Автоматическая регулировка усиления книги

Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов

Предлагаемый усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ) может использоваться для «мягкого» и с минимальными искажениями ограничения уровня сигнала относительно его пикового значения. Последнее важно подчеркнуть: управление усилением происходит не по среднеквадратичному значению сигнала, а именно по абсолютному. Это бывает необходимо для некоторых систем обработки речи, систем связи и т. д.

Обычные усилители с АРУ в таких приложениях работать корректно не могут и, кроме того, имеют довольно высокие уровни общих гармонических искажений. Поскольку опираются они на среднеквадратичный уровень сигнала и, следовательно, имеют задержку реакции АРУ, такие усилители часто отличаются еще одной весьма неприятной особенностью, которую можно назвать «временное замирание сигнала» или «схлопывание». Этот эффект проявляется в усилителе с АРУ, когда схема регулировки усиления начинает работать в режиме захвата, то есть, когда управление сигналом по обратной связи АРУ «включено». Это присущее таким усилителям свойство, которое проявляется в мгновенном снижении уровня сигнала с его последующим медленным нарастанием до точки регулирования передаточной характеристики.

Кроме того, используемые обычно простые усилители с АРУ по разному реагируют на положительные и отрицательные полуволны сигнала, поскольку, как правило, используют однополупериодный выпрямитель. Иногда это может быть недопустимо, например, если строго задан уровень модуляции, или если недопустима перегрузка АЦП. Указанные негативные эффекты должны быть исключены, в особенности в тех системах, которые предназначены для передачи или обработки речи, где первостепенное значение имеет речевая разборчивость. Принципиальная схема «мягкого» ограничителя сигналов без перечисленных выше недостатков представлена на Рисунке 1.

Рисунок 1. Мягкий ограничитель уровня сигнала.

Устройство состоит из регулируемого аттенюатора (R4, RDS_VТ1), усилителя (DA1-1), прецизионного двухполупериодного выпрямителя (DA1-2, DA1-3) и порогового элемента управления (VT2) с емкостным интегратором (R7, C4). (RDS_VТ1 – сопротивление канала VT1). Входной сигнал поступает на усилитель через регулируемый аттенюатор. В отличие от обычных устройств, этот аттенюатор необходимо настроить таким образом, чтобы входной сигнал сразу был ослаблен примерно на 1 дБ. Это должно быть выполнено при отключенной обратной связи по АРУ. Регулировка производится подстроечным резистором R6. Последнее исключительно важно, поскольку именно эта настройка полностью устраняет вредный эффект, названный выше как «временное замирание сигнала».

Выбор типа регулирующего транзистора весьма важен, так как он влияет на снижение эффекта «временного замирания сигнала».

Сопротивление канала транзистора VT1 в открытом состоянии (RDS_ON) вместе с номинальным значением резистора R4 определяет максимальный динамический диапазон устройства в части глубины регулировки АРУ. Вычислить этот диапазон можно по формуле

Причиной высоких общих гармонических искажений обычных усилителей с АРУ являются большие нелинейные искажения, вносимые регулируемым аттенюатором. Снизить эти искажения можно с помощью специальной дополнительной RC-цепочки (C3, R13, R14), то есть путем введения в регулирующий элемент VT1 отрицательной обратной связи по затвору. Вторая проблема (реакция на амплитуду любого знака) решается путем использования схемы прецизионного двухполупериодного выпрямителя.

Важным элементом цепи управления является транзистор VT2, изменяющий напряжение на затворе транзистора VT1 в соответствии с абсолютным уровнем входного сигнала. При снижении напряжения на затворе VT1 уменьшается его сопротивление, что, соответственно, уменьшает коэффициент передачи аттенюатора. Таким образом, уровень выходного сигнала схемы не будет превышать установленного значения тех пор, пока напряжение на затворе транзистора VT1 не станет равным нулю. В этом случае транзистор VT1 будет полностью открыт.

