Системы АПЧ (стр. 1 из 2)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ на тему:

«Системы АПЧ»

МИНСК, 2008

Для того чтобы лучше разобраться в принципах действия рассматриваемых в последующих главах авторегулировок в радиоприемниках, вначале полезно ознакомиться с некоторыми общими вопросами теории авторегулирования.

Автоматическое регулирование является разделом более общей отрасли науки об управлении — кибернетики, получившей широкое развитие в последние десятилетия. Под управлением понимают совокупность действий, обеспечивающих работу какой-либо системы оусловиях достижения заранее заданных результатов. Круг задач, решаемых кибернетикой, весьма обширен и многообразен. Она включает в себя вопросы управления самыми различными объектами от живых организмов до сложных технических систем.

Системы автоматического регулирования позволяют без участия оператора поддерживать заданный режим работы управляемого объекта, например в радиоприемнике постоянство (с заданными отклонениями) уровня выходного сигнала.

Те параметры объекта, которые подлежат стабилизации или изменению по заданному закону, называют регулируемыми параметрами. В радиоаппаратуре— это прежде всего усиление или настройка гетеродина приемника. Устройства, параметры которого подлежат регулированию, называют объектом регулирования.В приемниках — это каскады усилителя, его частотно-избирательная цепь или настройка гетеродина. Элемент, осуществляющий ту или иную регулировку, называется регулятором(или управителем). На регулятор подается напряжение, содержащее информацию о необходимом его действии и_р.

Различают системы АР замкнутого и разомкнутого вида. Как правило, в радиоприемниках применяют замкнутые системы АР. При воздействии на замкнутую систему АР какого-либо внешнего фактора, например сигнала в радиоприемнике, возникает переходный (динамический) процесс. Если этот процесс стремится к определенному установившемуся значению выходного параметра объекта регулирования, т. е. она приходит в равновесие, то система является устойчивой;в противном случае система будет неустойчивой, на ее выходе устанавливаются незатухающие колебания. Такой режим, разумеется, недопустим, поэтому любая система ЛР должна удовлетворить требованиям устойчивости.

Процесс, возникающий в системе после подачи воздействующего на вход сигнала, называется переходным процессом. Его график (рис. 1.) позволяет судить о характере установления выходного напряжения и_рпри замкнутой цепи АР. В зависимости от схемы ЛР переходный процесс может носить, апериодический (кривая 1) или колебательный характер (кривая 2). На практике чаще предпочтителен первый случай.

Важной характеристикой переходного процесса служит время его установления, которое представляет собой отрезок времени t_у,в течение которого выходное напряжение достигнет некоторого наперед заданного значения. Оно часто составляет 0,9 установившегося напряжения на выходе. Время установления всегда выгодно иметь возможно меньшим, что обеспечивает большее быстродействие системы АР. Но это накладывает определенные требования на ее параметры, о чем подробнее сказано ниже.

По принципу действия системы АР разделяют на два вида: статические и астатические. В системах первого вида в установившемся режиме существует зависимость между отклонением регулируемого параметра от заданного значения и начальной ошибкой (при отсутствии системы АР).

Рис. 1 Переходный динамический процесс: 1—апериодический; 2--колебательный

В системах второго вида отклонение регулируемого параметра равно нулю при любом значении первоначального отклонения.

В системах авторегулировок, применяемых в радиоприемниках, используются почти исключительно статические регуляторы, как наиболее легко реализуемые. Примером астатического регулятора может служить автоподстройка частоты гетеродина путем вращения пластин конденсатора его контура маломощным электродвигателем, управляемым сигналом ошибки. Все другие схемы АР,рассматриваемые в последующих главах, относятся к статическим авторегуляторам, поэтому в дальнейшем при изложении термин «статические» будем опускать.

Для установления связи между первоначальным изменением интересующей нас величины на выходе системы АР (когда ее цепь разомкнута) с изменением той же величины при замкнутой цепи АР введем такие обозначения: х—напряжение на выходе при разомкнутой цепи АР; х' — то же, при замкнутой цепи; К — коэффициент передачи регулируемого объекта (например, усилителя цепи АРУ); β— коэффициент передачи цепи АР.

Тогда, считая систему линейной (что при малых сигналах допустимо), можно составить уравнение

х'=х —х' К β,

Решив его относительно х’ находим х'=х/(1+Кβ) (1)

Произведение Кβ=Кп часто называют петлевым усилением. Поскольку обычно Кβ=Кп >>1, то можно считать х'=х \ Кп

Следовательно, величина петлевого усиления показывает, во сколько раз уменьшается ошибка (напряжение, частота и др.) при замыкании цепи АР в установившемся режиме. Формула (1) окажется полезной при рассмотрении конкретных систем АР в радиоприемниках.

