6.13 Подготовить для проведения измерений гсс:

6.13.1 Установить частоту генерируемых колебаний f_с равной 1,92 МГц, напряжение сигнала 10 мВ, коэффициент амплитудной модуляции m равным 30%.

6.13.2 Проверить осциллографом правильность установленных на гсс параметров (соединить гсс и осциллограф напрямую).

6.14 Измерить амплитудную характеристику тракта ПЧ РПУ с отключенной аттенюаторной АРУ. Результаты измерений занести в таблицу 5.3.

Таблица 5.3 − Результаты измерения аттенюаторной АРУ

Uвх, мВ

Uвых, мВ

Без аттенюаторной АРУ

Uвых, мВ

С аттенюаторной АРУ

6.15 Измерить амплитудную характеристику тракта ПЧ РПУ с включенной аттенюаторной АРУ. Результаты измерений занести в таблицу 5.3.

6.16 По результатам измерений (таблица 5.3) построить амплитудные характеристики (2 шт.) в одной системе координат. Сделать выводы.

6.17 Ответить на контрольные вопросы.

6.18 Выключить лабораторный макет и измерительные приборы.

6.19 Завершить оформление отчета.

6.20 Привести рабочее место в порядок.

7 Содержание отчета

7.1 Наименование и цели работы.

7.2 Перечень приборов и оборудования.

7.3 Результаты измерений (таблицы 5.1, 5.2, 5.3).

7.5 Амплитудные характеристики по измеренным значениям.

7.6 Выводы по результатам измерений. Эффективность какой АРУ получилась выше по результатам измерений?

7.7 Ответы на контрольные вопросы (по заданию преподавателя).

8 Контрольные вопросы

8.1. Что такое порог срабатывания АРУ?

8.2 Каким образом формируется управляющее напряжение для регулировки усиления?

8.3 В чем заключаются особенности прямой и обратной АРУ?

8.4 Как влияет изменение режима транзистора на резонансные свойства усилителя?

8.5 Поясните назначение фильтра АРУ. В чём заключается влияние постоянной времени фильтра АРУ на регулировку усиления?

8.6 От чего зависит глубина регулировки усиления? Какие Вы знаете методы повышения эффективности АРУ?

8.7 Как, по результатам измерений, определить касакды охваченные цепью АРУ?

8.8 Как используется управляемая обратная связь в АРУ?

8.9 Какие параметры характеризуют АРУ?

8.10 Как повысить эффективность АРУ?

9 Содержание зачета

Студент должен знать:

− назначение АРУ в тракте РПУ;

− принципы регулировки усиления трактов РПУ;

Должен уметь :

− проверить работоспособность АРУ;

− читать принципиальные схемы АРУ.

10 Методические указания

Автоматическая регулировка усиления применяется для защиты РПУот перегрузок и замираний при значительных изменениях амплитуды входного сигнала. Задачей АРУ является обеспечение в таких условиях относительного постоянства выходного напряжения (рисунок 5.2).

Действие АРУ характеризуется относительным изменением p выходного напряжения U_выхmax /U_выхmin приёмника при соответствующем относительном изменении m входного напряжения U_вхmax /U_вхmin, выраженными в децибелах:

(10.1)

. (10.2)

В радиовещательных РПУ изменение выходного напряжения p не должно превышать 10 дБ при изменении входного напряжения m = 30 дБ для РПУ второй группы сложности; при m = 46 дБ - для РПУ первой группы сложности, при m = 60 дБ для РПУ нулевой группы сложности. В профессиональных РПУ величина m может достигать значений 100…120 дБ.

Рисунок 5.2 – Характеристики систем АРУ

В простых РПУ обычно используются АРУ, построенная на принципах систем с обратной связью (рис. 5.3). Напряжение с выхода УПЧ поступает в цепь АРУ, содержащую детектор АРУ (выпрямитель) и фильтр АРУ. Входом системы АРУ служит выход УПЧ, а управляющее напряжение поступает в УПЧ и усилитель радиосигналов (при его наличии). Поскольку управляющее напряжение поступает в направлении, обратном направлению обработки сигнала, то такая система АРУ получила название обратной АРУ или АРУ «назад».

Рисунок 5.3 – Структурная схема обратной АРУ

Очищенное от остатков несущей и модулирующих частот управляющее напряжение с выхода фильтра АРУ поступает на регулируемые каскады. Регулировка осуществляется в тех каскадах приёмника, где амплитуда сигнала относительно невелика. Это объясняется тем, что регулировка при большой амплитуде сигнала приводит к значительным нелинейным искажениям огибающей модулированного сигнала. Как правило, регулировка усиления производится в усилителях радиосигналов и первых каскадах УПЧ. В преобразователе частоты АРУ не используется, так как вследствие управления могут возникнуть большие перекрестные искажения.