Разборчивость речи зависит от постоянной время интегратора (R7, С4), которая может быть подобрана экспериментально. Приемлемыми для речевого сигнала значениями будут R7 = 330 кОм и C4 = 10 мкФ. Подстроечным резистором R12 устанавливается необходимое максимальное значение амплитуды выходного сигнала. Подчеркнем еще раз, что схема не работает со среднеквадратичными значениями! Естественно, что максимальная амплитуда выходного сигнала не может быть меньше, чем порог включения VT2, для слаботочных кремниевых транзисторов равный примерно 0.68 В. Именно до этого значения амплитуды усилитель ведет себя как обычный линейный, а затем меняет свой коэффициент передачи, фиксируя максимальную амплитуду сигнала на новом уровне, после чего опять работает линейно без компрессии до восстановления интегратора и нового захвата. Необходимый уровень входного сигнала может быть установлен выбором соответствующего коэффициента усиления DA1–1, который можно рассчитать по формуле

Естественно, что это справедливо только в рабочей полосе частот.

Описанное устройство имеет очень малое время отклика, составляющее менее половины периода входного сигнала.

Выводы

Основные особенности мягкого ограничителя:

Впервые это устройство использовалось автором в качестве ограничителя модуляции в одном из его персональных проектов. Здесь было необходимо обеспечить условие, чтобы амплитуда сигнала (в любой промежуток времени и любой полярности) не превысила строго заданный уровень. Это требование должно было выполняться в широком динамическом диапазоне входных сигналов, при низком уровне общих гармонических искажений и без заметного искажения артикуляции. Таким образом, использование известных схем ограничения было невозможным. Автором было проверено много технических решений, в результате чего выяснилось, что проект, представленный на Рисунке 1 – наилучший.

Читайте также:  Регулировка холостого хода ваз 2107 инжектор своими руками

Это же решение автор использовал в составе музыкальной системы в качестве автоматического микшера ди-джея. В этом варианте на вход устройства через сумматор подавались два сигнала (музыка и голос), но их общий уровень автоматически поддерживался постоянным. Так, уровень музыкального сигнала без ручного микширования автоматически уменьшался, как только ди-джей начинал говорить, и плавно возвращался на заданный прежний уровень, если ди-джей замолкал. При этом отсутствовала перегрузка усилителей и акустических систем. Эта же идея использовалась и в качестве базы для прецизионного генератора синусоидальных сигналов на основе моста Вина. Результаты использования такого решения были превосходны и превзошли все ожидания.

Примечание редакции

Эта публикация может считаться дополнением к изданной нами ранее статье «Практика использования ИМС усилителей с АРУ серии SSM21xx» (РадиоЛоцман, 2014, май, июнь), в которой был описан усилитель с АРУ по среднеквадратичному значению сигнала.

Уменьшение нелинейных искажений основанного на полевом транзисторе регулирующего звена аттенюатора за счет введения отрицательной обратной связи описывается, например, в книге: Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника» 12-е изд.: Пер. с нем. – М., ДМК Пресс, 2007.

Описание использованного в рассмотренной схеме двухполупериодного выпрямителя можно найти в книге: Л. Фолкенберри «Применение операционных усилителей и линейных ИС», Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. Обе книги имеются в Интернете и доступны для скачивания. В таком выпрямителе для повышения точности на малых сигналах лучше использовать диоды Шоттки, например, BAS40-04, но для рассматриваемой схемы это несущественно.

Значение сопротивления канала в открытом состоянии RDS_ON для маломощных полевых транзисторов не всегда приводится в спецификациях, но его легко вычислить через крутизну (S) транзистора, так RDS_ON = 1/S. Кстати, в схеме можно использовать отечественный полевой транзистор КП103М1: S = (1.3…4.4) мА/В, VGS_OFF = (2.8…7) В.

Если максимальная амплитуда выходного сигнала должна быть меньше указанного в статье значения 0.68 В, то следует изменить коэффициент усиления в двухполупериодном выпрямителе. Необходимое усиление устанавливается увеличением номиналов резисторов R11 и R3 относительно номиналов остальных резисторов выпрямителя. Для правильной работы выпрямителя не забывайте соблюдать соотношения номиналов резисторов R11 = R3, R5 = R1 = R2. При этом коэффициент усиления выпрямителя рассчитывается как KU = R3/R5.

