Регулировки в радиоприемных устройствах

Глава 9. Регулировки в радиоприемных устройствах

9.1 Способы регулировки усиления резонансного усилителя

Назначением регулировки усиления является изменение коэффициента усиления РПрУ в зависимости от величины входного сигнала, которая может меняться из-за замираний, изменения условий распространения, передвижения приёмника и т.д.

Регулировка усиления осуществляется в трактах радиочастоты, промежуточной частоты и в последетекторной части. Регулировка бывает ручной и автоматической. При этом способы регулировки усиления общие для ручной и автоматической регулировок, а отличие заключается в создании напряжения регулировки Е_рег.

Исходными положениями при синтезе устройств регулировки усиления являются следующие:

1. Резонансный коэффициент усиления усилителя согласно (5.5) К_о=m₁m₂SR_экв. Следовательно, регулировка может осуществляться изменением любой величины, входящей в это выражение.

2. Вырабатываемое напряжение Е_рег должно существенно влиять на значение К_о и по возможности не влиять на другие параметры каскада.

3. Мощность, потребляемая цепью регулировки должна быть по-возможности малой (мал ток регулировки).

Исходя из этих положений, рассмотрим основные способы регулировки усиления.

Регулировка изменением крутизны носит название режимной регулировки, так как осуществляется за счёт изменения точки покоя, путём изменения напряжения смещения на управляющем электроде электронного прибора, то есть режима работы. Заметим, что при изменении напряжения смещения  U_ЗИО в полевом транзисторе меняется практически только крутизна S, тогда как в биполярном транзисторе при изменении U_БЭО изменяются входные и выходные параметры транзистора (g_вх, g_вых, С_вх, С_вых), что влияет на показатели усилителя.

Регулирующее напряжение Е_рег может подаваться в цепь эмиттера или цепь базы (биполярного) транзистора. Однако при подаче Е_рег в цепь базы (рис. 9.1) ток регулировки I_рег=I_дел=(5¸10)I_бо во много раз меньше тока регулировки в цепи эмиттера.

Рекомендуемые материалы

Согласно рис. 9.1 U_БЭО= U_О- Е_рег. По мере увеличения Е_рег напряжение смещения U_БЭО уменьшается, что влечёт за собой уменьшение крутизны, а следовательно, и К_о. Недостатком этой схемы является её низкая стабильность из-за отсутствия резистора в цепи эмиттера R_э, включение которого препятствовало бы изменению рабочей точки, а следовательно приводило бы к уменьшению эффективности регулировки.

Регулировка изменением R_экв может осуществляться различными способами, например путём подключения шунтирующего диода (рис. 9.2). При Е_рег<U_k диод закрыт и не шунтирует контур при Е_рег>U_k диод открывается и его входное сопротивление шунтирует контур, его эквивалентное сопротивление R_экв уменьшается, а следовательно уменьшается К_о. Недостатком этого способа является то, что при изменении R_экв меняется не только К_о, но и полоса пропускания усилителя, хотя при сильном сигнале допустимо некоторое ухудшение селективности.

Регулировка изменением m₁ и m₂ не используется, так как связана с трудно предотвратимой расстройкой контура.

Кроме того, существуют способы регулировки усиления, не основанные на выражении (5.5). Это, прежде всего, аттенюаторная регулировка, когда между каскадами включают аттенюатор с переменным коэффициентом передачи. Используются регулируемые делители, ёмкостные делители на варикапах, мостовые схемы. Например, на рис. 9.3 приведена схема регулируемого аттенюатора на диодах Д₁-Д₃. При |E_рег|<|U_o| диоды Д₁ и Д₂ открыты, а диод Д₃ закрыт; при этом коэффициент передачи максимален. По мере увеличения  |E_рег| динамические сопротивления диода Д₃ уменьшается, а следовательно, уменьшается коэффициент передачи аттенюатора.

В усилителях звуковых частот чаще применяют плавную потенциометрическую регулировку усиления, а также, особенно в широкополосных каскадах и ОУ, регулировку усиления с помощью регулируемой отрицательной обратной связи.

                          9.2Автоматическая регулировка усиления (АРУ)

АРУ предназначена для поддержания постоянного уровня сигнала на выходе УПЧ, необходимого для нормальной работы выходных устройств РПрУ.

