Автоматическая регулировка мощности передатчика

Управление мощностью передатчиков

Абонентская емкость ячейки системы CDMA оптимизируется использова­нием сложного алгоритма регулировки, который ограничивает мощность, излучаемую каждым абонентским терминалом, до необходимого уровня для получения приемлемой вероятности ошибки. В системе предусматривается три механизма регулировки мощности:

При передаче информации базовой станцией и приеме ее подвижной стан­цией будем говорить о прямом канале. Под обратным каналом будем подра­зумевать канал, в котором подвижная станция передает, а базовая принима­ет сообщения.

Рассмотрим процесс регулирования мощности передающих устройств в об­ратном канале. Каждая подвижная станция непрерывно передает инфор­мацию об уровне ошибок в принимаемом сигнале. На основании этой ин­формации базовая станция распределяет излучаемую мощность между абонентами таким образом, чтобы в каждом случае обеспечить приемлемое качество речи. Абоненты, на пути к которым радиосигнал испытывает боль­шее затухание, получают возможность излучать сигнал большей мощности. Основная цель регулировки мощности в обратном канале — оптимизация площади соты. Регулирование мощности как в прямом, так и в обратном ка­нале влияет и на срок службы аккумуляторов подвижных станций. Тесты показывают (рис. 3.38), что средняя излучаемая мощность подвижной стан­ции в CDMA меньше, чем в системах, использующих другие методы досту­па. Это непосредственно связано с такими параметрами радиотелефона, как длительность непрерывного занятия канала и время нахождения в режиме ожидания.

Рис. 3.38. Изменение мощности излучения подвижных станций

Рис. 3.39. Схема управления мощностью в прямом канале

Процесс регулирования мощности в прямом канале происходит несколько иначе. В нем возможны два варианта регулирования: по открытому циклу (ра­зомкнутая петля) и по замкнутому циклу (замкнутая петля), как это показано на рис. 3.39.

Рассмотрим открытый цикл регулирования мощности (менее точный). Подвиж­ная станция после включения ищет сигнал базовой станции. После синхрониза­ции подвижной станции по этому сигналу производится замер его мощности и вычисляется мощность передаваемого сигнала, необходимая для обеспечения соединения с базовой станцией. Вычисления основываются на том, что сумма уровней предполагаемой мощности излучаемого сигнала и мощности приня­того сигнала должна быть постоянна и равна — 73 дБ. Если уровень принятого сигнала, например, равен — 85 дБ, то уровень излученной мощности должен быть равен + 12 дБ. Этот процесс повторяется каждые 20 мс, но он все же не обеспечивает желаемой точности регулировки мощности, так как прямой и обратный каналы работают в разных частотных диапазонах (разнос частот 45 МГц) и, следовательно, имеют различные уровни затухания при распрост­ранении и по-разному подвержены воздействию помех.

Рассмотрим процесс регулирования мощности при замкнутом цикле. Меха­низм регулирования мощности при этом позволяет точно отрегулировать мощность передаваемого сигнала. Базовая станция постоянно оценивает ве­роятность ошибки в каждом принимаемом сигнале. Если она превышает про­граммно заданный порог, то базовая станция дает команду соответствующей подвижной станции увеличить мощность излучения. Регулировка осуществ­ляется с шагом 1 дБ. Этот процесс повторяется каждые 1,25 мс. Цель такого процесса регулирования заключается в том, чтобы каждая подвижная стан­ция излучала сигнал минимальной мощности, которая достаточна для обес­печения приемлемого качества речи. За счет того, что все подвижные стан­ции излучают сигналы необходимой для нормальной работы мощности, и не более, их взаимное влияние минимизируется, и абонентская емкость систе­мы возрастает. Подвижные станции должны обеспечивать регулирование выходной мощности в широком динамическом диапазоне — до 85 дБ.

Такие факторы, как число пользователей и расстояние до них от базовой стан­ции влияют на значение максимальной излучаемой мощности. Принимая это во внимание, можно сказать, что требования к линейности передаточной фун­кции усилителя мощности, работающего при изменении уровня входного сигнала в пределах 20 дБ, чрезвычайно высоки. Линейность передаточной функции усилителя — фактор, критичный при обеспечении желаемых харак­теристик системы. Требуемую линейность обеспечивают сложные и дорого­стоящие методы линеаризации (усилители с предварительными искажения­ми или усилители со связью вперед). Спектр излучаемого CDMA-сигнала, который получается в результате объединения множества кодированных по Уолшу базовых сигналов, близок к спектру шумового сигнала с отношением пикового значения к среднему около 11 дБ. Это означает, что для достижения одинакового качества связи в базовой станции GSM необходим усилитель с выходной мощностью 44 Вт; в стандарте D-AMPS (АДС) это значение снижа­ется до 31 Вт, а в CDMA — до 10 Вт (рис. 3.40). Поэтому значительный теоре­тический запас энергопотенциала в радиоканале, который получается за счет использования метода расширения спектра, при сопоставимой практической реализации базового оборудования оказывается значительно меньше. Поэто- | му системы с кодовым разделением каналов не обеспечивают ожидаемого увеличения площади радиопокрытия базовой станции.

