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 ПАРУ. 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 принципиаль но 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 системы, 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 де сятков)
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),
апериодический (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 нач инают
получать распростра нение устройства АРУ
релейно-импульсного типа, т. е. такие, в цепь
регулирования которых введено дифференци альное 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 термис т о р а и о т в е ч а ю т
соотношению
, г д е — н о м е р р а з р я да 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.
2.
3.
4.
Индивидуальные усилители.
Групповые усилители.
Вспомогательные усилители.
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).
13.1 Технические требования к усилителям
Наиболее трудно технически реализуемыми являются групповые усилители,
так как к ним предъявляются чрезвычайно жесткие требования в отношении
основных электрических характеристик.
К о э ф ф и ц и е н т у с и л е н и я . Основным параметром усилителя является
коэффициент усиления, который определяется отношением напряжения на выходе
усилителя к напряжению на его входе (
) или как разность уровней по
напряжению на выходе и входе усилителя (
).
Величина коэффициента усиления зависит от назначения усилителя и места его
включения. Так, например, усиление усилителей оконечной станции определяется
внутренней диаграммой относительных уровней. Усиление усилителей промежуточной
станции, как правило, определяется допустимым затуханием предшествующего
усилительного участка. В аппаратуре многоканальной электросвязи находят
применение усилители с усилением от долей непера (несколько децибел) до 8 неп
(70 дб).
Выходная мощность. Для большинства усилителей ап паратуры
многоканальной электросвязи (за исключением вспомогательных) требуемая выходная
мощность связана с величиной относительного (измерительного) уровня на выходе
усилителя и с числом каналов системы (см. гл. 2).
Максимальная неискаженная мощность усилителя Р может быть рассчитана
при этом по формуле
мвт,
(8.1)
где —коэффициент надежности, показывающий, какая часть выходной
мощности сохраняется к концу срока службы усилительного элемента (выходного
каскада);
— относительный (измерительный) уровень на выходе усилителя по
диаграмме уровней, установленной по одному из каналов многоканальной системы
(предполагается, что во всех каналах системы этот уровень одинаков);
—
максимально возможная величина отклонения относительного уровня во времени (.за счет неточности установки диаграммы уровней и неточности регулирования в процессе
эксплуатации). Рекомендуется принимать
=0,2 неп (2 дб);
— величина, •
учитывающая вероятность сложения максимальных мгновенных напряжений от
отдельных каналов и зависящая от числа каналов в системе.
Н е л и н е й н ы е и с к а ж е н и я . Одной из наиболее важных характеристик
усилителя является его нелинейность. В индивидуальных усилителях нелинейные
искажения могут быть в первом приближении оценены по амплитудной
характеристике, которая, как известно, представляет собой зависимость уровня на
выходе усилителя от уровня на его входе
при определенной частоте .
Так как
, то можно амплитудную характеристику усилителя
определить как зависимость усиления усилителя по напряжению от уровня на его
входе (или на выходе); S=q>(pBX ) или
. Иногда удобнее амплитудную
характеристику изображать как связь между амплитудами напряжения на выходе и
входе усилителя при частоте :
Аналитически амплитудная характеристика усилителя, характеризующая
отсутствие нелинейных искажений, выражается любой из следующих формул:
(8.2)
где S и К—постоянные величины, причем если S выражено в неперах, то
.
В индивидуальных усилителях нелинейность оценивается коэффициентом
нелинейных искажения
,
где —амплитуда напряжения первой гармоники частоты в на выходе
усилителя;
-амплитуды напряжений всех высших гармоник в той же точке.
При этом на вход усилителя подается синусоидальное .напряжение частоты .
Требования к нелинейности групповых усилителей, предназначенных для
усиления многоканального сигнала, должны быть несравненно более жесткими, чем
для индивидуальных, так как даже незначительная (Нелинейность (см. гл. 2) может
привести к появлению на выходе усилителя дополнительных комбинационных
составляющих, частоты которых расположены в пределах диапазонов частот
отдельных каналов. Для оценки нелинейности групповых усилителей пользуются
понятием затухания нелинейности по гармоникам (см. гл. 2).
В
современных
многоканальных
системах
требуемые
затухания
нелинейности групповых усилителей составляют
=10 неп и
=12,5неп (при
нулевом уровне сигнала).
П о м е х и у с и л и т е л я . Как известно, для получения удовлетворительного
качества связи необходимо обеспечить достаточно малый уровень помех на клеммах
приемного устройства. В общем балансе помех в каналах связи существенную роль,
особенно на длинных кабельных магистралях, играют помехи, возникающие в
усилителях, так как их число порой достигает сотен или даже тысяч.
Основными причинами возникновения помех в усилителях являются: пульсация
источников питания; влияние внешних электромагнитных полей на элементы усилителя;
тепловые помехи сопротивлений в схеме усилителя; собственные помехи усилительных элементов.
При проектировании усилителей (особенно линейных) надо обеспечить разность
между измерительным уровнем полезного сигнала и уровнем помех на
выходе
усилителя порядка 94-10 неп {80+90 дб).
Ч а с т о т н а я х а р а к т е р и с т и к а у с и л е н и я . Для каждого типа
усилителей, рассчитанного на усиление сигнала в определенном диапазоне частот,
задаются требования в отношении частотной характеристики усиления. Частотная характеристика усиления усилителя промежуточной станции, как правило, зависит от
частотной характеристики затухания
предшествующего усилительного участка.