Задачей АРУ является изменение усиления радиотракта К_о в зависимости от уровня входного сигнала. Система АРУ должна иметь устройство, на выходе которого напряжение Е_рег формируется автоматически в зависимости от уровня сигнала в радиотракте приёмника. Для АРУ в приёмнике создаётся цепь АРУ, состоящая из детектора АРУ и фильтра АРУ (простая АРУ). При наличии усилителя в цепи АРУ, она называется усиленной. Фильтр АРУ отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает более низкочастотные изменения Е_рег, связанные с медленно меняющимся уровнем несущей (рис. 9.5), т.е. постоянная времени фильтра АРУ больше постоянной времени цепи нагрузки детектора основного тракта.

В зависимости от способа формирования напряжения Е_рег, АРУ подразделяются на прямые, обратные и комбинированные. Структурная схема обратной АРУ представлена на рис. 9.4. Здесь Е_рег получают путём детектирования выходного сигнала U_вых регулируемого усилителя, т.е. Е_рег=К_{дет ару} U_вых.

Характеристика АРУ описывает работу регулируемого усилителя совместно с цепью АРУ:  U_вых=F(U_вх) (рис. 9.6). Если АРУ простая, то при увеличении U_вых сразу начинает уменьшаться резонансный коэффициент усиления К_о (нижняя характеристика). Недостаток такой АРУ в том, что коэффициент усиления уменьшается и при приёме сигналов малого уровня. Для устранения этого недостатка используют АРУ с задержкой (пороговую АРУ), в которой цепь АРУ начинает действовать при превышении определённого порогового уровня (U_вх³ U_пор). Очевидно, при идеальной работе АРУ U_вых после превышения порогового уровня постоянно (пунктир на рис. 9.6). По мере увеличения коэффициента усиления усилителя в цепи АРУ (усиленная АРУ) она работает всё более эффективно и характеристика приближается к идеальной. Однако достижение идеальной характеристики в схеме обратной АРУ принципиально невозможно, т.к. для снижения К_о требуется увеличение Е_рег, т.е. DU_вых.

Структурная схема прямой АРУ показана на рис. 9.7.

Здесь напряжение регулировки Е_рег получается в результате детектирования входного напряжения. Выходное напряжение U_вых=К_оU_вх. При увеличении U_вх Е_рег возрастает, что вызывает уменьшение К_о и выходное напряжение может оставаться постоянным, т.е. прямая АРУ позволяет получить идеальную характеристику регулировки (рис. 9.8). Однако практически добиться этого не удаётся. Прямая АРУ нестабильна, т.е. подвержена действию различных дестабилизирующих факторов. Если, например по какой-то причине К_о регулируемого усилителя увеличивается, то характеристика АРУ из идеальной превращается в характеристику с нарастающим U_вых (рис. 9.8) и наоборот. Кроме того, существенным недостатком прямой АРУ является необходимость включения перед детектором АРУ дополнительного усилителя с большим коэффициентом усиления.

В комбинированной АРУ (рис. 9.9) рационально используются преимущества обеих схем АРУ: стабильность обратной АРУ и возможность получения идеальной характеристики в прямой. Основная регулировка проходит в первом усилителе, он обычно содержит несколько регулируемых каскадов. Второй регулируемый усилитель – однокаскадный, его основная задача – несколько скомпенсировать возрастание напряжения на выходе первого усилителя.

                     9.3. Автоматическая подстройка частоты

Автоматическая подстройка частоты (АПЧ) должна обеспечить требуемую точность настройки приёмника при воздействии дестабилизирующих факторов. Следует заметить, что АПЧ осуществляется только в супергетеродинных приёмниках. Для точной настройки таких приёмников нужно выполнение двух условий:

1) частота принимаемого сигнала соответствует частоте настройки преселектора;

2) промежуточная частота f_пр=f_г -f_c совпадает с частотой настройки фильтров тракта промежуточной частоты.

Очевидно, из-за широкополосности преселектора определяющим является второе условие. Поэтому задача АПЧ сводится к подстройке частоты гетеродина.

Для АПЧ вводится специальная цепь АПЧ (рис. 9.10), состоящая из измерительного элемента (ИЭ), фильтра и регулятора частоты (РЧ). ИЭ вырабатывает напряжение регулировки Е_рег в зависимости от отклонения частоты или фазы от опорных значений. При этом в качестве  ИЭ используются соответственно частотные или фазовые детекторы и происходит частотная или фазовая автоподстройка частоты (ЧАПЧ или ФАПЧ). Очевидно ФАПЧ более чувствительна и обеспечивает более точную настройку. Фильтр в цепи АПЧ не пропускает быстрых изменений Е_рег, соответствующих модуляции соответствующего параметра, а пропускает медленные изменения Е_рег, связанные с уходом частоты. Регулятор (управитель) частоты обеспечивает подстройку частоты гетеродина. В зависимости от вида регулятора частоты различают электронные (РЧ – варикап) и электромеханические (РЧ – КПЕ), причём последние в настоящее время почти не используются.

