Радиоавтоматика
 Скачать 2.39 Mb.
|
|
3.3 Система автоматической подстройки частоты · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Системы автоматической подстройки частоты (АПЧ) применяются для стабилизации частоты генерируемых колебаний, слежения за частотой сигнала в радиоприёмных устройствах, в де- модуляторах частотно-модулированных колебаний с обратной свя- зью по частоте и др. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Функциональная схема АПЧ супергетеродинного приёмника (рис. 3.8) со- держит в своём составе смеситель, усилитель промежуточной частоты, частот- ный дискриминатор, фильтр низкой частоты и управитель гетеродина. Входной сигнал с ( ) U t с частотой c ω преобразуется в смесителе в напряжение промежу- точной частоты пр ω , затем усиливается усилителем промежуточной частоты и подаётся на частотный дискриминатор (ЧД). Если промежуточная частота пр ω отличается на ω от ее номинального значения пр0 ω , то на выходе ЧД возникает напряжение, значение и знак которого зависят от значения и знака отклонения промежуточной частоты ω . Напряжение с ЧД ЧД U через ФНЧ подаётся на ге- теродин, частота которого перестраивается, обеспечивая минимальное рассогла- сование значения пр ω от номинальной частоты пр0 ω Отклонение промежуточной частоты сигнала пр ω от номинального значе- ния [3, 4]: пр пр0 с Г ω , ω ω ω ω (3.6) где пр с Г ω ω ω , с с0 с ω ω ω – частота входного сигнала; Г Г0 Г ω ω ω – частота гетеродина; с ω , Г ω – отклонение частот входного сигнала и гетеро- дина от номинальных значений c0 ω , Г0 ω . 26 U чд Г U Г (t) U пр пр с U с (t) СМ ФНЧ УПЧ ЧД УГ Рис. 3.8 – Функциональная схема системы автоматической подстройки частоты Напряжение на выходе ЧД является функцией отклонения промежуточной частоты от номинального значения, определяется выражением: ЧД ( ω). u F (3.7) Зависимость ( ω) F называют дискриминационной характеристикой (рис. 3.9). При малых значениях ω дискриминационная характеристика линейна, и выражение (2.7) принимает вид: ЧД ЧД ω, u k (3.8) где ЧД k – коэффициент передачи ЧД (крутизна дискриминационной характери- стики). u ЧД Рис. 3.9 – Дискриминационная характеристика частотного детектора Под действием напряжения, снимаемого с фильтра ф ф ЧД U K U , ф K – ко- эффициент передачи ФНЧ, частота гетеродина перестаивается на Г ф Г ω , K u (3.9) где Г K – коэффициент передачи управителя гетеродина (УГ). 27 Из выражений (3.6), (3.8) и (3.9) следует, что ошибка регулирования про- межуточной частоты в системе АПЧ может быть определена по выражению: c 1 ω ω , 1 K (3.10) где ЧД ф Г K K K K – коэффициент передачи системы АПЧ. Уравнениям (3.6)–(3.10) соответствует структурная схема, представленная на рисунке (рис. 3.10). Г Г n(t) с УГ ЧД F() ФНЧ Рис. 3.10 – Структурная схема системы АПЧ Структурная схема системы АПЧ учитывает дестабилизирующие фак- торы, влияющие на точность ее работы: n(t) – флуктуационная составляющая напряжения, поступающая с дискриминатора; Г δω – нестабильность гетеродина. 3.4 Система фазовой автоподстройки частоты · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) при- меняются в радиоприёмных устройствах, перестраиваемых по ча- стоте генераторов высокостабильных колебаний и других устройств. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Функциональная схема системы ФАПЧ предназначена для стабилизации частоты подстраиваемого генератора по сигналу высокостабильного эталонного генератора (рис. 3.11). Объектом управления в системе ФАПЧ является перестраиваемый генера- тор (ПГ), частота колебаний (или фаза) напряжения которого изменяется в зави- симости от напряжения, вырабатываемого управляющим элементом, при этом 28 напряжение ПГ остаётся неизменным. Частота напряжения ПГ является выход- ным сигналом (ЭГ) системы ФАПЧ, на которую действует напряжение от эта- лонного генератора с частотой э ω . Этот сигнал является управляющим воздей- ствием. Измерителем рассогласования является фазовый детектор (ФД), выход- ной сигнал которого является нелинейной