В системе CDMA применяются квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) в базовой и смещенная QPSK в подвижных станциях. При этом информация извлекается путем анализа изменения фазы сигнала, поэтому фазовая ста­бильность системы — критичный фактор при обеспечении минимальной ве­роятности появления ошибки в сообщениях. Применение смещенной QPSK позволяет снизить требования к линейности усилителя мощности подвиж­ной станции, так как амплитуда выходного сигнала при этом виде модуля­ции изменяется значительно меньше. До того, как интерференционные по­мехи будут подавлены методами цифровой обработки сигналов, они должны пройти через высокочастотный тракт приемника и не вызвать насыщения ма­лошумящего широкополосного усилителя (МШУ) и смесителя. Это заставля­ет разработчиков системы искать баланс между динамическими и шумовы­ми характеристиками приемника.

Рис. 3.40. Требования к усилителю мощности базовой станции

Источник

Автоматические регулировки.

Меняющиеся условия распространения радиоволн, а также различные нестабильности в работе тех или иных узлов приёмника вызывают изменения уровня и качества сигнала на выходе радиоприёмника. Ослабить воздействие этих факторов на качество приёма позволяют различные системы автоматической регулировки тх или иных параметров приёмника.

К числу наиболее распространённых видов автоматических регулировок относятся автоматическая регулировка усиления (АРУ) и автоматическая подстройка частоты (АПЧ).

Автоматическая регулировка усиления обеспечивает поддержание достаточно высокого и стабильного уровня сигнала на выходе усилителя промежуточной частоты при приёме радиостанций различной мощности, находящихся на различном расстоянии от приёмника и при меняющихся условиях распространения радиоволн. Благодаря сравнительной простате осуществления АРУ применяется практически во всех радиоприёмниках. Автоматическая подстройка частоты должна непрерывно обеспечивать оптимальное расположение спектра принимаемого сигнала в полосе пропускания приёмника при отклонениях от номинальной частоты передатчика и изменениях настройки гетеродина приёмника. АПЧ применяется почти во всех профессиональных и многих видах радиовещательных приёмников.

Принцип действия АРУ заключается в том, что постоянная составляющая сигнала с выхода детектора через фильтр нижних частот подаётся в цепь базы каскадов УРЧ и УПЧ (рис. 65).

Рис. 65. Структурная схема простой АРУ.

Схема строится так, чтобы увеличение сигнала на выходе детектора вызывало уменьшение коэффициента усиления каскадов УРЧ и УПЧ. Сигнал обратной связи может сниматься как с выхода детектора радиосигнала, так с дополнительного специального детектора АРУ. Имеется несколько схем АРУ: простая АРУ, АРУ с задержкой и усиленная АРУ.

Автоматическая подстройка частоты применяется в приёмниках различного назначения для предупреждения ухода частоты радиосигнала за пределы полосы пропускания. В схемах АПЧ сигнал с выхода усилителя промежуточной частоты через дискриминатор подводится к гетеродину приёмника (рис. 66). В случае отклонения промежуточной частоты от номинального значения на выходе дискриминатора вырабатывается управляющее напряжение. Оно воздействует через управляющую схему на гетеродин и меняет его частоту таким образом, чтобы сохранить номинальное значение промежуточной частоты. Таким образом, происходит стабилизация промежуточной частоты независимо от причин её изменения. Существует несколько схем АПЧ, например, частотная и фазовая.

Рис. 66. Структурная схема АПЧ.

Литература.

РумянцевК.Е., Землянухин П.А., Окорочков А.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для сред. Проф. Образования; Под редакцией К. Е. Румянцева. – М.: Издательский центр «Академия», 2005.

Стеценко О. А. Радиотехнические цепи и сигналы. – учебник – М.: Высшая школа, 2007.

Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Дрофа 2007.

Каганов В.И. Радиотехника Учебное пособие. М.: ИЦ «Академия» 2006.

Румянцев К. Е. Радиоприёмные устройства. Учебник. М.: ИЦ «Академия» 2006.

Белоцерковский Г. Б. Основы радиотехники и антенны. Часть 1. Основы радиотехники. Учебник для техникумов. – М. «Советское радио», 1969.

Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2000.

Изюмов Н. М. Основы радиотехники. Учебник для техникумов. «Связь» Москва 1965.

Буланов Ю. А., Усов С. Н. Усилители и радиоприёмные устройства. – Издание третье, переработанное и дополненное. Учебник для радиотехнических техникумов. – М.: «Высшая школа», 1980.

Ратынский М. Телефон в кармане. – М: «Радио и связь», 2000.

Карташевский В.Г., Семёнов С.Н., Фирстова Т.В. Сети подвижной связи. – М.: Эео-Трендз, 2001.

Громаков Ю.С. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. – М.: Эео-Трендз, 2007.

Оглавление.

Раздел 1. Излучение и распространение радиоволн.8.

Читайте также:  Регулировка привода выключения сцепления москвич 2141

1.1. Основы приёма-передачи радиосигнала. 8.

1.2. Распространение радиоволн. 10.

Раздел 2. Радиотехнические цепи и сигналы. 19.

