Лабораторная работа «Исследование автоматической регулировки усиления приемников на микросхемах»

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

«ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ ПРИЕМНИКОВ НА МИКРОСХЕМАХ»

Утверждено

на заседании кафедры

____________________

Москва, 2006 г.

1.  Цель работы

Целью работы является изучение различных схем автоматической регулировки усиления (АРУ) в приемниках непрерывных сигналов на микросхемах, измерение амплитудных характеристик усилителей с АРУ и исследование особенностей работы АРУ в динамическом режиме.

2.  Краткие сведения из теории

2.1.  Общие замечания

Основной задачей АРУ является поддержание постоянства уровня выходного сигнала при значительных колебаниях уровня сигнала на входе приемника. Уровень выходного сигнала будет неизменным, если при возрастании входного сигнала будет пропорционально уменьшаться усиление приемника.

Блок-схема типовой АРУ приемника приведена на рис. 1. Напряжение с выхода УПЧ поступает на детектор АРУ, а затем через усилитель (если необходимо дополнительное усиление) и фильтр АРУ – на регулируемые каскады приемника, изменяя их усиление.

 

Фильтр АРУ пропускает на регулируемые каскады «постоянную» составляющую продетектированного напряжения, соответствующую медленным изменениям среднего уровня входного сигнала. Это напряжение является управляющим сигнала, под действием которого усиление приемника изменяется в нужную сторону. В то же время фильтр АРУ препятствует прохождению на регулируемые каскады низкочастотной составляющей продетектированного напряжения, соответствующей полезным модуляционным изменениям сигнала; в противном случае глубина полезной модуляции сигнала будет уменьшаться (более подробно о фильтре АРУ и выборе его параметров см. в 2.4.2).

Система АРУ по блок-схеме рис. 1 представляет собой пример системы автоматического управления, в которой регулирование осуществляется по выходной величине (система с обратной связью). Объектом управления являются здесь регулируемые каскады приемника, а в состав регулятора входят безынерционные звенья – линейный усилитель АРУ и детектор АРУ – и инерционное звено – фильтр АРУ. Система АРУ особенна тем, что является системой с параметрической обратной связью, так как входное напряжение и напряжение обратной связи связаны через переменный параметр – коэффициент усиления. В зависимости от вида входного напряжения меняется закон изменения параметра, а, следовательно, и вид уравнения, описывающего работу замкнутой системы АРУ. Таким образом, переходные процессы в системе АРУ и устойчивость ее работы определяются не только параметрами схемы, но и характером входного сигнала, т. е. его величиной и формой. Напомним, что устойчивость обычных усилителей с обратной связью и переходные процессы в них определяются только параметрами схемы.

2.2.  Особенности АРУ приемников, выполненных

на микросхемах

На практике получили распространение как режимные, так и нережимные методы регулирования усиления в приемниках. В режимных АРУ усиление регулируется изменением режима транзисторов по постоянному току. В нережимных АРУ для регулирования усиления используются дополнительные нелинейные элементы.

2.2.1. Схемы режимных АРУ

Эти схемы просты, не требуют дополнительных элементов и позволяют достаточно эффективно регулировать усиление. Как известно, коэффициент усиления резонансных усилителей на транзисторах зависит от крутизны , входной и выходной проводимостей транзисторов и . Низкочастотные значения этих величин , и определяются режимом транзистора – постоянным током коллектора и напряжением на коллекторе . Зависимость указанных величин от проявляется слабо, а от практически линейна до =3¸10 мА в зависимости от типа транзистора. Поэтому основным регулируемым параметром в схемах режимных АРУ является ток коллектора , изменение которого достигается подачей регулирующего напряжения на базу или эмиттер транзистора.

Схемы АРУ с подачей на базу или эмиттер транзистора приведены на рис. 2 и 3 соответственно. Регулируемый усилитель выполнен по схеме ОЭ на основе микросхемы УС281 (универсальный усилитель). Резонансный контур подключен к выводам 12 и 14 микросхемы. Напряжение питания на микросхему подается от двух источников имеющих +6,3 В и –6,3 В относительно земли. Напряжение от одного источника подается на вывод 7 (-6,3 В), а от другого источника – на вывод 10 (+6,3 В). Напряжение +6,3 В поступает на коллектор через резисторы , и катушку контура.