Перевод: В.Рентюк по заказу РадиоЛоцман

Источник

7.3 Автоматическая регулировка усиления

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) предназначена для поддержания постоянной мощности сигнала на выходе УПЧ – необходимое условие нормальной работы выходных устройств приемника. Уровень сигнала на входе приемника может изменяться в очень широких пределах; при максимальном напряжении на входе РПрУ система АРУ должна обеспечить минимальный коэффициент усиления усилительно-преобразовательного тракта (УТ) приемника и наоборот. Таким образом, задача АРУ — изменять усиление усилительно-преобразовательного тракта РПрУ в зависимости от уровня входного сигнала.

Система АРУ имеет устройство, напряжение ЕРЕГ на выходе которого зависит от уровня сигнала в радиотракте. Таким устройством может служить, например, амплитудный детектор. Напряжение ЕРЕГ, подаваемое на усилительные каскады, изменяет их коэффициент усиления. Для АРУ в приемнике создается цепь, состоящая из детектора АРУ и фильтра. За счет АРУ в приемнике диапазон изменения напряжения сигнала UВЫХ /UВЫХном на его выходе меньше, чем диапазон изменения сигнала UВХ/UВЫХном на входе, здесь UВЫХном и UВХном — требуемые номинальные напряжения соответственно на выходе и входе приемника. Чем меньше это отношение, называемое диапазоном АРУ, тем эффективнее АРУ в приемнике.

В зависимости от способа подачи регулируемого напряжения АРУ подразделяются на обратные, прямые и комбинированные.

7.3.1 Обратная АРУ – рис. 9.5, а). В этой схеме напряжение регулировки ЕРЕГ формируется из напряжения UВЫХ на выходе регулируемого усилителя (РУ), в котором могут применяться способы регулировки усиления, рассмотренные в § 9.2. Напряжение ЕРЕГ подается со стороны выхода в направлении входа РУ, что и обусловило название этого вида АРУ. Детектор АРУ (Д) обеспечивает напряжение ЕРЕГ на его выходе, пропорциональное амплитуде напряжения UВЫХ: ЕРЕГ = КДUВЫХ. Фильтр АРУ (Ф) отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает медленно меняющиеся составляющие напряжения UВЫХ. Цепь АРУ, которая состоит только из детектора и фильтра, называют простой АРУ. В цепь АРУ может включаться усилитель до или после детектора. Усилитель до детектора АРУ — это УПЧ, после детектора — УПТ. В высококачественных РПрУ усилитель иногда включают и до, и после детектора. При наличии в цепи АРУ усилителя ее называют усиленной.

Читайте также:  Как установить регулировку звука с клавиатуры

Работа регулируемого усилителя совместно с цепью АРУ описывается амплитудной характеристикой – зависимостью UВЫХ = F(UВХ) – рис. 9.6. При увеличении напряжения UВХ на входе регулируемого усилителя с простой цепью АРУ коэффициент усиления К уменьшается за счет АРУ, поэтому выходное напряжение UВЫХ = КUВХ увеличивается в меньшее число раз, чем напряжение UВХ. С повышением UВЫХ увеличивается ЕРЕГ и соответственно уменьшается К. Недостаток простой АРУ – усиление энергии сигналов уменьшается и при слабых входных сигналах, когда этого не требуется. Для устранения этого недостатка используют АРУ с задержкой, в которой цепь АРУ начинает действовать только в том случае, когда входное напряжение UВХ превышает пороговое UПОР; при этом слабые сигналы цепью АРУ не ослабляются – рис. 9.6. При идеальной работе цепи АРУ с задержкой для UВХUПОР напряжение на выходе усилителя постоянно (штриховая линия на рис. 9.6). По мере увеличения коэффициента усиления усилителя в цепи регулировки характеристика АРУ реального усилителя все в большей степени приближается к идеальной. Особенностью является то, что она не позволяет получать

При обратной регулировке можно лишь приближаться к идеальной характеристику АРУ. Обратная АРУ не может быть идеальной, поскольку для ее работы принципиально необходимо приращение выходного напряжения UВЫХ. Если допустить, что АРУ идеальна, то UВЫХ = 0, при этом ЕРЕГ = const; К = const, регулировка отсутствует, а следовательно, выходное напряжение UВЫХ должно возрастать.