периодической функцией разности фаз сигналов, подаваемых от ЭГ и ПГ. Сигнал с ФД через ФНЧ подаётся на управляемый элемент (УЭ), который перестраивает частоту ПГ, приближая ее к частоте ЭГ. В установившемся режиме в системе устанавливается постоянная разность фаз между напряжениями э u и Г u , при этом напряжение на выходе ФД также будет постоянным, в результате чего частота сигнала с ПГ окажется рав- ной частоте сигнала ЭГ. U у Г U Г э U э ПГ ФД ФНЧ УЭ ЭГ Рис. 3.11 – Функциональная схема системы ФАПЧ Начальное рассогласование от ЭГ и ПГ определяется как: Н Э ГН ω ω ω , (3.11) где Н Г ω – начальная частота сигнала ПГ [5]. После включения системы ФАПЧ частота сигнала ПГ будет описываться выражением: Г ГН ГУ ω ω ω . (3.12) Частотная составляющая ГУ ω возникает из-за перестройки частоты ПГ и определяется выражением: ГУ Г УЭ ФД Г УЭ ω (φ), k k u k k F (3.13) 29 где Г k – коэффициент передачи ПГ по частоте; УЭ k – коэффициент передачи УЭ; д k – коэффициент передачи ФД, равным максимальному напряжению на выходе ФД; φ – разность фаз напряжений ЭГ и ПГ; (φ) F – дискриминационная харак- теристика. Важным параметром систем ФАПЧ является величина полосы захвата. Под полосой захвата понимается диапазон первоначальных расстроек между ча- стотами сигнала и подстраиваемого генератора, в пределах которого обеспечи- вается переход к режиму слежения за частотой. Для оценки максимально допустимого рассогласования используется по- лоса удержания, определяемая выражением: УД Г УЭ Д ω , k k k (3.14) результат имеет размерность круговой частоты. С учётом (3.13) и (3.14) частота ПГ может быть определена по следующей формуле: Г ГН УД ω ω ω (φ). F (3.15) Разность фаз сигналов ЭГ и ПГ определяется выражением: 0 Э Г 0 φ φ ω ω , t dt (3.16) Из формулы (3.16) следует, что производная Э Г φ ω ω . (3.17) Уравнение (3.17) является основным дифференциальным уравнением си- стемы ФАПЧ, показывающим, что в любой момент времени алгебраическая сумма разности частот Э Г ω ω и расстройки является постоянной величиной, равной начальному рассогласованию частот сигналов ЭГ и ПГ. Отличие структурной схемы системы ФАПЧ, приведённой на рисунке (рис. 3.12), от системы АПЧ (рис. 3.10) состоит в наличии в системе ФАПЧ ин- тегрирующего звена , с передаточной функцией 1/ W p , производящего мате- матическую операцию интегрирования в соответствии с формулой (3.16). 30 Интегрирующее звено и возмущающее воздействие n(t) учитывают влия- ние на качество работы системы флуктуационной составляющей напряжения, а воздействие Г δω – влияние нестабильности частоты ПГ. Г Г n(t) с ПГ k Д ФНЧ УЭ F() Рис. 3.12 – Структурная схема системы ФАПЧ 3.5 Система автоматического сопровождения цели РЛС · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Радиолокационная станция сопровождения (РЛС) предназна- чена для автоматического измерения составляющих угла отклонения линии визирования в системе координат 0 с с с X Y Z , связанной с лета- тельным аппаратом (рис. 3.13, а). · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Антенное устройство РЛС устанавливается в карданном подвесе, наружная рамка которого вращается в горизонтальной, а внутренняя – в вертикальной плос- костях (рис. 3.13, б). Антенна связана с системой координат 0 А А А X Y Z , ось 0 А X нормальна к плоскости внутренней рамки карданного подвеса и совпадает с про- дольной осью антенны. Для измерения углов отклонения линии визирования в го- ризонтальной φ y и вертикальной φ z плоскостях на рамках карданного подвеса ис- пользуют аналоговые или цифровые датчики. Радиолокационные станции сопровождения строятся как моноимпульсные (одноимпульсные) системы, в которых измерение угловых координат сопровожда- емой цели осуществляется по одному отражённому от цели импульсу [2–4]. Радиолокационные системы – многоканальные устройства. Двухканальные РЛС требуются для измерения составляющей угла отклонения линии визирования в горизонтальной плоскости по одному каналу и измерения в вертикальной плос- кости по