 

Регулирующее напряжение, снимаемое с нагрузки детектора, через RC - фильтры АРУ подается или на вывод 3 (см. рис. 2) или на вывод 4 (рис. 3). В схеме АРУ (рис. 2) через источник регулирующего напряжения протекает небольшой ток базы, так что для управления достаточно мощности, которую обеспечивает диодный детектор. В схеме АРУ (рис. 3) нужен более мощный источник регулирующего напряжения, так как через него проходит значительный ток эмиттера. Поэтому за диодным детектором ставят усилитель постоянного тока (усилитель АРУ) или используют, как это сделано в данной работе, транзисторный детектор АРУ, который сам дает усиление по мощности.

Для повышения эффективности регулировкой охватывается несколько усилительных каскадов или используются более сложные схемы режимных регулировок.

 

Одна из таких схем (рис. 4) собрана на микросхеме 2УС282 (регулируемый усилитель). В состав микросхемы (обведена пунктиром на рис. 4) входят три транзистора типа КТ307 и семь резисторов. Резисторы , , стабилизируют режим транзистора по постоянному току. Резисторы и образуют делитель в базовой цепи . Напряжение питания +6,3 В подается на вывод 10 и через резисторы фильтра коллекторной цепи и поступает на коллекторы транзисторов и . Усиливаемый сигнал подается на вывод 3, а регулирующее напряжение – на вывод 2. На транзисторах и собран каскодный усилитель по схеме ОЭ-ОБ, а транзистор используется для регулировки усиления. Регулирование усиления здесь происходит за счет управления по току эмиттера транзистора . В процессе регулирования выполняется условие

 

Действительно, транзистор является источником стабильного коллекторного тока , так как выходное сопротивление каскада на много больше входного сопротивления со стороны эмиттеров каскадов на транзисторах и . Регулирование происходит так. При слабом входном сигнале транзистор заперт начальным значением и весь ток проходит через транзистор . При этом крутизна максимальна и усиление микросхемы для слабых сигналов также максимально. При увеличении сигнала регулирующее напряжение возрастает и транзистор отпирается. Теперь часть тока ответвляется в , следовательно, ток через уменьшается, и усиление микросхемы падает (такой метод регулирования усиления называют иногда регулированием за счет разветвления токов). Благодаря более высокому (в 3-4 раза по сравнению со схемой ОЭ) устойчивому начальному усилению каскода ОЭ-ОБ, исследуемая схема обладает повышенной глубиной регулировки усиления.

Режимные методы АРУ имеют ряд недостатков. Во-первых, из-за криволинейности характеристик транзистора при работе АРУ возникают нелинейные и перекрестные искажения сигнала. Эти искажения начинаются при амплитуде сигнала на базе транзистора порядка 10-20 мВ и возрастают с уменьшением коллекторного тока. Во-вторых, при работе АРУ изменяется амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики усилителя, так как изменяются , , и транзистора. Изменение, например, фазочастотной характеристики может привести к нелинейным искажениям сигнала в приемниках ЧМ и ФМ колебаний. Указанные недостатки меньше проявляются при использовании нережимных методов регулирования усиления.

2.2.2. Схемы нережимных АРУ

Нережимные методы регулирования основаны, главным образом, на применении диодов и транзисторов как элементов с переменными R и C в схемах различных аттенюаторов или в цепях обратной связи усилительных каскадов.

В данной работе исследуется управляемый аттенюатор (рис. 5) на основе микросхемы К2НК041 (набор элементов комбинированный). В исходном режиме диоды открыты напряжением начального смещения, и затухание, вносимое аттенюатором в схему, невелико. При увеличении сигнала регулирующее напряжение, поступающее через резисторы и , возрастает и запирает диоды, что приводит к уменьшению коэффициента передачи аттенюатора. Недостаток такого аттенюатора – значительный уровень нелинейных искажений, так как диоды сами начинают детектировать сигналы с напряжением около 20-30 мВ. Поэтому аттенюатор целесообразно располагать ближе к входу приемника, где уровень сигнала мал.

