ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ РАДИОАВТОМАТИКИ И ТИПОВЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЗВЕНЬЯ

Проблема моделирования элементов систем радиоавтоматики

 

Исходными уравнениями для анализа систем РА являются дифференциальные уравнения ее элементов, которые составляются на основании их принципов работы. В большинстве случаев эти уравнения оказываются нелинейными, что усложняет анализ систем. Поэтому всегда, когда это можно, стремятся провести линеаризацию характеристик нелинейных устройств. Линеаризацию производят по формуле Тейлора, в соответствии с которой разложение нелинейной функции двух аргументов имеет вид

(4.1)

где x₀, z₀ – постоянные установившихся значений, входных параметров переменных x и z; D x, D z – малые отклонения от установившихся значений x и z; R_n+1 – остаточный член.

При работе устройств в составе системы РА отклонения D x и D z малы, поэтому в выражении (4.1) можно ограничиться только первыми порядками отклонений этих переменных. В этом случае из (4.1) следует, что приращение выходного сигнала определяется как

,                 (4.2)

где ;  – коэффициенты передачи.

Выражение (4.2) и является линеаризованным уравнением элементов систем РА. В общем случае это уравнение содержит не только отклонения переменных, но и их производные, т.е. в результате линеаризации получается дифференциальное уравнение, преобразование Лапласа которого определяет передаточную функцию линеаризованных элементов системы РА.

Далее рассматриваются уравнения основных устройств системы РА и определяются их передаточные функции.

Элементы систем радиоавтоматики

Фазовые детекторы

Фазовым детектором (ФД) называют устройство (рис. 4.1), предназначенное для преобразования разности фаз двух синусоидальных колебаний одинаковой частоты в напряжение. Основной характеристикой ФД является зависимость выходного напряжения от разности фаз U_фд=F(j), где j = j₁ + j ₂ – разность сравниваемых фаз напряжений. Функция F периодическая, так что U_фд=F(j +k2p), k = 0, 1, 2, …

 

Рис. 4.1 - Функциональная схема фазового детектора

 

В системах РА применяются ФД двух типов: балансные (векторомерные) и параметрические. Наиболее часто используют балансные ФД, которые эффективно работают в области низких и высоких частот. Напряжение на выходе балансного ФД образуется из векторной суммы и разности двух напряжений: опорного u₁(t)=u₁ sin w t и сигнала u₂(t)=u₂ sin (w t+ j).                     (4.3)

Сумма и разность этих напряжений определяется выражениями

;

,

где ;

;

; .

В статическом режиме напряжение на выходе ФД (рис. 4.2) определяется выражением

,

где k_фд – коэффициент детектирования.

При

.                       (4.4)

Выражение (4.4) приближенное, при U₁ = 5×U₂ максимальная ошибка не превышает двух процентов.

 

Рис. 4.2 - Дискриминационная характеристика фазового детектора

 

В соответствии с (4.2) линеаризованное нелинейное уравнение (4.4) будет иметь вид

,

где j₀ – значение фазы в установившемся режиме. При малых отклонениях фазы от j₀ приращение напряжения на выходе ФД

,

k_фд = – k sin j₀ – коэффициент передачи ФД.

Из последнего выражения следует, что передаточная функция ФД W_фд(p)=k_фд. Если учесть инерционность детекторов, то передаточная функция ФД будет иметь вид

,                           (4.5)

где T_фд – постоянная времени ФД.

В параметрических ФД зависимость выходного напряжения от сдвига фаз аналогичная выражению (4.4).

 

Частотные дискриминаторы

 

Дискриминаторы предназначены для измерения сигнала рассогласования и преобразования его в постоянное или переменное напряжение. Различают частотные и временные дискриминаторы.

Частотные дискриминаторы (ЧД) – это устройства, выходные напряжения которых зависят от переходной частоты w₀: u_чд=F(w – w₀).

По способу задания переходной частоты ЧД подразделяют на две группы. В дискриминаторах первой группы переходная частота определяется настройкой эталонного фильтра (колебательного контура). В ЧД второй группы переходная частота равна частоте колебаний напряжения с эталонного генератора.

Наиболее часто используют первую группу дискриминаторов с фазовым детектором (рис. 4.3), где ФВ – фазовращатель, сдвигающий фазу сигнала на p/2; Ф – резонансный фильтр. В таком ЧД входной сигнал разделяется на две составляющие u₁ и u₂, сдвиг фаз между которыми при точной настройке контура на переходную частоту равен p/2. При отклонении частоты входного сигнала от переходной частоты сдвиг фаз изменяется в соответствии с фазовой характеристикой резонансного контура. В результате чего изменяется напряжение на выходе ЧД.

 

 

Рис. 4.3 - Функциональная схема частотного дискриминатора

 

Непосредственно из схемы (рис. 4.3) следует, что на ФД подаются напряжения

;

,

где D w – отклонение частоты напряжения от переходной частоты; j_ф(D w) – фазовый сдвиг, создаваемый фильтром; |W_ф(j D w)| – амплитудно-частотная характеристика фильтра.

В соответствии с выражением (4.4) напряжение на выходе ЧД будет иметь вид

, (4.6)

 – мнимая частотная характеристика фильтра.

Выражение (4.6) определяет дискриминационную характеристику ЧД. Обычно используется нормированная характеристика . На дискриминационной характеристике (рис. 4.4) видно, что при малых значениях частотной расстройки характеристику можно считать линейной и ее можно представить в виде F(j) = k_чдD w, где k_чд – коэффициент передачи частотного дискриминатора. Из этого выражения следует, что передаточная функция ЧД равна

W_чд(p)=k_чд.

 

Рис. 4.4 - Дискриминационная характеристика частотного

 дискриминатора

 

Выражение для передаточной функции справедливо для линейного участка детекторной характеристики, т.е. когда полоса пропускания частотного дискриминатора больше эффективной ширины спектра его входного сигнала, в противном случае необходимо учитывать инерционность ЧД, которая определяется постоянной времени детектора.

 

 

Угловые дискриминаторы

Угловые дискриминаторы (пеленгаторы) используются в системах автоматического сопровождения по направлению для измерения рассогласования между продольной осью антенны РЛС и направлением на движущуюся цель и преобразования этого рассогласования в электрическое напряжение. Различают два вида угловых дискриминаторов: с коническим сканированием диаграммы направленности (с последовательным сравнением сигналов) и моноимпульсные (с мгновенным сравнением сигналов).

В дискриминаторе с коническим сканированием антенной РЛС формируется одна сканирующая (вращающаяся) диаграмма направленности, максимум которой смещен от продольной оси антенны (рис. 4.5). Если направление на цель (НЦ) совпадает с продольной осью 0X_A, то цель облучается импульсами одной и той же мощности, поэтому амплитуда отраженных от нее импульсов будет постоянной. Если направление на цель не совпадает с продольной осью антенны, то в моменты времени, разделенные интервалом времени, равном половине периода сканирования, отраженные от цели импульсы будут иметь различные амплитуды, т.е. будет осуществляться модуляция отраженного сигнала по амплитуде с частотой сканирования. При небольших отклонениях направления на цель от продольной оси антенны модуляция будет линейной:

,

где E(t) – амплитуда отраженного от цели сигнала и принятого в момент времени t; E₀ – средняя амплитуда импульсов за период сканирования; k_s – постоянный коэффициент; w_ск – частота сканирования; e – угловое рассогласование. Значение e характеризует отклонение направления на цель; j – знак этого отклонения.

Если j = 0 при t = 0 (рис. 4.5, б), то можно записать, что

.

Сигнал E(t) подается на два фазовых детектора. Опорными напряжениями являются два синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 90⁰. Опорные напряжения снимаются с генератора, кинематически связанного с устройством вращения диаграммы направленности так, что частота вращения диаграммы направленности и генератора опорных напряжений одна и та же.

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: