Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ на тему:
«Системи АПЧ»
МІНСЬК, 2008
Для того щоб краще розібратися в принципах дії розглядаються в наступних розділах авторегуліровок в радіоприймачах, спочатку корисно ознайомитися з деякими загальними питаннями теорії авторегулювання.
Автоматичне регулювання є розділом більш загальної галузі науки про управління - кібернетики, що одержала широкий розвиток в останні десятиліття. Під управлінням розуміють сукупність дій, що забезпечують роботу будь-якої системи про умовах досягнення наперед заданих результатів. Коло завдань, що вирішуються кібернетикою, дуже великий і різноманітний. Вона включає в себе питання управління самими різними об'єктами від живих організмів до складних технічних систем.
Системи автоматичного регулювання дозволяють без участі оператора підтримувати заданий режим роботи керованого об'єкта, наприклад в радіоприймачі сталість (з заданими відхиленнями) рівня вихідного сигналу.
Ті параметри об'єкта, які підлягають стабілізації або зміни по заданому закону, називають регульованими параметрами. У радіоапаратурі-це перш за все посилення або настроювання гетеродина приймача. Пристрої, параметри якого підлягають регулюванню, називають об'єктом регулювання. У приймачах - це каскади підсилювача, його частотно-виборча ланцюг або настроювання гетеродина. Елемент, який здійснює ту чи іншу регулювання, називається регулятором (Або управителем). На регулятор подається напруга, що містить інформацію про необхідний його дії і р.
Розрізняють системи АР замкнутого і розімкнутого виду. Як правило, у радіоприймачах застосовують замкнуті системи АР. При впливі на замкнену систему АР будь-якого зовнішнього фактора, наприклад сигналу в радіоприймачі, виникає перехідний (динамічний) процес. Якщо цей процес прагне до певного сталому значенню вихідного параметра об'єкта регулювання, тобто вона приходить в рівновагу, то система є стійкою; у противному випадку система буде нестійкою, на її виході встановлюються незгасаючі коливання. Такий режим, зрозуміло, неприпустимий, тому будь-яка система ЛР повинна задовольнити вимогам стійкості.
Процес, що виникає в системі після подачі впливає на вхід сигналу, називається перехідним процесом. Його графік (рис. 1.) Дозволяє судити про характер встановлення вихідної напруги і р при замкнутому ланцюзі АР. У залежності від схеми ЛР перехідний процес може носити, аперіодичний (крива 1) або коливальний характер (крива 2). На практиці частіше кращий перший випадок.
Важливою характеристикою перехідного процесу служить час його встановлення, яке являє собою відрізок часу t у, протягом якого вихідна напруга досягне деякого наперед заданого значення. Воно часто складає 0,9 встановленого напруги на виході. Час встановлення завжди вигідно мати якомога меншою, що забезпечує більшу швидкодію системи АР. Але це накладає певні вимоги на її параметри, про що докладніше сказано нижче.
За принципом дії системи АР поділяють на два види: статичні і астатические. У системах першого виду в усталеному режимі існує залежність між відхиленням регульованого параметра від заданого значення і початкової помилкою (при відсутності системи АР).
Рис. 1 Перехідний динамічний процес: 1-аперіодичний; 2 - коливальний
У системах другого виду відхилення регульованого параметра дорівнює нулю при будь-якому значенні первісного відхилення.
У системах авторегуліровок, застосовуваних у радіоприймачах, використовуються майже виключно статичні регулятори, як найбільш легко реалізовані. Прикладом астатического регулятора може служити автопідстроювання частоти гетеродина шляхом обертання пластин конденсатора його контуру малопотужним електродвигуном, керованим сигналом помилки. Всі інші схеми АР, розглядаються в наступних розділах, відносяться до статичних авторегуляторами, тому надалі при викладі термін «статичні» будемо опускати.
Для встановлення зв'язку між первісним зміною цікавить нас величини на виході системи АР (коли її ланцюг розімкнута) зі зміною тієї ж величини при замкнутому ланцюзі АР введемо такі позначення: х-напруга на виході при розімкнутому ланцюга АР; х '- те ж, при замкнутому ланцюга; К - коефіцієнт передачі регульованого об'єкта (наприклад, підсилювача ланцюга АРУ); β-коефіцієнт передачі ланцюга АР.
Тоді, вважаючи систему лінійної (що при малих сигнали припустимо), можна скласти рівняння
х '= х-х' К β,
Вирішивши його відносно х 'знаходимо х' = х / (1 + К β) (1)
Твір До β = Кп часто називають петлевим посиленням. Оскільки зазвичай До β = Кп>> 1, то можна вважати х '= х \ Кп
Отже, величина петлевого посилення показує, у скільки разів зменшується помилка (напруга, частота та ін) при замиканні ланцюга АР в усталеному режимі. Формула (1) виявиться корисною при розгляді конкретних систем АР в радіоприймачах.