Другой способ нережимной регулировки – АРУ с регулируемой обратной связью – реализуется в данной работе на основе микросхемы 2УС281 (рис. 6). Сигнал подается на базу транзистора (вывод 2 микросхемы). К выводу 4 через разделительный конденсатор подключен транзистор , так что усилительный каскад на оказывается охваченным отрицательной обратной связью по току. Под действием регулирующего напряжения, подведенного к базе , изменяется сопротивление промежутка эмиттер-коллектор транзистора (изменение может достигать 104 раз), что приводит к изменению глубины обратной связи, а, следовательно, и усиления каскада на транзисторе .

 

2.3.  Статический режим работы АРУ

Статическим режимом АРУ называют поведение системы АРУ при неизменной амплитуде входного сигнала. Анализ этого режима позволяет произвести расчет ряда характеристик АРУ и определить эффективность ее работы.

Одной из основных характеристик АРУ является амплитудная характеристика, представляющая собой зависимость амплитуды напряжения на детекторе от амплитуды напряжения на входе первого регулируемого каскада .

На рис. 7 приведены амплитудные характеристики простой и задержанной АРУ, а также амплитудная характеристика усилителя без АРУ. Простая АРУ начинает действовать от самых слабых входных сигналов, затрудняя получение достаточного усиления. В этом заключен недостаток простой АРУ. Задержанная АРУ вступает в действие лишь тогда, когда напряжение на входе превысит некоторую начальную величину, благодаря чему обеспечивается большее постоянство выходного напряжения.

 

Эффективность работы АРУ можно оценить двумя величинами:

; , (1)

т. е. относительным изменением амплитуд напряжения на детекторе при изменении амплитуды входного напряжения в определенных пределах. Обычно , .

Постоянство напряжения на детекторе, определяемое величиной p, зависит от напряжения задержки на детекторе АРУ, наибольшего регулирующего напряжения и коэффициента передачи детектора АРУ . Действительно,

, (2)

откуда

. (3)

Учитывая, что порогу срабатывания АРУ соответствует , получаем

. (4)

Формула (4) показывает, что с увеличением напряжения задержки , а, следовательно, и напряжения величина p приближается к единице, т. е. напряжение на детекторе становится более стабильным. Если (транзисторный детектор АРУ) или в цепи АРУ используется дополнительный усилитель, то обеспечивается еще большее постоянство выходного напряжения.

Отношение определяет требуемое изменение усиления приемника под действием системы АРУ. Способы реализации этого отношения многообразны и определяются конкретной схемой АРУ. В качестве примера рассмотрим схемы АРУ с управлением по базе (эмиттеру) и схему АРУ на управляемом аттенюаторе.

Коэффициент усиления на резонансной частоте каскада с одиночным контуром (рис. 8) определяется известным выражением:

, (5)

где

- вносимая проводимость.

Крутизна характеристики полагается в дальнейшем действительной величиной S, что справедливо при использовании достаточно высокочастотных транзисторов.

 

Низкочастотное значение крутизны зависит от :

, (6)

где =26 мВ – температурный потенциал;

- статический коэффициент усиления по току.

Отношение =0,7¸5 Ом – для различных типов маломощных транзисторов. Учитывая, что и в первом приближении пропорциональны току коллектора и вводя отношение токов

, (7)

получаем вместо (5)

, (8)

где

; (9)

; (10)

Зависимость коэффициента усиления от параметра регулирования называется регулировочной характеристикой усилителя. Таким образом, зависимость (8) определяет регулировочную характеристику рассматриваемого усилительного каскада, причем параметром регулирования является коллекторный ток транзистора .

Как следует из (9) и (10), коэффициенты и растут с уменьшением , препятствуя регулировке, благодаря чему регулировочная характеристика становится нелинейной. Однако эта нелинейность незначительна для небольших токов .

Принимая и учитывая, что , получаем

(11)

Обеспечит ли схема АРУ требуемое отношение ? Для этого надо рассмотреть работу замкнутой системы АРУ.

Введем коэффициент управления , показывающий влияние регулирующего напряжения на параметр регулирования:

. (12)

Коэффициент N является крутизной характеристики , полученной из расчета конкретного регулируемого каскада как усилителя постоянного тока.

