Система автоматической регулировки усиления

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. Уровень входного сигнала радиоприемных устройств (РПрмУ) непрерывно изменяется по многим причинам: из-за изменения расстояния между источником излучения и РПрмУ, из-за изменения условий распространения радиоволн, а в радиолокации к этим причинам добавляются флуктуации эффективной отражающей поверхности цели, смена целей и т. д.

Динамический диапазон изменения входных сигналов РПрмУ может достигать 60–100 дБ, при этом для нормальной работы оконечных каскадов и выходных устройств 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 чувствительности 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, и используются обычно при приеме импульсных сигналов с известным, периодически повторяющимся распределением уровней во времени.

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

В АРУ с прямым регулированием (прямая АРУ) коэффициент усиления (КУ) регулируемого усилителя (РУ) определяется его входным сигналом и не зависит от его выходного сигнала. Структурная схема прямой АРУ приведена на рис. 3.8.

Регулирующее напряжение U_p(t) формируется с помощью петли регулирования АРУ (рис. 3.8), которая состоит из усилителя АРУ (У) 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 регулирующего напряжения U_p(t), подаваемого на управляющий вход РУ: чем больше U_p,тем меньше КУ.

При возрастании U_вх возрастает и U_p, формируемое петлей регулирования АРУ, в результате КУ РУ уменьшается, что приводит к замедлению роста амплитуды выходного сигнала U_вых.

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

На рис. 3.9 приведены примеры амплитудной характеристики U_вых = f (U_вх) РУ прямой АРУ (графики 2–4).

График 1 на рис. 3.9 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_вых РУ 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), а U_вых уменьшается с увеличением U_вх.

Таким образом, прямая система АРУ может обеспечить идеальное регулирование, но для этого следует обеспечить стабильность КУ усилителя АРУ, который должен быть большим, что приводит к усложнению cxeмы АРУ.

Кроме того, АРУ с прямым регулированием непосредственно не контролирует амплитуду U_вых РУ. Следовательно, АРУ с прямым регулированием не может компенсировать изменения амплитуды U_вых, вызванных нестабильностью параметров РУ или воздействиями помех на РУ, и поэтому в чистом виде на практике не используется.

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

Структурная схема обратной АРУ приведена на рис. 3.10. В отличие от системы с прямой АРУ (рис. 3.8) сигнал для формирования управляющего напряжения U_p(t) снимается не со входа, а с выхода РУ. Петля регулирования АРУ содержит детектор, который формирует управляющий сигнал U_p(t) 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. 3.9), но при этом наклон амплитудной характеристики будет небольшим, и степень приближения к идеальной характеристике АРУ (график 2 на рис. 3.9) обычно получается достаточно высокой.

Одна из проблем обратной АРУ (из-за петли ОС) – 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. 3.9), а второй РУ имеет АРУ с прямым регулированием (аналогично рис. 3.8).

Параметры прямой АРУ выбираются так, чтобы обеспечить спадающую амплитудную характеристику РУ-2 (график 4 на рис. 3.9).

Подбирая параметры прямой и обратной АРУ можно добиться того, чтобы общая амплитудная характеристика РУ была близка к идеальной (график 2 на рис. 3.9).