ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ЧАСТОТНО­ЗАВИСИМЫМИ ЦЕПЯМИ

Следящие ИП с четырехполюсниками в частотно-зависимых цепях

Схема 4 (см. табл. 3.1) используется в компенсационных преоб­разователях напряжения в частоту синусоидального сигнала, содержа­щих в цепи отрицательной обратной связи четырехполюсный преобра­зователь частоты в напряжение (ПЧН). Различают два типа ПЧН: ПЧН, содержащие ЧЗЧ и ПЧН, работа которых основана на форми­ровании импульсов постоянной вольт-секундной площади [3, 17]. Пер­вый тип ПЧН представляет собой фактически обратный ИП непо­средственного преобразования с ЧЗЧ. Если он имеет функцию пре­образования U=UfF(cо), где Uf — амплитуда синусоидального сигнала,, то согласно условию равновесия, приведенному в табл. 3.1 для схе­мы 4, функция преобразования ИП в целом имеет вид

(o — F-i(Ux/Uf)t (3.13)

где F-1 — функция, обратная функции F(co). Тем самым возможности получения различных функций преобразования с помощью данного ИП определяются возможностями обратного ИП. Как видно из (3.13), точность ИП существенно зависит от постоянства амплитуды Uf на­пряжения переменной частоты. Поэтому применение компенсационных ИП с ПЧН первого типа ограничено [3].

Компенсационные ИП с ПЧН второго типа характеризуются высо­кой точностью преобразования [26—31]. Например, в [31] описан по­добный преобразователь с погрешностью 0,01% при температуре от —10 до +70 °С. Однако рассмотрение таких ИП как преобразователей с ЧЗЦ является условным: для этого приходится рассматривать ПЧН как совокупность формирователя эталонных импульсов, частоту сле­дования которых можно характеризовать параметром 0, и фильтра низких частот, выполняющего линейное преобразование 0—+U и пред­ставляющего собой ЧЗЧ.

Схема 6 (см. табл. 3.1) используется в компенсационных преобра­зователях напряжения в широтно - или частотно-импульсный сигнал. Они отличаются от рассмотренных компенсационных преобразователей напряжения в частоту синусоидального сигнала с ПЧН применением управляемого генератора соответствующего импульсного сигнала вме­сто генератора синусоидального сигнала и построением обратного ИП на основе ПДА. Функциональные возможности и точностные харак­теристики этих двух разновидностей ИП одинаковы.

Включение частотно-зависимых четырехполюсников в мостовые ЧЗЦ позволяет устранить основной недостаток ИП, построенных на ос­нове схем 4 и 6 — зависимость точности преобразования от стабиль­ности амплитуды выходного (входного) сигнала ИП. В ветви подобных мостовых ЧЗЦ (схемы 5 и 7 табл. 3.1) помимо ЧЗЧ включены также управляемые делители напряжения (см. § 3.1), реализующие одну и ту же зависимость Ф(лг) для коэффициентов передачи напряжения по­стоянного тока и амплитуды синусоидального или импульсного на­пряжения.

Преобразователи с четырехполюсниками в мостовых ЧЗЦ обла­дают более широкими функциональными возможностями, чем ИП с двухполюсниками в мостовых ЧЗЦ. Как следует из (3.3) — (3.5), пу­тем взаимного подбора функциональных характеристик ЧЗЧ и управ­ляемых делителей напряжения можно воспроизвести или аппроксими­ровать широкий класс линейных и нелинейных функций преобразова­ния без ограничений типа неравенств (3.1), т. е. без методических погрешностей. Например, если в схеме 5 четырехполюсники ЧЗЧ1 и ЧЗЧ2 имеют амплитудно-частотные характеристики вида /Сі (со) = = P(co)/Q(co) и /C2(co)=y4/Q(со) (где A = const), то в (3.3) —(3.5) зна­менатели Q(cd) сокращаются. Этим полностью устраняются методиче­ские погрешности воспроизведения степенных зависимостей при помощи ЧЗЧ, связанные с приближенным выполнением равенств Q (со) = const в случаях, когда числители Р(со) точно соответствуют требуемым за­висимостям (см. § 2.1), а при помощи У ДНІ, УДН2 реализуется остальная часть функции преобразования, например линейная зависи­мость от переменных х. В частности, с помощью схемы 5 с четырех­полюсниками ЧЗЧІ и ЧЗЧ2, построенными по схемам 1 и 2 (см. табл. 2.1) соответственно, согласно равенству (3.5) может быть полу­чено линейное преобразование сопротивления в частоту синусоидаль­ного сигнала, если при отсутствии У ДНІ, т. е. при Фі (x)=const, в ка­честве УДН2 использовать преобразователь сопротивления в напряже­ние с линейной характеристикой Фг(л:) =Ф2(^*) = kRx.

Такой преобразователь можно реализовать, например, на опера­ционном усилителе, в обратную связь которого включен резистор с сопротивлением Rx•

Различные варианты ЧЗЦ, выполненной по схеме 5, используют­ся в функциональном преобразователе кода в частоту [32] и соответ­ствующем ему обратном преобразователе—следящем цифровом ча­стотомере [33], а также в преобразователе частоты в перемещение [34]. Последний может применяться в качестве автокомпенсационного измерителя — регистратора частоты, имеющего по сравнению с уст­ройствами аналогичного назначения [24, 25] существенное преиму­щество: взаимным подбором характеристик трех независимых элемен­тов с его помощью можно получить широкий класс функций преоб­разования /"-ир, включая как частный случай и линейную, с малыми методическими погрешностями или без них.

