ТИПЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ УСИЛЕНИЯ

Когда напряжение на входе усилителя минимально (U_{вх мин}), коэффициент усиления должен быть наибольшим (К_макс) для то­го, чтобы на выходе обеспечивать напряжение U_{вых мин}, достаточ­ное для нормального воспроизведения сообщений; U_{вх мин} соответ­ствует чувствительности приемника. При увеличении входного на­пряжения коэффициент усиления К должен уменьшаться. АРУ обеспечит постоянство выходного напряжения Uвых, если эти три величины будут связаны соотношением K=U_вых/U_вх. Такую зави­симость отображает кривая 1 на рисунке:

Обычно не требуется строгого постоянства выходного напряже­ния и для упрощения конструк­ции регулятора допускают измене­ние его в таких пределах, чтобы не возникали заметные перегруз­ки цепей приемника и искажения сигналов. При увеличении напряжения на входе до U_{вх макс} напряжение на выходе возрастает до

некоторого значения U_{вых макс}; минимальный коэффициент усиле­ния при этом K_мин =U_{вых макс} /U_{вх макс} . Соответствующая характерис­тика 2 на рисунке проходит немного выше кривой 1.

Сигналы, напряжение которых на входе усилителя менее U_{вх мин} не могут быть нормально приняты, так как будут искаже­ны шумами приемника. Тем не менее форма характеристики ре­гулировку усиления выше точки А, соответствующей U_{BX min} и U_{вых мин} не безразлична для проектанта.

В простейшем случае процессы в цепи автоматической регули­ровки при уменьшении U_вх ниже точки А представляются равно­мерным продолжением кривой 1; эта часть гиперболы изображена штриховой линией. Регулировка такого типа, т. е. без нарушения непрерывности закона регулирования при снижении входного сиг­нала ниже уровня чувствительности (иногда ее называют «прос­той» АРУ), не применяется по следующим причинам:

при U_вх<U_{вх мин} напряжение на выходе усилителя будет оста­ваться неизменным, но оно будет представлять собой смесь сигна­ла и шума, причем чем меньше будет U_вх, тем больше будет доля шума в этой смеси;

для увеличения коэффициента усиления выше значения К_макс по кривой 3 потребовалось бы ввести в приемник дополнительные усилительные каскады; но это увеличение усиления будет беспо­лезным и даже принесет вред, так как при выключении источника сигнала на выходе приемника появятся шумы.

Выход из положения состоит в отключении АРУ при входном напряжении меньше U_{вх мин}. Коэффициент усиления левее точки А в этом случае остается постоянным и равным К_макс (линия 4). Включение АРУ «задерживается» до достижения входным напря­жением значения U_{вх мин}; далее регулировкой усиления обеспечи­вается требуемая стабильность выходного напряжения. Соответст­венно описанная регулировка называется АРУ с задержкой, или задержанной АРУ. При одинаковом в обоих случаях качестве ре­гулирования выше Uвх min приемник с задержанной АРУ проще по конструкции, чем приемник с простой АРУ.

В процессе перестройки приемника с АРУ с одной станции на другую, когда сигнал на входе приемника отсутствует, коэффици­ент усиления максимален и поэтому максимально усиливаются собственные шумы и внешние помехи. При радиовещательном приеме иногда изменяют цепь АРУ так, чтобы шумы при пере­стройке не проходили на выход приемника. С этой целью коэффи­циент усиления левее точки А понижается (кривая 5 на рисунке). Регулировка подобного вида называется бесшумной АРУ.

Для изменения коэффициента усиления приемника в электрон­ных устройствах АРУ должно быть получено регулирующее напря­жение, которое воздействует на регулируемые каскады, изменяя усиление подобно показанному на рисунке. Поскольку действие АРУ зависит от напряжения сигнала, наиболее простой способ формирования регулирующего напряжения состоит в использова­нии выпрямленного напряжения принимаемого сигнала. Если имеющегося напряжения недостаточно, то в цепь регулирований вво­дится дополнительный усилитель. Для получения регулирующего напряжения может служить амплитудный детектор. Если бы напряжение от детектора с такими свойствами было подано в цепь регулировки усиления, то при возрастании амплитуды сиг­нала в такт с модуляцией уменьшался бы коэффициент усиления, а при убывании амплитуды возрастал; в результате напряжение сигнала на выходе усилителя имело бы практически постоянную амплитуду, т. е. цепь АРУ подавляла бы модуляцию принимае­мого сигнала, что недопустимо, так как именно в ней заключена принимаемая информация.

Чтобы не было подавления модуляции, регулирующее напряже­ние не должно содержать переменной составляющей, соответст­вующей модуляции! Это можно обеспечить двумя путями:

1. Постоянная времени цепи C_нR_н на выходе детектора увеличивается так, чтобы напряжение на конденсаторе С_н оставалось примерно равным максимальным амплитудам де­тектируемого напряжения. Выходное напряжение отслеживает максимумы (пи­ки) амплитуды сигнала, не воспроизводя огибающей амплитуд. Такой детектор называется пиковым.

2. Постоянная времени R_нC_н соответствует требованиям детек­тирования без искажений и по­лученное напряжение может быть использовано для воспроизведе­ния принимаемых сообщений; для этого его переменная составля­ющая выделяется с помощью разделительного конденсатора. В то же время «постоянная» составляющая (среднее значение) используется для АРУ, в цепи которой имеется фильтр нижних частот. В фильтре подавляется переменная составляющая напряжения и регулирующее напряжение оказывается пропорцио­нальным средней амплитуде сигнала.

В случае задержанной регулировки детектор срабатывает только при превышении напряжением сигнала некоторого порого­вого значения. Ниже порога регулирующее напряжение не должно изменять коэффициент усиления, что достигается проще всего, если оно попросту отсутствует. Требуемым свойством обладает, например, диодный детектор, «подзапертый» постоянным напряже­нием, как показано на рисунке а. Из рисунка б видно, что детектор не будет действовать, пока U<E₃, т. е. регулирующее напряжение для цепи АРУ U_рег будет отсутствовать.

В соответствии с изложенным, цепи АРУ могут включать сле­дующие элементы приемника:

усилители радио- и промежуточной частоты, приспособленные для регулировки усиления изменением регулирующего напряже­ния;

детекторы для получения регулирующих напряжений путем вы­прямления сигнала;

дополнительные усилители для увеличения регулирующего на­пряжения при необходимости повысить эффективность АРУ;

цепи, обеспечивающие пороговое напряжение для получения ре­гулировки с задержкой;

фильтры нижних частот для подавления продуктов модуляции сигнала в цепях регулирующих напряжений.

Три характерных примера схем АРУ в упрощенном виде без цепей задержки даны на рис. 6.3.

В варианте на рисунке а регулирующее напряжение формирует­ся в результате выпрямления напряжения усиленного сигнала с выхода усилителя. Напряжение от детектора Д подается через до­полнительный усилитель У к фильтр нижних частот Ф в направле­нии, обратном направлению прохождения сигнала в регулируемом усилителе. Со стороны выхода оно действует на предшествующие усилительные каскады, поэтому такая регулировка называется об­ратной АРУ. Усилитель У может быть включен и до детектора Д

Если напряжение на выходе регулируемого усилителя достаточно велико, то этот усилитель не применяют.

В цепи обратной АРУ усиление регулируется благодаря изме­нению регулирующего напряжения U_рег, которое, в свою очередь, изменяется в результате изменения напряжения сигнала на выходе регулируемого усилителя. Следовательно, в цепи обратной АРУ не­избежно и необходимо некоторое изменение выходного напряже­ния. При правильном выборе параметров цепи это изменение не выходит за допустимые пределы.

В схеме на рисунке б регулирующее напряжение вырабатыва­ется в результате усиления и выпрямления входного напряжения и действует в том же «прямом» направлении, в котором проходит принимаемый сигнал в регулируемом усилителе. Соответственно такая цепь называется прямой АРУ. В отличие от обратной АРУ здесь регулирующее напряжение не зависит от напряжения на выходе усилителя, т. е. имеется теоретическая возможность пол­ного постоянства выходного напряжения. На практике реализо­вать эту возможность не удается. Как было выяснено, условие по­стоянства выходного напряжения состоит в строго определенном законе изменения коэффициента усиления при изменении напряже­ния на входе.

В реальных условиях коэффициент усиления регулируют це­пями, свойства которых зависят от регулирующего напряжения. Эту зависимость обеспечивают нелинейные элементы, но их харак­теристики определяются спецификой происходящих в них слож­ных физических процессов и управлять формой этих характерис­тик можно лишь в очень слабой степени. Если зависимость K(U_вх) получается падающей подобно теоретической кривой на рисунке и при соответствующем подборе параметров совпадает с ней в отдельных точках, на большинстве участков расхождение между ними неизбежно оказывается значительным. Следователь­но, и выходное напряжение не будет постоянным. Сколь бы не бы­ли велики отклонения выходного напряжения от требуемого значе­ния, устройство не будет на них реагировать и они останутся нескомпенсированными.

Трудности реализации прямой АРУ возрастают, если напряже­ние на входе регулируемого усилителя может изменяться в сот­ни и тысячи раз. Чтобы регулирующее напряжение могло воздей­ствовать на регулируемый усилитель, начиная со сравнительно слабых сигналов на входе, коэффициент усиления усилителя АРУ должен быть значительным: того же порядка, что и у регулируемого усилителя. Но при сильном увеличении входно­го напряжения в усилителе У неизбежно возникнет перегрузка, сильно проявится его нелинейность.

Чтобы ослабить подобные явления, усилитель АРУ сам должен иметь цепь автоматической регулировки для предотвращения пе­регрузок. Следовательно, прямая АРУ много сложнее по конст­рукции, чем обратная, и к тому же не позволяет получить удов­летворительного качества регулировки. Поэтому в описанном виде прямая регулировка не применяется. Однако она может быть полезна как часть комбинированной системы, в кото­рой основная регулировка - обратная. Регулируемый усилитель делится на две секции, причем усиление сосредоточено в основном в каскадах первой секции, усиление же второй секции невелико. В эту секцию может быть выделен, например, последний усили­тельный каскад.

Регулирующее напряжение U_{рег 1} формируется путем выпрям­ления напряжения с выхода первой секции и осуществляет обрат­ную регулировку усиления. Требования к качеству регулировки здесь не очень высоки, т. е. допускается сравнительно сильное (на­пример, в несколько раз) изменение напряжения U на выходе первой секции. Это упрощает реализацию регулировки. В то же время напряжение U используется для создания второго регули­рующего Напряжения U_рег2 и служит для прямой регулировки уси­ления второй секции. Поскольку на нее возлагается задача изме­нять усиление лишь в несколько раз, расхождение теоретического и реального законов регулирования не приведет к сильному не­постоянству напряжения сигнала на выходе второй секции. Кроме того, в цепи АРУ используется сигнал, уже усиленный в первой секции, т. е. не требуется дополнительного усилителя с большим коэффициентом усиления, который необходим в предыдущем слу­чае.