Автоматическая регулировка усиления

Проблема регулировки громкости звучания приемника при глубоком изучении оказывается более сложной, чем это кажется с первого взгляда. Дело заключается в том, чтобы отрегулировать среднюю громкость звучания в соответствии с желанием слушателя и затем стабильно удерживать ее на этом уровне. Однако непостоянство напряжения, создаваемого радиоволнами в антенне приемника, не позволяет получить стабильную громкость звучания.

Причиной значительного изменения силы принимаемого сигнала часто бывает замирание, являющееся результатом простого или многократного отражения радиоволн от верхних слоев атмосферы. Кроме того, в подвижной установке (например, в приемнике на автомобиле) интенсивность принимаемых сигналов может изменяться из-за влияния металлических масс, образующих экран или отражатель. Так, например, проезд под металлическим мостом или между двумя железобетонными домами выразится в значительном ослаблении сигнала.

Устройство, позволяющее уменьшить влияние замираний в приемнике, называют автоматической регулировкой усиления (АРУ).

Идеальный регулятор должен был бы дать возможность автоматически получать одинаковую громкость звука при приеме всех передач. Практически же АРУ может поддерживать постоянство громкости звука только при условии, что псе станции имеют одну и ту же глубину модуляции. Что это такое?

На рис. 152 показаны два модулированных тока высокой частоты, имеющих одну и ту же максимальную амплитуду. Но ток А сильнее промодулирован низкой частотой, чем ток Б, и поэтому после детектирования, ток с большей глубиной модуляции даст больший ток низкой частоты, как это показано в нижней части рисунка.

Рис. 152. Глубина модуляции колебания А больше, чем колебания Б . В нижней части рисунка показаны детектированные точки.

Необходимость ручной регулировки

Действие всех систем АРУ ограничивается поддержанием постоянства высокочастотного напряжения, подаваемого на детектор и, как было показано выше, не обеспечивает одну и ту же громкость для всех передач. Довольно часто случается, что удаленный, но глубоко промодулированный передатчик дает более громкий звук, чем местный, но слабо промодулированный.

Основная цель АРУ заключается в том, чтобы поддерживать постоянство громкости звучания данной передачи в течение всего времени ее приема. Поэтому наличие АРУ никоим образом не исключает необходимости в ручной регулировке громкости звука, позволяющей установить громкость на желаемом уровне, какой бы ни была глубина модуляции.

В связи с тем, что ручная регулировка громкости не должна влиять на напряжение на входе детектора, на которое воздействует автоматический регулятор, она должна находиться в низкочастотной части приемника. Обычно это осуществляется с помощью потенциометра, включаемого в цепь связи усиления низкой частоты и позволяющего регулировать напряжение на сетке усилительной лампы. Часто такой потенциометр включают в качестве нагрузки в цепь детектора, что дает возможность снимать желаемую часть детектированного напряжения низкой частоты.

Гидравлическая аналогия

Теперь, когда мы установили пределы действия автоматического регулятора усиления, мы можем изложить основной принцип его работы.

Этот принцип заключается в том, что в регуляторе используется напряжение, развиваемое средним значением детектированного тока, для воздействия на электроды ламп, предшествующих детектору, так, чтобы уменьшать усиление при увеличении сигнала.

Очень простая гидравлическая аналогия поможет нам разобраться в смысле этой формулировки. Интенсивность сигналов на входе приемника изображается уровнем жидкости в сосуде А (рис. 153).

Рис. 153. Гидравлическое устройство, аналогичное автоматическому регулятору усиления.

Уровень жидкости в сосуде Б соответствует напряжению, поданному на детектор. На рисунке видны труба, соединяющая оба сосуда, и кран К, через который жидкость может вытекать из сосуда Б. Если бы установка состояла только из описанных устройств, то изменение уровня в сосуде А вызывало бы соответствующее изменение уровня в сосуде Б (явление замираний). Но в установке предусмотрен регулятор, который должен поддерживать постоянство уровня в сосуде Б. Он состоит из поплавка Р, прочно соединенного с рычагом на шарнире Ш, несущем пробку П. Когда в результате повышения уровня в сосуде А повышается уровень в сосуде Б, поплавок Р, всплывая, поднимает пробку П, так что количество поступающей жидкости уменьшается и уровень в сосуде Б сразу же понижается. Понятно, что практически уровень жидкости в сосуде Б остается неизменным.

Точно так же в приемнике с автоматическим регулятором громкости повышение интенсивности сигнала на входе вызывает повышение среднего значения детектированного тока. Этот ток создает на сопротивлении падение напряжения, которое в форме смещения подается на электроды одной или нескольких предшествующих ламп и снижает их коэффициент усиления.