Зі збільшенням петлевого посилення залишкова помилка зменшується. Але з цього положення, однак, не можна робити висновку, що вона може бути зроблена як завгодно малою. Виявляється, що в багатьох випадках при збільшенні коефіцієнта К п система може виявитися нестійкою, тобто перейти в режим автоколивань. Величина, що показує, у скільки разів зменшується помилка регульованої величини, називається коефіцієнтом авторегулювання Кар і наближено дорівнює значенню петлевого посилення. Для систем АР, що застосовуються в радіоприймачах, нижні Кар практично може досягати десятків, сотень і більше.
Необхідність застосування автопідстроювання частоти в супергетеродинних приймачах
Сучасні приймачі - від найпростіших аматорських до складних приймальних пристроїв професійного призначення - виконуються за супергетеродина схемою. На малюнку наведена структурна схема супергетеродинного приймача (ланцюг АРУ на схемі не приведена) див. рис. 2.
Нагадаємо принцип дії супергетеродинного приймача. Надходять від антени коливання високої частоти перетворюються в змішувачі в сигнал зазвичай більш низькою проміжної частоти, постійної для всіх прийнятих станцій. Для цього на змішувач одночасно із прийнятим сигналом піддається напруга від гетеродина 3, частота якого перебудовується одночасно з високочастотним блоком 1. Змішувач представляє собою нелінійний елемент, в якому при подачі двох напруг (сигналу і гетеродина) утворюється ряд комбінаційних частот, які відповідають умові
Fn = mfc ± nf р де m і n - цілі числа (2)
Зазвичай у змішувачах використовується так звана перша різницева частота f п = f с-f р. (3)
Неважко бачити, що якщо частоти f c і f г змінювати одночасно на одну й ту ж величину, то проміжна частота f п буде залишатися постійною.
Ця обставина є суттєвою перевагою супергетеродинного приймача по відношенню до приймача прямого підсилення. У супергетеродинному приймачі маємо можливість здійснити основне посилення і вибірковість на постійній проміжній частоті. При цьому не потрібно перебудова контурів УПЧ, кількість яких дли отримання достатньої вибірковості по сусідньому каналу може бути досить значним (більше чотирьох). Перебудову ж одного контуру гетеродина здійснити, безсумнівно, простіше. Крім того, в УПЧ часто застосовують фільтри зосередженої селекції (ФСС) з фіксованою настройкою, виконані і вигляді електричних (LC), електромеханічних і п'єзокерамічних систем. У таких фільтрах легко реалізувати вузьку смугу пропускання при хорошій формі АЧХ. Смуга пропускання ППЧ Δf п береться досить вузькою для реалізації гарної вибірковості по сусідньому каналу і зменшення дій перешкод. На більш низькою проміжній частоті це легше реалізувати при тій же добротності контурів, ніж в підсилювачі високої частоти. Смугу пропускання ППЧ бажано мати рівний ширині спектра сигналу. Проте, як побачимо нижче, на практиці зробити це не завжди можливо.
Отже, проміжна частота f п має бути постійною. З виразу (3) видно, що це можна здійснити при строго постійних частотах сигналу f с і гетеродина f р. У дійсності ж ці частоти не залишаються строго стабільними в часі. Пояснюється це як можливою нестабільністю частоти передавача (в першу чергу, в невеликих зв'язних KB радіостанціях, так і особливо частоти гетеродина, який, як правило, не має кварцовою стабілізації, тому що її важко здійснити в плавно перебудовуваним гетеродині.
Причини нестабільності частоти гетеродина в основному визначаються:
зміною параметрів транзистора при коливаннях температури;
непостійністю напруги джерела живлення;
відходом в часі значень L і С контуру гетеродина в основному за рахунок кліматичних факторів, а також вібрацій (у рухомий апаратура)
Стабільність частоти гетеродина без кварцовою стабілізації в KB діапазоні можна отримати близько 10 -3 -10 -4. При цьому частота f n може опинитися на краю смуги пропускання ППЧ або за її межами. Для усунення цього явища можна застосувати ряд заходів.
По-перше, використовувати кварцову стабілізацію частоти гетеродина, яка підвищує стабільність принаймні в 10 разів, що здійснити досить складно і дорого. По-друге, розширювати смугу пропускання ППЧ 4-5 разів у порівнянні з мінімально необхідною, при цьому неминуче уве личивается рівень перешкод і шумів на виході приймача. І, нарешті, по-третє використовувати в приймачі ланцюга автоматичного підстроювання частоти гетеродина АПЧ, що теж у багато разів зменшує расстройку істинної частоти на виході змішувача відносно початкової частоти настроювання УПЧ (f n).
Остання виявляється найбільш доцільним, в силу чого багато хто з сучасних приймачів різного призначення містять у своєму складі ланцюг АПЧ, принцип дії та аналіз роботи якої будуть викладені нижче.
