Частотные характеристики систем радиоавтоматики 6 страница

Если , , , то структурная схема системы частотной автоподстройки упрощается и принимает вид, изображённый на рисунке 12.4.:

Рис. 12.4. Упрощённый вид структурной схемы частотной автоподстройки

13. Системы фазовой автоподстройки частоты (cистемы ФАП)

Эти системы применяются в радиоприёмных устройствах в качестве узкополосных следящих фильтров и демодуляторов сигналов с частотной и фазовой модуляцией.

Рис. 13.1. Функциональная схема системы ФАП

Колебания сигнала и подстраиваемого генератора (ПГ) поступают на устройство, называемое фазовым дискриминатором или фазовым детектором (ФД). При рассогласовании указанных колебаний по фазе на выходе фазового детектора появляется напряжение, зависящее от величины и знака этого рассогласования. Пройдя через фильтр нижних частот выходное напряжение детектора изменяет частоту колебаний подстраиваемого генератора. Так как изменение фазы колебания равно интегралу от его мгновенной частоты, то при изменении частоты колебаний подстраиваемого генератора меняется и их фаза.

Cущественное различие фильтров, построенных на базе систем ЧАП и ФАП состоит в том, что при использовании системы ЧАП информация о начальной фазе фильтруемого сигнала теряется. В системе ФАП напряжение подстраиваемого генератора с точностью до ошибки слежения воспроизводит не только частоту, но и фазу выделяемого сигнала.

На вход фазового детектора поступает напряжение , представляющее собой смесь сигнала и шума.

, (13.1)

где

- фаза сигнала,

- начальная фаза,

- частота сигнала.

Напряжение подстраиваемого генератора:

, (13.2)

где

- фаза колебаний подстраиваемого генератора.

На выходе фазового детектора формируется напряжение, зависящее от разности фаз колебаний сигнала и подстраиваемого генератора:

(13.3)

Если не учитывать инерционность фазового детектора, то его выходное напряжение можно представить в виде:

, (13.4)

где

- математическое ожидание выходного напряжения, зависящее от разности фаз ;

- флюктуационное напряжение, не зависящее от .

- дискриминационная характеристика фазового детектора, вычисляемая по формуле:

, (13.5)

где

- коэффициент пропорциональности.

Управляющее напряжение , снимаемое с фильтра нижних частот, связано с напряжением линейным дифференциальным оператором :

(13.6)

Так как в фазовом детекторе напряжения сигнала и подстраиваемого генератора сравниваются по фазе, необходимо от частоты подстраиваемого генератора перейти к его фазе :

, (13.7)

где

- начальная фаза подстраиваемого генератора.

Структурная схема системы фазовой автоподстройки приведена на рисунке 13.2.

Рис 13.2. Cтруктурная схема системы ФАП

Блок отображает в этой схеме операцию интегрирования, соответствующую (13.7).

14. Системы слежения за временным положением импульсного сигнала

Применяются для выделения импульсного периодического сигнала на фоне помех в импульсных радиолиниях связи, в радиолокационных приёмниках и других устройствах.

14.1 Функциональная схема радиолокационного приёмника импульсных некогерен тных сигналов и временного автоселектора

Данная функциональная схема приведена на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Функциональная схема радиолокационного приёмника импульсных некогерентных сигналов и временного автоселектора

На схеме приняты следующие обозначения: СМ – смеситель, Г – гетеродин, УПЧ – усилитель промежуточной частоты, АД – амплитудный детектор, ВУ – видеоусилитель.

Для уменьшения действия помех приёмное устройство открывается (стробируется) периодически лишь на короткие интервалы времени, определяемые длительностью стробирующих импульсов. Эти импульсы формируются генератором импульсов (ГИ), входящего в состав временного автоселектора. Элементы схемы, образующие временной автоселектор, обведены обведены на рис. 14.1. штриховой линией.

Для того, чтобы импульсы сигнала могли пройти через приёмное устройство, необходимо совместить с ними во времени стробирующие импульсы. Это обеспечивается работой временного автоселектора.

