Основные параметры системы АРУ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Кафедра морских информационно-измерительных систем

 

 

Лабораторная работа

АРУ

 

 

 

Оглавление

Оглавление. 2

1. Общие сведения. 3

2. Основные параметры системы АРУ.. 4

3. Типы систем АРУ с обратным регулированием.. 4

4. Основные характеристики систем автоматической регулировки усиления. 6

5. Анализ работы системы АРУ в динамическом режиме. 8

6. Лабораторная работа «Автоматическая регулировка усиления». 8

Описание лабораторной установки. 8

Состав установки. 9

Панель ручного управления. 10

Поле цифробуквенного дисплея. 10

Программа и порядок выполнения работы.. 10

Содержание отчета. 11

Контрольные вопросы.. 12

Список литературы.. 13

1. Общие сведения

Системой автоматической регулировки усиления (АРУ) называется система автоматического регулирования, обеспечивающая устранение перегрузок в каскадах устройств приема и обработки сигналов и поддерживающая заданное постоянство выходного напряжения в условиях изменения амплитуды входных сигналов.

Уровень сигнала на входе усилительно-преобразовательного тракта устройств приема и обработки сигналов (УПОС) обычно изменяется в широких пределах. Желательно, чтобы напряжение на выходе этого тракта изменялось незначительно и обеспечивало оптимальный режим работы демодулятора или обнаружителя сигналов. Эта задача может быть решена при использовании системы автоматической регулировки усиления, следящей за изменением амплитуды сигнала на входе.

По характеру выполняемых задач системы автоматической регулировки усиления (АРУ) делятся на три группы:

• инерционные, следящие за изменением среднего уровня входного сигнала, применяемые обычно в радиовещательных приемниках;

• безынерционные, следящие за изменением мгновенного значения амплитуды входного сигнала (МАРУ), применяемые, например, в радиолокационных устройствах;

• программные, с заранее заданным временным законом регулировки (ВАРУ), используемые при приеме сигналов с известным, периодически повторяющимся распределением во времени.

Системы АРУ могут быть построены по принципу прямого, обратного и комбинированного регулирования при аналоговой и цифровой реализациях.

В системах прямого регулирования цепь АРУ включается параллельно тракту усилителя промежуточной частоты (УПЧ). В ней вырабатывается напряжение, пропорциональное среднему уровню входного сигнала, используемое для регулировки коэффициента усиления УПЧ. При больших изменениях уровня входного сигнала из-за нелинейности вольт-амперных характеристик электронных компонентов тракта АРУ возникают погрешности регулирования.

Погрешности регулирования, связанные с нелинейностью вольт-амперных характеристик компонентов в цепи автоматической регулировки усиления, существенно меньше в схеме АРУ обратного регулирования. В ней управляющее напряжение формируется на выходе УПЧ и по петле обратной связи изменяет усиление каскадов УПЧ.

 

Рис. 1. Система АРУ с обратным регулированием

 

В ряде случаев для обеспечения устойчивой работы системы с обратной связью применяют АРУ с комбинированным управлением, в которой тракт УПЧ разделен на два блока: с петлей обратного регулирования усиления и с петлей прямого регулирования.

Наибольшее применение нашли системы АРУ с обратным регулированием (рис. 1).

 

Лабораторная работа «Автоматическая регулировка усиления»

Цель лабораторной работы - экспериментальное исследование процесса автоматической регулировки усиления в УПЧ:

• определение амплитудных характеристик различных систем АРУ с

обратным регулированием (простой АРУ и АРУ с задержкой и усилением);

• определение регулировочных характеристик при различных коэффициентах усиления в петле обратной связи;

• определение коэффициентов регулирования при различных коэффициентах усиления в петле обратной связи;

• определение переходных характеристик системы АРУ в динамическом режиме.

Состав установки

Установка включает в себя формирователь входного сигнала и УПЧ с АРУ обратного регулирования.