2.3. Свободные колебания в контуре. 32.

2.4. Вынужденные колебания в контуре. 38.

2.4.1. Вынужденные колебания в последовательном контуре. 39.

2.4.2. Вынужденные колебания в параллельном контуре. 44.

2.5. Связанные колебательные контуры. 48.

2.6.1. Фильтр нижних частот. 57.

2.6.2. Фильтр верхних частот. 60.

2.6.3. Полосовые фильтры. 63.

2.6.4. Режекторные фильтры. 65.

2.6.6. Фильтры сосредоточенной селекции (избирательности). 71.

2.7. Длинные линии (цепи с распределёнными параметрами). 73.

Раздел 3. Радиоприёмные устройства. 76.

3.2. Классификация радиоприёмных устройств. 81.

3.3. Основные качественные показатели радиоприёмников. 82.

3.4. Структура радиовещательного приёмника. 87.

3.5. Принцип стереофонического вещания. 94.

3.6. Принцип цифровой связи. 96.

3.7. Принцип построения и функционирования систем

3.8. Синтезаторы частот. 108.

Раздел 4. Реализация узлов радиовещательных приёмников.113.

Источник

Разработка системы автоматической регулировки напряжения на выходе возбудителя радиопередатчика

Описание работы системы автоматической регулировки напряжения. Разработка принципиальной схемы. Источник питания АЦП микроконтроллера. Аттенюаторы мелкого и крупного шага. Описание блок-схемы алгоритма работы блока управления АРН. Расчет сметы затрат.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 22.02.2012
Размер файла 96,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На разработку системы автоматической регулировки напряжения на выходе возбудителя радиопередатчика.

1. Область применения:

Возбудители радиопередающих устройств КВ диапазона.

Разработать систему автоматической регулировки напряжения на выходе возбудителя радиопередатчика.

3. Технические требования:

· Блок управления системой АРН построить на базе микроконтроллера серии MCS-96,

· Предусмотреть возможность ручного изменения номинального выходного напряжения возбудителя,

· Общее время установки выходного напряжения не должно превышать 5мс.

4. Экономические требования:

Рассчитать возможные затраты на проектирование и изготовление опытного образца.

5. Требования по охране труда:

Произвести расчет электромагнитного излучения монитора персонального компьютера.

В северных регионах Сибири, как и десятилетия, тому назад, ведутся интенсивные работы по добыче нефти, газа, редких металлов и минералов. Для таких работ необходимо непрерывно осуществлять сбор и передачу различной телекоммуникационной информации, прием и передачу «речевой» служебной информации.

К современным и перспективным системам связи в настоящее время принято относить волоконно-оптические линии связи, системы сотовой связи. Однако для северных регионов России, да и в целом для Сибири и Дальнего Востока, названные перспективные системы связи охватят все обширные территории лишь в далеком будущем.

В частности достаточно успешно, в организации Управление технологической связи ООО «УГП» проводят модернизации и доработки КВ-передатчиков на основе возбудителя типа «Лазурь». Бывшими выпускниками ОмГТУ по специальности 201200 и сотрудниками УТС ООО «УГП», обучающимися в ОмГТУ в настоящее время, решаются следующие задачи:

— Модернизация антенных систем;

— Разработка или модернизация усилитей мощности радиопередатчиков под конкретные рабочие частоты;

— Разработка различных устройств сопряжения и согласования для получения лучших энергетических параметров радиопередатчиков.

Хотя возбудитель является наиболее сложным устройством в радиопередатчике и к нему в первую очередь предъявляются жесткие требования по стабильности частоты, диапазону и времени перестройки частоты, уровню выходной мощности и уровню побочных составляющих выходного сигнала, но естественно и другие функциональные узлы также определяют параметры устройства в целом.

В данной работе была поставлена важная задача по проектированию системы автоматического регулирования выходного напряжения возбудителя радиопередатчика.

В данной работе используются следующие ключевые слова: система автоматической регулировки напряжения ( АРН ), микроконтроллер, аттенюаторы, блок управления АРН, источник опорного напряжения.

Объектом исследования и разработки является система автоматической регулировки напряжения на выходе возбудителя радиопередатчика.

В первой главе представлена вводная часть работы. Во второй главе проводится анализ существующих методов автоматического регулирования и применение микропроцессорной техники в системах контроля и регулировки, описание предлагаемой к замене системы АРН. В четвертой главе производится разработка принципиальной схемы, выбор элементарной базы. В пятой главе описывается блок-схема алгоритма работы системы. В шестой главе производится оценка быстродействия системы. В седьмой главе производится разработка вопросов охраны труда и техники безопасности. В восьмой главе произведен расчет затрат на проектирование и изготовление опытного образца системы АРН.

Пояснительная записка сл., рисунков, источников.

In the given work the following key words are used: system

Automatic adjustment of pressure (АРН), the microcontroller, аттенюаторы, the block of management АРН, a source of a basic pressure.

Object of research and development is the system of automatic adjustment of a pressureon an outputof the activator of a radio transmitter.

