Лекция 12. Устройства и основные параметры системы АРУ

1. Структурная схема статического устройства П-АРУ.

2. Следящая система.

3. Переходные процессы установления уровня контрольного сигнала

Устройства АРУ, управляемые контрольным сигналом (П— АРУ), по принципу действия можно разделить на две большие группы: статические и астатические. На рис. 5.35,а приведена структурная схема статического устройства П-АРУ. Контрольный сигнал с напряжением выделяется на выходе линейного усилителя ЛУс полосовым фильтром ПФ, усиливается усилителем УсКЧ и поступает на детектор Д, который выделяет огибающую контрольной частоты с напряжением , пропорциональным . Напряжение сравнивается с эталонным в схеме сравнения, выполненной на операционном усилителе ОУ. Заметим, что совокупность элементов, выполняющих функции, аналогичные функции ПФ, УсКЧ, Д, ОУ и источника эталонного напряжения, обычно называется приемником контрольного кана­ла (ПКК). Разностный сигнал ( —) вызывает измене­ние выходного тока усилителя постоянного тока (УПТ) и, следо­вательно, изменение температуры терморезистора (Т), который является регулируемым элементом переменного амплитудного корректора (ПАК), включенного в цепь обратной связи . Со­вокупность узлов, выполняющих функции, аналогичные функциям УПТ и Т; будем в дальнейшем называть регулятором (Р), а сово­купность ПАК и ЛУс — регулируемым объектом (РО). Взаимные изменения сигналов в петле регулирования выбраны так, что от­клонение от номинального в процессе регулирования уменьшается.

В данном устройстве П-АРУ имеет место пропорциональное изменение сопротивления рабочего тела термистора при измене­нии отклонения разности напряжения () на входе ре­гулятора. Из теории систем автоматического регулирования изве­стно, что устройства с пропорциональным регулированием уменьшают первоначальное отклонение уровня контрольной частоты раз, где —коэффициент передачи по пет­ле регулирования.

Таким образом, для этих устройств характерна принципиаль­но неустранимая статическая (определенная в установившемся режиме) погрешность регулирования . По этой типичной погрешности подобные устройства П-АРУ носят назва­ние статических. Максимальная величина статической погрешнос­ти в реальных устройствах обычно не превышает дБ.

В устройствах астатического типа применяются интегральные регуляторы, т. е. такие, выходной сигнал в которых пропорциона­лен интегралу входного сигнала во времени. Типичным интег­ральным регулятором является регулятор, содержащий магнито­электрическое регулирующее устройство (МРУ). При номиналь­ном значении напряжения (рис. 5.36), поступающего от ПКК, подвижная катушка индуктивности (ПИ) находится в не­котором положении. При изменении, например увеличении , ПИ начинает перемещаться вверх, преодолевая силу тяжести, ко­торая является эталоном. Это перемещение происходит медленно, так как полость МРУ заполнена вязкой жидкостью. С катушкой ПИ жестко связан магнитный элемент, помещенный в магнитном зазоре датчика индуктивности ДИ таким образом, что перемеще­ние ПИ вверх приводит к уменьшению магнитного зазора и, сле­довательно, увеличению индуктивности датчика ДИ. В свою оче­редь, это вызывает уменьшение переменного тока подогрева термистора Т и увеличение сопротивления его рабочего тела и вели­чины обратной связи усилителя ЛУс. Усиление усилителя ЛУс уменьшается, что приводит к снижению первоначального отклоне­ния напряжения контрольного сигнала от номинального.

В отличие от статической системы здесь процесс регулирова­ния происходит до полной компенсации начального отклонения, поскольку усилия, уравновешивающие подвижную систему в новом положении, такие же, как и в исходном. Очевидно также, что любое положение подвижной системы является результатом всех предыдущих отклонений напряжения контрольного сигнала от номинального и соответствующих им перемещений этой систе мы, т. е. пропорционально интегралу отклонений контрольного-сигнала во времени. Поэтому такие регуляторы называются инте­гральными.

Для реальных устройств регуляторов интегрального типа ха­рактерна так называемая зона нечувствительности, т. е. начало их работы обеспечивается подачей конечного напряжения управ­ляющего сигнала. Зона нечувствительности регулятора определя­ет величину погрешности регулирования астатического устройст­ва АРУ, которая не зависит в отличие от статической погрешнос­ти, от величины начального отклонения напряжения контрольного сигнала и определяется исключительно конструкцией регулятора. В современных астатических устройствах АРУ величина погреш­ности из-за наличия зоны нечувствительности не превышает 0,7 дБ.

В устройствах АРУ находит также применение интегральный регулятор, называемый мемистором, действия которого основаны на электрохимических процессах. Его схематическое устройство показано на рис. 5.37. Он представляет собой баллон, заполнен­ный раствором соли металла, из которого изготовлен управляю­щий электрод (У). В баллон помещен также проводник (Р—Р), выполненный из платины, который является управляемым сопро­тивлением ПАК- Управляющий сигнал с выхода ПКК ( - ) той или иной полярности прикладывается между электродом и проводником. В зависимости от направления управляющего то­ка сечение проводника изменяется за счет электрохимического от­ложения на нем или снятия слоя металла, из которого выполнен электрод. Это изменяет сопротивление проводника и соответст­венно частотную характеристику затухания ПАК.

Устройства Т-АРУ значительно проще устройств П-АРУ (см.. рис. 5.31). В некоторых случаях датчик температуры грунта,, представляющий собой терморезистор, может непосредственно иг­рать роль управляющего элемента ПАК. Следящая система ис­пользуется в тех случаях, когда терморезистор необходимо выне­сти из помещения усилительного пункта на несколько десятков метров и есть опасность его шунтирования в рабочем диапазоне частот усилителя емкостным сопротивлением пары соединитель­ного кабеля. Следящая система (рис. 5.38) обеспечивает обтека­ние термодатчика практически постоянным током (выходным то­ком магнитного усилителя МУс) и с помощью дросселя (Др) ис­ключает шунтирование терморезистора элементами следящей системы. Конденсатор С исключает попадание постоянного тока в схему линейного усилителя.

Следящая система представляет собой самобалансирующийся мост (пассивную цепь обратной связи), между диагоналями кото­рого включен магнитный усилитель МУс. Если выполняется соот­ношение , мост будет сбалансирован и напряже­ние, поступающее с выхода МУс в диагональ АВ, на вход усили­теля, включенного в диагональ БГ, не подается. При повышении температуры грунта сопротивление термодатчика уменьшается, мост разбалансируется и в диагонали БГ моста появляется напряжение, пропорциональное величине ошибки.

Последнее уси­ливается усилителем МУс, что приводит к увеличению тока через терморезистор , повышению его температуры и, следовательно, снижению его сопротивления.

Изменение выходного напряжения на термодатчик не влияет, так как активные сопротивления плеч моста выбирают удовлетворяющими соотно-шению . Таким образом, мост балансируется, что соответствует изменению пропорционально изменению и, следовательно, осуществлению соответствующего управления ПАК. Точность балансировки моста пропорциональна усилению МУс и может быть очень высокой.

Однако, как уже отмечалось, погрешность регулирования ус­тройств Т-АРУ относительно велика, так как определяется не только точностью работы следящей системы, но и температурной зависимостью сопротивления конкретных датчиков и термисторов, разницей температур участков кабеля и термодатчика и т. д.

В большинстве случаев несколько (а иногда и несколько де­сятков) одиночных устройств П-АРУ тракта управляются одним и тем же контрольным сигналом, т. е. образуют цепь АРУ. Оче­видно, что отклонение уровня контрольного сигнала от номиналь­ного значения на входе цепи АРУ воздействует на все устройства АРУ практически одновременно, вызывая в них процессы регули­рования, которые продолжаются до тех пор, пока на выходе всех устройств не установятся уровни контрольного сигнала, близкие к номинальным. Очевидно также, что уровень контрольного сигна­ла на выходе каждого устройства изменяется не только в ре­зультате процесса регулирования в данном устройстве, но и из-за процессов регулирования во всех предыдущих устройствах. Поэтому переходной процесс в конце цепи АРУ представляет собой очень сложную картину и может иметь колебательный характер.

На рис 5.39 показаны переходные процессы установления уровня контрольного сигнала на выходе цепи П-АРУ () при его I скачкообразном изменении на входе цепи в момент на вели- I чину , имеющие колебательный (кривая 1), апериодиче ский (кривая 2) и прямолинейный (кривая 3) характер. Опти­мальным считается переходной процесс, форма которого прибли­жается к экспоненте (кривая 2 на рис. 5.39). При этом процессе' наиболее быстро происходит компенсация больших отклонений уровня контрольного сигнала, а следовательно, и больших откло­нений затуханий трактов от номинальных величин.

Переходной процесс, носящий колебательный характер, харак­теризуется величиной перерегулирования — максимальным отклонением выходного уровня от установившегося значения . На рис. 5.39 это значение принято равным нулю. В любых случаях величина перерегулирования должна быть меньше началь­ного отклонения, т. е.

Другим важным параметром переходного процесса является время регулирования , время от начала процесса до момента, после которого отклонение от не превысит некоторой достаточно малой величины . Обычно принимают Время регулирования не превышает нескольких минут или не­скольких десятков минут.