Формирователь входного сигнала состоит:

• из генератора высокой частоты - «ГВЧ», формирующего сигнал

несущей с фиксированной частотой f_c 520 кГц и регулируемым в пре

делах 3-300 мВ эффективным значением напряжения U_c;

• импульсного генератора — «G», вырабатывающего модулирующий, прямоугольной формы, сигнал U_M с частотой 40 Гц;

• амплитудного модулятора.

Усилительный каскад УПЧ выполнен на основе дифференциальной пары транзисторов. Управление коэффициентом усиления происходит путем изменения крутизны одного из транзисторов. Цепь АРУ подключена к резонансной нагрузке УПЧ. Выходное напряжение УПЧ детектируется на амплитудном детекторе. Величина порогового напряжения задается величиной смещения (U₀ = 0, U₁, U₂) на вход усилителя - «К». К выходу усилителя подключены низкочастотные фильтры: ФНЧ1 – RC - фильтр первого порядка и ФНЧ2 - RC-фильтр 2-го порядка. Коэффициент усиления петли обратной связи (k_u)_АРУ изменяется с помощью подключения соответствующего усилителя «Kl», «К2», «КЗ» к входу управления УПЧ.

На задней стенке установки имеются разъем для подключения ЭВМ и контрольные выходы: «Вых 1» - напряжение на входе УПЧ, «Вых 2» -напряжение на выходе УПЧ, «Вых 3» - напряжение U_p.

Панель ручного управления

Панель ручного управления состоит из трех полей. Поле «G» - генератора прямоугольных импульсов.

«ВКЛ» - кнопка включения генератора прямоугольных импульсов. Поле «ГВЧ» - генератора высокочастотного сигнала.

«УРОВЕНЬ» - кнопка переключения уровня сигнала.

«АМПЛИТУДА» - потенциометр регулировки амплитуды сигнала. Поле «АРУ»:

«ВКЛ» - кнопка подключения напряжения U_p к входу управления УПЧ;

«ПОРОГ» - кнопка переключения напряжения порога АРУ;

«ФНЧ» - кнопка переключения фильтров низкой частоты;

«УСИЛЕНИЕ» - кнопка переключения усилителей Kl, K2, КЗ.

Задание 1. Измерение амплитудной характеристики УПЧ при разомкнутой петле АРУ.

Цель: получить зависимость эффективного значения амплитуды выходного напряжения усилителя промежуточной частоты УПЧ от эффективного значения амплитуды входного сигнала без модуляции.

Порядок выполнения

1. Отключить АРУ.

2. Отключить модуляцию (генератор «G» выключен).

3. Изменяя с помощью потенциометра «УРОВЕНЬ» эффективное значение входного сигнала U_c в диапазоне 3—300 мВ, измерить эффективное значение U_вых выходного напряжения УПЧ.

4. Результаты измерений занести в таблицу.

 

Задание 2. Измерение амплитудной характеристики простой АРУ при различных коэффициентах усиления в петле обратной связи.

Цель: получить зависимость эффективного значения амплитуды выходного напряжения УПЧ от эффективного значения амплитуды входного сигнала без модуляции.

Порядок выполнения

1. Включить АРУ

2. Отключить модуляцию (генератор «G» выключен).

2. Включить ФНЧ 1.

4. Установить порог U_п = U₀ = 0.

5. Для трех значений коэффициента усиления (k_u)_АРУ = Kl, K2, КЗ, изменяя с помощью потенциометра «уровень» эффективное значение входного сигнала U_c в диапазоне 3-300 мВ, измерить уровень выходного U_вых напряжения УПЧ.

6. Результаты измерений занести в таблицу.

 

Задание 3. Измерение амплитудной характеристики АРУ с задержкой при различных коэффициентах усиления в петле обратной связи

Цель: получить зависимость эффективного значения амплитуды выходного напряжения УПЧ от эффективного значения амплитуды входного сигнала без модуляции.

Порядок выполнения

1. Отключить модуляцию (генератор «G» выключен).

2. Включить ФНЧ1.

3. Установить величину порогового напряжения U_п = U₁.

4. Провести измерения в соответствии с методикой задания 2 для

трех значений (k_u)_АРУ = Kl, K2, КЗ.