С увеличением петлевого усиления остаточная ошибка уменьшается. Но из этого положения, однако, нельзя делать вывода, что она может быть сделана сколь угодно малой. Оказывается, что во многих случаях при увеличении коэффициента К_п система может оказаться неустойчивой, т. е. перейти в режим автоколебаний. Величина, показывающая, во сколько раз уменьшается ошибка регулируемой величины, называется коэффициентом авторегулирования Кар и приближенно равна значению петлевого усиления. Для систем АР, применяемых врадиоприемниках, нижние Кар практически может достигать десятков, сотен и более.

Необходимость применения автоподстройки частоты в супергетеродинных приемниках

Современные приемники — от простейших любительских до сложных приемных устройств профессионального назначения — выполняются по супергетеродинной схеме. На рисунке приведена структурная схема супергетеродинного приемника (цепь АРУ на схеме не приведена) см. рис. 2.

Напомним принцип действия супергетеродинного приемника. Приходящие от антенны колебания высокой частоты преобразуются в смесителе в сигнал обычно более низкой промежуточной частоты, постоянной для всех принимаемых станций. Для этого на смеситель одновременно с принимаемым сигналом поддается напряжение от гетеродина 3, частота которого перестраивается одновременно с высокочастотным блоком 1. Смеситель представляет собой нелинейный элемент, в котором при подаче двух напряжений (сигнала и гетеродина) образуется ряд комбинационных частот, удовлетворяющих условию

Fn=mfc±nf_г где m и n — целые числа (2)

Обычно в смесителях используется так называемая первая разностная частота fп = fс-fг. (3)

Нетрудно видеть, что если частоты f_c и f_гизменять одновременно на одну и ту же величину, то промежуточная частота f_пбудет оставаться постоянной.

Это обстоятельство является существенным преимуществом супергетеродинного приемника по отношению к приемнику прямого усиления. В супергетеродинном приемнике имеем возможность осуществить основное усиление и избирательность на постоянной промежуточной частоте. При этомне требуется перестройка контуров УПЧ, количество которых дли получения достаточной избирательности по соседнему каналу может быть довольно значительным (больше четырех). Перестройку же одного контура гетеродина осуществить, несомненно, проще. Кроме того, в УПЧ часто применяют фильтры сосредоточенной селекции (ФСС) с фиксированной настройкой, выполненные и виде электрических (LC), электромеханических и пьезокерамических систем. В таких фильтрах легко реализовать узкую полосу пропускания при хорошей форме АЧХ. Полоса пропускания УПЧ Δfп берется достаточно узкой для реализации хорошей избирательности по соседнему каналу и уменьшения действий помех. На более низкой промежуточной частоте это легче реализовать при той же добротности контуров, чем в усилителе высокой частоты. Полосу пропускания УПЧ желательно иметь равной ширине спектра принимаемого сигнала. Однако, как увидим ниже, на практике сделать это не всегда возможно.

Итак, промежуточная частота f_п должна быть постоянной. Из выражения (3) видно, что это можно осуществить при строго постоянных частотах сигнала fс и гетеродина f_г. В действительности же эти частоты не остаются строго стабильными вовремени. Объясняется это как возможной нестабильностью частоты передатчика (в первую очередь, в небольших связных KB радиостанциях, так и особенно частоты гетеродина, который, как правило, не имеет кварцевой стабилизации, так как ее трудно осуществить в плавно перестраиваемом гетеродине.

Причины нестабильности частоты гетеродина в основном определяются:

1) изменением параметров транзистора при колебаниях температуры;

2) непостоянством напряжения источника питания;

3) уходом во времени значений Lи С контура гетеродина в основном за счет климатических факторов, а также вибраций (в подвижной аппаратуре)

Стабильность частоты гетеродина без кварцевой стабилизации в KB диапазоне можно получить порядка 10^-3—10^-4. При этом частота f_nможет оказаться на краю полосы пропускания УПЧ или за ее пределами. Для устранения этого явления можно применить ряд мер.

Во-первых, использовать кварцевую стабилизацию частоты гетеродина, которая повышает стабильность по крайней мере в 10 раз, что осуществить достаточно сложно и дорого. Во-вторых, расширять полосу пропускания УПЧ 4—5 раз по сравнению с минимально необходимой, при этом неизбежно увеличивается уровень помех и шумов на выходе приемника. И, наконец, в-третьих использовать в приемнике цепи автоматической подстройки частоты гетеродина АПЧ, что тоже во много раз уменьшает расстройку истинной частоты на выходе смесителя относительно начальной частоты настройки УПЧ (f_n).