In the first chapter the prologue of work is submitted. In the second chapter the analysis of existing methods of automatic control and application of microprocessor engineering in monitoring systems and adjustments, the description of system ARN offered to replacement will be carried out. In the fourth chapter development of the basic circuit, a choice of elementary base is made. In the fifth chapter the block diagram of algorithm of work of system is described. In the sixth chapter the estimation of speed of system is made. In the seventh chapter development of questions of a labour safety and the safety precautions is made. In the eighth chapter calculation of expenses for designing and manufacturing of a pre-production model of system ARN is made.

Explanatory note сл., figures, sources.

В самых различных областях современной техники методы автоматического регулирования нашли широкое применение. Более того, сейчас трудно назвать такую отрасль техники, где бы ни использовались в том или ином виде системы автоматического регулирования: от детских игрушек до космических аппаратов. В этом отношении, естественно не является исключением радиотехническая аппаратура. В современных приемниках, передатчиках различного назначения (связных, радиолокационных, вещательных, телевизионных и т.п.), а также других видах РЭА широко используются многочисленные виды цепей автоматического регулирования и контроля.

Назначение системы АР, в отличие от ручных, поддерживают регулируемый параметр на единственно оптимальном уровне самостоятельно, без помощи оператора. Введение в схему автоматических регулировок вместо ручных повышает эксплуатационные удобства устройства и качество его работы, так как система АР выбирает оптимальное положение значительно более точно, чем оператор и всегда значительно быстрее его.

Системы АР начали применяться еще в 30-х годах прошлого столетия для автоматического регулирования усиления (АРУ) в радиоприемниках. Развитие радиотехнических устройств, непрерывное усложнение решаемых ими задач привело не только к повышению требований к качеству работы систем АР, но и к их функциональному усложнению, в результате чего многие технические задачи уже не могут быть решены с помощью систем АР, базирующихся на аналоговой или дискретной цифровой технике, поэтому в настоящее время применяются системы АР и контроля, построенные на базе современной микроэлектроники и микропроцессорной техники.

В настоящем дипломном проекте приведен пример подобной системы автоматической регулировки напряжения на выходе возбудителя радиопередатчика.

1.1 Анализ состояния вопроса

Автоматическое регулирование является разделом более общей науки об управлении кибернетики, получившей широкое развитие в последние десятилетия. Круг задач, решаемых кибернетикой, весьма обширен и многообразен. Она включает в себя вопросы управления самыми различными объектами: от сложных технических комплексов до живых организмов.

Системы АР функционируют на основе автоматического измерения и дальнейшего преобразования сигнала, в качестве которого могут использоваться различные его параметры: электрическое напряжение в системах стабилизации источников питания, частота или фаза напряжения в системах автоматической подстройки частоты, направление прихода радиолокационного сигнала в системах автоматического сопровождения радиолокационных станций (РЛС) по угловым координатам отслеживаемого объекта и т.д.

Подавляющее большинство систем АР в радиоаппаратуре построено именно по принципу контроля самого регулируемого параметра и выработке сигнала компенсации, изменяющего непосредственно этот параметр на необходимую величину (хотя существуют и другие методы, например, в некоторых синтезаторах частоты опорный генератор помещается в термостат, т.е. за счет контроля и обеспечения постоянства температуры генератора реализовывается постоянство частоты выходного сигнала).

Любая система регулирования имеет определенные параметры и характеристики. Рассмотрим основные, имеющие для нас наиболее важное значение.

Выбранный предел должен во всех случаях позволять устанавливать любое значение, регулируемое параметра в пределах оговоренных норм на этот параметр.

Инерционность также является важнейшим параметром любой системы регулирования, как ручной, так и автоматической. Под инерционностью (быстродействием) системы регулирования необходимо понимать время, проходящее от момента внешнего воздействия на систему до момента установления нового значения регулируемого параметра. Инерционность автоматических систем не всегда не желательна. В качестве примера можно указать на систему АРУ радиоприемника, в которой инерционность системы умышленно делают порядка 0,05-0,1 сек. С тем, чтобы система не успевала вырабатывать сигнал ошибки, пропорциональный величине низших модулирующих частот полезного сигнала, подводимого к детектору, т.е. в основном за величиной несущей.

Тем не менее, в большинстве случаев желательно уменьшать до возможных пределов время срабатывания автоматических систем регулирования.

Читайте также:  Регулировка троса ручного тормоза рено сценик 2

Помехоустойчивость любой системы регулирования характеризуется ее способностью сохранять требуемые параметры регулирования при нарушении нормальной работы систем за счет внешних воздействий (или влияний), к которым относят электрические помехи атмосферного и промышленного характера, изменения температуры и влажности, магнитные и электрические поля, всевозможные виды наводок и т.п.

В любом радиоэлектронном устройстве всегда присутствуют, какие либо из указанных дестабилизирующих факторов, поэтому повышение помехоустойчивости любой системы регулирования является обязательной задачей при ее конструировании.

Для чего же необходима система автоматической регулировки напряжения (АРН) в РЭА и, в частности, в радиопередающих устройствах? Конечно, можно ввести ручную регулировку напряжения, обычно более простую в конструктивном исполнении, чем автоматическая. Однако при комплексном воздействии дестабилизирующих факторов оператор будет вынужден больше заниматься поддержанием номинального уровня выходного сигнала, а не осуществлением связи. Стоит также отметить, что из-за субъективной боязни перегрузки усилителя мощности уровень сигнала будет поддерживаться ниже номинального, что скажется на качестве связи.