Генератор импульсов формирует помимо стробирующего импульса, который открывает приёмник, ещё два следящих импульса. Cледящие импульсы подаются на временной дискриминатор (ВД), куда поступают также импульсы сигнала с выхода видеоусилителя. На выходе ВД формируется напряжение, зависящее от рассогласования между временным положением импульса сигнала и следящих импульсов. Так как стробирующий и следящие импульсы жёстко связаны между собой, то величина равна также сдвигу между импульсом сигнала и стробирующим импульсом.

Выходное напряжение дискриминатора сглаживается фильтром нижних частот и поступает в качестве управляющего на устройство регулируемой задержки (УРЗ). В этом устройстве опорный импульс , поступающий от передатчика радиолокационной станции (РЛС), задерживается на некоторый временной интервал и запускает генератор импульсов (ГИ), определяя тем самым положение стробирующих и следящих импульсов. Управляющее напряжение, снимаемое с выхода фильтра нижних частот, изменяет величину задержки так, что временной сдвиг между сигнальными и следящими импульсами уменьшается. При изменении временного положения импульсов сигнала, вызванном, например, изменением дальности до цели, происходит соответствующее перемещение следящих импульсов, и в схеме осуществляется автоматическое сопровождение цели по дальности.

14.2. Структурная схема временного автоселектора

Временной автоселектор отображает процесс слежения за временным положением импульсного сигнала.

Преобразования, происходящие в автоселекторе, который рассматривается как непрерывная система, описываются следующими соотношениями:

1) временной сдвиг между положением сигнальных и следящих импульсов равен:

,

причём под положением следящих импульсов понимается положение их общего фронта. За начало отсчёта величин и примем положение опорного импульса .

2) При анализе автоселектора достаточно рассматривать выходное напряжение дискриминатора, усреднённое за период повторения импульсов:

,

где

- математическое ожидание выходного напряжения,

- флюктуационная составляющая напряжения.

4) В состав фильтра в автоселекторе обычно включают один или два интегратора. Напряжение на выходе фильтра при этом равно:

где

- операторный коэффициент передачи фильтра.

4)Обычно зависимость величины задержки в устройстве регулируемой задержки от управляющего напряжения является безынерционной. Если она, кроме того, линейна, то выполняется соотношение:

,

где

- крутизна регулировочной характеристики,

- значение задержки при отсутствии управляющего напряжения.

Cтруктурная схема временного автоселектора приведена на рис. 14.4.

Рис. 14.4. Cтруктурная схема временного автоселектора

15. Угломерные следящие системы

Системы автоматического слежения за направлением прихода радиосигнала широко используются в радиолокации, радионавигации, радиоуправлении для измерения угловых координат источника сигнала. Поэтому их часто называют угломерными следящими системами.

15.1.Функциональная схема системы углового сопровождения

Функциональная схема системы углового сопровождения приведена на рис. 15.1.

Рис.15.1. Функциональная схема системы углового сопровождения

На схеме приняты следующие обозначения: ФНЧ – фильтр нижних частот, У – усилитель, ИУ – исполнительное устройство.

Пеленгационное устройство играет роль углового дискриминатора и состоит из антенны и приёмника, в котором проводится обработка принятого радиосигнала. При отклонении источника сигнала (ИС) от некоторого направления, являющегося равносигнальным направлением антенны (РН) на выходе пеленгационного устройства появляется напряжение , зависящее от величины и знака этого отклонения. Напряжение далее фильтруется, усиливается и воздействует на исполнительное устройство. Исполнительное устройство изменяет положение антенны или состояние её отдельных элементов так, что равносигнальное направление антенны смещается в пространстве и исходное угловое рассогласование между ним и направлением на источник сигнала уменьшается.

15.2. Математическое описание системы углового сопровождения

Угловое положение источника сигнала в пространстве обычно оценивается углами и , отсчитываемыми в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: горизонтальной (плоскость азимута) и вертикальной (плоскость угла места).

Cоставим уравнения, описывающие поведение угломерной следящей системы, рассматривая для простоты случай движения в одной плоскости.

Обозначим: - угловое положение источника сигнала в некоторой опорной системе координат, - угловое положение равносигнального направления антенны в некоторой опорной системе координат.

Угловое рассогласование, выявляемое пеленгатором, вычисляется по формуле:

(15.1)

Напряжение на выходе пеленгатора вычисляется по формуле:

, (15.2)

где

- детерминированная составляющая,

- флюктуационная составляющая.

Зависимость выходного напряжения пеленгатора от рассогласования называется пеленгационной характеристикой.

Преобразование напряжения фильтром с операторным коэффициентом передачи описывается выражением:

. (15.3)

Исполнительное устройство можно считать линейным и описать уравнением:

, (15.4)

где - операторный коэффициент передачи исполнительного устройства.

Структурная схема системы углового сопровождения, соответствующая формулам (15.1)-(15. 4) приведена на рис. 15.2.:

Рис.15.2. Cтруктурная схема системы углового сопровождения

16. Системы автоматической регулировки усиления

Эти системы широко применяются в радиоприёмных устройствах и предназначены для того, чтобы обеспечить стабильность уровня сигнала на выходе усилителя при изменениях уровня входного сигнала. Например, в связных и радиолокационных приёмниках изменение входного сигнала вызывается изменением расстояния до передатчика или до лоцируемого объекта, амплитудными флюктуациями сигнала и может достигать уровня 60-100дб. В этой ситуации нормальная работа приёмника нарушается. Таким образом, желательно ограничить пределы изменения уровня сигнала в приёмнике на выходе усилителя. При этом необходимо сохранить и мало исказить полезную амплитудную модуляцию сигнала. Эта задача решается системой автоматической регулировки усиления (АРУ).

Cистемы АРУ делятся на три основных типа:

1) c обратной связью (c обратным действием);

2) без обратной связи (прямого действия);

3) комбинированные.

На рис.16.1. показана схема распространённой системы АРУ «назад», в которой реализуется принцип управления по рассогласованию.

Рис. 16.1. Функциональная схема АРУ “назад”

Входное напряжение поступает на усилитель (РУ) с регулируемым коэффициентом усиления. Выходное напряжение усилителя подвергается амплитудному детектированию в детекторе (Д). Напряжение с выхода детектора проходит через фильтр нижних частот и поступает в виде регулирующего напряжения на усилитель, изменяя его коэффициент усиления . Эффект стабилизации уровня выходного напряжения усилителя достигается тем, что величина при увеличении уровня входного сигнала уменьшается, а при уменьшении входного сигнала повышается.

Зависимость коэффициента усиления от величины регулирующего напряжения называют регулировочной характеристикой усилителя. В общем случае эта зависимость является линейной. Часто её аппроксимируют линейной зависимостью вида:

, (16.1)

где - значение коэффициента усиления при нулевом регулирующем напряжении, - крутизна регулировочной характеристики усилителя.

При отсутствии ограничения в усилителе амплитуда выходного напряжения связана с амплитудой входного сигнала соотношением:

. (16.2)

При линейном режиме детектирования выходное напряжение детектора определяется выражением:

(16.3)

где - коэффициент передачи детектора, - напряжение задержки.

Выходное напряжение фильтра описывается уравнением:

, (16.4)

где - операторный коэффициент передачи фильтра.

Введём обозначения: - нелинейная зависимость вида:

Cтруктурная схема системы АРУ, построенная в соответствии с уравнениями (16.1)-(16.4), показана на рис. 16.3.

Рис.16.3. Cтруктурная схема системы АРУ

Литература

1. Первачёв C.В. Радиоавтоматика, М.: Радио и связь

2. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика, М.: Высшая школа

Приложение

Преобразования Лапласа наиболее часто встречающихся функций

№			№

Cодержание

Введение. 3

1.Принципы построения систем автоматического управления (САУ) 3

1.1.Функциональная схема разомкнутой системы.. 3

1.2.Функциональная схема замкнутой системы радиоавтоматики. 3

1.3. Классификация систем радиоавтоматики…………………………………………………….7

2. Методы математического описания элементов и систем автоматического управления. 3