Рис. 2. Структурна схема супергетеродинного приймача: 1.преселектор і УВЧ 2. змішувач 3. гетеродин 4. УПЧ 5. детектор 6.УНЧ або видеоусилитель
Рис. 3. Структурна схема супергетеродинного приймача з АПЧ: 1-УВЧ; 2 - змішувач; 3 - Гетеродин; 4 - пристрій, що управляє; 5-підсилювач постійного струму; 6-фільтр; 7-дікрімінатор; 8 - УПЧ; 9 - детектор сигналу; 10-УНЧ ; 11-підсилювач проміжної частоти АПЧ (може і не бути)
Структурна схема і принцип дії систем АПЧ.
Системи АПЧ супергетеродинних приймачів відносяться до числа автоматичних регулювань зворотної дії. Можливі два види автоматичного підстроювання частоти: частотна (яку прийнято називати АПЧ) і фазова (ФАПЧ). Перший вид автопідстроювання застосовується в радіомовних приймачах значно частіше, в силу чого він є основним предметом подальшого розгляду.
Структурна схема АПЧ наведена на рис. 3. Змішувач 2, дискримінатор 7, фільтр 6, підсилювач АПЧ 5, керуючий пристрій 4 і гетеродин 3 становлять собою замкнуту ланцюг авторегулювання. У деяких випадках для збільшення напруги, що подається на дискримінатор, перед ним включають додатковий УПЧ (УАПЧ). Проте це ускладнює конструкцію приймача. Як УАПЧ може бути використаний перший каскад УПЧ, який у цьому випадку повинен бути апериодическим, а вибірковість УПЧ забезпечується в наступних каскадах, наприклад фільтром ФСС. У цьому варіанті напруга на дискримінатор подається не після змішувача, а з виходу першого каскаду УПЧ.
Принцип дії АПЧ полягає в наступному. При точній відповідності частоти на виході змішувача і налаштування УПЧ напруга па виході дискримінатора (частотного детектора) дорівнює нулю. При взаємній расстройке цих частот (через нестабільність гетеродина) на виході дискримінатора з'являється постійне регулююча напруга, полярність якого залежить від знаку зазначеної розладу. Ця напруга після фільтра 6 (див. рис. 3) і підсилювача постійного струму 5 подається на управляючий пристрій з таким знаком, що воно підлаштовує частоту гетеродина 3 в бік зменшення помилки. (Зауважимо, що підсилювач 5 у ряді випадків може бути відсутнім, тоді регулююча напруга подається безпосередньо з фільтра на управляючий пристрій. Таким чином, ланцюг АПЧ завжди прагне зменшити різницю між істинною проміжною частотою і налаштуванням УПЧ.
Зразковий вид частотної характеристики дискримінатора зображений на рис. 4. Частота настройки дискримінатора f 0 (іноді звана перехідною частотою) відповідає нульовому напрузі на виході. При наявності расстройки, як видно з характеристики, в залежності від її знака буде змінюватися полярність постійної напруги на виході дискримінатора.
Важливим показником для оцінки властивостей дискримінатора служить крутість характеристики - S д (вольт / герц), пропорційна її куту нахилу: S д = tgα, її завжди бажано мати якомога більшою, тому що при цьому підвищує ефективність роботи дискримінатора.
Рис. 4. Частотна характеристика дискримінатора
Рис. 5. Частотна характеристика керуючого пристрою гетеродином.
Керуючий пристрій, що підстроює частоту гетеродина на потрібний номінал має спільно з гетеродином частотну характеристику, що нагадує за формою латинську букву S (рис. 5). Його робота також характеризується крутизною нахилу характеристики в її середній частині (герц / вольт), яку також вигідно підвищувати.
Для отримання максимально точної автопідстроювання перехідна частот дискримінатора fo повинна збігатися з серединою смуги пропускання ППЧ f n. Проте за рахунок різних дестабілізуючих факторів (зміна температури, вібрація тощо) можлива розбіжність у часі цих частот. Правда, часто ці дестабілізуючі фактори засмучують УПЧ і дискримінатор в однакову бік, але не завжди рівною мірою. Тоді з'являється неминуча додаткова помилка при роботі АПЧ.
Значно більш досконалою у цьому відношенні є ланцюг АПЧ, якої коливальні контури дискримінатора і вступної фільтр УПЧ суміщені. У цьому випадку помилка за рахунок неузгодженості налаштувань УПЧ і дискримінатора виключається.
ЛІТЕРАТУРА
Охріменко А.Є. Основи вилучення, обробки і передачі інформації. (В 6 частинах). Мінськ, БДУІР, 2004.
Девятко Н.Д., Голант М.Б., Реброва Т.Б.. Радіоелектроніка та медицина. -Мн. - Радіоелектроніка, 2002.
Медична техніка, М., Медицина 1996-2000 р.
Сіверс А.П. Проектування радіоприймальних пристроїв, М., Радіо і зв'язок, 2006.
Чердинцев В.В. Радіотехнічні системи. - Мн.: Вища школа, 2002.
Радіотехніка та електроніка. Межведоств. темат. наук. збірник. Вип. 22, Мінськ, БДУІР, 2004.