Желательно, чтобы усилитель, включаемый в любую точку тракта связи, вносил
амплитудно-частотные и фазо-частотные искажения, компенсирующие искажения,
вносимые предшествующим участком.
В х о д н о е и в ы х о д н о е с о п р о т и в л е н и я у с и л и т е л я . Обычно задаются
определенными требованиями в отношении входного и выходного сопротивления
усилителя.
Чаще всего эти требования вызваны необходимостью согласования входного
и выходного сопротивлений усилителя с характеристическими (или входными)
сопротивлениями предшествующих и соответственно последующих пассивных
четырехполюсников. Особенное значение это имеет в том случае, если такими
четырехполюсниками являются фильтры, выравниватели, линии.
13.2. Классификация и основные показатели усилительных устройств
Многоканальные телекоммуникационные системы представляют собой большие
технические комплексы, в состав которых входят функциональные узлы различного
назначения и сложности. Среди них особое место занимают усилительные устройства.
Усилительные устройства МСП предназначены для:
а)
компенсации затухания сигнала в каналах и трактах передачи, а также
в отдельных блоках МСП;
б)
усиления сигналов до уровней, необходимых для нормальной работы
первичных преобразователей сигналов.
Обобщенная структурная схема усилительного устройства (УУ) показана на рис.
8.3 Основным блоком УУ является усилительный элемент (УЭ), который обеспечивает
усиление мощности входного сигнала, поступающего от источника сигнала (ИС) через
согласующую цепь связи (ЦС). Усиление мощности сигнала по закону сохранения
энергии должно происходить за счет преобразования мощности, потребляемой
(отбираемой) от источника питания (ИП). Усиленная мощность входного сигнала через
выходную ЦС поступает в нагрузку (Н). Для получения значительного усиления
мощности УУ строится по многокаскадной схеме.
Отсюда
Рис. 8.3
Рис. 8.4
Типовые эквивалентные схемы нагрузки, представляемой в виде = + +
,
показаны на рис. 8.5 (а, б, в). Использование той или иной схемы зависит от конкретного
вида нагрузки, а также от влияния паразитных элементов схемы.
Усилительные устройства классифицируют по ряду признаков.
1. По характеру передаваемых сигналов различают усилители аналоговых
и импульсных сигналов (см. рис. 1.3—1.5).
2. По спектру усиливаемых частот сигнала:
а)
усилители постоянного тока (они усиливают сигналы, у которых нижняя
граничная частота спектра = 0);
б)
усилители переменного тока (когда > 0).
3.
По виду частотной зависимости коэффициента передачи:
а)
усилители с равномерной частотной характеристикой (ЧХ) в полосе час
тот
(рис. 8.6, зависимость 1);
б)
частотно-зависимые усилители (кривые 2, 3);
в)
широкополосные (
кривые 1,2,3);
г)
узкополосные (
, кривая 4).
Рис. 8.5
Рис. 8.6
4.
По применению в составе МСП различают усилители индивидуальные,
групповые, линейные, вспомогательные. Индивидуальный усилитель предназначен для
усиления индивидуального сигнала в соответствующем диапазоне частот. Например,
индивидуальный усилитель телефонного сигнала должен обеспечивать передачу в
полосе частот от 0,3 до 3,4 кГц. Групповой усилитель обеспечивает усиление групповых
сигналов, несущих информацию о нескольких индивидуальных сигналах. Линейные
усилители предназначены для передачи групповых сигналов в линейном спектре частот
по линии связи. Вспомогательный усилитель служит для передачи служебных сигналов,
которые обеспечивают нормальную работу МСП (например, служебную связь для
обслуживающего персонала МСП, работу некоторых устройств автоматического
регулирования параметров отдельных блоков МСП и т.п.).
5.
По типу применяемых усилительных элементов:
а)
ламповые (для больших мощностей);
б)
транзисторные (на биполярных и полевых транзисторах);
в)
интегральные.
6.
По конструктивному исполнению различают усилители:
а)
на дискретных элементах;
б)
на интегральных схемах.
7.
По типу согласующих цепей связи в многокаскадном УУ:
а)
с непосредственными связями;
б)
с емкостной или трансформаторной связью;
в)
со сложными четырехполюсными согласующими цепями.
Качественные показатели УУ характеризуются практически тем же набором
параметров, что и каналы передачи. Один из них — коэффициент полезного действия
(КПД) , равный отношению мощности усиленного сигнала переменного тока ,
которая определяется в выходной цепи последнего усилительного элемента к мощности,
которая потребляется от источника питания выходным (оконечным) каскадом
или
всеми каскадами усиления . Стабильность того или иного показателя усилителя
является некоторой функцией
от ряда дестабилизирующих факторов
Литература :
Осн. 1. [ 41-67 ]
Доп. 1. [ 293-21 ]
Контрольные вопросы
1. Каково назначение усилителей в многоканальных системах передачи?
2. Что называется амплитудно- и фазо-частотной характеристиками усилителя?
3. Как количественно определяются АЧИ усилителя?
4. Классификация усилителей аппаратуры многоканальных систем передачи.
5. Групповой усилитель.
6. Индивидуальный усилитель тональных частот.
7. Групповой усилитель на интегральной микросхеме.