В устройствах П-АРУ должна предусматриваться возможность их блокирования, т. е. фиксации положения регуляторов при рез­ком снижении или пропадании контрольного сигнала. В против­ном случае случайное выключение контрольного сигнала приведет к предельному снижению остаточного затухания тракта и, как следствие, к резкому возрастанию помех в тракте и в трактах си­стем передачи, работающих на параллельных цепях. Блокирова­ние регуляторов осуществляется специально предусматриваемыми устройствами. Например, в устройствах статического типа в на­стоящее время используется схема из реле с замкнутым контак­том в нормальном состоянии, включаемым между точками 1—2 (см. рис. 5.35,6) и конденсатором, который подключается парал­лельно высокоомному входу УПТ. В обмотку реле подается ток, пропорциональный напряжению контрольного сигнала Если контрольный сигнал уменьшается, контакт реле размыкает­ся и на выходе УПТ ток будет определяться напряжением, кото­рое зафиксировано на конденсаторе. При использовании во вход­ном каскаде УПТ полевого транзистора достаточно просто обес­печить необходимо малое изменение напряжения на конденсаторе в течение нескольких часов, т. е. на время, существенно превыша­ющее время восстановления контрольного сигнала.

В устройствах с магнитоэлектрическими регуляторами блоки­рование осуществляется фиксацией подвижной системы с помо­щью специального электромагнита, ток в обмотку которого пода­ется через нормально разомкнутый контакт реле, управляемое, как и в предыдущем случае, напряжением контрольного сигнала.

В заключение заметим, что все рассмотренные устройства АРУ являются аналоговыми, осуществляющими непрерывное преобра­зование возмущения или отклонения контролируемого сигнала или параметра в воздействие на объект управления, например, в изменение тока подогрева термистора, включенного в ПАК.

Иногда ввиду конструк­тивных особенностей соб­ственно регулирующего уст­ройства или недостаточ­ной чувствительности в петлю регулирования вво­дят дифференциальное ре­ле. Если при этом ис­пользуют регулятор непре­рывного действия, устройст­во АРУ называют релейным. В настоящее время начинают получать распростра­нение устройства АРУ релейно-импульсного типа, т. е. та­кие, в цепь регулирования которых введено дифференци­альное реле и применен регулятор импульсного (дискретного) типа. На рис. 5.40 показана одна из схем устройств АРУ релейно-импульсного типа. На входы электронного реле поступают напряжения от ПКК () и эталонное (). Если = , то напряжение на выходах ЭР отсутствует. Оно будет по­являться на выходе б или а, если становится соответст­венно больше или меньше на небольшую величину , харак­теризующую зону нечувствительности ЭР. Выходы ЭР подключе­ны к 8-разрядлому реверсивному двоичному счетчику РДС им­пульсной последовательности . Выходы счетчика включены в цепь подогрева термистора Т. Сопротивления резисторов выбираются существенно больше сопротивления подогрева терми­стора и отвечают соотношению , где — номер разря­да счетчика.

Если отличается от , счетчик приходит в действие и осуществляет последовательное переключение комбинаций рези­сторов и, следовательно, ступенчатое изменение тока по­догрева термистора. Это будет продолжаться до тех пор, пока на выходе ПКК не установится номинальное напряжение Тогда ЭР займет нейтральное положение, а счетчик остановится, поддерживая необходимый ток подогрева термистора. Восьми­разрядный РДС позволяет получить изменение тока подогрева от до ступенями, равными , что обеспечивает практически плавное изменение усиления регулируемого усилите­ля ЛУс. Очевидно, что регулятор данного типа является интег­ральным. Применение ЭР и РДС делает возможным его выпол­нение на интегральных микросхемах, что позволяет обеспечить весьма высокие его технико-экономические показатели.

Литература:

Осн. 1. [ 376-403 ]

Доп. 1. [ 271-286 ]

Контрольные вопросы

1. Устройства АРУ, управляемые контрольным сигналом.
2. АРУ с использованием МРУ.
3. Принцип действия системы АРУ на мемисторах.
4. Особенности разновидностей системы АРУ на терморезисторах.
5. Основные характеристики систем АРУ релейного типа.

Лекция 13. УСИЛИТЕЛИ.

1. Индивидуальные усилители.

2. Групповые усилители.

3. Вспомогательные усилители.

4. Технические требования к усилителям.

Усилители являются неотъемлемой частью оконечной и про­межуточной аппаратуры систем многоканальной электросвязи и в соответствии с назначением подразделяются на индивидуальные, групповые и вспомогательные.

Индивидуальные усилители предназначены для усиления сиг­налов отдельных каналов связи. Характерной особенностью ин­дивидуальных усилителей является то, что они, как правило, рас­считаны на усиление сигналов в сравнительно узком диапазоне частот, определяемом эффективно передаваемой полосой частот канала.

Групповые усилители служат для одновременного усиления многих независимых сигналов и применяются как в промежуточ­ной, так и в общей частях оконечной аппаратуры многоканаль­ных систем. Ширина рабочей полосы, на которую должны быть рассчитаны такие усилители, определяется числом каналов, спо­собом их объединения и назначением многоканальной системы связи.

Вспомогательные усилители предназначаются для усиления несущих, контрольных и вызывных токов. Как правило, такие уси­лители рассчитываются на усиление мощности одночастотных сиг­налов и являются узкополосными (резонансными).