Министерство образования Российской Федерации
ГОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ – УПИ
КАФЕДРА «Радиотехнических систем»
КУРСОВАЯ РАБОТА
СИСТЕМА ЧАСТОТНОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ
Екатеринбург 2004
Исходные данные
Тип системы………………………………………………ЧАП
Порядок астатизма……………………………………………………………I
Постоянная времени………………………………………0,6 сек
Отношение сигнал-шум…….…………………….……..15
Скорость………………………………………………….104 Гц/сек
Ускорение………………………………………………….100 Гц/сек2
Эквивалентная шумовая полоса…………………………..104 Гц
Граница апертуры………………………………………….5*103 Гц
Переходной режим…………………………….………….104 Гц/сек
Форма сигнала…………………………………………….непрерывный
Расчетное задание
1. Рассчитать номинальное значение петлевого усиления (добротности) Кпо из условий:
1.1 Динамическая ошибка в стационарном режиме не превышает 5% полуапертуры.
1.2 Амплитуда ошибки в стационарном режиме при действии эквивалентной синусоиды с заданными максимальными значениями скорости и ускорения воздействия не превышает 5% полуапертуры.
1.3 Максимальное значение ошибки в переходном режиме при скачке скорости воздействия не превышает 50% полуапертуры.
2. Рассчитать параметры сглаживающих цепей из условий:
2.1 Запас устойчивости по фазе не меньше 30°.
2.2 С.К.О. ошибки слежения, вызванной действием помехи с заданным q2max, не превышает 20% полуапертуры.
3. Рассчитать минимальное значение отношения мощности сигнала к мощности помехи q2min из условия:
3.1 Вероятности срыва слежения Pср = 0,05 за время 1000 сек.
ЧАП – частотная автоподстройка
РА – радиоавтоматика
С.К.О. – среднеквадратическое отклонение
УПЧ – усилитель промежуточной частоты
ЧД – частотный детектор
ФНЧ – фильтр нижних частот
ПГ – перестраиваемый генератор
СМ – смеситель
ЛАХ – логарифмическая амплитудно-частотная характеристика
ФЧХ – фазо-частотная характеристика
В современных радиотехнических устройствах различного назначения и системах радиоуправления широко применяются автоматические системы, которые называют системами радиоавтоматики. К ним относятся устройства фазовой и частотной автоподстройки частоты, автоматической регулировки усиления, системы измерения координат движущихся объектов, измерители дальности, различные следящие фильтры и другие.
Выделение систем РА в самостоятельный класс обусловлено их особенностями, связанными с условиями работы в составе радиотехнических устройств и систем радиоуправления, в которых осуществляется обработка параметров радиосигнала при действии различного вида помех.
Надежность и качество работы систем РА во многом определяют характеристики радиоаппаратуры и систем радиоуправления.
Системы автоматической подстройки частоты применяются в радиоприемных устройствах, доплеровских системах измерения скорости подвижных объектов, устройствах частотной селекции сигналов. На рис. 1 показана упрощенная функциональная схема супергетеродинного приемника, в котором для стабилизации промежуточной частоты сигнала используется система ЧАП.
Система ЧАП, включаемая в состав приемника, работает следующим образом. Напряжение с выхода УПЧ подается на частотный дискриминатор (ЧД). При появлении отклонения промежуточной частоты сигнала от её номинального значения, которое совпадает с центральной частотой УПЧ, на выходе дискриминатора появляется напряжение, зависящее от величины и знака отклонения Dw. Выходное напряжение дискриминатора, пройдя через фильтр нижних частот (ФНЧ), поступает на подстраиваемый генератор (ПГ) и изменяет его частоту, а следовательно, и промежуточную частоту сигнала так, что исходное рассогласование Dw уменьшается.
В результате работы системы ЧАПЧ промежуточная частота сигнала удерживается близкой к центральной частоте УПЧ. Это позволяет существенно уменьшить влияние взаимной нестабильности частот передатчика и гетеродина, сузить полосу УПЧ и повысить качество приема.
Объектом курсового проектирования является система радиоавтоматики (следящая радиотехническая система), осуществляющая выделение какого-либо параметра радиотехнического сигнала с использованием принципа обратной связи.
Перечень исходных данных и требуемых значений показателей качества формулируются преподавателем – руководителем курсовой работы и может быть различным в зависимости от концепции руководителя.
В качестве исходных данных задается тип следящей радиотехнической системы, порядок ее астатизма, постоянная времени простого инерционного звена, полоса пропускания радиоприемного устройства, максимальное значение отношения мощностей сигнала и помехи на выходе линейной части радиоприемного устройства, форма радиосигнала, используемого в системе, и его параметры, тип обработки – аналоговая или цифровая. В качестве характеристик воздействия фигурируют максимальные значения скорости и ускорения параметра сигнала, за которым следит система.
Целью проектирования является расчет основных параметров системы, удовлетворяющих системе заданных показателей качества. К числу таких показателей относится точность слежения, определяемая значениями и параметрами ошибок слежения, степень устойчивости системы, вероятность срыва слежения за заданное время при заданном относительном уровне помехи и т.д.
Рассмотрим элементы и математическое описание системы ЧАП.
Преобразование частоты входного сигнала, выполняемое в смесителе (СМ), описывается соотношением:
,где wпр – промежуточная частота сигнала, wс, wг – частоты сигнала и подстраиваемого гетеродина соответственно.
Отклонение Dw промежуточной частоты сигнала от её номинального значения wпр0 определяется равенством
При условии безынерционности УПЧ частоты сигналов на его входе и выходе совпадают.
В качестве частотного дискриминатора системы ЧАП используются: частотные детекторы с расстроенными контурами, частотные детекторы с фазовым детектированием и др., которые применяются и для демодуляции частотно-модулированных колебаний.
Выходное напряжение частотного дискриминатора при действии на его входе сигнала и внутреннего шума приемника можно представить в виде суммы математического ожидания и центрированной случайной составляющей:
,где
– математическое ожидание выходного напряжения, зависящее от расстройки W, также называется дискриминационной характеристикой; x(t,W) – флуктуационная составляющая напряжения uд(t), W – расстройка промежуточной частоты сигнала по отношению к переходной (центральной) частоте wп дискриминатора, равная .Качественный характер дискриминационной характеристики показан на рис. 2.
Форма функции F(W), а также характеристики случайного процесса x(t, W) зависят от типа и параметров УПЧ и частотного дискриминатора, отношения сигнал-шум в полосе УПЧ, наличия и характера флуктуаций сигнала и от других факторов. При малых рассогласованиях W дискриминационная характеристика линейна
, где SД – крутизна дискриминационной характеристики.Фильтр нижних частот, включаемый на выходе частотного дискриминатора, является, как правило, линейным устройством и описывается линейным дифференциальным уравнением. При использовании однозвенного RC‑фильтра его операторный коэффициент передачи имеет вид
.