В то же время, система АРН позволяет выбрать оптимальное значение выходного напряжения значит6ельно быстрее человека, позволяет избавиться от неприятных случайностей со стороны оператора.

Основная опасность в случае отсутствия регулировки напряжения в тракте радиопередатчика заключается в перегрузке и выходе из строя активных элементов каскадов передатчика, особенно оконечных и в особенности транзисторных.

Отсутствие цепи канала, низкое питающее напряжение, большой срок службы и т.п. являются безусловными достоинствами транзисторов. В условиях правильной эксплуатации их не приходится менять в течении всего срока службы аппаратуры. Однако в мощных каскадах передатчиков транзисторы неизбежно используются на пределе по току, напряжению и, соответственно, нагреву. Если учесть их высокую чувствительность к перегрузкам и высокую стоимость из-за чрезвычайно сложной технологии производства (генераторные транзисторы на большие уровни мощности значительно отличаются от транзисторов других назначений), то становится понятным применение всевозможных мер по созданию развитой системы защиты транзисторов для работы в изменяющихся условиях. Из-за высоких значений токов, напряжений в мощных каскадах системы защиты и регулировки приходится также строить на мощных и, соответственно, дорогих электронных компонентах.

Применение системы АРН в возбудителе РПДУ позволяет поддерживать номинальный уровень выходного сигнала возбудителя и, соответственно, входной сигнал усилителя мощности передатчика.

Сигнал с пикового детектора поступает в блок управления все время работы изделия, и система постоянно отрабатывает его изменения. При изменении рабочей частоты по шине управления поступает команда «перестройка», затем происходит следующее:

1. размыкание кольца «плавной» АРН, разряд конденсатора в цепи ПД ( он необходим для того, чтобы не вырабатывался сигнал ошибки на воздействие низкочастотных составляющих выходного сигнала),

2. все аттенюаторы устанавливаются в положение максимального затухания,

4. после этого подаются команды на переключение дискретных аттенюаторов «мелкого» шага, остановка которых происходит при достижении выходным напряжением номинального уровня,

При поступлении из шины команды «перестройка» алгоритм начинается сначала. В изделии предусмотрена возможность ручной регулировки напряжения (РРН). Включение такой регулировки обеспечивается переводом тумблера «АРН-РРН», расположенного на задней стенке изделия, в соответствующее положение (подача соответствующей команды по шине управления в блок управления АРН). В этом случае будут включены все дискретные аттенюаторы тракта на максимальное затухание и напряжение выходного сигнала станет минимальным. Увеличить его до необходимого значения можно нажатием кнопки «+», расположенной на панели изделия. Каждое нажатие отключает очередную ступень аттенюаторов.

Прежняя система АРН построена на дискретных цифровых элементах, обладает значительными массогабаритными показателями, высоким потреблением энергии, сложностью в настройке, нестабильностью в эксплуатации и т.п. В тоже время системы контроля и регулировки, построенные на базе микроконтроллеров и микропроцессоров, обладают существенными преимуществами с точки зрения расширения возможностей этих систем, уменьшение времени для осуществления необходимых операций и обработки результатов, надежности, гибкости и высокой компактности. Создание технических средств на принципиально новой элементной базе приводит к изменению процесса и процедур проектирования изделий новой техники и к корректировке традиционной технической терминологии, а разработка и изготовление аппаратуры на базе микропроцессорной техники включает в себя разработку и изготовление аппаратных средств системы, создание и отладку программного обеспечения, разработку конструкции и ее материализацию.

Согласно техническому заданию необходимо построить систему АРН на базе встраиваемого микроконтроллера фирмы “Intel” серии МСS-96.

Встраиваемый или однокристальный микроконтроллер, который в отечественной литературе раньше называли однокристальной микроЭВМ, представляет собой изготовленную на одном кристалле микропроцессорную систему, ориентированную на реализацию алгоритмов цифрового управления различными объектами и процессами. Микроконтроллер содержит центральный процессор, внутреннюю постоянную и оперативную память, параллельные и последовательные порты ввода-вывода данных, широкий набор периферийных устройств: таймеры аналогово-цифровые преобразователи, широтно-импульсные модуляторы, контроллеры прерываний, модули обработки сигналов (событий) в реальном времени. Таким образом, на базе микроконтроллера с включением минимального числа дополнительных компонентов можно построить сложнофункциональную цифровую систему.

Вопросы, связанные с созданием систем автоматического регулирования рассмотрены в большом количестве литературы. Очень большое внимание уделяется принципам действия, методам анализа качества работы, синтеза и моделирования систем регулирования и систем радиоавтоматики, построению структурных и функциональных схем, например [1,3], однако стоит отметить, что в большинстве случаев авторы ограничиваются лишь математическим описанием и оценкой характеристик систем АР, без практического приложения.