второму. Для этого в антенне РЛС, в горизонтальной и вертикальной 31 плоскостях, формируются две остронаправленные перекрещивающиеся диа- граммы направленности (рис. 3.14, а). X с X А Z с Z А Y А Y с б) y z z z 0 Y А X с Z с Z А X А Y с а) Рис. 3.13 – Диаграмма направленности углов отклонения линии визирования (а) и схема карданного подвеса антенны РЛС (б) 0 Е 1 Е 2 е ЛВ PCH 0 e S а) б) ΣU ΔU E 1 E 2 Рис. 3.14 – Диаграмма направленности (а) и пеленгационная характеристика РЛС (б) Диаграммы направленности разнесены относительно равносигнального направления (РСН) на постоянный угол 0 θ . Если линия визирования (ЛВ) откло- нена от РСН на угол e , который является сигналом рассогласования в системе автосопровождения, то сигналы, принятые по диаграммам направленности, бу- дут различными: сигнал 1 E , принятый по верхней диаграмме направленности, будет больше сигнала 2 E , принятого по нижней диаграмме: 32 1 0 0 2 0 0 ; , A A E E k eE E E k eE (3.18) где 0 E – сигнал, принимаемый по РСН; А k – постоянный коэффициент; А k – по- стоянный коэффициент. Разность амплитуд принятых сигналов p 1 2 0 2 A E E E K eE (3.19) пропорциональна углу отклонения линии визирования от РСН. Для того чтобы исключить влияние на измерение напряжения, пропорционального углу откло- нения e от абсолютных значений принимаемых сигналов 1 E и 2 E , разностный сигнал (3.19) нормируется суммарным сигналом: c 1 2 0 2 E E E E (3.20) В этом случае отношение амплитуды разностного сигнала (3.19) к ампли- туде суммарного сигнала, определённой формулой (3.20), можно записать в виде: p c A E k e S E (3.21) и пропорционально углу отклонения линии визирования от РСН. Зависимость (3.21) называют пеленгационной характеристикой (рис. 3.14, б). Эта характери- стика определяет коэффициент передачи приёмника РЛС, допустимый диапазон угла рассогласования от РСН. Реализация соотношения (3.21) в моноимпульсном приёмнике системы ав- тосопровождения (рис. 3.15) обеспечивается использованием системы АРУ [3, 4, 1]. Суммарный сигнал (3.20) является также опорным сигналом для фазового де- тектора системы автосопровождения, напряжение на выходе которого будет фд фд , A u k k e (3.22) где фд k – коэффициент передачи фазового детектора. 33 U фд (t) Разностный канал СМ с УПЧ ФД СМ р УПЧ Г АРУ ФВ Суммарный канал ВЛМ – + Е с Е р Рис. 3.15 – Функциональная схема моноимпульсного приёмника системы автосопровождения РЛС Структурная схема системы автосопровождения РЛС представлена на ри- сунке 3.16, а. Из схемы видно, что напряжение с приёмника через корректирую- щее устройство подаётся на усилитель мощности, на который поступает и сигнал со схемы местной обратной связи. Усилитель мощности вводится для обеспече- ния нормальной работы электрического двигателя, который через редуктор по- ворачивает антенну в направлении уменьшения сигнала рассогласования, не пре- вышающего в режиме сопровождения цели допустимого значения. С помощью корректирующего устройства, включённого после фазового детектора приём- ника и местной обратной связи, обеспечиваются устойчивость и необходимые динамические свойства системы автосопровождения цели радиолокационной станции. Система автосопровождения работает в условиях действия возмущающих воздействий. Основными из них являются следующие: флуктуация отраженного от цели радиолокационного сигнала; угловой шум, обусловленный перемеще- нием по цели центра отражения сигнала (блуждание блестящей точки); шум пер- вых каскадов приёмника. Эти возмущающие воздействия снижают точность ра- боты системы и учтены в модели системы в виде возмущающего воздействия n(t). Регулируемым параметром в системе автосопровождения цели является угол отклонения оси антенны РЛС φ A от продольной оси летательного аппарата 34 c 0X , а управляющим воздействием (входным сигналом) – угол отклонения ли- нии визирования ц φ . а) ЛВ Х с Х А ц е е А 0 А (t) ц (t) n(t) П КУ МОС УСМ ЭД Р А б) Рис. 3.16 – Структурная схема системы автоматического сопровождения РЛС (а) и отсчёт угла (б) Объект управления – антенна РЛС, состояние которой (угол отклонения и его производные) должно изменяться так, чтобы продольная ось антенны с необ- ходимой точностью была направлена на сопровождаемую цель, а производные от ее угла отклонения не превышали допустимых значений. 3.6 Система автоматического измерения дальности РЛС · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Система измерения дальности (дальномер) РЛС предназна- чена для измерения дальности до выбранной цели, информация о ко- торой используется в счётно-решающих устройствах систем наве- дения летательных аппаратов, навигационных комплексах и др. · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Принцип работы дальномера базируется на измерении сдвига между зон- дирующими импульсами, следуемыми через интервал времени T , и импульсами, отражёнными от цели. Отражённые от цели импульсы искажены шумами, по- этому непосредственное измерение дальности по времени задержки связано с 35 большими ошибками. Для повышения точности измерения в дальномере форми- руются следящие импульсы, временное положение которых относительно зон- дирующих импульсов оказывается пропорциональным дальности до цели и не- значительно зависит от шумов. Функциональная схема дальномера (рис. 3.17) содержит временной дис- криминатор, экстраполятор, фильтр нижних частот, временной модулятор и ге- нератор импульсов. U ф ЗИ ВМ ФНЧ ВД Э ГИ ОИ Рис. 3.17 – Функциональная схема дальномера импульсной РЛС В режиме измерения дальности отражённый от цели импульс через прием- ник поступает на первый вход временного дискриминатор, на второй – с генера- тора импульсов подаются два следующих друг за другом следящих импульса. Во временном дискриминаторе вырабатывается напряжение, пропорциональное рассогласованию временного положения отражённого импульса относительно оси симметрии следящих импульсов: д и д , R u k t t k t (3.23) где t – рассогласование по времени между отражённым и следящими импуль- сами; 2 / R t R c – время задержки отражённого импульса относительно зонди- рующего; и t – время задержки следящих импульсов; R – измеряемая дальность; c – скорость света. Если временное рассогласование t не равно нулю, то во временном дис- криминаторе вырабатываются два импульса, длительности которых определя- ются [3]: 36 1 2 τ τ ; 2 τ τ 2 t t (3.24) Импульсы эпюры напряжений ВД приведены на рисунке 3.18 с длительно- стями 1 τ и 2 τ детектируются, а разность полученных напряжений является вы- ходным напряжением временного дискриминатора д u . 2 1 t U ф U 2 U 1 U ги U ои U зи T t T R t t и t t и t t и t t и t Рис. 3.18 – Эпюры напряжений временного дискриминатора На каждом периоде измерения дальности напряжение с выхода временного дискриминатора фиксируется экстраполятором и сбрасывается до нуля перед при- ходом следующей пары импульсов. Напряжение с экстраполятора через ФНЧ по- даётся на временной модулятор, который зондирующим импульсом, задержан- ным на время, пропорциональное сигналу с ФНЧ, запускает генератор импульсов 37 (ГИ), который формирует два следящих импульса. Полученный замкнутый кон- тур рассогласование t сводит к минимальному значению, определяющему ошибку измерения дальности. Для повышения точности измерения дальности включают два интегратора. В такой системе ошибка измерения дальности при измерении расстояния до цели по линейному закону равна нулю. При этом информация об измеряемой дально- сти может быть получена только в дискретные моменты времени, отстоящие на период повторения, поэтому рассмотренный дальномер относится к классу им- пульсных систем РА (рис. 3.19). t u (t) t R (t) U ф ФНЧ Э ВМ T F(e) n(t) Рис. 3.19 – Структурная схема дальномера Для обеспечения работы в импульсном режиме в структурную схему даль- номера включён дискретизатор (ключ). Звено с характеристикой ( ) F e соответ- ствует временному дискриминатору (вид этой характеристики зависит от отно- шения сигнал/шум и длительности импульсов); n(t) – случайная помеха, ухудша- ющая качество работы дальномера. |