Используют несколько способов регулировки усиления транзисторных усилителей: 1) изменение режима транзистора по постоянному току; 2) применение

управляемых аттенюаторов (электронных потенциометров); 3) изменение величины обратной связи по переменному току. Наибольшее применение находят регулировки путём изменения режима транзистора по постоянному току (режимная АРУ).

Рисунок 5.4 – Графики, поясняющие работу режимной АРУ

Режимная регулировка коэффициента усиления K_o каскада на биполярном транзисторе может производиться либо изменением тока эмиттера, либо изменением напряжения на коллекторе. На рисунке 5.4 приведены зависимости при различных напряжениях на коллекторе. В реальной каскаде увеличение тока эмиттера I_э и, следовательно, тока коллектора I_к≈I_э приводит к уменьшению напряжения между коллектором и эмиттером U_кэ за счёт увеличения падения напряжения на сопротивлении в цепи эмиттера R и нагрузке по постоянному току в цепи коллектора (R_к в резистивных каскадах, сопротивление фильтра R_ф). Одновременное изменение I_э и U_кэ приводит к тому, что зависимость имеет форму кривой, показанной на рисунке 5.4 штриховой линией. При этом в области I_э1< I_э<I_э2 коэффициент усиления каскада практически не зависит от I_э.

Для АРУ могут быть использованы области I_э<I_э1 и I_э>I_э2. Требуемый характер изменения К₀ в зависимости от уровня входного сигнала U_вх может быть получен при строго определённом характере изменения I_э : при I_э<I_э1 с увеличенем U_упр ток эмиттера должен уменьшаться (обратная регулировка – см. рисунок 5.5), при I_э>I_э2 с увеличенем U_упр ток эмиттера должен увеличиваться (прямая регулировка– см. рисунок 5.6).

Рисунок 5.5 – Обратная режимная регулировка на биполярном транзисторе

При прямой регулировке, когда транзистор работает в режиме насыщения, пределы изменения коэффициента усиления определяются уже не только изменеием проводимости Y₂₁, но и пределами изменения выходной проводимости транзистора g₂₂. В этом случае имеется наибольшая степень изменения коэффициента усиления при сравнительно небольшом изменении тока I_э. Этот режим характеризуется более высокими (по сравнению с обратной регулировкой) нелинейными искажениями. Кроме того, при прямой регулировке заметно изменяется выходная ёмкость С₂₂ транзистора. При использовании резонансной нагрузки амплитудно-частотная характеристика каскада будет изменяться в процессе регулировки усиления, причём тем сильнее, чем выше частота сигнала (или чем меньше отношение С_н/С₂₂, где С_н – ёмкость нагрузки). Поэтому прямая регулировка применяется довольно редко.

Рисунок 5.6 – Прямая режимная регулировка на биполярном транзисторе

При использовании обратной регулировки проводимость Y₂₁, исключая область I_э→0, в довольно широких пределах изменяется пропорционально току эмиттера I_э.

Различают простые схемы АРУ и АРУ с задержкой. При простой АРУ регулировка усиления происходит не только при больших, но и при малых уровнях входного сигнала, что является её недостатком. В схемах с задержкой при слабых сигналах АРУ отключается и транзистор работает в режиме, позволяющем получить усиление, близкое к максимальному. Регулировка происходит при U_вх>U_вх.мин (рисунок 5.2). Задержка осуществляется обычно путём подачи на детектор АРУ небольшого запирающего напряжения. В таких схемах исходным является режим, имеющий место до начала регулировки. В схемах без задержки регулировка начинается с появлением даже слабого сигнала, поэтому исходный режим определяется в значительной мере условно.

Изменение I_э регулируемого каскада ведёт к изменнению не только Y₂₁, но и остальных проводимостей транзистора. Точные зависимости их от I_э сложны. Однако для приближенной оценки можно считать, что y₁₁, b₁₁ и g₁₁ пропорциональны I_э. Изменения b₂₂ менее значительны, но зависимость b₂₂ от I_э имеет тот же характер.

Изменения входных и выходных проводимостей в процессе регулировки приводят к нежелательному изменнению формы резонансной характеристики. При уменьшении тока I_э полоса пропускания регулируемого каскада с одиночным колебательным контуром сужается, а частота настройки увеличивается. Сужение полосы пропускания обусловлено уменьшением активных проводимостей, а увеличение частоты настройки – уменьшением ёмкостей С₁₁ и С₂₂. Для стабилизации формы резонансной характеристики в процессе регулировки связь транзистора с контурами обычно ослабляется. Иногда, во избежание резких искажений резонансной кривой, колебательные контуры шунтируются резисторами.

