерционные и безинерционным.

Инерционные системы АРУ.

В таких АРУ должно выполнятся условие АРУ>>Тп, где Тп – 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:



UВХ UВЫХ


UР

СИ ПРД к ССУК


UВХАРУ(*) E3



РУ

Д
ВУ








СК







УПТ

ФНЧ
Д


UВХ ЗИ СИ













t

UСИ n

ЗАД ЗАД









UВХару t