Управляемые аттенюаторы в системе ару реферат
Обновлено: 28.06.2024
Система АРУ (рис. 4.29) содержит усилитель ПЧ с управляемым аттенюатором. Выходное напряжение усилителя поступает на детектор, затем сравнивается с напряжением задержки . При слабых сигналах выходное напряжение детектора меньше напряжения задержки, и с помощью усилителя постоянного тока (ПТ) управляемый аттенюатор устанавливается в положение максимального коэффициента передачи. Если напряжение на выходе детектора превышает напряжение , на аттенюатор поступает напряжение , снижающее коэффициент передачи. Чтобы предупредить демодуляцию полезного сигнала, управляющее напряжение подается через фильтр низких частот ФНЧ, ослабляющий составляющие спектра амплитудной модуляции принимаемого сигнала. В рассматриваемой системе АРУ нет интеграторов, и в системе существует статическая ошибка, определяемая разностью между выходным напряжением детектора и напряжением задержки. Эта ошибка необходима для создания управляющего напряжения .
Произведем расчет требуемого коэффициента усиления в контуре АРУ.
Выходное напряжение равно
а его логарифм равен
где – коэффициент усиления регулируемого усилителя ПЧ.
Если усилитель имеет линейную зависимость логарифма коэффициента усиления от управляющего напряжения, то выражение (4.35) принимает вид
где – наибольшее значение коэффициента усиления в дБ; – крутизна характеристики аттенюатора в дБ/В.
Построим функциональную схему системы АРУ, в которой производится сравнение логарифмов значений и .
Представим разность логарифмов напряжений в виде
Используя (4.36) и (4.37) и полагая коэффициент передачи детектора равным единице, построим структурную схему линеаризированной системы АРУ (рис. 4.30, а). В этой схеме производится сравнение логарифмов выходного и опорного напряжений и , соответственно. Разность логарифмов затем с помощью масштабного коэффициента и коэффициента передачи усилителя ПТ преобразуется в управляющее напряжение , которое уменьшает усиление регулируемого усилителя. Поэтому масштабный коэффициент имеет отрицательный знак. Деление на 20 необходимо для преобразования значений, заданных в децибелах. В рассмотренной схеме нет переменных параметров, и ее быстродействие не зависит от уровня сигнала.
При исследовании ошибки системы АРУ представим уровень входного напряжения в виде
где – пороговое напряжение сигнала, соответствующее началу действия АРУ; – превышение порогового уровня в дБ.
Тогда величина [дБ] является возмущающим воздействием, создающим относительную ошибку [дБ] (рис. 4.30, б).
Функция передачи по ошибке равна
Ошибка АРУ равна
Пример 4.2. Определим требуемый коэффициент передачи усилителя ПТ при использовании микросхемы AD8367, предназначенной для усиления сигналов в полосе частот до 500 МГц при полном коэффициенте нелинейных искажений (THD) 60 дБ. Микросхема AD8367 содержит пассивный аттенюатор с диапазоном регулирования 45 дБ. Коэффициент передачи аттенюатора дБ/В. Подставим в уравнение (4.30) величину ошибки дБ, дБ и напряжение В. Тогда решение уравнения даст значение
4.10. Помехоустойчивость следящих измерителей
Для получения аналитических выражений при анализе помехоустойчивости следящих измерителей при действии шума используются частотные методы, рассмотренные в 3.5. Предполагаем, что на вход линейной системы с частотной характеристикой поступает помеха с СПМ (рис. 4.31, а). Из выражения (3.22) дисперсия флюктуационной ошибки, создаваемой широкополосной помехой, равна
Системы автоматической регулировки усиления (АРУ) широко применяются в радиоприемных устройствах различного назначения, они предназначены для стабилизации уровня сигнала на выходе усилителей при большом динамическом диапазоне изменения входного сигнала, достигающим, например, в радиолокационных приемниках 60—100 дБ. При таком диапазоне изменения входного сигнала и отсутствии системы АРУ нарушается нормальная работа приемных устройств, что проявляется в перегрузке последующих каскадов приемника. В системах автоматического сопровождения цели РЛС перегрузка каскадов приемника приводит к искажению амплитудной модуляции, к снижению коэффициентов усиления, вплоть до срыва сопровождения. В системах стабилизации частоты большой динамический диапазон изменения сигнала вызывает изменение крутизны дискриминационной характеристики, что резко снижает качество работы системы.