Изменение I_э может быть достигнуто путём подачи управляющего напряжения как на базу, так и на эмиттер транзистора. При регулировке по эмиттеру (рисунок 5.5) увеличивается стабильность работы, но значительно повышается мощность, потребляемая от источника управления. В управляющей цепи приходится использовать транзисторный детектор либо усилитель постоянного тока, что является существенным недостатком. При подаче регулирующего напряжения в цепь базы (рисунок 5.6) нужна сравнительно небольшая мощность, которая может быть получена непосредственно от детектора АРУ.

Управляющее напряжение U_упр подаётся на регулируемый транзистор через фильтр АРУ (R_ф, С_ф на рисунке 5.6), основное назначение которого заключается в фильтрации низкочастотного напряжения на выходе детектора АРУ. Постоянная времени фильтра τ_ф=R_ф∙С_ф обычно состовляет 0,05 … 0,5 с. Увеличение τ_ф приводит к ухудшению регулировки при быстрых изменениях сигнала. С уменьшением τ_ф на вход УПЧ попадает напряжение звуковой частоты, что может привести к его демодуляции. Величина R_ф составляет, как правило, единицы – десятки кОм, С_ф – единицы мкФ.

Рисунок 5.7– Эстафетная АРУ

Для увеличения эффективности АРУ в управляющую цепь после детектора вводят усилитель постоянного тока (усиленная АРУ). В качестве такого усилителя может быть использован отдельный резистивный каскад либо один из каскадов УПЧ. В схеме, приведеной на рисунке 5.7, (так называемая «эстафетная АРУ») управляющее напряжение подаётся на первый каскад. При изменении тока эмиттера изменяется величина напряжения на резисторе R2, при этом одновременно происходит изменение тока I_э следующего каскада. Возможны другие схемы эстафетной АРУ. Управляющее напряжение можно подавать на базу второго регулируемого каскада, а на базу транзистора первого каскада подавать напряжение с эмиттера транзистора второго каскада. При допустимых нелинейных искажениях в таких схемах можно получить m = 40 … 45 дБ при р = 6 … 10 дБ.

Регулировка усиления, осуществляемая изменением режима работы по постоянному току, несмотря на простоту выполнения схем, обладает существенными недостатками. К ним, помимо указанного изменения формы

резонансной характеристики в процессе регулировки, относятся: возникновение нелинейных искажений огибающей модулированного сигнала и трудность осуще-

ствления надёжной температурной стабилизации, так как способы, с помощью которых добиваются температурной стабильности, не дают возможности достичь максимальной эффективности регулировки.

От указанных недостатков в значительной степени свободны два других способа регулировки, а именно: применение управляемых аттенюаторов (потенциометров) и регулируемой обратной связи. При использовании этих методов положение рабочей точки транзисторов в процессе регулировки усиления остаётся неизменным.

Рисунок 5.8 – Аттенюаторная АРУ

Одна из возможных схем управляемого аттенюатора приведена на рисунке 5.8. В исходном режиме (при отсутствии сигнала) транзистор (VT1) закрыт и точка А имеет отрицательный потенциал по отношению к земле. Сопротивления резисторов R1 и R2 выбирают таким образом, чтобы потенциал точки В (по абсолютной величине) был меньше потенциала точки А. Тогда в исходном режиме диод VD1 будет открыт, а VD2 – заперт и затухание, вносимое аттенюатором, будет невелико. При увеличении амплитуды сигнала транзистор VT1 открывается и потенциал φ_а точка А уменьшается по абсолютной величине. Это приводит к смещению рабочей точки диода VD1 на участок с большим сопротивлением и отпиранию диода VD2. Сопротивление диода VD2 уменьшается, он будет шунтировать выходное сопротивление каскада. Это приведет к уменьшению коэффициента передачи электронного аттенюатора (потенциометра).

Рисунок 5.9 – Усилительный каскад с регулируемой обратной связью

Простейшая схема усилительного каскада с регулируемой обратной связью показана на рисунке 5.9. Здесь в эмиттерной цепи транзистора VT включены параллельно по переменному току постоянный резистор R4 и диод VD. Дифференциальное сопротивление диода изменяется по величине в зависимости от управляющего напряжения. В исходном режиме (при малом сигнале на входе приёмника) диод должен быть открыт, его сопротивление мало, глубина отрицательной обратной связи минимальная, а коэффициент усиления – максимальный. По мере увеличения входного сигнала управляющее напряжение должно изменяться таким образом, чтобы диод запирался и его дифференциальное сопротивление увеличивалось, а коэффициент усиления уменьшался. Одновременно с этим, за счёт увеличения глубины обратной связи, улучшается линейность каскада, что важно при усилении больших сигналов.

Лабораторная работа № 6

МЕТРИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ РАДИОВЕЩАТЕЛЬНОГО РПУ. часть 1