Автоматическая регулировка усиления

Автоматическая регулировка усиления

АРУ (AGC) — процесс, при котором выходной сигнал некоторого устройства, как правило электронного усилителя, автоматически поддерживается постоянным по некоторому параметру (например, амплитуде простого сигнала или мощности сложного сигнала), независимо от амплитуды (мощности) входного сигнала. В аппаратуре, использующейся для прослушивания радиовещательного эфира, АРУ также называют устарелым термином автоматическая регулировка громкости (АРГ), а в приёмниках проводной связи — автоматической регулировкой уровня. В импульсных приёмниках (радиолокационных и других) применяют АРУ, учитывающие особенности работы в импульсном режиме.

АРУ применяется для исключения перегрузки выходных каскадов приёмников при больших входных сигналах. Используется в бытовой аппаратуре, в приёмниках спутников связи и тд. Также, существует ручная регулировка усиления (РРУ), выполняется на пассивных или активных (электронных) радио-элементах или с помощью аттенюаторов. [1]

История создания

В 1925 Гарольд Олден Уилер изобрел автоматическую регулировку громкости (АРГ) и получил патент. Карл Кюпфмюллер издал анализ систем АРУ в 1928. [2] К началу 1930-ых все бытовые радиоприемники включали автоматическую регулировку громкости. [3] В СССР АРУ начали применять в каналообразующей аппаратуре в 1960 году, были созданы первичные не обслуживаемые усилительные станции.

Классификация

Существует три типа АРУ: простая, усиленно-задержанная и просто задержанная. Или по типу сигнала схемы АРУ бывают двух типов:

• Для импульсного сигнала;
• Для непрервыного сигнала.

Также, если искажения сигнала не важны, применяют схему ограничителя.

Устройство

Напряжение сигналов, поступающих на вход приёмника, как правило значительно меняется: из-за различия передаваемой мощности передатчиков и расстояний их от места приёма, замираний сигналов при распространении, резкого изменения расстояний и условий приёма между передатчиком и приёмником, установленными на движущихся объектах (самолётах, автомобилях и т.д.), и других причин. Что приводит к недопустимым колебаниям или искажениям сигналов в приёмнике. Система АРУ стремится минимизировать различия напряжения выходного и входного сигнала приёмника. Это осуществляется посредством цепей, которые передают выпрямленное детектором регулирующее напряжение на базы транзисторов, усилителей высокой, промежуточной частоты и преобразователя частоты, которые уменьшают их усиление с увеличением напряжения сигнала на входе и наоборот: происходит компенсация в приёмнике изменений напряжения входных сигналов. Основные параметры систем АРУ:

• Динамический диапазон (дБ) — это глубина изменения входного сигнала (разница между минимальным и максимальным сигналом), при котором ещё выходной сигнал находится в допустимых пределах;
• Время срабатывания АРУ (дБ/с) — отражает скорость реакции АРУ на скачок входного сигнала. Данный параметр равен бесконечности (нулевое время срабатывания) для ограничителя сигнала.

Важным свойством системы АРУ является наличие выхода, показывающего уровень входного сигнала (невозможно сделать для ограничителя).

Обратная

Эта схема получила такое название, из-за того, что управляющее напряжение (Uупр) подается со стороны выхода в направлении входа РУ. Пропорционально уровню входного сигнала обеспечивается управляющее напряжение, благодаря коэффициенту передачи КД детектора АРУ (ДЕТ): Uупр = КД*Купр*Uвых. Фильтр АРУ (ФНЧ) отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает медленно меняющиеся составляющие напряжения Uупр. Цепь АРУ называется простой, если она состоит только из детектора и фильтра. В цепь АРУ может включаться усилитель, устанавливаемый после детектора (УПТ).

Прямая

Входное напряжение Uвх детектируется, и за счёт этого формируется управляющее напряжение Uупр. Выходное напряжение получается путём умножения Uвх на коэффициент усиления Ko. Таким образом, при увеличении Uвх уменьшается Ko; при этом их произведение может оставаться постоянным, что позволяет реализовать идеальную характеристику АРУ, но практически добиться этого не удается. Прямая схема АРУ имеет некоторые существенные недостатки, один из которых состоит в необходимости включать перед детектором в цепи АРУ дополнительный высокочастотный (ВЧ) усилитель с большим коэффициентом усиления, прямая АРУ также нестабильна, т.е. подвержена воздействию различных дестабилизирующих факторов. В связи с этим она нашла ограниченное применение.