Более практические решения, связанные с построением принципиальных схем, можно встретить в литературе, посвященной системам АР в радиоприемных устройствах [2,4].

В [6] изложены основы применения микропроцессоров и микроЭВМ в современных радиоэлектронных средствах, радиотехнических устройствах и системах различного назначения и в автоматизированных системах контроля радиоэлектронных средств.

[7,8] полностью посвящены микроконтроллерам серии MCS-96. кроме анализа архитектуры, структуры и особенностей функционирования, рассматриваются также методы и средства проектирования, программирования и отладки цифровых систем, реализованных на их базе.

1.3 Выбор направления проектирования

Учитывая информацию, полученную в процессе анализа состояния вопроса и технического задания, можно выделить основные этапы проектирования:

· разработать систему АРН на базе качественных современных элементов, удовлетворяющую техническим требованиям;

· использовать минимально возможное количество электронных компонентов;

· составить наиболее оптимальный алгоритм работы системы.

2. Выбор и обоснование структурной схемы системы АРН

Отсутствует аттенюатор плавной регулировки напряжения, поскольку необходимая точность установки выходного напряжения (4В±10%) обеспечивается шагом дискретного аттенюатора «мелкого» шага (0,375 дБ).

В этом случае соотношение сигнал-шум остается постоянным, однако мв сталкиваемся с проблемой реализацией элементов регулировки. Дело в том, что аттенюаторы с набольшим шагом регулировки строятся на основе цифроаналоговых преобразователей и операционных усилителей. Частота выходного сигнала достигает значения 80 МГц, мощность порядка 300 мВт, что привело бы к использованию очень и очень дорогостоящих элементов.

Реализация подобных аттенюаторов на дискретных компонентах приводит к достаточно дешевому варианту и … значительной нестабильности шага аттенюации (порядка 15-20%от номинала). Например, нестабильность дискретного аттенюатора АК в модернизируемой системе АРН составляет 1дБ на каждый шаг регулировки.

Значительная часть регулировки расположена в блоке широкополосного усилителя (АК), уменьшение соотношения сигнал/шум обусловлено наличием АМ в тракте ПЧ (в самом худшем случае порядка 4 дБ), это необходимо учитывать при настройке коэффициентов усиления в траке (тем более, что при проектировании тракта передачи сигнала всегда оставляют приличный запас по усилению).

Значения затухания для элементов регулировки АК и АМ (28 дБ и 4,125 дБ) выбраны исходя из обеспечения необходимого диапазона регулировки сигнала в тракте (не хуже, чем у модернизируемого аналога).

— большая потребляемая мощность устройства в целом из-за большого количества интегральных схем;

— значительные размеры и масса изделия;

— отсутствие гибкости алгоритма работы, устройство разрабатывается для функционирования по строго определенному интервалу.

Производя поверхностную оценку при выборе соотношения между программными и аппаратными средствами, можно сделать вывод, что он на данном этапе экономического и технического развития наиболее эффективным решением будет использование программно-управляемой микропроцессорной системы (в частности микроконтроллера).

Для сохранения функции ручной регулировки напряжения источник опорного напряжения выполнен управляемым, т.е. имеется возможность изменить уровень выходного напряжения. При этом сохраняется основная функция системы АРН (оператор может выбрать необходимый номинальный уровень выходного напряжения и в дальнейшем система продолжает обработку возможных отклонений уровня выходного сигнала возбудителя от номинального значения).

Снижение уровня выходного сигнала возбудителя позволяет сократить мощность, потребляемую от источника питания усилителем мощности, в случаях, когда для осуществления связи не обязательна максимальная мощность излучения РПДУ. Подобный алгоритм работы системы АРН нашел продолжение в современных сотовых и некоторых транкинговых системах связи. Базовые станции постоянно отслеживают уровень сигнала, принимаемый от мобильных (носимых, возимых) станций, и по каналу управления передают информацию о необходимом изменении уровня излучаемой мощности мобильных станций.

Система АРН не является замкнутой и осуществляет обмен необходимыми командами с внешними устройствами:

Описание работы системы АРН

Рассмотрим основные моменты проектируемой системы АРН.

С момента подачи напряжения питания на систему МК начинает выполнение программы, записанной в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве). В начальный момент, вне зависимости от уровня выходного сигнала возбудителя, обеспечивается максимальное затухание в трактах ПЧ и ШУ для предотвращения возможных выбросов напряжения на выходе.

Затем производится разряд конденсатора в цепи пикового детектора, опрашивается источник опорного напряжения (ИОН), программно вычисляются значения дополнительных ИОН (ИОН2=минус 4 дБ, ИОН3=минус 0, 375 дБ).

Читайте также:  Регулировка температуры в холодильнике атлант видео

значения с вычисленным значением ИОН2.Если значение ПД меньше значения ИОН2, то формируется команда на отключение одной из ступеней аттенюатора крупного шага, т.е. затухание в тракте уменьшается на 4 дБ, затем повторяется опрос ИОН(необходимо в случае ручной регулировки напряжения) и т.д. до тех пор, пока уровень выходного сигнала не перейдет значение минус 4 дБ от номинального значения.

