ГЛАВА 10. ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОАВТОМАТИКИ

§ 10.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ

Возрастание требований к качеству работы систем РА, увеличение объема перерабатываемой информации, усложнение объектов управления привело к тому, что средствами аналоговой техники и непрерывной автоматики нельзя решить многие практические задачи. В результате в современных радиотехнических устройствах и системах радиоуправления стали широко использовать цифровые системы РА, в состав которых входят ЦВМ или специализированные цифровые устройства. Быстрое внедрение в технику цифровых систем объясняется тем; что они по сравнению с аналоговыми имеют значительно большие вычислительные возможности. В цифровых системах, выполненных на базе микроэлектроники

(интегральных схемах, микропроцессорах и мини-ЭВМ), при небольших массах и габаритах можно использовать более сложные алгоритмы обработки сигналов. При этом точность реализации алгоритмов определяется только периодом дискретизации, числом разрядов цифровых кодов и может быть сделана весьма высокой.

Важным преимуществом цифровых- систем является высокая стабильность их работы, в таких системах РА отсутствует дрейф нуля дискриминаторов и других цифровых устройств систем. Кроме того, в цифровых системах просто осуществляется перестройка их структуры и регулировка параметров.

В радиотехнических устройствах и системах радиоуправления цифровые системы применяются для стабилизации частоты, измерения дальности, управления антеннами РЛС, для формирования команд управления различными Объектами. Для обработки сигналов в РЛС широкое применение нашли цифровые фильтры, реализуемые на устройствах цифровой техники: сумматорах, регистрах и т. п. Подобные фильтры используются и в качестве корректирующих устройств в различных системах РА. Цифровые фильтры позволяют избавиться от применения ЦВМ, что упрощает и снижает стоимость систем РА.

Рис. 10.1. Типовая структурная схема цифровой системы РА

На рис. 10.1 показана типовая структурная схема цифровой системы РА, которая состоит из преобразователей информации непрерывных сигналов в код (НК), цифровой вычислительной машины (ЦВМ), обратного преобразователя (КН), осуществляющего преобразование кода в непрерывный сигнал, и непрерывного объекта управления (ОУ).

В процессе преобразования непрерывных сигналов в цифровые происходит дискретизация этих сигналов, т. е. осуществляется выборка непрерывных сигналов, соответствующих дискретным моментам времени (обычно выборка производится через равные промежутки времени Дискретность ввода сигналов обеспечивается импульсным элементом (ИЭ). В процессе преобразования сигналов в цифровую форму происходит также их квантование по уровню. В результате из всех возможных дискретных сигналов выбираются только разрешенные уровни, кратные шагу квантования, равного значению младшего разряда ЦВМ. Если преобразователь НК имеет а разрядов, то число уровней квантования, отличных от нуля, составляет

От преобразователей НК сигналы поступают на ЦВМ, в которой реализован алгоритм управления системы. Для преобразования этого сигнала в непрерывный введен преобразователь КН, на выходе которого получают сигнал под действием которого регулируется режим работы объекта управления системы РА.

Квантование сигналов по уровню — это нелинейная операция, поэтому цифровые системы относятся к классу нелинейных. Сигнал, квантованный по уровню, можно представить в виде (рис. 10.2)

где — неквантованный сигнал; — шум квантования.

Рис. 10.2. К пояснению процесса квантования сигнала по уровню

Число разрядов преобразователей информации обычно выбирается равным 8—15, при этом число уровней квантования сигналов велико, что позволяет во многих случаях пренебречь нелинейностью характеристик. При необходимости влияние шума квантования на качество работы системы РА можно учесть путем введения дополнительного сигнала

Цифровые системы из-за дискретизации в них сигналов по времени относятся к дискретным. Дискретизация

сигналов — линейная операция, поэтому, пренебрегал шумом квантования, цифровую систему можно рассматривать как линейную дискретную систему, методы анализа и синтеза которых рассматриваются в данной главе.

Входные и выходные сигналы цифровой части системы являются числовыми последовательностями, однако при анализе можно отвлечься от физических принципов работы цифровых устройств и считать основной характеристикой ЦВМ алгоритм, в соответствии с которым входные сигналы перерабатываются в выходные, не принимая во внимание форму представления сигналов. Тогда ЦВМ в системе РА можно представить как последовательное соединение цифрового фильтра, осуществляющего преобразование сигналов, и звена запаздывания с передаточной функцией (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Структурная схема ЦВМ

Звено запаздывания учитывает время прохождения сигнала через цифровой фильтр. Время запаздывания зависит от решаемого алгоритма и быстродействия ЦВМ, в общем случае оно не равно периоду выдачи данных с ЦВМ. Очевидно, что эти величины связаны соотношением Знак равенства имеет место в том случае, когда ЦВМ обслуживает один канал.

Система, структурная схема которой показана на рис. 10.1, состоит из цифровой части и непрерывного объекта управления, такую систему называют аналого-цифровой. В радиотехнических устройствах применяются также системы РА, все части которых являются цифровыми. На рис. 10.4 показана структурная схема цифровой системы автоподстройкц частоты (ЦФАПЧ). На вход цифрового фазового детектора (ЦФД) системы поступает периодический сигнал, форма которого с помощью формирующего устройства

Рис. 10.4. Функциональная схема цифровой системы ФАПЧ

(ФУ) преобразуется к виду, необходимому для работы. ЦФД. В последнем вырабатывается кодовая последовательность, соответствующая разности фаз сигналов с эталонного (ЭГ) и цифрового управляемого (УУГ) генераторов. Сигнал с ЦФД обрабатывается по определенному алгоритму в цифровом фильтре (ЦФ), после чего подается на цифровое устройство управления (ЦУУ), сигнал которого определяет частоту последовательности импульсов с ЦГ. Из рис. 10.4 видно, что система ФАПЧ - замкнутая система, входным сигналом которой является сигнал с ЭГ, а выходным — сигнал с ЦГ. Задача системы состоит в поддержании частоты равной с заданной точностью частоте сигнала с ЭГ.