Системы АРУ делятся на три основных типа [7]: 1) с обратной связью (с обратным действием); 2) без обратной связи (прямого действия); 3) комбинированные. Существуют одно- и многопетлевые системы АРУ с непрерывной и цифровой регулировкой.
где k0 — коэффициент усиления при управляющем напряжении, равном нулю; а — крутизна регулировочной характеристики.
Изменение коэффициента усиления может быть достигнуто различными способами: путем включения управляемого аттенюатора, изменением крутизны характеристик электронных приборов и др. [7]. В качестве примера на рис. 1.14 показана схема усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, в котором управляющее напряжение подается на базу транзистора VT. При увеличении управляющего напряжения напряжение на базе повышается, в результате чего коэффициент усиления каскада уменьшается.
Эффект стабилизации уровня выходного напряжения uвых(t) достигается за счет того, что с ростом уровни uвых(t) увеличивается и управляющее напряжение uу, под действием которого в соответствии с выражением (1.22) уменьшается коэффициент усиления усилителя входного сигнала, что приводит к снижению уровня выходного сигнала.
Для того чтобы не снижать усиление при слабых входных сигналах и начать управление коэффициентом усиления усилителя только при достижении входным сигналом определенного уровня в систему АРУ подают напряжение задержки ЕЕЕ3. В результате напряжение управления появится только в том случае, когда напряжение с амплитудного детектора превысит напряжение задержки.
ФНЧ в цепи обратной связи системы АРУ предназначен для передачи управляющего напряжения с частотами изменения уровня выходного напряжения АРУ. При этом ФНЧ не должен пропускать колебания управляющего напряжения с частотами спектра полезной модуляции сигнала uвх(t), в противном случае происходит демодуляция входного сигнала, ослабляющая выходной сигнал.
Непосредственно из схемы рис. 1.13 следует, что напряжение на выходе УПТ
где kд— коэффициент передачи детектора.
Управляющее напряжение на выходе ФНЧ находят из следующего дифференциального уравнения:
Напряжение на выходе системы АРУ
Уравнениям (1.23) — (1.25) соответствует структурная схема системы АРУ, изображенная на рис. 1.15. В этой схеме нелинейное звено описывается зависимостью
Отличительной особенностью системы АРУ по сравнению с системами РА, рассмотренными в предыдущих параграфах, является зависимость коэффициента передачи системы от времени, что происходит из-за наличия в системе (рис. 1.15) звена с коэффициентом передачи k(t). Кроме того, из-за нелинейного звена с характеристикой (1.26) система АРУ является нелинейной. Анализ нелинейных систем с переменными параметрами является сложной задачей
В установившемся режиме при постоянном уровне напряжения на входе системы АРУ из уравнений (1.23) — (1.26) следуют следующие соотношения:
где kупт — коэффициент усиления УПТ.
Уравнение (1.27) определяет регулировочную характеристику системы АРУ с обратной связью (кривая 2 на рис. 1.16). на этом же рисунке изображена характеристика без АРУ (кривая 1) и регулировочная характеристика с идеальной системой АРУ (кривая 3).
Аттенюаторы управляемые напряжением или АУН (voltage variable attenuator, VVA) находят применение во многих задачах. Можно подключить к АУН потенциометр и плавно менять аттенюацию в широких пределах. Также АУН можно управлять автоматически, что позволяет сделать АРУ, аудиокомпрессор, регулировку выходной мощности трансивера, и так далее.