Нас в конечном итоге интересует скорость поступления жидкости или, если мы говорим о радио, результирующая громкость звука. В гидравлике поступление жидкости зависит не только от уровня, но и от характера жидкости, в основном от ее удельного веса. Если мы будем иметь дело только с одной жидкостью, то количество жидкости, пропускаемое в секунду краном К, останется неизменным, какой бы уровень ни был в сосуде А. Если же мы будем пропускать то ртуть, то растительное масло, скорость поступления этих жидкостей не будет одинаковой. Именно тогда с пользой для дела вступает кран К, который в конечном итоге определяет расход каждой жидкости.

Вернемся к области радио: внимательный читатель, очевидно, уже догадался, что характер жидкости соответствует глубине модуляции, а кран К играет роль ручной регулировки громкости звука, стоящей в низкочастотной части приемника.

Отметим также, что гидравлический регулятор позволяет снижать скорость поступления жидкости, препятствуя таким образом повышению уровня в сосуде Б. Если по какой-либо причине уровень в сосуде А станет слишком низким, то уровень в сосуде Б также упадет и регулятор не сможет восполнить это снижение. Такое же явление наблюдается и в радио. Автоматический регулятор усиления лишь в большей или меньшей степени снижает чувствительность приемника.

Таким образом, автоматический регулятор усиления осуществляет «нивелировку по наинизшему уровню». Он может применяться лишь в приемниках с достаточным резервом по чувствительности.

Следует подчеркнуть, что само напряжение, развиваемое усиливаемыми сигналами на выходе детектора, служит для автоматической регулировки усиления. Это напряжение должно оставаться постоянным. Как только появляется тенденция изменения напряжения в сторону повышения или понижения, оно воздействует на предшествующие лампы, изменяя их усиление и компенсируя тем самым эффект колебания величины сигнала в антенне.

Лампы с переменной крутизной

Изменение усиления в лампах, предшествующих детектору, осуществляется путем изменения их крутизны. Крутизна, как мы это видели при изучении характеристик ламп, постоянна лишь на линейном участке характеристики. Как только смещение достигает нижнего изгиба характеристики, крутизна снижается и может в конечном итоге стать равной нулю (когда анодный ток исчезает при сильном смещении).

Все лампы, охваченные системой АРУ, имеют специальную характеристику — это лампы с переменной крутизной. Крутизна у них весьма постепенно изменяется в зависимости от изменения смещения. Характеристика не имеет резких изгибов и на всех ее участках небольшой отрезок кривой легко может быть приравнен прямой. Таким образом, где бы ни находилась рабочая точка, искажения, вносимые нелинейностью, будут незначительными, если мы имеем дело с малыми амплитудами сеточного напряжения.

Чем большую абсолютную величину имеет отрицательное смещение, тем меньше крутизна, а следовательно, и усиление лампы. Так, изменяя в известных пределах смещение лампы с переменной крутизной, мы можем изменять ее усиление от максимального значения до такой малой величины, что это будет скорее ослаблением, чем усилением.

Работа АРУ

Регулировка усиления перед детектором (которая по сути дела является ничем иным, как регулировкой чувствительности приемника) могла бы производиться вручную, например путем регулировки потенциала сетки или, что эквивалентно, потенциала катода лампы с помощью потенциометра. Но в автоматическом регуляторе необходимое напряжение смещения снимается с детектора.

Действительно, напряжение низкой частоты в точке X (см. рис. 106) диодного детектора в каждый момент пропорционально средней интенсивности принимаемых сигналов. Это отрицательное напряжение используется в качестве смещения в цепях сеток предшествующих ламп, которые включаются, таким образом, в цепь АРУ (рис. 154).

Рис. 154. Блок-схема радиоприемника с АРУ .

1 — усилитель высокой частоты; 2 — детектор; 3 — усилитель низкой частоты; 4 — цепь АРУ.

Следует отметить, что начальное смещение ламп получается обычным способом в результате падения напряжения на сопротивлении, включенном между катодом и минусом высокого напряжения. Напряжение АРУ добавляется к нему, создавая увеличение смещения, с тем чтобы в бóльшей или меньшей степени ослабить усиление каждой лампы.

Когда вследствие замираний интенсивность принимаемых антенной сигналов снижается, падает также и детектированное напряжение в точке X; в результате этого дополнительное смещение уменьшается и усиление ламп возрастает, нейтрализуя тем самым эффект замираний.

Постоянная времени

Значение автоматического регулятора усиления заключается в стабилизации громкости воспроизведения. Речь, конечно, идет не о том, чтобы свести мощность всех звуков к одной и той же величине, лишая музыку всех ее нюансов.