Например, для схемы АРУ с управлением по базе

, (13)

а для схемы АРУ с управлением по эмиттеру

. (14)

Для простоты полагаем . Ток коллектора регулируемого каскада изменяется по закону

. (15)

Требуемая величина будет реализована, если

. (16)

Таким образом, система АРУ обеспечит заданную эффективность, если для каждого регулируемого каскада обеспечена необходимая величина . Практически коэффициент N изменяется с помощью резисторов и .

Статический режим работы схемы АРУ на управляемом аттенюаторе имеет свои особенности. Коэффициент передачи аттенюатора (см. рис. 5) с идентичными диодами

, (17)

где - общее сопротивление делителя;

- результирующее входное сопротивление последующего каскада;

- дифференциальное сопротивление диода.

Диапазон регулирования при выполнении неравенств , , получается наибольшим:

. (18)

На практике реализация наибольшего диапазона регулирования достигается путем подбора резисторов делителя и и резистора .

2.4.  Динамический режим работы АРУ

Динамическим режимом работы АРУ называют поведение системы АРУ в условиях изменения уровня сигналов на входе. Анализ этого режима позволяет выявить особенности переходных процессов замкнутой системы АРУ, искажения огибающей радиосигнала, устойчивость работы.

Выясним особенности динамического режима АРУ на примере схемы с управлением по базе (см. рис. 2). Рассмотрим упрощенную схему регулировки с однозвенным фильтром АРУ (рис. 9).

 

Полагаем, что регулируемый усилитель и детектор АРУ безынерционны по отношению к огибающей радиосигнала, а регулировочная характеристика усилителя линейно зависит от . Найдем связь между и . Постоянная времени фильтра АРУ

. (19)

Для ламповых схем АРУ и . Для транзисторных схем АРУ входная проводимость в общем в общем случае зависит от и изменяется при регулировке в значительных пределах, так что постоянная времени оказывается переменной величиной. Однако при наличии стабилизирующего резистора входное сопротивление в значительной степени определяется величиной и мало меняется при регулировке. Учитывая это, рассмотрим случай .

На основании схемы (рис. 9) имеем:

; (20)

; (21)

. (22)

Регулировочную характеристику представим линейной зависимостью:

. (23)

Эквивалентная крутизна генератора тока , управляемого напряжением на выходе фильтра , учитывает влияние :

. (24)

Подставив в (20) соотношения (21)-(24), а также соотношение (12) для коэффициента N, получим:

. (25)

Уравнение (25) является дифференциальным уравнением первого порядка с переменным коэффициентом, закон изменения которого определяется входным напряжением. Следовательно, решение уравнения (25) зависит от вида .

2.4.1. Скачок входного напряжения

В этом случае формула (25) представляет собой дифференциальное уравнение с постоянным коэффициентом. Перепишем его в виде:

(26)

и сравним с уравнением заряда обычной RC-цепочки под действием постоянного напряжения E:

. (27)

Из сравнения (26) и (27) следует, что эквивалентная постоянная времени замкнутой системы АРУ

. (28)

Регулирующий ток устанавливается в соответствии с выражением

. (29)

Подставив значение из (29) в (23), найдем закон установления коэффициента усиления системы:

. (30)

Установившееся значение напряжения на детекторе

.

При отсутствии АРУ было бы равно .

Таким образом, коэффициент характеризует эффективность регулировки и измеряется обычно десятками и сотнями.

Проведенный анализ позволяет сделать основные выводы:

1. Постоянная времени замкнутой системы АРУ определяется не только параметрами системы , но и зависит от уровня входного сигнала, уменьшаясь с увеличением последнего.

2. При глубокой обратной связи время установления переходных процессов в системе АРУ значительно меньше времени установления их в фильтре АРУ.

Последний вывод можно пояснить графически (рис. 10).