7.3.2 Прямая АРУ – рис. 9.5, б). Цепь прямой АРУ подключена к входу регулируемого усилителя, напряжение регулировки ЕРЕГ формируется в результате детектирования входного напряжения. При увеличении UВХ напряжение на выходе детектора АРУ возрастает, при этом увеличивается ЕРЕГ, что вызывает уменьшение К. Напряжение на выходе детектора UВЫХ = КUВХ. Если UВХ увеличивается, то К уменьшается; при этом их произведение может оставаться постоянным. Прямая АРУ позволяет в принципе получить идеальную характеристику регулировки (рис. 9.7), но практически добиться этого не удается. Такой АРУ свойствен ряд недостатков, основной из которых состоит в необходимости включать перед детектором в цепи АРУ дополнительный усилитель с большим коэффициентом усиления. Прямая АРУ нестабильна – подвержена действию различных дестабилизирующих факторов. Если, например, изменение температуры или напряжения источника питания увеличивает коэффициент усиления К регулируемого усилителя, то характеристика АРУ из идеальной превратится в характеристику с нарастающим UВЫХ – рис. 9.7.

7.3.3 Комбинированная АРУ – рис. 9.5, в) – рационально объединяет преимущества обратной и прямой АРУ: стабильность обратной АРУ и возможность получения идеальной характеристики в прямой АРУ. Для первого усилителя — это обратная, а для второго — прямая АРУ. Основная регулировка происходит в регулируемом усилителе РУ1, который, как правило, содержит несколько регулируемых каскадов. Второй регулируемый усилитель обычно однокаскадный, его основная задача — несколько скомпенсировать возрастающее напряжение на выходе первого усилителя. То, что идеальная регулировка не достигается на практике, не имеет большого значения, так как пределы изменения UВЫХ невелики.

7.3.4 Бесшумная АРУ. Система АРУ обеспечивает в приемнике максимальное усиление при слабом сигнале. Это приводит к увеличению уровня шумового напряжения на выходе приемника. Устраняет это явление бесшумная АРУ (рис. 9.5, г), для реализации которой создается специальная цепь бесшумной регулировки БШР, управляемая напряжением ЕРЕГ. Если ЕРЕГ становится, ниже определенного уровня Епор, то цепь БШР формирует напряжение ЕЗ, запирающее усилитель звуковой частоты (УЗЧ); превышение ЕРЕГ порогового значения Епор приводит к «обнулению» запирающего напряжение ЕЗ – к отпиранию УЗЧ и восстановлению работы приемника. Используются различные схемных реализации цепи БШР.

7.3.5 Фильтр в цепи АРУ. Амплитуда сигнала в приемнике изменяется по двум причинам: 1) при использовании амплитудной модуляции; 2) при замираниях, из-за которых уровень сигнала на входе приемника изменяется в широких пределах по случайному закону. Система АРУ должна устранять только замирания сигнала, но не должна реагировать на полезные изменения амплитуды АМ сигнала, что обеспечивается с помощью фильтра АРУ.

Скорость полезных и вредных изменений амплитуды сигнала различна. При АМ амплитуда сигнала подвержена быстрым изменениям, например при телефонной связи и звуковом радиовещании частота модуляции составляет 50. 5000 Гц. Замирания сигнала в основном медленные, обычно частота замираний 0,1. 10 Гц. Напряжение ЕД, на выходе детектора АРУ содержит полезную составляющую и паразитную – из-за замираний сигнала. Напряжение ЕРЕГ на выходе фильтра АРУ определяется только вредной

Читайте также:  Регулировка форсунки дизельного двигателя

составляющей напряжения ЕД. В качестве фильтра используют обычно простую цепь RФCФ. Если АРУ осуществляется в нескольких регулируемых каскадах усиления, то ставят не один, а несколько фильтров.

7.3.6 Искажения АМ сигнала в усилителе с АРУ. В реальных целях АРУ фильтр не полностью подавляет составляющие частоты модуляции напряжения на выходе детектора АРУ. Это приводит к искажениям сигнала. Для изучения механизма искажений положим вначале, что цепь АРУ идеальна, а на входе регулируемого усилителя действует АМ колебание с модуляцией одним тоном частоты  = 2F – огибающая этого колебания

где т – коэффициент модуляции;  – угловая частота модулирующего колебания;

UH – амплитуда несущего колебания.

При идеальной АРУ цепь регулировки вырабатывает постоянное напряжение ЕРЕГ.0, при котором коэффициент усиления

где SРЕГ — крутизна регулировочной характеристики. При идеальной цепи АРУ огибающая выходного напряжения

В реальной цепи АРУ фильтр не полностью подавляет составляющие частоты модуляции и вносит фазовые сдвиги, что обусловливает искажения сигнала. Эти искажения, проявляются в следующем: 1) зависимость коэффициента усиления от частоты модуляции приводит к зависимости коэффициента модуляции от частоты сигнала, при отрицательной SРЕГ глубина модуляции сигнала уменьшается; 2) напряжение на выходе усилителя дополнительно модулируется второй гармоникой сигнала с частотой 2F, что приводит к нелинейным искажениям закона модуляции. Эти искажения тем больше, чем больше произведение mSРЕГ, при mSРЕГ = 0 искажения отсутствуют.

7.3.7 АРУ приемников импульсных сигналов (рис. 9.8) отличается двумя особенностями.

1. Импульсный сигнал детектируется дважды: вначале детектором радиоимпульсов (Дри), а затем пиковым детектором (Дп). Детекторы необходимы не только для нормальной работы АРУ, но и для детектирования сигнала в самом приемнике. Чтобы не ставить два детектора (в цепь сигнала и в цепь АРУ), детектор радиоимпульсов часто делают общим. Общим может быть и видеоусилитель (ВУ).

2. В интервалах между полезными импульсами могут возникать помехи; при импульсной многоканальной связи между импульсами данного канала действуют импульсы других каналов. В этом случае АРУ реагирует на все импульсы, а не только на те, которые должны быть выделены. Для устранения этого недостатка цепь АРУ открывают только на время действия полезных импульсов. С этой целью в одном из каскадов цепи АРУ применяют стробирование – он открывается на интервале действия полезного импульса специальным импульсом, который называют стробирующим (СИ).

7.3.8 Быстродействующая АРУ служит для устранения перегрузки усилителя при действии мощной помехи. В усилителе регулируется режим усилительных элементов – при мощной помехе цепь АРУ формирует регулирующее напряжение ЕРЕГ, смещающее режим усилительных элементов в область с низким усилением. Особенность быстродействующей АРУ—высокая скорость ее срабатывания при мощной помехе; цепь быстродействующей АРУ инерционна для сигнала и срабатывает только от помехи. Постоянная времени фильтра быстродействующей АРУ во много раз меньше постоянной времени фильтра АРУ.

7.3.9 Переходные процессы в системе обратной АРУ проявляются при изменении амплитуды входного сигнала UВХ – из-за замираний. Если входное напряжение UВХ скачком возросло, то выходное напряжение UВЫХ (в предположении безынерционности усилителя) также скачком возрастет, что приводит к скачкообразному увеличению напряжения на входе цепи АРУ. Из-за наличия в цепи АРУ инерционных элементов – фильтра детектора АРУ и ФНЧ детектора сигнала – регулирующее напряжение ЕРЕГ изменяется не скачком, а нарастает постепенно, что приводит к уменьшению К усилителя. Это в свою очередь вызывает уменьшение UВЫХ и соответственно изменение законов нарастания ЕРЕГ и уменьшения К; как следствие, характер уменьшения UВЫХ становится сложным. В усилителе с АРУ возникает переходный процесс, и прежде чем напряжение UВЫХ на его выходе установится, проходит определенное время.

Закон изменения UВЫХ в процессе установления, который может

быть апериодическим либо колебательным, зависит от типа ФНЧ в цепи АРУ. Если ФНЧ — однозвенный RC-фильтр, то UВЫХ устанавливается по экспоненциальному апериодическому закону с = RC/(1 + КРЕГ), где КРЕГ = (К )/(UВХ /UВХ ), UВХ, и К — приращение входного напряжения и соответственно вызываемое им приращение коэффициента усиления регулируемого усилителя. Такая схема называется системой АРУ первого порядка. Если ФНЧ — двух- или трехзвенный, то переходный процесс

носит колебательный характер, что нарушает нормальный прием сигнала.

Источник

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