Наоборот, контраст между пианиссимо и фортиссимо по мере возможности должен полностью сохраняться. Стабилизироваться должна только средняя громкость звучания.

Для достижения этого нужно сделать так, чтобы при кратковременных изменениях интенсивности сигналов (например, при громких аккордах) АРУ не срабатывало. Быстрые изменения интенсивности нейтрализуют с помощью специальной цепи, например из резистора R 1 и конденсатора C 1 (рис. 107). Эта цепь отводит переменные составляющие напряжения к какой-либо точке с постоянным потенциалом (например, к минусу высокого напряжения) и имеет большую постоянную времени.

Постоянная времени выражается в секундах и численно равна произведению R в омах на С в фарадах. Так, например, сопротивление 500 000 ом и конденсатор 0,1 миф (или 0,0000001 ф) будут иметь постоянную времени 500 000·0, 0000001 = 0,05 сек (или 1/20 сек). В результате все изменения, имеющие длительность менее 1/20 сек, не будут переданы этим устройством. Звуковые частоты, принимаемые радиоприемниками, выше 20 гц, т. е. длительность их меньше 1/20 сек, замирания же, за редкими исключениями, протекают значительно медленнее. Поэтому мгновенные изменения напряжения, вызываемые даже самыми низкими звуковыми частотами, не окажут никакого влияния на усиление до детектора; однако колебания интенсивности, обусловленные замираниями, пройдут через систему с такой постоянной времени и усиление ламп и изменится соответствующим образом.

Задержанная АРУ

В настоящее время для детектирования применяют, как правило, двойные диоды с общим катодом. Это позволяет разделить функции детектирования и автоматической регулировки усиления. Как было показано на рис. 108, верхний диод выполняет роль детектора, на нижний же напряжение высокой частоты подается через конденсатор C 1 малой емкости, и падение напряжения на резисторе R 1 , обусловленное детектированным током, используется как напряжение АРУ. Однако использование двойного диода в таком виде не дает существенного преимущества. Его применение представляет действительный интерес при устройстве задержанной АРУ.

Так называют систему регулировки, которая вступает в действие только в случае превышения интенсивностью принимаемых сигналов некоторого минимального значения. Какой интерес представляет такое устройство?

Обычная АРУ, которую мы только что рассмотрели, действует при наличии малейшего сигнала в антенне. Выражение «действует» означает «снижает чувствительность приемника». Однако при слабых сигналах этого как раз не требуется.

Чтобы не мешать приему дальних или слабых передач, необходимо, чтобы регулятор включался только в случае превышения сигналом определенного уровня. Мы задерживаем действие регулятора, чтобы он начинал реагировать только на сигналы, создающие на детекторе напряжение, превышающее некоторое заданное напряжение и именуемое напряжением задержки. В этом заключается цель задержанной АРУ.

Ее устройство весьма просто (рис. 155).

Рис. 155. Задержанная АРУ . Основная часть схемы обведена жирной линией. Напряжение U создает задержку.

Чтобы напряжение АРУ возникало только при сигналах, превышающих определенную интенсивность, на анод нижнего диода, выделенного для АРУ, подается отрицательное по отношению к катоду напряжение. Это смещение получается за счет падения напряжения, создаваемого анодным током триодной секции комбинированной лампы на резисторе Яг, включенном между катодом и минусом высокого напряжения. Благодаря напряжению U, возникающему между катодом и соответствующим образом выбранной точкой этого сопротивления, потенциал нижнего анода становится отрицательным по отношению к катоду. В результате сигналы, создающие на диоде напряжение, меньшее, чем U, не будут сопровождаться появлением тока через диод и, следовательно, падением напряжения на резисторе R 1 . Детектирование и образование регулирующего напряжения могут иметь место лишь при напряжении на диоде, превышающем напряжение задержки U.

Таким образом, сохраняя максимальную чувствительность при слабых сигналах, АРУ вступает в действие при наличии более сильных.

Из рис. 155 видно, что верхний диод (осуществляющий детектирование для выделения низкой частоты) не зависит от напряжения задержки, так как сопротивление его нагрузки — резистор R соединен непосредственно с катодом. На схеме этот резистор включен потенциометром и служит для ручной регулировки громкости звука.

Бесшумная настройка

Когда приемник, снабженный АРУ, не настроен на какой-либо передатчик, его чувствительность максимальна. При этом он с максимальной мощностью принимает все электрические возмущения, которые вызываются атмосферным электричеством (атмосферные помехи) и бесчисленными промышленными.

Оптовыми и медицинскими электрическими машинами и приборами (индустриальные помехи, порождаемые двигателями, генераторами, выключателями и особенно искрением электрических машин, световой сигнализации, электрических звонков и пр.). Эти помехи создают очень неприятный шум, когда, вращая ручку конденсатора переменной емкости, ведут поиск какой-либо станции и проходят интервалы между станциями.

Чтобы избавить радиослушателя от этого раздражающего шума, в некоторых приемниках применяют систему бесшумной настройки, заглушающую шум, пока приемник не настроен на станцию. Здесь мы не будем рассматривать различные применяемые для этого системы. Большая часть их основана на использовании напряжения АРУ, подаваемого на лампы низкой частоты. При отсутствии сигналов эти лампы так «заперты» большим смещением, что приемник становится немым. Но, когда приемник настроен, возникающее напряжение АРУ отпирает лампу низкой частоты, восстанавливая ее смещение до нормальной величины

Устройства бесшумной настройки применяются редко, так как они работают не всегда удовлетворительно, а иногда становятся причиной серьезных искажений.

Визуальные индикаторы настройки

Повсеместное распространение в приемниках получили визуальные индикаторы настройки, позволяющие настроить приемник на нужную станцию при нулевом положении ручки ручного регулятора громкости. Настроив таким образом приемник без неприятного шума с помощью системы визуального контроля, затем по желанию регулируют уровень громкости.

Существует два типа визуальных индикаторов настройки. Одним из них является обычный миллиамперметр, включаемый в анодные цепи ламп, охваченных АРУ. Так как при точной настройке напряжение АРУ достигает максимального значения, смещение на лампе также оказывается наибольшим, а анодный ток — наименьшим. Точная настройка осуществляется по минимальному току миллиамперметра.

Другая, более распространенная группа индикаторов настройки основана на электронно-световом принципе. В этих индикаторах (рис. 156) имеется катод 1, испускающий электроны, и анод 2, имеющий форму чашечки, на который подается определенный положительный потенциал. Внутренняя поверхность анода покрыта слоем электролюминесцентного вещества, светящегося под действием электронной бомбардировки.

Рис. 156. Устройство верхней части электронно-светового индикатора настройки.

а — вид сбоку; б — вид сверху; 1 — катод; 2 — люминесцентный анод; 3 — непрозрачный экран; 4 — отклоняющий электрод.

Наблюдатель, рассматривающий индикатор сверху, видит равномерно светящую(и поверхность анода; черный экран 3 защищает глаз от светового излучения накаленного катода. На пути электронов установлены один или несколько отклоняющих, электродов 4. Стержневидным отклоняющим электродом сообщают относительно анода больший или меньший отрицательный потенциал, в результате чего, отталкивая электроны, они заставляют их в разной степени отклоняться от нормальной траектории. Таким образом, каждый из отклоняющих электродов создает на аноде более или менее широкую тень в зависимости от величины отрицательного потенциала. При наличии двух электродов мы увидим две широкие тени (рис. 157, а) в случае очень большого отрицательного потенциала относительно анода и две очень узкие тени (рис. 157,б) при почти одинаковом с анодом потенциале.

Рис. 157. Теневые секторы индикатора настройки.

а — приемник не настроен; б — точная настройка.

Легко догадаться, что напряжение на отклоняющие электроды подается от системы АРУ. Это напряжение предварительно усиливается триодом (рис. 158). Напряжение на отклоняющие электроды индикатора снимается с анодного резистора R. В момент точной настройки напряжение АРУ имеет наибольшее отрицательное значение. В этот момент ток триода имеет наименьшую величину, падение напряжения на резисторе R почти полностью отсутствует и потенциал электрода почти равен потенциалу электролюминесцентного экрана. Теневые секторы сужаются, что свидетельствует о точной настройке.

Рис. 158. Напряжение АРУ , усиленное триодом, создает между электродами 1 и 2 электронно-светового индикатора настройки требуемое отклоняющее напряжение.

Усилительная лампа и собственно электронный индикатор в действительности монтируются в одном стеклянном баллоне, как это показано на рис. 159, где изображена схема, эквивалентная схеме на рис. 158. Резистор R имеет сопротивление 1–2 Мом. Благодаря оптическому индикатору осуществляется точная настройка, являющаяся одним из необходимых условий неискаженной передачи.

Добавим, что в настоящее время выпускаются сдвоенные электронно-оптические индикаторы различной чувствительности, в которых один из теневых секторов сужается под воздействием относительно слабых сигналов. Первый сектор служит для точной настройки на местные станции, а второй облегчает поиски удаленных станций.

Рис. 159. Реальная схема электронно-светового индикатора настройки, в котором обе системы электродов, изображенные на рис. 158, объединены в одной колбе.