Устройство с автоматически изменяемым коэффициентом усиления

 

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.

СОЮЗ COBETCI VIX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

s Н 03 G 3/20

ГОСУДАРСТВЕННОЕ Г АТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В 0 вых.макс U вх.макс

U вых.мин U вх.мин

0 х ин+1

S К р U вх макс + " (21) 4677526/09 (22) 11.09.89 (46) 23. l2.92. Бюл. ¹ 47 (71) Конструкторское бюро измерительных приборов "Квазар" (72) Л,Н.Коновалов (56) Крисилов Ю.Д. Автоматическая регулировка и стабилизация усиления транзисторных схем, M.: Сов.радио, 1972. С. 197. (54) УСТРОЙСТВО С АВТОМАТИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЕМЫМ КОЗФФИ4ИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ

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 помощь ю которых решают задачи стабилизации выходного напряжения, коэффициента усиления, деления амплитуд двух сигналов и т.д.

Известно однопетлевое у=тройство автоматической регулировки усиления (APY) с обратным действ |ем, содержащее регулируемый усилитель, охваченный петлей обратной связи, предназначенное для стабилизаций уровня выходного напряжения. Рабата такого устройства АРУ достаточно подробна описана в литературе.

„,. Ж„„1783604 А1 (57) Использование: радиотехника, измерительные системы, системы связи, Сущность изобретения: устройство с автоматически изменяемыми коэффициентам усиления содержит входной и допслнительный регулируемые усилители первый и второй 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 s широком диапазоне не приводит, по существу, к изменению уровня сигнала íà его выходе. 5 ил.

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 Овх.мин и Овх.макс такого уСтройства АР У (Радио п ри е м н ые устройства. Под редакций Н,В.Боброва. М,; Советское радио, 1971. С. 357) определяется формулой где S — крутизна регулировочной характеристики регулируемого усилителя;

1783604 управляющим входом усилителя 1, дополни- 55 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, посл,.",доиа гельно соединенные детектор

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

0вых.макс 0вых.мин соответственно максимальное и минимальное напряжения нэ 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 напряжения). Практически величина В лежит в пределах 1,1-10.

Известны устройства АРУ, позволяющие повысить эффективность стабилизации выходного уровня. К их числу относится устройство АРУ прямого действия (см. Кривицкий Б.Х., Салтыков Е. Г. Системы автоматической регулировки усиления. М.:

Радио и связь, 1982, С 5, рис. 1.1б), содержащее регулируемый усилитель и цепь управления 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 стабильностью и специальными характеристиками (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 устройства; на фиг. 3 — регулировочная характеристика регулируемых усилителей; на фиг. 4 — пример выполнения предлагаемого устройства; на фиг. 5 — результаты экспериментальной проверки эффективности стабилизации уровня выходного напряжения, Устройство-прототип содержит входной регулируемый усилитель 1, первый регулятор 9, включенный между выходом и

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 Uz = const) эффективность стабилизации его устройством-прототипом В определяется формулой аых1.макс 0 1макс

В—

U аых1.мин 0 1мин из которой следуют очевидные выводы, что наиболее эффективная стабилизация уровня выходного сигнала достигается при напряжении на входе дополнительного регулируемого усилителя Uz = 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 подкл,очен к выходу фильтра нижних зстот первого регулятора, а вход дополнительного регулируемого усилителя является входом для подачи сигнала, вели1783604

KBy1 = Квуг = Кву.

55 чина которого обратно пропорциональна произведению крутизны регулировочной характеристики регулируемого усилителя и коэффициента передачи регулятора.

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

Функциональная схема предлагаемого устройства г:риведена 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 вЂ” коэффициент усиления регулируемого усилителя;

Ко — коэффициент усиления регулируемого усилителя при чулевом управляющем напряжении (Ер = О);

tg а = S — крутизна регулировочной характеристики регулируемого усилителя.

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

Ос(с), Ог(с) — напряжения на входах входного и дополнительного регулируемых усилителей;

Овых.1(t) Овых.2(t) — напряжения на выходах входного и дополнительного усилителей; (t

Овых.1 (t)y Овых.г (с) — напряжения на выходах фильтров нижних частот первого и второго регуляторов;

Ep1(t), Ерг(с) — УпРавлЯющие напРЯжениЯ на управляющих входах входного и дополнительного регулируемых усилителей;

Kt(t), Кг(с) — коэффициенты усиления входного и дополнительного регулируемых усилителей;

Кд1, Кдг — коэффициенты передачи детекторов первого и второго регуляторов, Кву1, Квуг — коэффициенты пеРеДачи вычитающих усилителей первого и второго регуляторов в.