5. Установить величину порогового напряжения U_п = U₂.

6. Провести измерения в соответствии с методикой задания 2 для

трех значений (k_u)_АРУ = Kl, K2, КЗ.

 

Задание 4. Исследование переходной характеристики простой АРУ для фильтров низкой частоты различных порядков (при наличии внешнего осциллографа)

Порядок выполнения

1. Отключить модуляцию (генератор «G» выключен).

2. С помощью потенциометра «уровень ГВЧ» установить величину

эффективного значения входного сигнала, равную 50 мВ.

3. Включить модуляцию (генератор «G» включен).

4. Установить порог U_п = U₀ = 0.

5. Для фильтра низкой частоты ФНЧ 1-го порядка и трех значений коэффициента усиления (k_u)_АРУ = Kl, K2, КЗ зарисовать осциллограммы регулирующего напряжения U_p.

Для фильтра низкой частоты ФНЧ 2-го порядка и трех значений коэффициента усиления (k_u)_АРУ = Kl, K2, КЗ зарисовать осциллограммы регулирующего напряжения U_p.

Содержание отчета

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

1. Наименование и цель работы.

2. Структурную схему исследуемой системы АРУ.

3. Таблицы с результатами измерений амплитудных характеристик

АРУ и графики U_вых = f(U_c):

• при отключенной петле обратной связи (задание 1);

• для простой АРУ при различных коэффициентах усиления (k_u)_АРУ (задание 2);

• для АРУ с задержкой при различных коэффициентах усиления (k_u)_АРУ и различных значениях порога (задание 4).

4. Результаты расчетов коэффициентов регулирования у для простой АРУ при различных коэффициентах усиления (k_u)_АРУ.

5. Осциллограммы переходных процессов в петле обратной связи при различных порядках ФНЧ и коэффициентах усиления (k_u)_АРУ.

Анализ полученных результатов:

• Объяснить различие в поведении амплитудных характеристик простой АРУ и АРУ с задержкой.

• Объяснить зависимость амплитудных характеристик от коэффициента усиления в петле обратной связи. Сравнить максимальные и минимальные значения U_вых для различных (k_u)_АРУ.

• Объяснить характер переходных процессов в петле обратной связи системы АРУ.

7. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Какие функции выполняют системы АРУ и по каким признакам они классифицируются? Какие основные параметры систем АРУ?

2. Каковы принципы работы и схемы систем АРУ? Каковы способы изменения коэффициента передачи управляемых каскадов и в чем их достоинства и недостатки?

3. Как определяется время установления переходных процессов в системе АРУ? Из каких соображений выбирается постоянная времени фильтра в цепи регулирования?

4. Какие искажения сигналов обусловлены работой системы АРУ и что следует предпринять для их уменьшения?

5. Что происходит при совместном действии сигнала и шума на систему АРУ?

6. Какова методика измерения амплитудной характеристики усилителя с системой АРУ?

7. Какова методика исследования переходных процессов системы АРУ?

 

Список литературы

1. Буга Н. Н, и др. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Под ред. Н. И. Чистякова. М.: Радио и связь, 198

2. Богданович Б. М., Окулич Н. И. Радиоприемные устройства: Учеб. пособие для вузов / Под общ. ред. Б. М. Богдановича. М.: Высшая школа, 1991.

3. Палшков В. В. Радиоприемные устройства: Учеб. пособие. М.: Радио и связь, 1984.

4. Радиоприемные устройства: Учебник для вузов / Н. Н. Фомин, Н. Н. Буга, О.В.Головин и др.; Под ред. Н. Н. Фомина. М.: Радио и связь, 199

5. Радиоприемные устройства: Учеб. пособие для радиотехнических специальностей вузов / Ю. Т. Давыдов, Ю. С. Данич, А. П. Жуковский и др.; Под ред. А. П. Жуковского. М.: Высшая школа, 1989.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Кафедра морских информационно-измерительных систем

 

 

Лабораторная работа

АРУ

 

 

 