В зависимости от точки подключения АПЧ в приёмнике различают два основных вида устройств АПЧ. Устройство АПЧ, поддерживающее постоянной f_пр , показано на рис. 9.11. такие устройства АПЧ называют разностными, т.к. f_пр=f_г –f_c. При несовпадении промежуточной частоты f_пр частоте настройки фильтров тракта промежуточной частоты f_опр, вырабатывается напряжение Е_рег, вызывающее подстройку гетеродина. Достоинством в этом случае является то, что подстройка частоты осуществляется как при изменении частоты гетеродина, так и при изменении частоты сигнала в передатчике. Недостатком же такой системы является её неработоспособность в отсутствии сигнала.

Двухканальные системы разностной частоты (рис. 9.12) применимы при расположении передатчика рядом с приемником (например в РЛС). Для подстройки частоты создаётся второй канал. Делитель напряжения (ДН) ослабляет сильный сигнал передатчика. Устройство работает по сигналу передатчика при отсутствии сигнала на входе приёмника.

Система АПЧ, поддерживающая постоянной частоту гетеродина, показана на рис. 9.13. Такие устройства работоспособны при отсутствии сигнала, однако не компенсируется уход f_пр из-за изменения частоты сигнала.

Основные показатели АПЧ определим на примере электронной ЧАПЧ приёмников непрерывных сигналов. Структурная схема соответствующей части приёмника представлена на рис. 9.14.

 В качестве ИЭ используется ЧД, эталонной является частота f_o нулевой точки характеристики детектирования . Высокие требования к стабильности нулевой точки выполнить просто, т.к. ЧД работает на низкой частоте. В качестве РЧ применяется варикап.

Предположим, что из-за действия дестабилизирующих факторов частота гетеродина f_г изменилась на Df_нач. После срабатывания системы ЧАПЧ происходит подстройка гетеродина, в результате чего его расстройка уменьшается на Df_под. В установившемся режиме Df_ост=Df_нач-Df_под, где Df_ост – остаточная расстройка частоты гетеродина. Эта расстройка вызывает на выходе ЧД появление напряжения , где S_чд – крутизна характеристики детектирования. После фильтра с коэффициентом передачи К_ф напряжение Е_рег=К_фS_чдDf_ост. Напряжение Е_рег производит подстройку частоты гетеродина на величину Df_под= Е_рег S_рег= S_рег S_чдК_фDf_ост. (S_рег – крутизна характеристики РЧ). Учитывая, что  Df_ост=Df_нач-Df_под, получаем Df_ост=Df_нач- S_рег S_чдК_фDf_ост или

                         .                                                                    (9.1)

Согласно (9.1) цепь АПЧ уменьшает начальную расстройку в К_АПЧ раз, где

К _АПЧ =Df_нач/Df_ост=1+ S_рег S_чдК_ф – коэффициент подстройки.

В реальных цепях ЧАПЧ К _АПЧ »20¸50. Очевидно, К _АПЧ =Df_нач/Df_ост>>1 при работающей АПЧ. Если Df_ост достигает значения Df_чд (рис.9.14), то происходит срыв АПЧ. Полосу частот П_уд=2Df_нач, при выходе за которую АПЧ перестаёт работать, называют полосой удержания. Если же при неработающей АПЧ расстройка постепенно уменьшается, то система АПЧ начинает работать при Df_нач=Df_ост= Df_чд . Полосу пропускания П_сх=2Df_нач, при которой происходит восстановление АПЧ, называют полосой схватывания. При этом П_уд >> П_сх.

Вопросы для самопроверки

1. Какие способы регулировки усиления резонансного усилителя Вы знаете?

2. Каким образом осуществляется режимная регулировка коэффициента усиления усилителя и каковы её преимущества и недостатки?

3. Объясните, как могут использоваться аттенюаторы для регулировки коэффициента усиления радиотракта приёмника?

4. Проведите сравнительный анализ прямой, обратной и комбинированной АРУ.

15 Ожоговая болезнь - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

5. Каково назначение основных элементов цепи АРУ?

6. Почему в обратной АРУ принципиально нельзя получить идеальную характеристику регулирования?

7. Каково назначение фильтра в цепи АРУ и как он рассчитывается?

8. Что общего между ЧАПЧ и ФАПЧ и чем отличаются эти системы друг от друга?

9. Объясните принцип действия ЧАПЧ в приёмниках непрерывных сигналов.

10. В каких приёмниках используется двухканальная разностная АПЧ и почему?