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 хаоактеристики 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 Кдг удовлетворяют соотношению Кд1 = Кдг

= Кд = 1, оба фильтра 3 и 7 нижних частот представляют собой однозвенные RC-фильтры с постоянной времени Т = RC и статическим коэффициентом передачи Кф = 1, коэффициенты передачи обоих вычитающих усилителей 4 и 8 Кру1 и К,уг удовлетворяют соотношению т.е. коэффициент передачи регулятора

Kp = Кву Кд Кф = Кву

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

Kq(t)Uq(t) = "" - Т + U в„ы,х„q (с ) I

K2(t)U2(t) = — - — - — Т + U выхг (t )

tnt где К1(с) = Ко+ SFp (t)

1783604

K2(t) = Ko + SEp2(t), Опрйт<0 и 1(t) =

01прит 0

О при т< 0

U2(t) =

02 прит 0, получим:

U1 вых1

1 2 где постоянная

К. о.

1 + SK ð (U 1 — 02) 0 вых1,мин U 1мин

I I

Ep1 = Kp(UBblx2 (4) 08blx1 (t)) = Ep2(t) Ep(t), Путем несложных преобразований эта система уравнений сводится к линейному неоднородному дифференциальному уравнению первого порядка:

+ K(t)(1 + SKp(U1(t) U2(l)j} = КО

dK c

Решая его методом вариации произвольной постоянной при нулевых начальных условиях (при с = О, Ер(с) = О) и предположив, что

K(t) =

1 +SKр7Р1 — U2

{1+ SK,(01-0,ii }, времени устройства.

В установившемся режиме при t—

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

О 1 К.

Вых1 01 1 + SK (U 0 ) (2) 2- Ä+SK U U (3) 012 Ко

1+Якр 01 — 02 а эффективность стабилизации выходного сигнала В на выходе входного регулируемого усилителя 1 при изменении сигнала на

ЕГО ВХОДЕ От 01 ДО 01макс - фОРМУЛОй

В 0 вых1.макс 0 1макс

+В Кр(01мии 02)

1 + S К р (0 1макс — U 2 ) ® соотношений свойства предлагаемого устройства, обус5 ловливающие достижение поставленной цели.

Так, при условии

U2(t) = = const

= SK,= (5)

"0 из (2) и (4) следует, что

К

Овых1 = о

SK, = const, В =1.

Последние соотношения показывают, что предлагаемое устройство при выполнении условия (5) принципиально позволяет реализовать такой режим работы, при котором изменение уровня напряжения на вхо20 де входного регулируемого усилителя 1 не приводит к изменению уровня сигнала в установившемся режиме на выходе его, т.е. идеальную эффективность стабилизации выходного напря>кения, 25 Кроме того, при 02(t) j — и при усло1

SK p вии SKp» 1 из (2) и (3) следует, что предлагаемое устройство может осуществлять функциональные преобразования вида

35 0 вых2 " О

01 02

Необходимо отметить, что анализ дифференциальногоо уравнения, описывающего

40 работу предлагаемого устройства,. с помощью критерия Рауса-Гурвица (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи t; сигналы. М,: Советское радио. 1971), показывает, что условием устойчивой работы

45 предлагаемого устройства является нера венство U2(t) < Оф) 1- с,, что в некоторых

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

Эффективность стабилизации выходного напряжения предлагаемым устройством экспериментально проверена с использованием двух серийно выпускаемых устройсге

АРУ с об ратн ым действием, используемых в измерительных генераторах, 1783604

Результаты экспериментальной проверки приведены на фиг. 5 (сплошная линия). Из графика видно, что предлагаемое устройство позволяет получить практически постоянный уровень выходного сигнала. 5

Для сравнения на этой же фиг. 5 приведен график (штриховая линия), характеризующий эффективность стабилизаций выходного напряжения двух последовательно соединенных обычных схем АРУ с обратным 10 действием.

Формула изобретения

Устройство с автоматически изменяемым коэффициентом усиления, содержащее входной регулируемый усилитель, первый 15 регулятор, включенный между выходом и управляющим входом входного регулируемого усилителя, дополнительный регулируемый усилитель и второй регулятор, включенный между выходом и управляю- 20 щим входом дополнительного регулируемого усилителя, каждый регулятор включает себя по крайней мере последовательно сое-диненные детектор, фильтр нижних частот и вычитающий усилитель, о т л и ч а ю щ е ес 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 регулиауPl емого усилителя является входом для подачи сигнала, величина которого обратно пропорциональна произведению крутизны регулировочной характеристики регулируемого усилителя и коэффициента передачи регулятора, Ьх./

1783604 к/

1783604 цт а8 оа <о ц(В) 03 04 О

Cue, 5

Редактор

Заказ 4521 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производсгвенно и;ще гольский комбинат "Патент", r. Ужгород. yn,Гагарина, 101

Составитель Л.Коновалов

Техред М,Моргентэл Корректор Н.Ревская