ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ

Целью лабораторной работы является изучение работы АРУ обратного регулирования.

Подготовка к работе:необходимо изучить теорию работы системы АРУ и описание работы с лабораторным стендом.

Необходимые приборы: осциллограф, частотомер.

Система автоматической регулировки усиления (АРУ) предназначена для обеспечения малых изменений уровня сигнала на выходе усилительного тракта при существенных изменениях уровня сигнала на его входе без искажений формы сигнала. Динамический диапазон изменения входных сигналов РПрмУ может достигать 60–100 дБ, при этом для нормальной работы РПрмУ желательно получить диапазон изменения выходных сигналов не более 10–20 дБ. В противном случае может появиться перегрузка, которая приводит не только к искажениям передаваемой информации, но и может на значительное время вызвать полную потерю чувст-вительности РПрмУ.

По характеру выполняемых задач АРУ делятся на три группы: инерционные, безынерционные и программные.

Инерционные АРУ следят за изменением среднего уровня входного сигнала и применяются обычно в вещательных РПрмУ.

Безынерционные АРУ следят за изменением мгновенного значения амплитуды входного сигнала и применяются обычно в радиолокации.

Программные АРУ имеют заранее заданный закон регулирования.

АРУ могут быть построены по принципу прямого, обратного и комбинированного регулирования.

В АРУ с прямым регулированием (прямая АРУ) коэффициент усиления (КУ) регулируемого усилителя (РУ) определяется его входным сигналом и не зависит от его выходного сигнала.

Регулирующее напряжение U_p(t) формируется с помощью петли регулирования АРУ, которая состоит из усилителя АРУ и детектора. Вход петли регулирования АРУ подключен ко входу регулируемого РУ, поэтому U_p формируется из входного сигнала РУ. Усилитель АРУ осуществляет предварительное усиление входного сигнала U_вх(t), детектор АРУ выделяет амплитуду усиленного входного сигнала и формирует пропорциональное ей регулирующее напряжение U_p(t).

Детекторы АРУ в качестве нагрузки имеют ФНЧ, которые придают АРУ необходимую инерционность, обусловленную как соображениями устойчивости, так и условием отсутствия демодуляции АМ-сигналов.

КУ РУ зависит от величины U_p(t), подаваемого на управляющий вход РУ: чем больше U_p,тем меньше КУ.

В прямой АРУ при больших КУ РУ амплитуда U_вых может даже уменьшаться с увеличением амплитуды U_вх.

На рисунке Л1.1 приведены примеры амплитудной характеристики U_вых = f(U_вх) РУ прямой АРУ (графики 2–4).

График 1 на рис Л1.1 соответствует амплитудной характеристике РУ при отключенной АРУ. График 2 соответствует случаю идеального регулирования, когда величина U_вых постоянна и не зависит от изменений величины U_вх при превышении порогового значения U_А. Идеальная амплитудная характеристика обычно достигается при определенном КУ усилителя АРУ близком к КУ РУ.

При недостаточном КУамплитудная характеристика при U_вх > U_А приобретает вид возрастающей линии (график 3), так как U_выхРУ возрастает с увеличением U_вх, хотя медленнее, чем при отсутствии петли АРУ (график 1). При избыточном КУамплитудная характеристика при U_вх > U_А приобретает вид спадающей линии (график 4), так как U_выхуменьшается с увеличением U_вх.

АРУ с прямым регулированием непосредственно не контролирует амплитуду U_выхРУ. Следовательно, АРУ с прямым регулированием не может компенсировать изменения амплитуды U_вых, вызванных нестабильностью параметров РУ или воздействиями помех на РУ.

В АРУ с обратным регулированием (обратная АРУ)КУ РУопределяется его выходным сигналом.

Структурная схема обратной АРУ приведена на рисунке Л1.2. В отличие от прямой АРУ сигнал для формирования управляющего напряжения U_p снимается не со входа, а с выхода РУ. Петля регулирования АРУ содержит детектор, который формирует управляющий сигнал U_p из U_вых РУ.

Если амплитуда U_вых РУ возрастает, то возрастает и формируемое петлей регулирования управляющее напряжение U_p, и в итоге КУ РУ уменьшается, что приводит к уменьшению амплитуды U_вых РУ.

Так как при обратной АРУ РУ представляет собой устройство с обратной связью (ОС) по уровню выходного сигнала, амплитудная характеристика всегда возрастает (график 3 на рис. Л1.1), но при этом наклон амплитудной характеристики будет небольшим, и степень приближения к идеальной характеристике АРУ (график 2 на рис. Л1.1) обычно получается достаточно высокой.

Одна из проблем обратной АРУ – обеспечение устойчивости.

Для компенсации недостатков рассмотренных систем применяют АРУ с комбинированным регулированием (комбинированная АРУ).

