Структурная схема системы слежения за временным положением. Обобщенные функциональная и структурная схемы радиотехнических следящих систем

Изучение основных типов систем позволяет определить общие функции и реализующие их функциональные узлы во всех рассмотренных выше системах и составить обобщенные функциональную и структурную схемы.

Обобщенная функциональная схема приведена на рис. 8 и состоит из дискриминатора Дис., фильтра, опорного (подстраиваемого) генератора ОГ.

Рис.8. Обобщенная структурная схема радиотехнической следящей системы

На вход поступает смесь сигнала и шума

.

Одним из параметров сигнала является задающее воздействие л(t).

ОГ генерирует сигнал, одним из параметров которого является оценка отслеживающего параметра. Выходной сигнал ОГ зависит от назначения системы.

В результате нелинейного преобразования входного и опорного сигналов в дискриминаторе формируется напряжение, пропорциональное разности

,

где л - задающее воздействие; y - управляемая величина.

Напряжение на выходе дискриминатора:

,

где F(x) - зависимость среднего значения напряжения на выходе дискриминатора от ошибки слежения, называемая дискриминационной характеристикой; о(t, x) - флюктуационная составляющая (результат нелинейного преобразования опорного и входного сигналов в дискриминаторе).

Форма дискриминационной характеристики приведена на рис. 9.

Рис.9. Дискриминационная характеристика

При малых значениях ошибки слежения х дискриминационная характеристика может быть аппроксимирована линейной зависимостью:

,

где

при х=0.

Sд - крутизна, которая зависит от типа дискриминатора, отношения сигнал/шум и других факторов.

,

где Рс - мощность сигнала; у2ш - дисперсия шума.

.

Крутизна дискриминационной характеристики зависит от амплитуды сигнала. Для исключения этой зависимости на входе производят ограничение либо автоматическую регулировку усиления ( АРУ). Дискриминационная характеристика имеет ограниченный раствор по оси х. Если ошибка превышает граничную, обратная связь размыкается и система выходит из режима слежения (). Для ввода в синхронизм используется устройство ввода , обеспечивающее .

Фильтр осуществляет сглаживание высокочастотных составляющих. Он может содержать интегрирующие звенья, его передаточная функция определяет качественные характеристики системы.

Обобщенная структурная схема приведена на рис. 10.

Рис. 10. Структурная схема радиотехнической следящей системы

Математический эквивалент дискриминатора включает элемент сравнения, нелинейное безинерционное звено F(x) и сумматор.

Звено W(p) определяется передаточной функцией опорного генератора и фильтра.

Характеристики составляющей шума о(t, x) зависят от параметров дискриминатора и предшествующих цепей, отношения сигнал/шум, метода нормировки сигнала и шума по амплитуде, характера амплитудных флюктуаций сигнала.

Изменение ошибки во времени описывается нелинейным стохастическим дифференциальным уравнением

х(t) + W(p)F(x) + о(t,x) - л(t) = 0.

Нелинейность уравнения определяется нелинейностью функции F(x) и нелинейной зависимостью характеристик процесса о(t,x) от ошибки слежения х . Стохастичность - наличием случайного процесса о(t,x) и случайной составляющей задающего воздействия л(t).

Если напряжение флюктуационной составляющей имеет равномерную спектральную плотность в полосе, значительно превышающей полосу пропускания следующих за дискриминатором цепей, шум о(t,x) можно считать белым и характеризовать его величиной спектральной плотности на нулевой частоте S о( w,x) = S о( o,x) , в общем случае зависящей от ошибки слежения. Зависимость спектральной плотности флюктуационной составляющей от ошибки слежения называется флюктуационной характеристикой дискриминатора.

Эквивалент дискриминатора можно существенно упростить при условии малости ошибки слежения х. При малой ошибке слежения дискриминационная характеристика линейна, а спектральную плотность флюктуационной составляющей можно принять с достаточным приближением не зависящей от ошибки слежения, то есть S о( о,x) = S о(x) , о(t,x) = о(t) . В этом случае следящая система описывается линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами, что упрощает ее анализ.

4. Системы автоматической регулировки усиления (АРУ)

Системы автоматической регулировки усиления предназначены для стабилизации уровня выходного сигнала усилителя. Необходимость в АРУ обусловлена значительным динамическим диапазоном сигнала на входе приемника (60…100дБ), что без принятия мер по стабилизации уровня сигнала привело бы к перегрузке каскадов приемника и искажению полезной амплитудной модуляции сигнала. Если на вход системы слежения поступает сигнал с таким динамическим диапазоном, то это приведет к увеличению коэффициента усиления контура и может служить причиной нарушения устойчивости.

Таким образом, система АРУ необходима для расширения динамического диапазона, чтобы избежать перегрузки каскадов и искажения амплитудной модуляции и обеспечить устойчивость следящей системы.

В качестве примера рассмотрим построение схемы АРУ с управлением по рассогласованию (рис. 11).

Рис. 11. Функциональная схема АРУ

Выходное напряжение регулируемого усилителя РУ детектируется (Дет.) и через фильтр нижних частот ФНЧ поступает на РУ в виде регулирующего напряжения Up, которое изменяет крутизну усиления активного элемента, шунтирует нагрузку или управляет аттенюатором, в конечном итоге уменьшая уровень выходного сигнала РУ при его увеличении и увеличивая при уменьшении.

Например, при использовании транзистора в качестве активного элемента Up подается на базу транзистора (рис. 12) и, изменяя его крутизну (прямую проводимость), изменяет коэффициент усиления.

Напряжение задержки Uзад используется для того, что бы повысить уровень стабилизируемого напряжения (рис. 13).

Рис.12

Рис.13. Зависимость выходного напряжения от входного:

1 - АРУ отсутствует; 2 - Uз = 0; 3 - Uз

АРУ начинает работать при превышении входным сигналом напряжения U1 порогового напряжения (UПОР). Вариант построения детектора АРУ с задержкой приведен на рис. 14.

Рис.14. Схема детектора АРУ с задержкой

С помощью делителя R1R2 формируется за напряжение Uзад, поступающее на детектор Д.

Для исследования характеристик АРУ найдем уравнения, описывающие работу функциональных узлов системы, и составим структурную схему. Зависимость коэффициента усиления усилителя от регулирующего напряжения:

, (6)

где k0 - величина коэффициента усиления при нулевом значении напряжения регулирования;

- крутизна регулировочной характеристики;

(7)

, (8)

где kд - коэффициент передачи детектора.

Первое условие выражения (8) выполняется при , второе - при .

ФНЧ характеризуется своей передаточной функцией, поэтому напряжение на выходе ФНЧ определяется выражением:

. (9)

По полученным уравнениям можно построить структурную схему (рис. 15).

Рис. 15. Структурная схема АРУ

Здесь

Система АРУ является нелинейной системой с переменными параметрами, что делает сложной задачей ее анализ. При оценке отдельных качественных характеристик производят соответствующие упрощения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шахтарин Б.И. Случайные процессы в радиотехнике. Ч.1. Линейные системы: Учеб. пособие.- М.: Радио и связь, 2002.

2. Первачев. С.В Радиоавтоматика: Учебник для вузов.- М.: Радио и связь, 2002.