Оглавление

Оглавление. 2

1. Общие сведения. 3

2. Основные параметры системы АРУ.. 4

3. Типы систем АРУ с обратным регулированием.. 4

4. Основные характеристики систем автоматической регулировки усиления. 6

5. Анализ работы системы АРУ в динамическом режиме. 8

6. Лабораторная работа «Автоматическая регулировка усиления». 8

Описание лабораторной установки. 8

Состав установки. 9

Панель ручного управления. 10

Поле цифробуквенного дисплея. 10

Программа и порядок выполнения работы.. 10

Содержание отчета. 11

Контрольные вопросы.. 12

Список литературы.. 13

1. Общие сведения

Системой автоматической регулировки усиления (АРУ) называется система автоматического регулирования, обеспечивающая устранение перегрузок в каскадах устройств приема и обработки сигналов и поддерживающая заданное постоянство выходного напряжения в условиях изменения амплитуды входных сигналов.

Уровень сигнала на входе усилительно-преобразовательного тракта устройств приема и обработки сигналов (УПОС) обычно изменяется в широких пределах. Желательно, чтобы напряжение на выходе этого тракта изменялось незначительно и обеспечивало оптимальный режим работы демодулятора или обнаружителя сигналов. Эта задача может быть решена при использовании системы автоматической регулировки усиления, следящей за изменением амплитуды сигнала на входе.

По характеру выполняемых задач системы автоматической регулировки усиления (АРУ) делятся на три группы:

• инерционные, следящие за изменением среднего уровня входного сигнала, применяемые обычно в радиовещательных приемниках;

• безынерционные, следящие за изменением мгновенного значения амплитуды входного сигнала (МАРУ), применяемые, например, в радиолокационных устройствах;

• программные, с заранее заданным временным законом регулировки (ВАРУ), используемые при приеме сигналов с известным, периодически повторяющимся распределением во времени.

Системы АРУ могут быть построены по принципу прямого, обратного и комбинированного регулирования при аналоговой и цифровой реализациях.

В системах прямого регулирования цепь АРУ включается параллельно тракту усилителя промежуточной частоты (УПЧ). В ней вырабатывается напряжение, пропорциональное среднему уровню входного сигнала, используемое для регулировки коэффициента усиления УПЧ. При больших изменениях уровня входного сигнала из-за нелинейности вольт-амперных характеристик электронных компонентов тракта АРУ возникают погрешности регулирования.

Погрешности регулирования, связанные с нелинейностью вольт-амперных характеристик компонентов в цепи автоматической регулировки усиления, существенно меньше в схеме АРУ обратного регулирования. В ней управляющее напряжение формируется на выходе УПЧ и по петле обратной связи изменяет усиление каскадов УПЧ.

 

Рис. 1. Система АРУ с обратным регулированием

 

В ряде случаев для обеспечения устойчивой работы системы с обратной связью применяют АРУ с комбинированным управлением, в которой тракт УПЧ разделен на два блока: с петлей обратного регулирования усиления и с петлей прямого регулирования.

Наибольшее применение нашли системы АРУ с обратным регулированием (рис. 1).

 

Основные параметры системы АРУ

Основными характеристиками системы АРУ являются: Коэффициент регулирования (), равный отношению динамического диапазона а изменений уровня входного сигнала к допустимому динамическому диапазону ( изменений уровня выходного сигнала:

(1)

где - значения максимальной и минимальной амплитуды входного сигнала, - значения максимальной и минимальной амплитуды выходного сигнала.

Значение часто задается в децибелах:

(дБ).

(2)

 

Время установления () - интервал времени от момента включения входного сигнала при до момента времени, когда амплитуда выходного напряжения достигает величины, отличающейся от установившегося значения не более чем на 10 %.

Регулировочная характеристика - зависимость коэффициента усиления регулируемого усилителя по напряжению от величины регулирующего напряжения или тока .

Амплитудная характеристика - зависимость уровня выходного напряжения регулируемого усилителя от уровня входного сигнала .

Коэффициент нелинейных искажений определяет отклонение модулирующей функции полезного сигнала от истинного значения.