Устройство с автоматически изменяемым коэффициентом усиления Советский патент 1992 года по МПК H03G3/20 

Предлагаемое стройство с автоматически изменяемым коэффициентом усиления относится к радиотехнике, предназначено для стабилизации уровня выходного сигнала и может быть использовано в радиоэлектронных системах различного назначения, в частности в измерительных системах, в системах связи.

В современных радиоэлектронных системах широко применяются устройства с автоматически изменяемым коэффициентом усиления, с помощью которых решают задачи стабилизации выходного напряжений, коэффициента усиления, деления амплитуд двух сигналов и т.д

Известно однопетлевое устройство автоматической регулировки усиления (АРУ) с обратным действием, содержащее регулируемый усилитель, охваченный петлей обратной связи, предназначенное для стабилизации уровня выходного напряжения. Работа такого устройства АРУ достаточно подробно описана в литературе.

Недостатком этого устройства является принципиальная невозможность получения идеальной регулировочной характеристики его, при которой по окончании переходного процесса изменение уровня сигнала на входе регулируемого усилителя не вызывает изменения уровня сигнала на его выходе

Действительно, степень постоянства сигнала на выходе регулируемого усилителя (эффективность стабилизации выходного напряжения) В при изменении сигнала на его входе от UBx мин и Увх.макс такого устройства АРУ (Радиоприемные устройства. Под редакций Н В.Боброва. М.: Советское радио, 1971. С. 357) определяется формулой

fe

XJ

оо

СА) О

2

В

U

вых макс и вх макс

и

U вых мин

S К ВХ МИН

U вх мин +1

S К р U вх макс Ь 1

0)

где S - крутизна регулировочной характеристики, регулируемого усилителя;

Кр - коэффициент усиления регулятора (цепи обратной связи АРУ);

1)вых.макс, Увых.мин - соответственно максимальное и минимальное напряжения на выходе регулируемого усилителя.

Из (1) следует, что при любых изменениях уровня входного сигнала степень постоянства выходного напряжения такого устройства АРУ больше единицы (т.е. имеет место изменение уровня выходного напря- жения). Практически величина В лежит в пределах 1,1-10.

Известны устройства АРУ, позволяющие повысить эффективность стабилизации выходного уровня. К их числу относится ус- тройство АРУ прямого действия (см. Кри- вицкий Б.Х., Салтыков Е.Г. Системы автоматической регулировки усиления. М.: Радио и связь, 1982. С 5, рис. 1.16), содержащее регулируемый усилитель и цепь уп- равления коэффициентом усиления регулируемого усилителя, причем сигнал, управляющий коэффициентом усиления регулируемого усилителя, формируется из входного сигнала регулируемого усилителя. Недостатком устройства АРУ прямого действия является необходимость разработки сложного дополнительного усилителя в цепи управления, обладающего высокой стабильностьюиспециальнымихарактеристиками (нестабильность регулируемого усилителя и дополнительного усилителя приводит к неустраняемым системой изменениям уровня выходного сигнала, поскольку такая система лишена обратной связи).

Известно устройство с автоматически изменяемыми коэффициентами усиления - дифференциальное АРУ, которое по составу входящих элементов и связей между ними является наиболее близким к предлагаемому устройству и принято за прототип.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства-прототипа; на фиг. 2 - функциональная схема предлагаемого уст- ройства; на фиг. 3 - регулировочная характеристика регулируемых усилителей; на фиг. 4 - пример выполнения предлагаемого устройства; на фиг. 5 - результаты экспериментальной проверки эффективности ста- билизации уровня выходного напряжения.

Устройство-прототип содержит входной регулируемый усилитель 1, первый регулятор 9, включенный между выходом и управляющим входом усилителя 1, дополни- тельный регулируемый усилитель 5 и второй регулятор 10, включенный между выходом и управляющим входом усилителя 5. Первый регулятор 9 включает в.себя, по крайней мере, последовательно соединенные детектор

2,фильтр 3 нижних частот и вычитающий усилитель 4. Второй регулятор 10 включает в себя, по крайней мере, последовательно соединенные детектор 6, фильтр нижних частот 7 и вычитающий усилитель 8, причем суммирующий вход усилителя 4 регулятора 9 соединен с выходом фильтра 7 второго регулятора, а суммирующий вход усилителя 8 регулятора 9 соединен с выходом фильтра 3 регулятора 9.

Несложные расчеты показывают, что в режиме стабилизации уровня выходного сигнала (при Jz const) эффективность стабилизации его устройством-прототипом В определяется формулой

U вых1.макс U 1макс

U ВЫХ1.МИНU 1МИН

и выхт.мин U 1мин 1 + S К р ( U 1мин + U 2 ) 1 +S Kp(U 1„акс +U2)

из которой следуют очевидные выводы, что наиболее эффективная стабилизация уровня выходного сигнала достигается при напряжении на входе дополнительного регулируемого усилителя U2 0 и при этом эффективность стабилизации не отличается от эффективности стабилизации обычной схемы АРУ с обратным действием, т.е. в режиме стабилизации уровня выходного напряжения в устройстве-прототипе не реализуются условия, при которых изменение сигнала на входе не вызывает изменения сигнала на его выходе, что и является недостатком этого устройства.