 

Если бы скачок напряжения на входе фильтра АРУ имел постоянную величину , то при замкнутой системе АРУ регулирующий ток устанавливался бы по кривой 1. На самом деле система АРУ замкнута, так что напряжение на входе фильтра не постоянно, а меняется по кривой 2 от наибольшего значения до наименьшего . При этом в начале процесса регулировки коэффициент усиления системы еще не изменен регулировкой (конденсатор заряжается постепенно) и кривая 3 установления тока идет по кривой 1, затем постепенно отклоняется от нее (начинает действовать АРУ) и приближается к установившемуся значению . Сравнивая кривую 3 с кривой 4, показывающей установление при скачке напряжения на входе фильтра, равном (при этом установившиеся значения токов оказываются равными), приходим ко второму выводу.

2.4.2. Входное напряжение с синусоидальной огибающей

Огибающая входного напряжения имеет вид

. (31)

Решение уравнения (25) с учетом (31) показывает, что регулирующий ток, а, следовательно, и коэффициент усиления изменяются по сложному закону, что приводит к искажению амплитуды и фазы огибающей напряжения на выходе. Искажения огибающей можно оценить по формуле

. (32)

Из (32) следует, что коэффициент модуляции на выходе всегда меньше коэффициента модуляции на входе, т. е. работа АРУ приводит к подавлению модуляции, и при выбранных W и подавление модуляции увеличивается с ростом входного сигнала, что объясняется увеличением быстродействия АРУ (см. формулу (28) и рис. 11).

Зависимость (32) является фактически частотной характеристикой замкнутой системы АРУ для огибающей сигнала. Она построена на рис. 11, где и - частоты излома асимптотической частотной характеристики. На рис. 11 видно, как следует выбирать постоянную времени фильтра . С одной стороны, должна быть достаточно большой, чтобы при заданном отсутствовало подавление модуляции, т. е. необходимо иметь . Но, с другой стороны, не должна быть такой большой, чтобы паразитные модулирующие частоты (соответствуют медленному изменению среднего уровня сигнала) оказались правее частоты , т. е. в области, где отсутствует подавление модуляции. При правильном выборе области полезных и паразитных модулирующих частот располагаются, как показано на рис. 11.

 

Пусть Гц, 60, тогда 0,1 с. Этот простой расчет помогает уяснить, почему для вещательных приемников постоянную времени фильтра АРУ рекомендуют выбирать в пределах 0,02-0,2 с.

2.4.3. Особенности работы АРУ с многозвенными фильтрами

Показатели системы АРУ при использовании многозвенных фильтров могут быть улучшены. Однако неправильный выбор параметров фильтров АРУ приводит к значительным искажениям сигнала. Например, если параметры двухзвенного фильтра АРУ удовлетворяют условию

, (33)

где

, ,

то скачок входного напряжения приводит к возникновению затухающих колебаний регулирующего напряжения, а, следовательно, и коэффициента усиления. При использовании трехзвенного фильтра колебания коэффициента усиления возникают еще легче. При этом для некоторых частот огибающей входного сигнала может произойти не подавление модуляции, а, наоборот, ее увеличение. В трехзвенном фильтре огибающая может приобрести настолько значительные фазовые сдвиги, что отрицательная обратная связь по огибающей превращается в положительную, и происходит самовозбуждение системы АРУ. В этом случае даже немодулированное входное напряжение оказывается промодулированным на выходе и колебания коэффициента усиления превращаются в незатухающие. Нормальная работа приемника нарушается.

Более подробный анализ АРУ как системы с параметрической обратной связью показывает, что возможно возбуждение системы АРУ и с двухзвенным фильтром при синусоидальной огибающей входного напряжения. Возбуждение происходит в сравнительно узкой зоне модулирующих частот, зависящей от параметров системы АРУ, глубины модуляции и уровня несущей входного сигнала. При подходе системы РУ к возбуждению глубина модуляции значительно увеличивается по сравнению с исходной.

Таким образом, в системе АРУ с многозвенными фильтрами может возникать ряд нежелательных явлений, приводящих к искажению полезного сигнала. Поэтому, как правило, в приемниках непрерывных сигналов используются схемы АРУ с однозвенными фильтрами и гораздо реже с двухзвенными.

3.  Описание экспериментальной установки

Установка состоит из макета, генератора сигналов Г4-18А, осциллографа С1-5, милливольтметра В3-4, блока питания.

