Цифрові автоматичні регулятори підсилювання

Широке застосування цифрової схемотехніки при технічній реалізації функціональних вузлів пристроїв прийому та обробки сигналів знайшло своє відображення і в системах АРП. При цьому цифрові АРП забезпечують ряд переваг перед аналоговими системами, наприклад: незалежність тривалості процесу встановлення потрібного підсилювання від рівня вхідного сигналу, незалежність характеристик регулювання від розкиду параметрів і конкретних властивостей кола АРП і регульованого підсилювача (при повністю цифровому виконанні), астатизм і зберігання встановленого підсилювання при перервах у прийомі сигналу. Функціональна схема астатичної системи ЦАРП зображена на рис. 3.14. Вихідна напруга Uвих регульованого підсилювача-дільника (РПД) після амплітудного детек­тування в АД і фільтрації в ФНЧ підводиться до АЦП. У РПД можуть бути використані як аналогові, так і цифрові елементи. Якщо це аналогові підсилювачі, наприклад, ППЧ, виконані на ІC, в яких передбачена можливість подачі напруги регулювання по колу U_АРП, то в схемі ЦАРП пот­рібна буде операція цифро-аналогового перетворення, яка приво­дить до відповідності з цифровим кодом (після реверсивного лічильника РЛ2) деяке значення U_p.

 

Рис. 3.14. Функціональна схема ЦАРП

 

Якщо РПД виконаний у вигляді цифрового дільника (атенюа­тора), керуючим діянням буде безпосередньо цифровий код РЛ2.

В АЦП вихідна напруга фільтра зазнає бінарного квантування. Якщо (опорна напруга), то виробляється сигнал помилки Z_Д = –1, якщо ж , то Z_Д = + 1. Цей сигнал по­милки надходить в усереднюючий реверсивний m – розрядний лічильник РЛ1, який виробляє вихідні імпульси різної полярності залежно від переповнення його додатними або від'ємними імпу­льсами. Вихідні імпульси РЛ1 підводяться до РЛ2 через пристрій блокування ПБ, який запобігає переповненню цими імпульсами РЛ2. Крім опорної напруги U_оп, що дорівнює номінальному значенню напруги U_ф, на АЦП подаються імпульси дискретизації Е_д з періодом Т_д=1/F_д, який визначається шириною спектра, тобто смугою пропускання ФНЧ. Можна рекомендувати вибір сталої часу цього фільтра на порядок менше мінімальної тривалості перехідних процесів у системі ЦАРП. Тоді ця тривалість буде визначатися цифровою, а не аналоговою частиною пристрою.

Амплітудна характеристика АЦП зображена на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Амплітудна характеристика АЦП

Як видно з рис. 3.15, при на ви­ході АЦП імпульси додатні, а при імпульси від'ємні. Якщо , то імпульси на вихід АЦП не надходять. Зона нечутливості шириною 2 U_on, в межах якої відносні зміни, і не змінюється коефіцієнт підсилення РПД, введена задля запобігання можливим у цифрових автоматичних регуляторах автоколиванням у межах молодшого розряду коду РЛ2, який керує коефіцієнтом підсилення РПД, що відповідало б паразитній амплітудній модуляції вихідного сигналу.

Коефіцієнт паразитної AM де – зміна коефіцієнта підсилення при зміні коду РЛ2 на одиницю. Коефіцієнт повинен знаходитися в межах Зону нечутливості можна прийняти 2 U _n =2m_nU_n, тобто m_n = . Отже, при від'ємні імпульси з АЦП надходять на вхід РЛ1. Коли їхнє число перевищить 2^m, з виходу РЛ1 на вхід РЛ2 надійде від'ємний імпульс, що зумовить зменшення коефіцієнта підсилювання і напруги U_ф. Якщо , то імпульсів на виході АЦП і зміни не буде, поки різниця не перевищить U_on. Якщо , то на РЛ1 надійдуть додатні імпульси, і після його переповнення до РЛ2 надійде додатний імпульс, а і відповідно збільшаться. Блокування переповнення РЛ2 необхідне тому, що при заповненні РЛ2 наступний імпульс тієї ж полярності стрибком змінить на або на , і це повністю порушить роботу приймача.

Ємність лічильника РЛ2 п 2 визначається заданим відношенням K_umax/K_umin і допустимою зміною вихідної напруги:

n₂=lg(K_umax/K_umin)/lg(2m_n+1). (3.13)

Ємність РЛ1 n₁ визначається за максимальною тривалістю перехідного процесу (при появі і зникненні сигналу): t_n =n₂t_i, де t_i = n₁Т_Д – період проходження імпульсів на виході РЛ1, причому f_nap<<l/t₁<< f_c (f_c – мінімальна частота корисної модуляції; f_nap –максимальна частота паразитної модуляції вхідного сигналу). Тоді n₁ = t₁ / T_Д = t_n / Т_д n₂.

Для інженерного розрахунку ЦАРП необхідно задатися низкою початкових показників, що висуваються як до приймача в цілому, так і безпосередньо до системи АРП. Розглянемо ці показ­ники на конкретному прикладі.

Задані:

– динамічний діапазон рівнів вхідного сигналу U_{BX min} = l мкВ, U_{BX max} = 0,14B;

–динамічний діапазон рівнів вихідного сигналу U_{BИX min} = l B, U_{BИX max} = 2 B;

– верхня частота модуляції F_B = 5 кГц;

–час перехідного процесу системи АРП t_n = 0,l сек.;

–коефіцієнт паразитної AM m_n = 0,005.

Із попереднього розрахунку приймача відомо, що ППЧ виконаний на інтегральній схемі К237УР5, яка має глибину регу­лювання по АРП 43 дБ при зміні напруги регулювання U_р = 1 – 4 В. Необхідно розрахувати основні параметри і скласти принципову схему ЦАРП, використовуючи функціональну схему, зображену на рис. 3.14. Згідно з початковими даними отримаємо:

K_{u max} = U_{BИX min} / U_{BX min} = 140000;

K_{u min} = U_{BИX max} / U_{BX max} = 14,3;

K_{u max} / K_{u min} = 9790 ;

Відповідно до виразу (3.13) визначимо:

n₂ = lg(K_umax / K_umin) / lg(2 m_n + 1) 760.

Застосуємо для реалізації реверсивних лічильників РЛ1 і РЛ2 логічні IC К155ІЄ7 (чотирирозрядний двійковий реверсивний лічильник). Для РЛ2 з урахуванням результату розрахунку п ₂ 760 необхідні три корпуси ІC К155ІЄ7 (тому що 16² = 256<760, 16³ = 4096>760). З урахуванням цього ємність РЛ1

n₁ = t_n /(Т_д n₂₎ = 0,1/(0,000024096) = 12,345<16.

Таким чином, для реалізації РЛ1 знадобиться один корпус К155ІЄ7. З урахуванням ефективності АРП регульованої ІC К237УР5 (43дБ) для забезпечення потрібного загального діапазону регулювання K_{u max}/K_{u min} 80 дБ необхідно охопити регулюванням обидва каскади ППЧ (виконаних на вказаній ІC). Згідно з функціональною схемою ЦАРП і отриманими результатами проведемо обгрунтування і вибір ІC для інших ФВ системи. На рис. 3.16 зображена принципова схема вузлів ЦАРП (АЦП), яка реалізує трирівневе квантування сигналу з виходу детектора.

У схемі на рис. 3.16 АЦП виконаний на двох компараторах DA1 і DA2 (ІC К554СА2) з різними значеннями порогових напруг

U_nl = U_n – U_n і U_n2 = U_n + U_n,

де а логічні елементи DD1.1, DD1.2, DD1.3, DD1.4, DD2.1 і DD2.2 (DD1 – К155ЛАЗ, DD2 – К155ЛА1) забезпечують отримання вихідних сигналів: "плюс 1"– при U_BX < U_n2, "мінус 1"–при U_BX > U_n2, "нуль"– при U_n1 < U_BX < U_n2. Генератор стробувальних імпульсів виконаний на DD3.1, DD3.2 і DD3.3 (IC 155ЛАЗ).

На рис. 3.17 зображена схема реверсивних лічильників РЛ1 і РЛ2 з пристроєм блокування від переповнення.

В схемі лічильники виконані: РЛ1 на DD5, РЛ2 на DD6, DD7, DD8, а пристрій блокування на DD3.4, DD9, DD10, DD11, DD12 і DD13 (К155ЛА1, К155ЛАЗ, К155ЛЄ5). Пристрій блокування перериває подачу сигналів "плюс 1" або "мінус 1" на РЛ2 при заборонених комбінаціях. Так, наприклад, для комбінації 0000.0000.0000 на виходах DD10.1, DD11.1, DD11.2 з'являються логічні "1", які, підсумовуючись на DD12.2 після інверсії у вигляді логічного "О" переривають за допомогою схеми електронного ключа на DD3.4 проходження на РЛ2 імпульсів "мінус 1". Таким чином, для цієї комбінації в РЛ2 лічба на зменшення ("мінус 1") заборонена, а лічба на збільшення ("плюс 1") дозволена. При появі на виходах DD6, DD7 і DD8 комбінації 1111.1111.1111 логічні схеми забезпечують обернені

Рис. 3.16. Принципова схема трирівневого АЦП ЦАРП

 

 

Рис. 3.17. Принципова схема РЛ1, РЛ2 і ПБ

 

режими заборони лічби на збільшення і дозвіл лічби на зменшення. Виходи всіх трьох 1C з'єднуються також з керувачем, який у випадку аналогової реалізації РПД може бути зображений за допомогою схеми ЦАП (наприклад, 12-розрядним перетворювачем на ІC К594ПА1). У цьому випадку регулюванням опорної напруги на виводі 23 ІC можна підібрати необхідне значення напруги U_per для конкретної ІC РПД. Якщо РПД виконаний як цифровий дільник-атенюатор, то керування відбувається безпосередньо цифровим кодом РЛ2, і зі зміною коефіцієнта ділення атенюатора буде змінюватися ступінь міжкаскадного зв'язку в підсилювальному тракті приймача. У пристроях прийому, де обробка сигналів здійснюється з використанням мікропроцесорів, ЦАРП може бути реалізована програмними засобами, наприклад, на базі великої IC КМ1813ВЄІ, яка являє собою однокристальну мікро ЕОМ з аналоговими пристроями вводу/виводу. Програма ВІС, що записується в її внут­рішній СППЗП (ПЗП, який може стиратися і перепрограмуватися), може бути настроєна на реалізацію багатьох операцій цифрової обробки, в тому числі АРП, цифрової фільтрації тощо. Вхідні сигнали можуть бути зображені як в аналоговій, так і в цифровій формі. Виконуючи задану програму, ВІС здійснює дискретизацію аналогових сигналів з чотирьох аналогових входів, перетворення отриманих відліків у цифрову форму і їхню обробку за допомогою цифрових методів. Результати обробки передаються на вихід в аналоговій або цифровій формі. При обробці цифрових сигналів ВІС вводить і виводить їх у послідовному коді, при цьому засоби аналого-цифрового перетворення не використовуються. Програми ВІС виконуються циклічно, що забезпечує постійність частоти дискретизації сигналів, які обробляються. Значення частоти диск­ретизації вхідних сигналів залежить від частоти синхронізації ВІС, яка знаходиться в межах 0,001...6,67 МГц, і від числа команд програми, яка не може переви­щувати 192.

Наявність безпосереднього цифрового вводу/виводу дозволяє об'єднати ВІС у багатопроцесорну систему.

Типова схема ввімкнення ВІС для обробки аналогових сиг­налів зображена на рис. 3.18. Живлення на ВІС подається через RC-фільтри, а операційний підсилювач на DA1 формує опорну напругу (UREF) для роботи аналогових вузлів ВІС. Більш повні відомості щодо використання ВІС КМ1813ВЄ1 наводяться у літературі [15].

 

Рис.3.18. Типова схема включення BIC КМ1813ВЄ1

 

Таким чином, у співставленні з конкретними умовами завдання на проект, використовуючи вищезгадані алгоритми побудови виявлювачів бінарно-квантованих сигналів, цифрових вибіркових фільтрів, необхідно скласти функціональну та принципову схеми цих пристроїв. Для цього можна скористатися рекомендаціями по вибору цифрових ІС та конкретними прикладами технічної реалізації виявлювачів та цифрових фільтрів, які приводяться у роботах [25], [26], [27].

Цифрова обробка сигналів в пристроях електрозв΄язку (окрім синтезаторів частот, вузлів управління, ЦАРП та ЦАПЧ), може бути введена в ступені демодуляції та післядетекторної обробки. Приклади побудови цифрових ФНЧ також приводяться у роботах [25] та [27].

Завдання з курсового проектування.

Тип ППОС потрібно вибирати з таблиці 1 згідно з першою літерою прізвища студента.

Таблиця 1

До вибору студентом номера варіанту

Перша літера прізвища студента	А, Г, Ж, К, Н, Р, У, Ц, Щ, Е.	Б, Д, З, Л, О, С, Ф, Ч, Ю, Ї.	В, Є, И, М, П, Т, Х, Ш, Я, І.
Тип приймача (ППОС)	Радіозв΄язковий	Радіолокаційний	Радіонавігаційний

 

Початкові дані та завдання з курсового проектування надані у таблицях 2,3 та 4. Номер варіанту відповідає останній цифрі шифру.

Зауваження. 1) Необговорені у завдані ТУ вибираються та обгрунтовуються самостійно.2) В табл.2,4 позначено а=U_вхmax/U_вхmin, p= U_вихmax/U_вихmin.

Таблиця 2

Початкові дані для проектування радіозв΄язкових ППОС.

Технічні умови	Варіанти
Діапазон частот,МГц	1-23	3,5-12	8-18	100-106	100-112	1-24	3,5-22,5	100-136	2-22	1-12
Чутливість, мкВ
Верхня частота модуляції, кГц		3,5	3,3	4,5	3,6			3,8		3,6
Вибірковість за сусіднім каналом, дБ
Вибір за дзерк. каналом, дБ
Відносна зміна частоти передав. та гетерод. приймача	10^-6	3×10^-7	2×10^-6	10^-5	2×10^-5	2×10^-6	10^-6	3×10^-6	10^-6	2×10^-6
Вид модуляції	АМ	АМ	АМ	АМ	АМ	ОМ	ОМ	АМ	АМ	АМ
Ефективність АРП а/р

Завдання.1

1)Провести розрахунок повної функціональної схеми підсилювально-перетворювального тракту з цифровою системою АРП.

2) Провести розробку ступені демодуляції з використанням схеми:

а) когерентного детектора- варіанти 1,3,5,8,10;

б) квадратурного детектора-варіанти 2,4,9;

в) детектора ОМ перетворювального типу-варіанти 6,7.

Таблиця 3

Початкові дані для проектування радіолокаційних
пристроїв прийому та ОС

 

Технічні умови	Варіанти
Тип пристрою	ОД	О	ОП	ОД	О	ОД	ОД	ОП	ОД	О
Робоча частота, МГц
Тривалість зондуючих імпульсів, мкс	1,5		0,8	1,2	1,5	0,7	1,2	0,6	1,4	1,3
Проміжна частота, МГц
Коефіцієнт, дБ
Об’єм вибірки n
Частота повторення, F кГц		0,8	1,2			2,5	1,5	2,5	1,2	0,9

 

Завдання 2.