В комбинированной АРУ усилительный тракт разделен на два РУ, при этом первый РУ охвачен петлей регулирования обратной АРУ (РУ-1 имеет возрастающую характеристику, согласно графику 3 на рис. Л1.1), а второй РУ имеет АРУ с прямым регулированием (аналогично рис. Л1.1).

Подбирая параметры прямой и обратной АРУ, можно добиться того, чтобы общая амплитудная характеристика РУ была близка к идеальной.

Типы АРУ с обратным регулированием.АРУ с обратным регулированием получили наибольшее распространение, но кроме простой обратной АРУ, рассмотренной ранее, на практике используются разновидности обратной АРУ: АРУ с задержкой и АРУ с задержкой и усилением.

В общем случае в систему АРУ входят регулируемые элементы, амплитудный детектор, фильтры и дополнительные усилители.

Схема простой обратной АРУ включает в себя амплитудный детектор с ФНЧ (обычно первого порядка, например, RС – цепь) и РУ. При увеличении уровня U_вх увеличивается U_вых РУ, поэтому величина U_p также увеличивается. ФНЧ выделяет постоянную составляющую U_p при детектировании U_вых РУ, которая поступает на управляющий вход РУ, смещая рабочую точку и изменяя крутизну входного каскада РУ, в результате изменяется КУ РУ и осуществляется регулирование. Чем больше уровень U_вх, тем меньше КУ РУ.

На рисунке Л1.3 график 2 соответствует амплитудной характеристике РУ с простой обратной АРУ. Для сравнения на этом же рисунке график 1 показывает амплитудную характеристику усилителя без АРУ, у которого наблюдается почти линейная зависимость при U_вх < U_{вх н1}, но при значениях U_вх > U_{вх н1} наступает перегрузка (насыщение) усилителя, которая приводит к искажениям сигнала.

В простой обратной АРУ с ростом U_вх КУ РУ уменьшается, поэтому перегрузка не возникает (при U_вх > U_{вх н1}).

Недостатком простой АРУ является то, что регулировка в ней действует, начиная с самых слабых сигналов. В результате КУ РУ снижается не только для сильных сигналов, которые могут привести к перегрузке РУ, но и для самых слабых сигналов, для приема которых было бы необходимо использовать полное усиление.

Для компенсации этого недостатка и используется АРУ с задержкой
рис. Л1.3 график 3), в которой петля регулирования АРУ включается только при превышении некоторого порогового значения. В итоге в такой АРУ сохраняется большой КУ при усилении слабых сигналов.

Для приближения к идеальной амплитудной характеристике в АРУ с задержкой необходимо увеличивать КУ петли регулирования. Для этого в петлю регулирования АРУ включается дополнительный усилитель, который подключается обычно после детектора и ФНЧ. Такая система называется АРУ с задержкой и усилением.

Основные характеристики АРУ.Кроме амплитудной характеристики (U_вых = f(U_вх)) для описания АРУ часто используются такие характеристики: коэффициент регулирования, ПФ петли регулирования АРУ, регулировочная характеристика АРУ, время установления U_вых .

Коэффициент регулирования К_рег равен отношению динамического диапазона D_вх (D_вх = U_вх_max / U_вх_min) изменений уровня входного сигнала к допустимому динамическому диапазону D_вых (D_вых = U_вых_max / U_вых_min) изменений уровня выходного сигнала:

. (Л1.1)

Регулировочная характеристика – зависимость КУ РУ от величины регулирующего напряжения U_p КУ = f(U_p).

Очевидно, что КУ максимален при отсутствии U_p, (KУ = K_max при U_p = 0).

По регулировочной характеристике определяется величина U_{p max}, при которой КУ = К_min. Регулирующее напряжение U_p определяется уровнем U_вых (или U_вх) РУ.

ПФ петли регулирования АРУ – зависимость U_p= f(U_вх) для прямой АРУ и U_p= f(U_вых) дляобратной АРУ.

Эта зависимость для простой АРУ показана на рисунке 1.4, график 1. При небольших U_вых зависимость U_p = f(U_вых)близка к линейной.

График 2 на рисунке 1.4 показывает ПФ петли регулирования обратной АРУ с задержкой.

С помощью линейной аппроксимации графиков на рисунке Л1.4 можно определить КУ петли регулирования АРУ – К_АРУ:

. (Л1.2)

Из выражения (Л1.3) следует, что невозможно получить обратную АРУ, имеющую идеальную амплитудную характеристику (с постоянной амплитудой U_вых), так как при этом необходимо, чтобы К_АРУ ®¥.

Время установления U_вых (T_у) – интервал времени от момента включения входного сигнала до момента времени, когда амплитуда выходного напряжения достигает величины 90 % U_вых_max.