Принципиальная схема макета (рис. 12) включает в себя усилитель промежуточной частоты (УПЧ), диодный и транзисторный детекторы. УПЧ состоит из трех каскадов, выполненных на микросхемах серии 228. Нагрузкой каждого каскада является одиночный резонансный контур. В коллекторные цепи контуры включены автотрансформаторно, а с входом последующих каскадов связаны трансформаторно. Все каскады УПЧ настроены на частоту 465 кГц. Первый каскад УПЧ собран на микросхеме 2УС281 (универсальный усилитель) и может охватываться как режимной регулировкой, так и регулировкой за счет обратной связи. На входе первого каскада находится управляемый аттенюатор, выполненный на микросхеме К2НК041. Второй каскад УПЧ выполнен на микросхеме 2УС282 (регулируемый усилитель). Третий каскад УПЧ выполнен на микросхеме 2УС283 (каскодный усилитель) и является нерегулируемым. Напряжение промежуточной частоты после усиления подводится к диодному детектору АРУ на диоде Д9В и транзисторному детектору – на микросхеме 2УС281. Транзисторный детектор используется и как основной и как детектор АРУ. Продетектированное транзисторным детектором напряжение подводится к выходным гнездам макета, к которым подключается милливольтметр или осциллограф. Напряжение питания на микросхемы подается от двух источников постоянного напряжения, имеющих +6,3 В и –6,3 В относительно земли.

С помощью переключателей В1-В5 можно либо отключить, либо реализовать следующие схемы АРУ:

1) с подачей регулирующего напряжения на базу (на микросхеме 2УС281);

2) с подачей регулирующего напряжения на эмиттер (на микросхеме 2УС281);

3) схему АРУ на разветвлении токов (на микросхеме 2УС282);

4) схему АРУ за счет регулируемой обратной связи (на микросхеме 2УС281);

5) схему АРУ на управляемом аттенюаторе (на микросхеме К2НК041).

Имеется возможность создания более сложных схем путем комбинации вышеперечисленных схем АРУ. Регулирующее напряжение в первой схеме АРУ снимается с выхода диодного детектора АРУ, а в остальных – с выхода транзисторного детектора АРУ.

Регулирующее напряжение подается на регулируемые каскады через однозвенные RC-фильтры. Кроме того, можно подать регулирующее напряжение на базу транзистора в микросхеме 2УС281 через двухзвенный и трехзвенный RC-фильтры. Эти фильтры включаются в схему переключателем В2. Элементы двухзвенного и трехзвенного фильтров специально подобраны так, чтобы проявлялись искажения огибающей модулированного напряжения промежуточной частоты.

4.  Задание

1. Снять амплитудную характеристику макета без АРУ.

2. Снять амплитудные характеристики пяти вышеперечисленных схем АРУ.

3. Рассчитать по полученным амплитудным характеристикам величину . При расчете принять .

4. Рассчитать теоретически отношение для схемы АРУ на управляемом аттенюаторе и сравнить данные расчета с результатами эксперимента. В формуле (18) принять 1 кОм, 20 кОм.

5. Снять осциллограммы модулированного напряжения на детекторе при использовании одно-, двух - и трехзвенного фильтра АРУ для разных уровней несущей входного напряжения. Объяснить полученные результаты.

5.  Порядок выполнения работы

Перед выполнением эксперимента следует изучить схему макета и четко представить себе, в каком положении должны находиться переключатели для каждой схемы АРУ.

Таблица положений переключателей составляется заранее и показывается лаборанту или преподавателю перед выполнением работы.

Ознакомиться по инструкции с используемой аппаратурой.

При снятии амплитудных характеристик на вход макета подавать модулированный сигнал (m=50%) с частотой модуляции 1000 Гц. Напряжение сигнала увеличивать с 10 мкВ до наибольшего уровня , при котором заметны искажения огибающей на выходе УПЧ, контролируемые по экрану осциллографа С1-5. Максимальные значения входных напряжений определять для каждой схемы АРУ. Напряжение на выходе макета измерять милливольтметром В3-4. По данным измерений построить кривые , по оси абсцисс удобно принять логарифмический масштаб. При исследовании динамического режима работы (п. 5 задания) на вход макета подавать напряжения 20 мкВ и при m=30 и 80% . Наиболее характерные искажения огибающей зарисовать.