Онлайн и в литературе описано больше одной схемы АУН. Изучив варианты, я остановился на схеме, придуманной Реймондом Во (Raymond Waugh). Схема описана в нескольких публикациях, например в Avago AN1084: A Low-Cost Surface Mount PIN Diode π Attenuator [PDF]. В этой статье используются PIN-диоды Avago HSMP-3810, которых у меня, естественно, нет. Но из статьи Коммутация ВЧ сигналов при помощи диодов мы помним, что с сигналами небольшого уровня диоды 1N4148 справляются ничем не хуже PIN-диодов.
Схема получилась следующей:
Она работает как обычный аттенюатор по П-схеме, где диоды используется в роли управляемых напряжением резисторов. Рассмотрим два граничных случая. Когда на схему подано максимальное управляющее напряжение, диоды D1 и D2 открыты по ВЧ, а диоды D3 и D4 закрыты. Фактически, получили КЗ между входом и выходом, с точностью до потерь на диодах. Аттенюация минимальна. Когда же управляющее напряжение равно нулю, D1 и D2 закрыты, а D3 и D4 открыты. ВЧ сигнал оказывается притянут к земле через C4 и С5. Аттенюация максимальна.
Между этими двумя крайностями аттенюация будет где-то посередине между максимальной и минимальной. Номиналы резисторов подбираются эмпирически по минимуму вносимых потерь и КСВ на интересующих частотах.
В моем исполнении аттенюатор вышел таким:
А вот зависимость аттенюации от управляющего напряжения:
На КВ аттенюатор обладает гладкой АЧХ, а также КСВ ≤ 1.5 при любом уровне аттенюации. При питании стандартным напряжением 13.8 В вносимые потери составили 3.5 dB, а потребление тока — 20-25 мА в зависимости от аттенюации. Когда схема обесточена, она обеспечивает изоляцию портов > 50 dB и имеет высокий КСВ. Уровень входного сигнала стоит ограничить где-то -30…-20 dBm. При превышении этого уровня схема продолжает работать, но начинают быстро расти нелинейные искажения.
Меня интересовало поведение схемы на частотах до 30 МГц, но она работает и на более высоких частотах. В данном исполнении — где-то до 150 МГц, если вы не против КСВ 2.5 в худшем случае и некоторой неровности АЧХ при аттенюации более 30 dB. Если же вас интересуют еще более высокие частоты, рекомендую прочитать AN1084. Статья описывает аттенюатор, хорошо работающий на частотах до 3 ГГц.
Зависимость ответвляемой мощности от величины воздушного зазора призменного направленного ответвителя может быть также использована при конструировании аттенюаторов для квазиоптических линий передачи. Как известно, аттенюаторы используются для уменьшения мощности, поступающей от источника колебаний к нагрузке или развязки сверхвысокочастотных цепей между собой для уменьшения их взаимного влияния. Степень уменьшения мощности или затухание аттенюаторов выражается в децибелах:
, (4.4)
т. е. определяется отношением мощности колебаний на выходе устройства (P1/) к мощности приходящего сигнала (P1).
Если аттенюатор используется совместно с измерителем малой мощности, то поступающая к нему мощность связана с измеренной следующим образом:
В субмиллиметровых квазиоптических линиях передачи наибольшее распространение нашли призменные, поляризационные и поглощающие аттенюаторы. Причем призменные устройства в известной степени являются аналогами предельных аттенюаторов сантиметрового диапазона радиоволн.
Для ослабления сигнала в квазиоптической линии передачи может быть использован поляризационный аттенюатор. В основу конструкции устройства положена зависимость уровня сигнала, прошедшего через проволочную или ленточную решетку, от угла, образованного направлением вектора электрического поля Е и лентами или проволоками.
Рис. 4.1. Схема решетчатого аттенюатора
Из теории дифракционных решеток известно, что если плоская электромагнитная волна падает на решетку нормально к ее поверхности, то происходит искажение конфигурации поля, характеризующееся отраженной волной (коэффициент отражения а0) и прошедшей волной (коэффициент прохождения Ь0).