2.1. Передаточная функция. 3

2.2 Переходная и импульсная переходная функции. 3

2.3.Частотные характеристики систем радиоавтоматики. 10

2.4.Типовые звенья. 11

3. Структурные схемы и передаточные функции САУ.. 13

3.1 Виды соединений звеньев в системах радиоавтоматики. 13

3.1.1.Последовательное соединение типовых звеньев. 13

3.1.2.Параллельное соединение звеньев. 13

3.1.3.Соединение звеньев по схеме с обратной связью.. 16

3.2 Передаточные функции. 17

3.2.1.Передаточные функции разомкнутой и замкнутой системы.. 17

3.2.2.Передаточная функция рассогласования. 17

3.2.3. Передаточные функции статических и астатических систем.. 20

3.2.4.Передаточные функции многоконтурных систем.. 22

4. Анализ устойчивости линейных непрерывных стационарных САУ.. 22

4.1 Постановка задачи устойчивости. 22

4.1.1. Необходимое условие устойчивости. 24

4.2 Критерий устойчивости Гурвица. 24

4.3 Частотные критерии устойчивости. 26

4.4 Запасы устойчивости. 28

4.4.1. Оценка устойчивости по логарифмической частотной характеристике. 29

4.4.2.Устойчивость систем с запаздыванием.. 30

5. Качество переходных процессов в САУ.. 30

5.1 Постановка задачи анализа качества работы систем радиоавтоматики. 30

5.2 Методы анализа детерминированных процессов в линейных стационарных системах. 31

5.2.1.Типовые входные воздействия. 32

5.3. Показатели качества переходного процесса в системе радиоавтоматики. 32

5.4. Частотные показатели качества. 35

6.Анализ точности работы систем.. 36

7. Анализ случайных процессов в САУ в установившихся режимах. 39

7.1 Cуммарная ошибка системы.. 39

7.2 Эффективная полоса пропускания системы.. 42

7.3 Оптимизация параметров радиотехнической следящей системы.. 43

8. Нелинейные режимы работы САУ и методы их анализа. 44

8.1 Особенности нелинейных систем.. 44

8.2 Метод фазовой плоскости. 45

8.3 Методы кусочно-линейной аппроксимации и гармонической линеаризации. 45

8.3.1.Метод кусочно-линейной аппроксимации. 45

8.3.2.Метод гармонической линеаризации. 46

8.3.3.Характеристика с ограничением.. 47

8.4 Методы статистической линеаризации и моделирования. 3

8.5 Полоса удержания и захвата. 49

9.Математическое описание дискретных систем.. 50

9.1 Функциональная схема системы с прерывистым входным сигналом.. 50

9.2 Математический аппарат Z-преобразования. 51

9.2.1.Cвойства Z-преобразования. 3

9.3 Передаточные функции дискретных систем.. 3

9.3.1. Пример дискретной системы……………………………………………………………….53

9.3.2. Разностные уравнения………………………………………………………………………55

9.3.3.Операторные коэффициенты передачи. 55

9.3.4.Комплексные коэффициенты передачи дискретной системы.. 56

9.4 Условия устойчивости дискретных САУ.. 56

9.4.1. Алгебраический критерий устойчивости дискретной САУ………………………… …56

9.4.2.Частотный критерий устойчивости дискретной САУ.. 57

9.5 Анализ детерминированных процессов в дискретных системах. 58

10. Цифровые системы автоматического управления. 58

10.1 Общая характеристика цифровых следящих систем.. 58

10.2 Общая структура цифровой радиотехнической системы.. 59

10.2.1 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 59

10.2.2 Цифровые фильтры.. 61

10.2.3 Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 61

10.3 Cтруктурная схема цифровой системы.. 62

10.4 Анализ устойчивости цифровых систем.. 63

10.4.1.Критерий Гурвица. 63

11. Принципы построения радиотехнических САУ.. 64

11.1 Обобщённая функциональная схема радиотехнической САУ.. 64

11.2 Обобщённая структурная схема радиотехнической следящей системы, отображающей процесс автоматического слежения за параметром сигнала. 65

12. Системы частотной автоподстройки частоты.. 66

12.1 Функциональная схема АПЧ.. 67

12.2. Математическое описание системы АПЧ.. 67

13. Системы фазовой автоподстройки частоты (cистемы ФАП)…………………………........70

14. Системы слежения за временным положением импульсного сигнала. 73

14.1 Функциональная схема радиолокационного приёмника импульсных некогерентных сигналов и временного автоселектора. 73

14.2. Структурная схема временного автоселектора. 74

15. Угломерные следящие системы.. 75

15.1.Функциональная схема системы углового сопровождения. 76

15.2. Математическое описание системы углового сопровождения. 76

16. Системы автоматической регулировки усиления. 77

Литература. 79

Приложение. 79

Дата добавления: 2015-04-29