Далее повторяется предыдущий этап, но значение ПД сравнивается со значением ИОН3 и производится переключение АМ, пока уровень выходного напряжения не перейдет границу минус 0,375 дБ от номинального значения.

Такой уровень выходного напряжения удовлетворяет требованиям по его нестабильности (±10%).

Аналогично отслеживается и превышение номинального значения выходного сигнала. В этом случае сравниваются значения напряжения на ПД и ИОН1 и в зависимости от результата либо формируются команды на увеличение ослабления (уровень выходного сигнала превысил номинальное значение), либо повторяются предыдущие этапы (уровень выходного сигнала удовлетворителен).

В случае, если уровень сигнала принимает слишком высокое или низкое значение и выходит за пределы регулирования системы, то МК формирует команды на ВШ: «высокий» и «низкий», соответственно. Возможны различные варианты использования этих команд: индикация аварийных режимов, подача в блок управления и контроля возбудителя, отключение трактов ПЧ и ШУ, блок управления и контроля возбудителя, отключение трактов ПЧ и ШУ, снижение и отключение напряжения питания отдельных блоков возбудителя до устранения неисправностей и т. д.

При поступлении команды «перестройка» (формируется в блоке контроля и управления возбудителем) повторяются описанные выше процедуры (максимальное затухание в тракте и т.д.).

3. Разработка принципиальной схемы

В блок управления входят следующие устройства: микроконтроллер, источник питания АЦП микроконтроллера, источник опорного напряжения системы АРН.

Наиболее оптимальным вариантом будет серия 8XC196KC (модель 87С196КС) т.к. по функциональным возможностям и стоимости занимают промежуточное положение между многофункциональными дорогими и дешевыми простыми моделями. Модель 87С196КС имеет внутреннее электрически программируемое ПЗУ объемом 16 Кбайт, объем регистрового блока (ОЗУ) 512 байт.

Устройства высокоскоростного ввода.(HSI).HSI 87C196KC может записывать время внешних событий с разрешающей способностью в 9 тактов. HIS может следить за четырьмя независимыми линиями HIS и определять значения Таймера 1, когда произойдет событие. Четыре типа событий могут инициализировать захват: нарастающий фронт, спад сигнала, нарастание и спад или каждый восьмой нарастающий фронт.

Высокоскоростное устройство вывода. (HSO). HSO 87C196KC может инициализировать события в определенные моменты, базирующиеся на значения Таймера 1 и Таймера 2. Эти программируемые события заключаются в запуске аналого-цифрового преобразования, сброса Таймера 2, формировании до четырех программных временных задержек и установке или очистке одной или нескольких линий из шести выходных линий HSO. HSO хранит ожидаемые события и соответствующее время в файле памяти Content Addressable Memory (CAM). Этот файл хранит до восьми команд. Каждая команда определяет время действия, «природу» действия, имеет ли место прерывание, идет ссылка на Таймер 1 или Таймер 2. Каждый восьмой такт HSO инициализирует определенные события при совпадении времени. Команда стирается из САМ после выполнения или остается в САМ как запомненная точка входа САМ, тогда команда будет постоянно выполнятся при совпадении значения времени для этой точки со значением текущего времени в соответствующем таймере. Запомненная точка входа полезна в применениях, требующих периодических или повторяющихся событий, таких как повторяющаяся широтно-импульсная (ШИМ) последовательность.

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) конвертирует аналоговый вход в цифровой эквивалент. Разрешающая способность8 или 10 бит с программируемыми временами фиксации и преобразования. Основные компоненты АЦП: фиксирующий и хранящий конденсатор (CBX), 8-канальный мультиплексор (АМП) и 8- или 10-битный аналого-цифровой преобразователь поразрядного взвешивания. Преобразователь может начать преобразование немедленно, или HSO может инициализировать преобразование, а запрограммированное время. При завершении каждой конверсии преобразователь вырабатывает прерывание. Микроконтроллер имеет отдельные выводы питания, что исключает влияние помех на аналогово-цифровое преобразование по линии питании.

Прерывания. Здесь 28 источников прерывания и 16 векторов прерывания, а также 2 дополнительных вектора прерывания Software Trap ( пошаговое выполнение программ) и Unimplemented Opcodes (Неопознанные коды операций), используемых в системах отладки фирмы Intel или платах-прототипах. Когда контроллер прерывания определит одно из шестнадцати прерываний, он устанавливает соответствующий бит в один из двух регистров ожидания прерываний. Отдельные прерывания разрешаются либо запрещаются установкой или очисткой бит в регистре маски прерываний.

Когда контроллер прерывания производит обработку прерывания, он делает вызов программы обслуживания прерываний (ISR). Соответствующий вектор прерывания содержит адрес ISR.

В дополнение к нормальным режимам работы 87С196 КС имеет несколько режимов специального назначения. Режим Idle (режим холостого хода) и режим Powerdown (режим пониженного энергопотребления) снижают энергопотребление, если устройство не активно. Режим Once (режим внутрисхемной эмуляции) электрически изолирует микроконтроллер от системы, остальные специальные режимы обеспечивают возможность программирования энергозависимости памяти.