Для поляризационного квазиоптического аттенюатора обычно используются густые проволочные или ленточные решетки, у которых период связан с длиной волны облучающего поля неравенством
Рис. 4.2 Схема поляризационного аттенюатора с двумя дифракционными решетками
Существенным недостатком поляризационного аттенюатора на одной решетке является то, что он сам изменяет поляризацию сигнала. Это во многих случаях практики недопустимо. Поэтому была предложена система из двух решеток, свободная от указанного недостатка.
На рис. 4.2 показано взаимное расположение двух решеток. Причем одна из них может быть повернута на произвольный угол q относительно другой. Неподвижная (внешняя по отношению к падающей волне) решетка предназначена для восстановления первоначальной поляризации сигнала, т. е. для того, чтобы исключить влияние решетчатого аттенюатора на вид поляризации электромагнитной волны, распространяющейся по тракту.
Обычно для решеток аттенюатора выполняется условие l
Затухание двухрешетчатого аттенюатора подсчитывает-ся по формуле:
Дб. (4.5)
Используемые в диапазоне субмиллиметровых волн генераторные лампы не дают возможности осуществлять амплитудную модуляцию сигнала без сколько-нибудь заметных смещений частоты. Здесь практически приемлемой становится лишь амплитудная модуляция в линии передачи, основанная на активном поглощении части энергии без заметного отражения в источник излучения, так как последнее также может привести к неустойчивости частоты генератора.
Полупроводники, проводимость которых может электрическим путем меняться во много раз, позволяют создать активные модуляторы для линий передачи всех диапазонов длин волн начиная от метровых и кончая коротковолновым участком инфракрасного спектра. Основные конструктивные особенности модуляторов в соответствующем диапазоне частот в значительной степени определяются механизмом взаимодействия электромагнитных волн с полупроводниковым материалом и способом канализации энергии.
Поскольку с укорочением длины волны начинают сказываться явления, которые не проявлялись заметно на более низких частотах (дисперсия показателя преломления и показателя поглощения ряда веществ, увеличение потерь и др.), то в субмиллиметровом диапазоне для решения необходимых практических задач требуются совершенно новые методы и технические приемы. В частности, имеется тенденция решать практические и исследовательские задачи в субмиллиметровом диапазоне методами, принятыми в оптике. Управление энергией в этом диапазоне также целесообразно осуществлять, используя некоторые оптические свойства полупроводников, связанные с поглощением фотонов малой энергии.
Практически это можно осуществить, располагая на пути пучка электромагнитной энергии некоторый объем полупроводника, оптическая плотность которого может меняться вследствие изменения концентрации или подвижности свободных носителей тока. При этом используются процессы, совершающиеся в объеме тел, а не в очень малых по сравнению с длиной волны областях (как, например, в точечном диоде).
Плоский слой вещества с управляемой концентрацией носителей тока обладает свойствами, интересными с точки зрения применения их для управления электромагнитным излучением. Отраженная от слоя и прошедшая сквозь слой энергия, а также коэффициент модуляции прошедшей энергии являются осциллирующими функциями относительной толщины слоя
(d—толщина слоя, - длина волны электромагнитного излучения, - диэлектрическая проницаемость полупроводника). При этом возможен ряд вариантов.
Когда толщина слоя кратна половине длины волны в нем, коэффициент отражения, начальные потери и скачок фазы отраженной волны минимальны и слабо растут с увеличением проводимости слоя; коэффициент модуляции прошедшей волны максимален (т = 80 - 90%).
Если толщина слоя полупроводника кратна четверти длины волны в нем, то коэффициент отражения и начальные потери максимальны, скачок фазы отраженной волны мал (несколько градусов), коэффициент модуляции минимален.
Широкополосность модуляторов можно увеличить применением, например, антиотражающих покрытий или такой ориентировкой образца, при которой коэффициент отражения вертикально-поляризованной волны минимален. В качестве согласующих материалов используются кварц, полиэтилен, слюда.
Читайте также: