Описание систем радиоавтоматики

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ кафедра радиотехнических систем РЕФЕРАТ на тему: «Описание систем РАдиоавтоматики» МИНСК, 2008 1.Система частотной автоподстройки (ЧАП) 1.1 Функциональная схема Система ЧАП используется в супергетеродинных приемниках для автом а тической подстройки частоты гетеродина с целью обеспечения заданного значения промежуточной частоты, в качестве узкоп о лосных перестраиваемых по частоте фильтров, демодуляторов ЧМ колебаний с обратной связью по част о те и т.д. Работу системы ЧАП рассмотрим на примере ее применения для стабилизации промежуточной частоты в супергетер о динном приемнике (рис. 1 ). Рис. 1. Функциональная схема системы ЧАП: ЧД – частотный дискриминатор; Гет е род. – гетеродин (подстраиваемый генератор) С помощью смесителя формируется промежуточная частота щ пр как ра з ность частот входного сигнала и подстраиваемого генератора (гетеродина). Ее номинальное значение постоянное. УПЧ, имеющий избирательную систему, настроенную на номинальное значение промежуточной частоты, усиливает этот сигнал. Далее сигнал подается на ЧД, измеряющий разность между текущим значением щ пр и ее номинальным значением щ пр0, на которое он настроен, и формирует напряжение, пропорциональное измеренной разности. Сигнал ошибки через ФНЧ воздействует на контур ПГ и изменяет его частоту. В р е зультате этого ошибка уменьшается. ФНЧ сглаживает высокочастотные с о ставляющие сигнала и помехи. Одновременно такую систему можно рассматривать как узкополосный п е рестраиваемый по частоте фильтр (так как параметры ФНЧ подбирают так, чтобы система следила за медленными уходами частоты). Систему можно использовать также как демодулятор ЧМ колебаний, при этом полученный сигнал можно снимать с выхода ПГ. В частности это может быть использовано в доплеровских системах автоматического измерения ск о рости. 1.2. Элементы системы и их математическое описание. Структурная сх е ма Будем иметь в виду, что смеситель (СМ), УПЧ и ЧД являются безинерц и онными по сравнению с ФНЧ. С помощью смесителя формируется промежуточная частота щ пр= щ с – щ г; (1) Так как УПЧ безынерционный, он на частоту не влияет. Отклонение промежуточной частоты от ее номинального значения: Дщ= щ пр – щ пр0, (2) где щ пр – текущее значение, щ пр0 – номинальное значение. В качестве ЧД используется дискриминатор с расстроенными контурами и другие типы дискриминаторов. Напряжение на выходе дискриминатора можно представить в виде суммы его среднего значения и центрированной случайной составляющей: U д (t)=M[U д (t)] + о (t, Щ ) = F( Щ ) + о (t, Щ ), (3) где M [ U д( t )] – математическое ожидание; о ( t , Щ ) – флюктуационная составля ю щая; F ( Щ )= M [ U д( t )] – дискриминационная характеристика (ДХ); Щ – частотная расстройка . ра в ная , (4) где – переходная частота дискриминатора (центральная частота, на кото рую настроен дискриминатор). Дискриминационная характеристика – зависимость математического ож и дания напряжения на выходе дискриминатора от частотной расстройки. Дискриминационная характеристика F ( Щ ) представлена на рис. 2. Рис. 2. Дискриминационная характеристика Форма F ( Щ ) определяется отношением сигнал/помеха (с/п), схемной реал и зацией, полосой пропускания в цепях, предшествующих дискриминатору и другими факторами. Дискриминатор настраивается на номинальное значение промежуточной частоты щ п = щ пр0 , но из-за воздействия дестабилизирующих факторов поя в ляется ошибка, и в этом случае можно записать: щ п = щ пр0 + я щ п яя , яяяяяяяяяяя яяяяяя я щ п – нестабильность переходной частоты дискриминатора. Учитывая (2.2), (2.4), (2.5) Щ = Дщ - я щ п ; (6) С выхода дискриминатора напряжение поступает на ФНЧ. При реализации ФНЧ на RC -цепи уравнение, описывающее его работу, , (7) где Тф – постоянная времени фильтра; U ф ( t )- напряжение на выходе ФНЧ. Выполнив переход , уравнение (7) можно записать в виде: , где - операторный коэффициент передачи фильтра. Для сложных ФНЧ, используемых, например, в радиолокации W ( p ) можно записать следующим образом: . Тип фильтра определяет качественные характеристики следящих систем. Таким образом, фильтр описывается операторным коэффициентом пер е дачи (передаточной функцией) – W (р). С выхода фильтра напряжение подается на вход подстраиваемого генератора. Чтобы напряжение влияло на частоту генератора, в генераторе используется реактивный элемент, изменяющий свои параметры под воздействием упра в ляющего напряжения. Таким реактивным элементом может быть варикап. У п рощенная схема включения варикапа представлена на рис.3 Рис. 3. Схема включения варикапа Делитель R 1 , R 2 обеспечивает обратное смещение на варикапе как при положительном, так и при отрицательном напряжении на входе; С 1, С 2 – блокировочные конденсаторы; R 3 – нагрузка; LC – контур генерат о ра. Частота на выходе генератора равна: , (8) где – крутизна регулировочной характеристики; – собственная частота генератора. при U ф = 0; Регулировочная характеристика – зависимость частоты генератора от управляющего напряжения (рис. 4). Рис. 4. Регулировочная характеристика генератора , (9) где - нестабильность собственной частоты генератора; , - номинальные значения частоты входного сигнала и промеж у точной частоты. Уравнения (1-9) определяют математическую модель системы ЧАП. Ее можно представить в виде структурной схемы (рис. 5). Под ней мы будем п о нимать схему, каждое звено которой определяет соответствующую математ и ческую операцию. Рис.5. Структурная схема системы ЧАП Схему можно упростить, если вместо щ гс и щ г использовать отклонения от номинального значения: ; . При условии, что = 0, схема может быть представлена в следующем виде (рис. 6): Рис. 6. Упрощенная структурная схема При работе системы на линейном участке (ошибка слежения мала) ди с криминационную характеристику можно описать линейной зависимостью , где (при Щ = 0) – крутизна дискриминационной характерист и ки Рассмотренная схема обеспечивает слежение в установившимся режиме с точностью до частоты. При этом информация о фазе теряется. 2. Система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 2.1. Функциональная схема Система ФАПЧ используется для восстановления колебаний с несущей частотой в системах передачи информации с одной боковой полосой, с пода в ленной несущей, в системах, использующих фазомодулированные колебания, в качестве узкополосного перестраиваемого по частоте фильтра, в синтезаторах частот для создания высокостабильных колебаний и т.д. – в тех случаях, когда необходимо восстановить принимаемое колебание с точностью до фазы. Функциональная схема приведена на рис. 7. Рис. 7. Система ФАПЧ. Функциональная схема На вход фазового дискриминатора (ФД) подется входное напряжение и н а пряжение, поступающее с опорного генератора. Фазовый дискриминатор опр е деляет рассогласование по фазе, и пропорционально его величине и знаку в ы рабатывает напряжение, которое поступает на ФНЧ. Фильтр сглаживает этот процесс, и напряжение с выхода фильтра воздействует на контур ПГ. В резул ь тате этого происходит изменение частоты генератора. Но так как ,то изменяется и фаза. Это изменение приводит к уменьшению фазового рассогл а сования. 2.2. Математическое описание работы системы. Структурная сх е ма На вход системы ФАПЧ поступает напряжение Пусть , (10) где ; (11) – фаза сигнала; – начальная фаза сигнала. Напряжение на выходе подстраиваемого генератора: (12) Фазовый дискриминатор определяет разность фаз (13) Если качестве фазового дискриминатора использован перемножитель си г налов, напряжение на выходе фазового дискриминатора равно: (14) В общем случае напряжение на выходе ФД можно представить выражен и ем: (15) - дискриминационная характеристика (рис. 8); о ( t )- флюктуационная составляющая. Если в системе нет ограничения, то о не зависит от ц. При нулевой расстройке разность фаз ц между входным и опорным сигн а лами составляет и автоматически устанавливается в системе. Рис. 8. Дискриминационная характеристика Если бы входной и опорный сигналы описывались одинаковыми функци я ми – и или и , то в результатом перемножения была бы четная функция cos ц, и при нулевой расстройке присутствовало бы управляющее напряжение, изменяющее фазу опо р ного сигнала на . (16) Сигнал с ФД поступает на ФНЧ с операторным коэффициентом п е редачи W ( p ), затем воздействует на контур генератора и изменяет его частоту. Работа генератора описывается тем же уравнением, что и для сист е мы ЧАП. На основании уравнений (10