Снижение Мощности Потребления. В режиме Idle CPU прекращается выполнение команд, но периферийный задающий генератор остается активным. Энергопотребление падает на 40% от номинального. Любой аппаратный сброс и любой разрешенный источник прерывания может вывести устройство из режима Idle.

В режиме Powerdown вся внутренняя синхронизация замораживается в состоянии логического нуля, и генератор отключается. Внутреннее ОЗУ и большинство периферийной памяти сохраняет свое значение, если сохраняется напряжение питания. Энергопотребление падает до микроваттного уровня.

Программирование 87С196КС. Микроконтроллер поддерживает режим автопрограммирования, режим внешнего программирования и программирование во время работы

· режим автопрограммирования дает возможность 87С196 КС самому программировать себя от внешнего ППЗУ без программатора;

· программирование во время работы позволяет программировать куски собственного внутреннего ПЗУ во время обычного выполнения программы, когда это поддерживается программным обеспечением.

Вышеприведенное описание объясняет причины использования в блоке управления данного типа микроконтроллера (даже если не считать, что применение микроконтроллера из данного семейства входит в техническое задание проекта).

Для нормальной работы важно подключать неиспользуемые входы к напряжению питания Vп (+5В) или заземлить. Иначе на неиспользуемом входе может быть напряжение среднего уровня, что вызовет чрезмерный ток. Сигнал внешнего прерывания, такой, как NMI, если он не подключен, может вызвать ложное прерывание.

Подключение портов. Выводы Р0.0 и Р0.1 выполняют функции аналогового входа в АЦП. Остальные выводы порта Р0 могут быть оставлен неподключенными. Однако рекомендуется подключать неиспользуемые выводы Р0.2..Р0.7 к «земле».

Р2.0, Р2.5 выполняют функции выхода и предназначены для вывода на внешнее устройство сигналов сигнализации «низкий» и «высокий».

Вывод Р1.7 предназначен для разряда конденсатора в цепи пикового детектора путем подачи логического «0» (низкий уровень напряжения) и затем вывод переводится в высокоимпедансное (для того, чтобы не мешать работе АЦП).

В процессе настройки может понадобиться сброс (RESET#) контроллера. RESET# должен оставаться установленным в течение по крайней мере одного машинного такта, после стабилизации VП и XTAL1, и удовлетворения условий работы, приведенных в спецификации на устройство. Конденсатор C4 емкость, которого 4.7 мкФ (может быть и больше), может обеспечить достаточное время для сброса при быстром нарастании напряжения питания. Непосредственно процедура сброса сводится к короткому замыканию контактов C4.

3.1.2 Источник питания АЦП микроконтроллера

В качестве источника питания АЦП микроконтроллера необходим стабилизированный источник питания +5В с током нагрузки до 5 мА [7,8]. В радиотехнической литературе приведены множество различных схем стабилизированных источников напряжения, однако, получение высокого коэффициента стабилизации обычно достигается путем использования значительного количества электронных компонентов.

В [79,10] рассмотрены некоторые нестандартные варианты применения микросхемы К548УН1 (малошумящий усилитель). К несомненным достоинствам микросхем следует отнести наличие в их составе внутреннего двухступенчатого стабилизатора напряжения с высоким коэффициентом стабилизации.

Существенно снизить зависимость выходного напряжения стабилизатора от входного можно подачей положительного смещения на инвертирующий вход через резистор сопротивления 1 МОм.

При этом коэффициент стабилизации по напряжению возрастает до 1000… 1500. Нагрузочная способность ограничена встроенным узлом защиты по выходному току на уровне 13мА. Конденсатор С1 служит для защиты от помех.

3.1.3 Управляемый источник опорного напряжения

Переменный резистор R3 и переключатель К1 являются выносными элементами и расположены на панели управления возбудителя. Диапазон регулировки ИОН составляет 0,4…4,9 [ 9 ]. В режиме ручной регулировки напряжения диапазон регулировки составляет от 0,5 В до значения, которое определяется R2. В нашем случае номинальный уровень составляет 4В, следовательно, диапазон РРН составит:

3.2.1 Аттенюаторы мелкого шага

В качестве дискретного аттенюатора мелкого шага используются компоненты фирмы Analog Device: логарифмический ЦАП AD 7111, работающий в режиме суммирования токов и операционный усилитель AD7111.

Микросхема AD7111 применяется для регулирования аналоговых сигналов параллельным двоичным кодом. Приведем некоторые технические характеристики:

· динамический диапазон регулировки…………………………. 88,5 дБ;

· время переключения………………………………………..около 90 нс;

· максимальный ток управления……………………………………1мкА;

· максимальная потребляемая мощность…………………………20мВт;

· диапазон рабочих температур……………………………….-40, +85°С.

В качестве управляющих входов используются четыре цифровых входа: D0,…, D4. Входы D5,…,D7 заземлены. Для обеспечения постоянного чтения управляющих сигналов на выводы выборки кристалла (CS) и чтения (WR) подан низкий (нулевой) уровень напряжения. В таблице 4.1 приведена зависимость затухания от команд на входах управления.

Источник

Оцените статью
( Пока оценок нет )
Поделиться с друзьями
Настройки и регулировки