Пассивная

Пассивные АРУ — устройства, не потребляющие электрическую энергию, т.е. не имеющие в своём составе источников тока. Как правило, такие пассивные АРУ выполняются в виде аттенюаторов, каждый из резисторов которого представляет собой термосопротивление (термисторы). С повышением температуры сопротивление увеличивается, что вызывает уменьшение вносимого ослабления аттенюатором. И, наоборот, при понижении температуры окружающей среды ослабление аттенюатора увеличивается.

Приёмник

Смещение тока на базе первого транзистора усилителя радио частоты (УРЧ) подается через детектор цепочкой VD3-R4. При поступлении сигнала напряжение на выходе детектора снижается, уменьшая и ток транзисторов VT1, а вслед за ним и VT2. Так осуществляется автоматическая регулировка усиления (АРУ). Такой способ регулировки уровня сигнала достаточно эффективен, поэтому в этом приёмнике нет ручки регулировки громкости. АРУ будет функционировать не только на радио частотах, поэтому в качестве нагрузки, в данной схеме, можно использовать телефоны звуковой частоты. [4]

АРУЗ — автоматическая регулировка уровня записи в устройствах магнитной звукозаписи. Способ АРУЗ заключается в том, что в процессе звукозаписи измеряют уровень записываемого сигнала, на основе которого регулируется коэффициент усиления усилителя в тракте звукозаписи до достижения требуемой величины уровня записываемого сигнала, отличающийся тем, что в тракте звукозаписи постоянно определяют текущее значение коэффициента стохастичности записываемого сигнала и сравнивают полученное значение с пороговой величиной, которая задается заранее, а коэффициент усиления усилителя регулируется только при текущем значении коэффициента стохастичности, не превышающим пороговой величины, и поддерживают постоянный коэффициент усиления усилителя, равный коэффициенту усиления усилителя в момент превышения текущим значением коэффициента стохастичности заданной пороговой величины, в течение всего периода такого превышения. [5]

Автоматическая регулировка усиления

Автоматическая регулировка усиления, АРУ (англ. automatic gain control , AGC ) — процесс, при котором выходной сигнал некоторого устройства, как правило электронного усилителя, автоматически поддерживается постоянным по некоторому параметру (например, амплитуде простого сигнала или мощности сложного сигнала), независимо от амплитуды (мощности) входного сигнала. В аппаратуре, использующейся для прослушивания радиовещательного эфира, АРУ также называют устарелым термином автоматическая регулировка громкости (АРГ), а в приёмниках проводной связи — автоматической регулировкой уровня. В импульсных приёмниках (радиолокационных и других) применяют АРУ, учитывающие особенности работы в импульсном режиме.

АРУ применяется для исключения перегрузки выходных каскадов приёмников при больших входных сигналах. Используется в бытовой аппаратуре, в приёмниках спутников связи и т. д. Также, существует ручная регулировка усиления (РРУ), выполняется на пассивных или активных (электронных) радиоэлементах или с помощью аттенюаторов. [1]

В 1925 Гарольд Олден Уилер изобрел автоматическую регулировку громкости (АРГ) и получил патент. Карл Кюпфмюллер [en] издал анализ систем АРУ в 1928. [2] К началу 1930-х все бытовые радиоприемники включали автоматическую регулировку громкости. [3]

Существует три типа АРУ: простая, усиленно-задержанная и просто задержанная. Или по типу сигнала схемы АРУ бывают двух типов:

Также, если искажения сигнала не важны, применяют схему ограничителя.

Напряжение сигналов, поступающих на вход приёмника, как правило значительно меняется: из-за различия передаваемой мощности передатчиков и расстояний их от места приёма, замираний сигналов при распространении, резкого изменения расстояний и условий приёма между передатчиком и приёмником, установленными на движущихся объектах (самолётах, автомобилях и т. д.), и других причин. Это приводит к недопустимым колебаниям или искажениям сигналов в приёмнике. Система АРУ стремится минимизировать различия напряжения выходного и входного сигнала приёмника. Это осуществляется посредством цепей, которые передают выпрямленное детектором регулирующее напряжение на базы транзисторов, усилителей высокой, промежуточной частоты и преобразователя частоты, которые уменьшают их усиление с увеличением напряжения сигнала на входе и наоборот: происходит компенсация в приёмнике изменений напряжения входных сигналов. Основные параметры систем АРУ:

• Динамический диапазон (дБ) — это глубина изменения входного сигнала (разница между минимальным и максимальным сигналом), при котором ещё выходной сигнал находится в допустимых пределах;
• Время срабатывания АРУ (дБ/с) — отражает скорость реакции АРУ на скачок входного сигнала. Данный параметр равен бесконечности (нулевое время срабатывания) для ограничителя сигнала.

Важным свойством системы АРУ является наличие выхода, показывающего уровень входного сигнала (невозможно сделать для ограничителя).

Обратная

Эта схема получила такое название, из-за того, что управляющее напряжение (U_упр) подается со стороны выхода в направлении входа РУ. Пропорционально уровню входного сигнала обеспечивается управляющее напряжение, благодаря коэффициенту передачи КД детектора АРУ (ДЕТ): U_упр = КД ⋅ К_упр ⋅ U_вых. Фильтр АРУ (ФНЧ) отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает медленно меняющиеся составляющие напряжения Uупр. Цепь АРУ называется простой, если она состоит только из детектора и фильтра. В цепь АРУ может включаться усилитель, устанавливаемый после детектора (УПТ).

Прямая

Входное напряжение U_вх детектируется, и за счёт этого формируется управляющее напряжение U_упр. Выходное напряжение получается путём умножения U_вх на коэффициент усиления K_o. Таким образом, при увеличении U_вх уменьшается K_o; при этом их произведение может оставаться постоянным, что позволяет реализовать идеальную характеристику АРУ, но практически добиться этого не удается. Прямая схема АРУ имеет некоторые существенные недостатки, один из которых состоит в необходимости включать перед детектором в цепи АРУ дополнительный высокочастотный (ВЧ) усилитель с большим коэффициентом усиления, прямая АРУ также нестабильна, то есть подвержена воздействию различных дестабилизирующих факторов. В связи с этим она нашла ограниченное применение.

Пассивная

Пассивные АРУ-устройства, не потребляющие электрическую энергию, то есть не имеющие в своём составе источников тока. Как правило, такие пассивные АРУ выполняются в виде аттенюаторов, каждый из резисторов которого представляет собой термосопротивление (термисторы). С повышением температуры сопротивление увеличивается, что вызывает уменьшение вносимого ослабления аттенюатором. И, наоборот, при понижении температуры окружающей среды ослабление аттенюатора увеличивается.

АРУЗ — автоматическая регулировка уровня записи в устройствах магнитной звукозаписи.

В общем случае АРУЗ выравнивает амплитуду звукового сигнала для записи равномерного и качественного звука.

Автоматическая регулировка уровня записи применяется в съемочной технике и других устройствах магнитной звукозаписи, используемой в видеопроизводстве для предотвращения проблем ручной регулировки уровня записи звука. При ручной регулировке уровня записи звука необходимо постоянно следить за индикатором звука и устанавливать приемлемый уровень записи звука согласно уровню принимаемого звукового сигнала. Это отвлекает от работы с визуальным содержанием кадра. При этом даже при постоянном слежении за индикатором записи звука избежать кратковременных перегрузов или, наоборот, потери звуковой информации не удаётся. Ручное регулирование уровня записи трубет временных затрат, что негативно сказывается на результатах работы.

Автоматическая регулировка громкости (АРГ)

Автоматическая регулировка громкости (АРГ) — до­вольно экзотическая функция, иногда вводимая в супергетеродинные приемники. Однако чаще АРГ осуществляется только в усилителях низкой частоты (УНЧ). Для этого в них вво­дится управляемый напряжением аттенюатор, на который подается выпрямленный сигнал с выхода усилителя. Если этот сигнал возрастает, то коэффициент передачи аттеню­атора уменьшается — это снижает колебания уровня вы­ходного сигнала. Такой способ нередко используется в магнитофонах и магнитолах для нормализации сигналов, поступающих с микрофона и других источников. Там такая система обычно называется АРУЗ — автоматическая регулировка уровня записи.

Схема автоматической регулировки громкости (АРГ) широ­ко используется в радио- и других связных приемниках для обеспечения относительно постоянного уровня громкости на вы­ходе независимо от уровня принимаемого сигнала. Выходной уровень громкости, поддерживаемый системой АРГ, устанавли­вается регулятором громкости. Когда приемник перестраивают со станции с высоким уровнем сигнала на удаленную станцию с низким уровнем сигнала, разность амплитуд поступающих сиг­налов будет автоматически выравниваться, так же, впрочем, как и в случае, если имеет место явление замирания сигнала. Си­стемы АРГ работают в широком диапазоне изменений уровней принимаемых сигналов, хотя при приеме очень мощных сигна­лов местной станции и очень слабых сигналов удаленной стан­ции диапазон корректирования этой системы может оказаться недостаточным.

Системы автоматической регулировки громкости обеспечи­вают уровень смещения для транзисторов в каскадах радиоча­стоты и ПЧ в зависимости от уровня поступающего сигнала. Поэтому при приеме мощного сигнала смещение автоматически изменяется и соответственно уменьшаются коэффициенты уси­ления каскадов усиления, корректируя тем самым уровень вы­ходного сигнала. Аналогично этому при приеме слабых сигна­лов смещение изменяется таким образом, что коэффициент усиления каскадов повышается, выравнивая тем самым низкий уровень сигнала..

Амплитудно-модулированный сигнал поступает в детектор через два индуктив­но связанных контура — входной (LiCi) и выходной (L2C2). Де­тектор АМ-сигналов работает так, как было описано выше. Диод выпрямляет радиочастотный сигнал, причем электроны протекают в направлении, показанном стрелкой; ток течет в об­ратном направлении. Конденсатор С3 отфильтровывает высоко­частотные составляющие однополярных импульсов тока, проте­кающих через диод, вследствие чего через резистор R2 проте­кает ток звуковой частоты. Звуковой сигнал через конденсатор С5 поступает на базу первого транзисторного усилителя звуковой сигнал.

Выделяемое на резисторе R2 отрицательное напряжение через резистор R, ответвляет­ся дчя использования схемой АРГ в качестве напряжения сме­щения Такое напряжение смещения не должно иметь состав­ляющих сигнала звуковых частот, поэтому резистор fli и кон­денсатор С4 образуют сглаживающий фильтр, подавляющий колебания звуковой частоты. Емкость конденсатора С4 должна быть достаточно велика для шунтирования составляющих звуковых частот.

Если для функционирования АРГ требуется напряжение смещения положительной полярности, то диод детектора, включается в обратном направлении, что изменяет в свою очередь направление движения электронов и полярность напряжения на резисторе R2. При настройке на мощную станцию образующееся при этом напряжение смеще­ния должно уменьшить коэффициент усиления каскадов. При этом следует учитывать, что если в каскаде усиления на радио­частоте и ПЧ используются я — р — n-транзисторы, то нормаль­ное напряжение смещения, подаваемое в цепь базы, должно быть положительным по отношению к эмиттеру; в случае же ис­пользования р-n-р-транзисторов на базу подается отрица­тельное напряжение относительно эмиттера. Поскольку умень­шение прямого напряжения смещения биполярного транзистора приводит к уменьшению его проводимости, для снижения коэф­фициента усиления в случае n — р-n-транзисторов регулирую­щее напряжение смещения, снимаемое с выхода АРГ, должно уменьшать прямое смещение базы транзистора, т. е. делать его менее положительным

Функционально схема АРГ аналогична схемам АРУ (авто­матической регулировки усиления), используемым в телевизи­онных приемниках . В схемах АРУ регулируется амплитуда видеосигнала, поэтому термин «автоматическая ре­гулировка громкости» здесь не применим. В некоторых радио­электронных устройствах, используемых в промышленности, применяются подобные схемы, однако их называют схемами автоматической регулировки уровня или автоматической регу­лировки амплитуды сигнала.

Автоматическая регулировка усиления

Автоматическая регулировка усиления, АРУ (англ.  automatic gain control , AGC ) — процесс, при котором выходной сигнал некоторого устройства, как правило электронного усилителя, автоматически поддерживается постоянным по некоторому параметру (например, амплитуде простого сигнала или мощности сложного сигнала), независимо от амплитуды (мощности) входного сигнала. В аппаратуре, использующейся для прослушивания радиовещательного эфира, АРУ также называют устарелым термином автоматическая регулировка громкости (АРГ), а в приёмниках проводной связи — автоматической регулировкой уровня. В импульсных приёмниках (радиолокационных и других) применяют АРУ, учитывающие особенности работы в импульсном режиме.

АРУ применяется для исключения перегрузки выходных каскадов приёмников при больших входных сигналах. Используется в бытовой аппаратуре, в приёмниках спутников связи и т. д. Также, существует ручная регулировка усиления (РРУ), выполняется на пассивных или активных (электронных) радиоэлементах или с помощью аттенюаторов. [1]

Содержание

История создания [ | ]

В 1925 Гарольд Олден Уилер изобрел автоматическую регулировку громкости (АРГ) и получил патент. Карл Кюпфмюллер [en] издал анализ систем АРУ в 1928. [2] К началу 1930-х все бытовые радиоприемники включали автоматическую регулировку громкости. [3]

Классификация [ | ]

Существует три типа АРУ: простая, усиленно-задержанная и просто задержанная. Или по типу сигнала схемы АРУ бывают двух типов:

Также, если искажения сигнала не важны, применяют схему ограничителя.

Устройство [ | ]

Напряжение сигналов, поступающих на вход приёмника, как правило значительно меняется: из-за различия передаваемой мощности передатчиков и расстояний их от места приёма, замираний сигналов при распространении, резкого изменения расстояний и условий приёма между передатчиком и приёмником, установленными на движущихся объектах (самолётах, автомобилях и т. д.), и других причин. Это приводит к недопустимым колебаниям или искажениям сигналов в приёмнике. Система АРУ стремится минимизировать различия напряжения выходного и входного сигнала приёмника. Это осуществляется посредством цепей, которые передают выпрямленное детектором регулирующее напряжение на базы транзисторов, усилителей высокой, промежуточной частоты и преобразователя частоты, которые уменьшают их усиление с увеличением напряжения сигнала на входе и наоборот: происходит компенсация в приёмнике изменений напряжения входных сигналов. Основные параметры систем АРУ:

• Динамический диапазон (дБ) — это глубина изменения входного сигнала (разница между минимальным и максимальным сигналом), при котором ещё выходной сигнал находится в допустимых пределах;
• Время срабатывания АРУ (дБ/с) — отражает скорость реакции АРУ на скачок входного сигнала. Данный параметр равен бесконечности (нулевое время срабатывания) для ограничителя сигнала.

Важным свойством системы АРУ является наличие выхода, показывающего уровень входного сигнала (невозможно сделать для ограничителя).

Схемы АРУ [ | ]

Обратная [ | ]

Эта схема получила такое название, из-за того, что управляющее напряжение (U_упр) подается со стороны выхода в направлении входа РУ. Пропорционально уровню входного сигнала обеспечивается управляющее напряжение, благодаря коэффициенту передачи КД детектора АРУ (ДЕТ): U_упр = КД ⋅ К_упр ⋅ U_вых. Фильтр АРУ (ФНЧ) отфильтровывает составляющие частот модуляции и пропускает медленно меняющиеся составляющие напряжения Uупр. Цепь АРУ называется простой, если она состоит только из детектора и фильтра. В цепь АРУ может включаться усилитель, устанавливаемый после детектора (УПТ).

Прямая [ | ]

Входное напряжение U_вх детектируется, и за счёт этого формируется управляющее напряжение U_упр. Выходное напряжение получается путём умножения U_вх на коэффициент усиления K_o. Таким образом, при увеличении U_вх уменьшается K_o; при этом их произведение может оставаться постоянным, что позволяет реализовать идеальную характеристику АРУ, но практически добиться этого не удается. Прямая схема АРУ имеет некоторые существенные недостатки, один из которых состоит в необходимости включать перед детектором в цепи АРУ дополнительный высокочастотный (ВЧ) усилитель с большим коэффициентом усиления, прямая АРУ также нестабильна, то есть подвержена воздействию различных дестабилизирующих факторов. В связи с этим она нашла ограниченное применение.

Пассивная [ | ]

Пассивные АРУ-устройства, не потребляющие электрическую энергию, то есть не имеющие в своём составе источников тока. Как правило, такие пассивные АРУ выполняются в виде аттенюаторов, каждый из резисторов которого представляет собой термосопротивление (термисторы). С повышением температуры сопротивление увеличивается, что вызывает уменьшение вносимого ослабления аттенюатором. И, наоборот, при понижении температуры окружающей среды ослабление аттенюатора увеличивается.

Автоматическая регулировка уровня записи [ | ]

АРУЗ — автоматическая регулировка уровня записи в устройствах магнитной звукозаписи.

В общем случае АРУЗ выравнивает амплитуду звукового сигнала для записи равномерного и качественного звука.

Автоматическая регулировка уровня записи применяется в съемочной технике и других устройствах магнитной звукозаписи, используемой в видеопроизводстве для предотвращения проблем ручной регулировки уровня записи звука. При ручной регулировке уровня записи звука необходимо постоянно следить за индикатором звука и устанавливать приемлемый уровень записи звука согласно уровню принимаемого звукового сигнала. Это отвлекает от работы с визуальным содержанием кадра. При этом даже при постоянном слежении за индикатором записи звука избежать кратковременных перегрузов или, наоборот, потери звуковой информации не удаётся. Ручное регулирование уровня записи трубет временных затрат, что негативно сказывается на результатах работы.