Целью изобретения является повышение эффективности стабилизации уровня выходного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее входной регулируемый усилитель, первый регулятор, включенный между выходом и управляющим входом входного регулируемого усилителя, дополнительный регулируемый усилитель, второй регулятор, включенный между выходом и управляющим входом дополнительного регулируемого усилителя, причем каждый регулятор включает в себя, по крайней мере, последовательно соединенные детектор, фильтр нижних частот и вычитающее устройство, введены новые связи: суммирующий вход вычитающего усилителя первого регулятора подключен к выходу фильтра нижних частот второго регулятора, вычитающий вход вычитающего усилителя второго регулятора подключен к выходу фильтра нижних чстот первого регулятора, а вход дополнительного регулируемого усилителя является входом для подачи сигнала, величина которого обратно пропорциональна произведению крутизны регулировочной характеристики регулируемого усилителя и коэффициента передачи регулятора.

Такое устройство с автоматически изменяемым коэффициентом усиления, как бу- дет показано ниже, позволяет реализовывать более высокую эффективность стабилизации выходного напряжения (теоретически идеальную).

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 2, а на фиг. 3 для пояснения работы предлагаемого устройства приведена регулировочная характеристика регулируемых усилителей, где введены обозначения:

Ер - управляющее напряжение на управляющем входе регулируемого усилителя;

К- коэффициент усиления регулируемого усилителя;

Ко - коэффициент усиления регулируемого усилителя при нулевом управляющем напряжении (Ер 0);

, tg a S - крутизна регулировочной характеристики регулируемого усилителя.

Для пояснения работы на фиг. 4 приведен пример выполнения предлагаемого устройства, где введены обозначения:

Ui(t), U2(t)-напряжения на входах входного и дополнительного регулируемых уси- лителей;

Uebix.i(t), UBbix.2(t)- напряжения на выходах входного и дополнительного усилителей;

и вых.1 (t), Uebix.2 (t) - напряжения на вы- ходах фильтров нижних частот первого и второго регуляторов;

Epi(t), Ep2(t)-управляющие напряжения на управляющих входах входного и дополнительного регулируемых усилителей;

Ki(t), K2(t) - коэффициенты усиления входного и дополнительного регулируемых усилителей;

Кд1, Кд2 - коэффициенты передачи детекторов первого и второго регуляторов;

Кву1, КВу2 коэффициенты передачи вычитающих усилителей первого и второго регуляторов.

Результаты экспериментальной проверки эффективности стабилизации уровня выходного напряжения приведены на фиг. 5, где штриховой и сплошной линиями изображены графики зависимости выходного напряжения от уровня входного напряжения в устройстве АРУ, состоящем из двух последовательно соединенных схем АРУ с обратным действием, и пред1агаемом устройстве соответственно.

Предлагаемое устройство с автоматически изменяемым коэффициентом усиления (фиг. 2) содержит входной регулируемый усилитель 1 и первый регулятор 9, включенный между выходом и управляющим входом усилителя 1, дополнительный регулируемый усилитель 5 и второй регулятор 10, включенный между выходом и управляющим входом усилителя 5, первый регулятор 9 включает в себя, по крайней мере, соединенные последовательно детектор 2; фильтр 3 нижних частот и вычитающий усилитель 4, второй регулятор 10 включает в себя,- по крайней мере, соединенные последовательно детектор 6, фильтр 7 нижних частот и вычитающий усилитель 8, причем суммирующий вход вычитающего усилителя 4 регулятора 9 соединен с выходом фильтра 7 регулятора 10, а вычитающий вход усилителя 8 регулятора 10 соединен с выходом фильтра 3 первого регулятора 9.

Принцип работы предлагаемого устройства с автоматически изменяемым коэффициентом усиления будет ясен из приведенного ниже решения уравнения движения.

Пусть регулировочные характеристики обоих регулируемых усилителей 1 и 5, которые будем считать безынерционными, имеют вид. приведенный на фиг. 3 (т.е. описываются уравнением К Ко + SEP). Для упрощения расчетов положим также, что коэффициенты передачи детекторов 2 и 6 КД1 и КД2 удовлетворяют соотношению Кд 1 КД2 Кд 1, оба фильтра 3 и 7 нижних частот представляют собой однозвенные RC-филь-4 тры с постоянной времени Т RC и статическим коэффициентом передачи Кф 1, коэффициенты передачи обоих вычитающих усилителей 4 и 8 Кву1 и КВу2 удовлетворяют соотношению

Кву1 Кву2 Кву.

т.е. коэффициент передачи регулятора Кр Кву.Кд.Кф Кву

Тогда предлагаемое устройство будет иметь вид, представленный на фиг. 4, и описываться системой дифференциальных управлений:

Ki(t)u i(t) ) т + и вых, (t)

K2(t)U2(t) lyWCi) Т + и вых2 (t ) где Ki(t)Ko + SEPi(t)

K2(t) Ко + SEp2(t).

Ep1 Кр иВых2 (t) - 11вых1 (t) Ep2(t) Ep(t).

Путем несложных преобразований эта система уравнений сводится к линейному неоднородному дифференциальному уравнению первого порядка:

-f K(t){1 + (t) - U2(t)} Ко.

Решая его методом вариации произвольной постоянной при нулевых начальных условиях (при t 0, Ep(t) 0) и предположив, что

0 при t О Ui при t 0

0 при т О U2 при t 0,

получим: К«

Ко

1 +SKp(u i -U25

{1 + SKp(Ui -U;,/f r }. Т

где Г

- постоянная

1 + SK р(Ui - иТ) времени устройства.

В установившемся режиме при t- СДР

v ( .

M W- I +SKP(U i -UT)

При этом напряжения на выходах входного и дополнительного регулируемого усилителей 1 и 5 определяются формулами

UBb,xi KUi v

Ui К,,

UBb,x2 KU2 т

+SKP(U 1 U 2 Ко

SK р ( U 1

а эффективность стабилизации выходного сигнала В на выходе входного регулируемого усилителя 1 при изменении сигнала на его входе от 1Нмин до Учмакс формулой

R U выхЧ макс U 1макс U вых1 мин U 1уин

1 + SKP(U 1мин - U 2 ) 1 + S К рСТПмакс - U 2 )

(4)

Из полученных соотношений следуют свойства предлагаемого устройства, обус- ловливающие достижение поставленной цели.

Так, при условии

U2(t} const(5)

из (2) и (4) следует, что

Ко

иВых1

const,

SKP В 1.

Последние соотношения показывают, что предлагаемое устройство при выполнении условия (5) принципиально позволяет реализовать такой режим работы, при котором изменение уровня напряжения на входе входного регулируемого усилителя 1 не приводит к изменению уровня сигнала в установившемся режиме на выходе его, т.е. идеальную эффективность стабилизации выходного напряжения.

Кроме того, при U2(.t) j- cj/- и ПРИ условии SKP 1 из (2) и (3) следует, что предлагаемое устройство может осуществлять функциональные преобразования вида

у 1

U Bbixl

Ui -U2

и

35

U ВЫХЙ

U2 U1 -U2

ого те2) 3)

40

45

ого мона

Необходимо отметить, что анализ дифференциального уравнения, описывающего работу предлагаемого устройства, с помощью критерия Рауса-Гурвица (Гоноров- ский И.С. Радиотехнические цепи с сигналы. ML: Советское радио, 1971), показывает, что условием устойчивой работы предлагаемого устройства является неравенство (J2(t) Ui(t) t- тт- , что в некоторых

Olv р

специфических случаях может ограничить применение предлагаемого устройства, Одf-n нако в большинстве случаев это условие либо выполняется, либо могут быть приняты дополнительные меры для выполнения этого условия.

Эффективность стабилизации выходносс- го напряжения предлагаемым устройством экспериментально проверена с использованием двух серийно выпускаемых устройсге АРУ с обратным действием, используемых в измерительных генераторах.

Результаты экспериментальной проверки приведены на фиг. 5,(сплошная линия). Из графика видно, что предлагаемое устройство позволяет получить практически постоянный уровень выходного сигнала. Для сравнения на этой же фиг. 5 приведен график (штриховая линия), характеризующий эффективность стабилизации выходного напряжения двух последовательно соединенных обычных схем АРУ с обратным действием.

Формула изобретения Устройство с автоматически изменяемым коэффициентом усиления, содержащее входной регулируемый усилитель, первый регулятор, включенный между выходом и управляющим входом входного регулируемого усилителя, дополнительный регулируемый усилитель и второй регулятор, включенный между выходом и управляю-

щим входом дополнительного регулируемого усилителя, каждый регулятор включает себя по крайней мере последовательно соединенные детектор, фильтр нижних частот и вычитающий усилитель, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности в режиме стабилизации уровня выходного сигнала, суммирующий вход вычитающего усилителя первого регулятора подключен к выходу фильтра нижних частот второго регулятора, вычитающий вход вычитающего усилителя второго регулятора подключен к выходу фильтра нижних частот первого регулятора, а вход дополнительного регулируемого усилителя является входом для подачи сигнала, величина которого обратно пропорциональна произведению крутизны регулировочной характеристики регулируемого усилителя и коэффициента передачи регулятора.

Использование: радиотехника, измерительные системы, системы связи. Сущность изобретения: устройство с автоматически изменяемыми коэффициентом усиления содержит входной и дополнительный регулируемые усилители первый и в торой регуляторы, каждый из которых выполнен в виде детектора, фильтра нижних частот и вычитающего усилителя. Достоинством устройства является то, что изменение уровня сигнала на входе усилителя в широком диапазоне не приводит, по существу, к изменению уровня сигнала на его выходе. 5 ил.

ФиН

4мс/ .

Utmift)

&ЫХ1

Фиг 4

402 400- 393 - J9S (5j

л-x-:.

0, 0,2 4 0 0,5 46 q Q QS 0 j

Фиг. 5

WVJJ«rf

-К