применяют (как и в электроакустических трактах) управление динамическим диапазоном с помощью компрессоров и экспандеров. В качестве исполнительных элементов таких регуляторов используют УЭА.

В радиоизмерительной аппаратуре, в частности в измерительных генераторах и куметрах, возникает необходимость поддерживать постоянство различных напряжений с достаточной точностью. В используемых с этой целью системах автоматической регулировки выхода (АРВ) в качестве исполнительных элементов все более широкое применение получают УЭА [24]. В радиоизмерительной технике УЭА применяют также в качестве элементов регулируемого затухания, управляемых делителей напряжения и др. [20].

Во многих областях аналого-вычислительной техники широко применяются решающие усилители. Изменение коэффициента усиления таких усилителей достигается за счет использования в цепи обратной связи операционных усилителей УЭА (см. рис. 1.1,6).

Для всех областей применения одно из важных преимуществ УЭА- возможность дистанционного управления, так как управляемым воздействием X является обычно постоянный ток (изменяется величина напряжения U или тока /). Благодаря этому УЭА могут использоваться для реализации функций ручной регулировки усиления (РРУ), а также функций других устройств ручного регулирования.

Наряду с системами регулирования непрерывного действия в радиотехнических устройствах все большее распространение получают системы с дискретным регулированием коэффициента передачи (ДРУ), выполненные с использованием принципов цифровой техники. Такие системы имеют ряд преимуществ, связанных с возможностью применения сложных, близких к оптимальным алгоритмов обработки сигналов, стабильностью при изменении внешних условий, высокой надежностью. При этом также облегчается реализация требуемых законов управления. Это объясняется тем, что требуемйе законы могут быть осуществлены с использованием набора линейных цепей, коммутируемых электронными ключами. Одним из элементов структурной схемы систем ДРУ являются УЭА.

1.2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УЭА

Для проектирования УЭА требуется знание его математического описания. В общем случае это описание содержит связь трех переменных, являющихся функциями нремени: входной координаты Ui{t) или еЦ), выходной координаты uait) и управляющего воздействия k{t). Обычно Х,(0 изменяется значительно медленнее, чем

функции 1 (О и U2{t).

Исходя из характера связи двух независимых переменных i(0 или е(0 и 2(0. различают линейный и нелинейный операторы.

Линейный оператор может быть представлен во временной форме в виде интеграла Дюамеля

2 {t) = { fe(T, X)ui{t - x)dx

или в операторной форме

2(Р)=(Р, )ui{p),

где k{x, к), k{p, I) - соответственно импульсная переходная функция и комплексный коэффициент передачи (р = /сй), зависящие для УЭА от величины X.

Нелинейный оператор в общем случае соответствует нелинейному дифференциальному уравнению вида

f ( 1, и ии ui ... , ы<, \ 4 . ... , Х) = 0,

однако для большинства случаев приемно-усилительных трактов, близких к линейным, при некоторых допущениях возможно представление этого оператора в виде обобщения интеграла Дюамеля на случай нелинейной цепи [11]:

м,(0 = J fe(T, X)u,it-x)dx+ 2

о n=2 О

x ... ,r X)Uu,{t-x,)dx, (1.1)

(1.2)

где k{xi, T2,..., Tn, k), k{pi, p2,..., pn, ) - соответственно многомерные импульсная переходная функция и комплексный коэффициент передачи (Pi = j(jii), зависящие в случае УЭА от величины X.

Выражения вида (1.1) и (1.2) называют /эяол! Вольтерра (во временной и операторной формах).

Для случаев, когда инерцией элементов тракта, представленных на рис. 1.1, можно пренебречь, линейный оператор имеет вид

U2 = Kl2{X)Uu (1.3)

а для нелинейного оператора Мг становится нелинейной функцией от Ui, т. е.

U2 = f{UuX). (1.4)

Для области небольших входных воздействий-u, = u +fiX) + 4-f W + ... + ~rHl) + ...

Рис. 1.2.

max

Для случая, когда УЭА описывается линейным оператором, из выражения (1.3) следует, что

= = 12 ()

и не является функцией как щ, так и Ма (рис. 1.2, а и б).

Для случая, когда УЭА описывается нелинейным оператором, из выражения (1.4) следует, что

Зависимости 2 = /( i) и Ki2 = iX) приведены соответственно на рис. 1.3, а и б. В процессе управления изменение величины X приво-

Рис. 1.3.

Рис. 1.4.

дит к изменению крутизны амплитудной характеристики тракта в пределах К\2т\п-lamax-

Иногда используют семейство вида, представленного на рис. 1.4, где ui = i -Uii, U2 = a - 2i-

Полученные таким образом характеристики (рис. 1.4) в отличие от характеристик, приведенных на рис. 1.2, а, нелинейны.

1.3. ТРЕБОВАНИЯ К УЭА И ИХ ПОКАЗАТЕЛИ

В связи с большим разнообразием областей применения УЭА требования, предъявляемые к ним, различны и имеют свои специфические особенности для каждого конкретного применения. При этом различаются требования,

предъявляемые к цепям сигнала, управления и питания. Тем не менее можно выделить основные требования, которые доминируют для всех УЭА, независимо от их назначения:

а) УЭА должен выполнять основную функцию - изменять под действием управляющего воздействия Х коэффициент передачи в заданных пределах, в ряде случаев по заданному закону;

б) УЭА, включаемые в основной тракт передачи (см. рис. 1.1, а), должны быть неискажающими. Такие УЭА должны выполнять только основную функцию, не внося искажений в тракт передачи - частотных, фазовых и нелинейных, а также не ухудшая в нем отношения сигнал/шум;

в) характеристики УЭА должны быть воспроизводимы и стабильны и в определенных пределах не зависеть от влияния дестабилизирующих факторов.

Помимо этих основных требований, отражающих функциональное назначение УЭА, к ним предъявляются дополнительные требования, общие для всех элементов структурных схем радиотехнических устройств: конструктивно-технологические, экономические, эксплуатационные и др.

К основным показателям УЭА, с помощью которых можно оценить их качество и возможность удовлетворения требованиям технического задания, можно отнести следующие.

1. Показатели, связанные с выполнением УЭА его основной функции:

коэффициент передачи, например по напряжению, выражаемый обычно в абсолютных {Кп) или в логарифмических (/С12ДБ =20 \gK\-i) значениях. Наряду с .12 = = и1й\ (см. рис. 1.1) используется сквозной коэффициент передачи К. = й2/г. В некоторых случаях (обычно при К\2) уменьшение коэффициента передачи оценивается по вносимому затуханию {S=\IK\2),

регулировочная характеристика (РХ) - график зависимости коэффициента передачи К (или S) от управляющего воздействия Х (см. § 1.2). Форма РХ определяется требуемой формой амплитудной характеристики (АХ) регулируемого тракта U2 = F{u\). Она может быть различной в зависимости от назначения тракта. Так, например, в системах АРУ радиоприемников должна обеспе-

чиваться АХ идеального ограничителя (рис. 1.5, кривая 2); в системах АРВ при необходимости поддержания неизменного выходного напряжения форма АХ должна соответствовать кривой /; для компрессоров требуются АХ, соответствующие кривой 4, а для экспандеров - кривой 3. В зависимости от формы АХ изменяются форма характеристики управления , = f(ui) и соответственно форма РХ;

диапазон регулирования коэффициента передачи (сокращенно - диапазон регулирования или глубина регулирования) - отношение максимального коэффициента передачи Ктлх к минимальному Kmtii при крайних значениях управляющего воздействия X (см. рис. 1.3):

£j max

ОдБ = Cmax (дБ)

Рис. 1.5.

Smin Kmin(AB) Sniax (дБ)

min(дБ)-

В некоторых случаях (обычно при К1) вводят понятие остаточного затухания 5min, соответствующего коэффициенту передачи при минимальном управляющем воздействии Vm;

диапазон изменения управляющего воздействия (см.

рис. 1.3) АХ = Хтах~mln-

2. Показатели, связанные с требованием отсутствия искажений, вносимых УЭА, и определяемые для цепи сигнала:

диапазон рабочих частот основного тракта передачи (заданного 2г и Zh), в который включается УЭА;

частотные и фазовые искажения, вносимые УЭА, оцениваются, как и для всех элементов тракта, неравномерностью (в дБ) амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и фазовым сдвигом, определяемым фазочастот-ной характеристикой (ФЧХ); обычно определяются в терминах малого сигнала;

нелинейные искажения, вносимые УЭА, также оцениваются, как и для всех элементов тракта, традиционными критериями нелинейности: среднеквадратичным ко-