Система частотной автоподстройки

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Система частотной автоподстройки (ЧАП)

Пояснительная записка к курсовой работе по курсу "Теория управления и радиоавтоматика"

Студент Гарюн В.И.

Группа Р - 404А

Преподаватель Маевская Е.А.

2008

1. Тип системы - ЧАП.

2. Порядок астатизма - I.

3. Постоянная времени Т, сек. - 0,4сек.

4. Максимальное воздействие:

4.1. по скорости - 5*10⁴сек^-2;

4.2. по ускорению - 800Гц (1/с²).

5. Отношение сигнал - шум

6. Граница апертуры Х_а - 5×10³ Гц.

7. Перехватывающий режим - 5*10⁴ Гц/сек.

8. Форма сигнала - непрерывный.

9. Вид передаточной функции системы в разомкнутом состоянии:

10.

Рассчитать:

1. Номинальное значение петлевого усиления (добротности) Кпо из условий:

1.1. Динамическая ошибка в стационарном режиме не превышает 5% полуапертуры (полиномиальное воздействие);

1.2. Амплитуда ошибки в стационарном режиме при действии эквивалентной синусоиды с заданными максимальными значениями скорости и ускорения воздействия не превышает указанных выше значений;

1.3. Максимальное значение ошибки в переходном режиме при скачке скорости не превышает 50% полуапертуры.

2. Параметры сглаживающих цепей из условий:

2.1. Запас устойчивости по фазе не меньше 30°;

2.2. С. К.О. ошибки слежения, вызванной действием помехи с заданным q²_макс, не превышает 20% полуапертуры.

Содержание

Задание на курсовую работу

Введение

Расчет основных параметров системы

Выбор корректирующих цепей

Выводы

Библиографический список

Примеры использования. Системы частотной автоподстройки (ЧАП) применяются в радиоприёмных устройствах для поддержания постоянной промежуточной частоты сигнала, используются для стабилизации частоты генерируемых колебаний, применяются в качестве узкополосных перестраиваемых по частоте фильтров и в качестве демодуляторов частотно-модулированных колебаний с обратной связью по частоте.

Упрощенная функциональная схема супергетеродинного приёмника, в котором для стабилизации промежуточной частоты сигнала используется система ЧАП, показана на рис.1. В этом приёмнике входной сигнал u_c (t) преобразуется в смесителе (СМ) на промежуточную частоту, усиливается усилителем промежуточной частоты (УПЧ) и поступает на следующие каскады приёмника (детектор, УНЧ).

Рис.1.

При отсутствии системы автоподстройки взаимная нестабильность частот входного сигнала и гетеродина может приводить к уходу промежуточной частоты сигнала за пределы полосы пропускания УПЧ и нарушению нормальной работы приёмника.

Система ЧАП, включаемая в состав приёмника для устранения этого явления, работает следующим образом. Напряжение с выхода УПЧ подаётся на устройство, называемое частотным дискриминатором (ЧД). При появлении отклонения Dw промежуточной частоты сигнала от её номинального значения, которое совпадает с центральной частотой УПЧ, на выходе дискриминатора возникает напряжение, зависящее от величины и знака отклонения Dw. Выходное напряжение дискриминатора, пройдя через фильтр нижних частот (ФНЧ), поступает на подстраиваемый генератор (ПГ) и изменяет его частоту, а следовательно, и промежуточную частоту сигнала так, что исходное рассогласование Dw уменьшается.

В результате работы системы ЧАП промежуточная частота сигнала поддерживается близкой к центральной частоте УПЧ. Это позволяет существенно уменьшить влияние взаимной нестабильности частот передатчика и гетеродина, сузить полосу УПЧ и повысить качество приёма.

Система ЧАП применяются также в качестве автоматически перестраиваемых по частоте (следящих) фильтров, осуществляющих частотную селекцию сигнала. Точка съёма отфильтрованного напряжения при этом выбирается в зависимости от того, требуется ли сохранить в процессе фильтрации неизменной амплитуду сигнала или такое требование не предъявляется. Если полезная информация заключена в амплитуде сигнала и её необходимо сохранить, то отфильтрованное напряжение снимается с выхода УПЧ. Полоса пропускания фильтра, построенного с использованием системы ЧАП, равна при этом полосе пропускания УПЧ. При изменении центральной частоты входного сигнала в результате работы системы ЧАП изменяется частота гетеродина и фильтр автоматически настраивается на новое значение частоты сигнала (1).

1. Сначала рассчитаем значение петлевого коэффициента усиления исходя из трёх ограничений. Два из них относятся к стационарному режиму. Первое условие требует, чтобы динамическая ошибка в стационарном режиме не превышала 5% от заданного значения полуапертуры.

1.1. , ,  1/с.

,

Второе условие требует выбора петлевого усиления таким образом, чтобы амплитуда ошибки в стационарном режиме не превышала 5% от заданного значения полуапертуры.

1.2

Определим амплитуду эквивалентного динамического воздействия L_М и его частоту W.

, L_м= 31,25×10⁵ 1/с.

, W= 0.016 1/с.

Амплитуда ошибки слежения в стационарном режиме может быть найдена из выражения

, т.к. у нас L_м >> X_Д1, то

, тогда отсюда находим К_П0.

, .

Третьим условием является то, что максимальное значение ошибки в переходном режиме при скачке скорости не превышает 50% полуапертуры.

1.3. Х_мах=1250 1/с.

Максимальное значение ошибки слежения при ступенчатом изменении скорости параметра l (t) приближённо равно (при К_П0×Т>10) (1):

.

Найдём из этого выражения коэффициент передачи К_П0.

Преобразованием вышеизложенного выражения получаем квадратичное уравнение для вычисления К_П0.

.заменим

; ; ,

тогда выражение примет вид:

частотная автоподстройка радиоприемное устройство

, берем больший корень данного уравнения x = 12.55, отсюда

К_ПО = 12,55² =157,5 1/с.

Исходя из вышеперечисленных условий берём коэффициент усиления не корректированной системы равным К_П0 = 450 1/с.

Для начала построим не скорректированные характеристики и посмотрим, что не удовлетворяет требованиям для системы.

ЛАЧХ

ЛФЧХ

, ,. w_ср»32Гц.

По построенным характеристикам определили, что система не удовлетворяет требованиям задания (т.е. запас по фазе в районе частоты среза равен 3°, вместо 30° и наклон ЛАХ в районе частоты среза равен - 40 дБ/дек) и требует коррекции. Передаточная функция скорректированной системы будет иметь следующий вид:

Для построения логарифмические амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик системы воспользуемся программой, разработанной на кафедре РЭС и методом подбора получим необходимую коррекцию. Рассчитаем параметры корректирующего звена. Т=0,4с, зададим φ_зап=45^о, тогда β_с=π/2 - φ_зап= π/4 и из формулы Т=, найдём w_ср

:

; ;

, отсюда =50 Гц.

Далее по формулам Т1= и Т2= найдём Т1 и Т2. Т1=0,045 с.; Т2=0,0078с., получим w_ср=50 Гц. Мы использовали фильтр вида:

.

Построим ЛАЧХ данной системы.

ЛАЧХ

ЛФЧХ

j_зап»47,4⁰ и ЛАХ в районе частоты среза имеет наклон - 20дБ/дек, что удовлетворяет техническим требованиям.

Проверим, удовлетворяет ли полученное С. К.О. заданному условию, т.е. не превышает 20% полуапертуры.

 1/с,

С. К.О. _расч=,

в нашем случае Se представляет зависимость от w и W.

,

где,

 - нормированная спектральная плотность мощности низкочастотного эквивалента помехи на выходе линейной части приёмника:

,

W - расстройка частоты сигнала относительно переходной частоты частотного дискриминатора,

t_к - постоянная времени каждого из контуров в частотном дискриминаторе,

 - параметр, называемый среднеквадратичной шириной спектра квадрата низкочастотного эквивалента помехи и выражающийся формулой:

.

В связи с тем, что зависимость спектральной плотности эквивалентной помехи на выходе частотного дискриминатора от частоты в общем случае имеет неравномерный характер, то для расчёта дисперсии ошибки следует пользоваться равенством:

.

Приближённое выражение может быть использовано, как правило, при относительно больших ошибках слежения W или небольших отношениях сигнал/помеха q², что соответствует нашей задаче. В последнем случае можно использовать значение эквивалентной спектральной плотности на нулевой частоте:

= 0,2

Это равенство можно использовать в приближённом выражении для расчёта дисперсии ошибки подстройки частоты системой ЧАП.

При этом параметр спектральной плотности W полагается фиксированным, равным значению динамической ошибки слежения.

DF_э == ;

С₀ = К_П; С₁ = К_П Т_1; d₀ = K_П; d₁ = 1+ К_П Т_1; d₂ = T+T₂

Исходя из выше приведенных формул С. К.О. _расч » 0,738

Из полученных значений видно, что данное условие соблюдается.

В данной работе была проведена коррекция системы ЧАП первого порядка астатизма, с условием выполнения требований изложенных в техническом задании.

Исходя из условий обеспечения требуемых показателей точности слежения в стационарном режиме, был взят  1/c. При этом построенные ЛАЧХ не удовлетворяли условиям задания, т.е. наклон в районе частоты среза равен - 40дБ/дек.

Применив параллельную коррекцию в виде пропорционально-интегрирующего звена, рассчитанную по методике из (2) с использованием программ (4) и (5), были получены запас по фазе 47,4° и наклон ЛАЧХ в районе частоты среза - 20дБ/дек, т.е. была получена устойчивая система.

Расчет эквивалентной шумовой полосы замкнутой системы проводился из литературы (2).

Через расчет дисперсии ошибки слежения была найдена СКО ошибки слежения, которая удовлетворяет требованиям, т.е. меньше 20% полуапертуры.

1. Первачёв С.В. Радиоавтоматика: Учебник для вузов. - М. Радио и связь, 1982.

2. Астрецов Д.В. Системы радиоавтоматики. Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу "Теория управления и радиоавтоматика" Екатеринбург. Издательство УГТУ, 1997, 36 с.

3. Гольденберг Цифровые фильтры

4. Программа, подготовленная на кафедре РТС, под руководством Самусевич Г. А.

5. Профессиональный пакет для математических вычислений MathCad 7 Professional любезно предоставленный компанией MathSoft.