Преобразователи с четырехполюсниками в мостовых ЧЗЦ обла­дают более широким набором возможных вариантов входных (вы­ходных) переменных, чем ИП с двухполюсниками в мостовых ЧЗЦ. Благодаря взаимной развязке управляемых четырехполюсных элемен­тов в качестве переменных х может быть использована относительная длительность прямоугольных импульсов, следующих с частотой, значи­тельно превышающей частоту выходного (входного) сигнала ИП, т. е. частоту напряжения питания ЧЗЦ.

Как отмечено в § 3.1, ИП с ЧЗЦ, выполненной по мостовой схе­ме 7 (см. табл. 3.1), обеспечивают получение тех же функций пре­образования, что и ИП с ЧЗЦ, выполненной по схеме 5, но амплитуд - но-частотные характеристики ЧЗЧ /С(со) заменяются характеристика­ми ПДА F(0). Поскольку ПДА не вносят фазовых сдвигов напря­жения питания ЧЗЦ, то подобные ЧЗЦ являются уравновешенными. В связи с этим исключается необходимость применения дифференци­ального нуль-органа (ДНО), а импульсный характер напряжения раз­баланса на выходе ЧЗЦ позволяет значительно снизить погрешности преобразования, связанные с дрейфом нуля усилителя напряжения разбаланса. С этой целью после усилителя включают блок формиро­вания управляющего сигнала (БФУС), выявляющий размах усилен­ного импульсного напряжения разбаланса независимо от уровня по­стоянной составляющей в выходном напряжении усилителя (в опре­деленных пределах ее изменения). Выполнение усилителя напряжения разбаланса в виде усилителя переменного тока не устраняет необхо­димости применения аналогичного БФУС, так как без него коэффи­циент передачи тракта усиления и преобразования сигнала разбаланса оказался бы зависящим от 0, что создало бы серьезные трудности одновременного получения малых инструментальных погрешностей и устойчивости замкнутой следящей системы. Схема подобного блока

(рис. 3.6) состоит из двух аналоговых ключей АК1 и АК2, разде­ляющих выходной сигнал Uyc усилителя на импульсы, соответствую­щие по времени импульсам и паузам выходного (входного) сигнала ИП Uв, двух амплитудных выпрямителей АВ1 и АВ2, преобразующих разделенные импульсы в соответствующие напряжения постоянного тока, и вычитателя В, формирующего напряжение, пропорциональное размаху сигналу разбаланса. Описанное средство устранения погреш­ностей, связанных с дрейфом нуля усилителя сигнала разбаланса и параметров элементов ЧЗЦ, может быть применено только при им­пульсном характере напряжения разбаланса. Этим определяется перс­пективность ИП, построенных на основе схемы 7.

В [22] описаны ИП с мостовыми ЧЗЦ, питаемыми импульсным напряжением выходного (входного) сигнала ИП: линейного прямого преобразователя ф->-0, где q> — механическое перемещение, и синусно* косинусного обратного преобразователя 0—>-0і, где 01 — относительная длительность прямоугольных импульсов, следующих с частотой, мно­гократно превышающей частоту следования входных импульсов. Упрощенные принципиальные электрические схемы ЧЗЦ, используемых в этих ИГІ, приведены на рис. 3.7. В одной из них (рис. 3.7,а) блоки ПДА1 и УДН2 (см. схему 7 табл. 3.1) отсутствуют, а делитель У ДНІ выполнен на потенциометре l/?i, подвижный контакт которого механи­чески связывается с объектом преобразуемого перемещения ф. Преоб­разователь ПДА2, имеющий линейную характеристику/7^) = 1—0, реа­лизован в виде простейшей схемы (цепочка С і—R2 и транзистор Т t), описанной в § 2.1. Данный ИП обеспечивает пределы изменения 0 от 0,02 до 0,75 при частотах следования импульсов от 60 до 200 Гц с основной погрешностью не более 0,5%.

В другой схеме (рис. 3.7,6) используются два ПДА и одинУДН, выполненный в виде высокочастотного линейного широтно-импульс­ного демодулятора — импульсного делителя напряжения. Данный ИП в соответствии с (3.5), в котором характеристики /(((о) заменены на

F(0), при (p2(*)=const, линейной характеристике Фі (*)=Фі (0i) и зависимостях /71(0)=80—402; /;2(0)=5—20-J-02, реализуемых преобра­зователями ПДА1 и ПДА2 и согласно известной дробно-рациональной аппроксимации функции синуса [16], обеспечивает получение функ­ции преобразования

0! == Fx (0) /f2(0) ^sin( л0/2) = cos (л0/2), (3.14)

где 0=1—0 — инверсия сигнала 0; (относительная длительность ин­вертированных импульсов). Преобразователь ПДА1 содержит два последовательно включенных линейных ПДА (элементы С2, Я3, Т2 и С3, #4, Г3), устройство компенсации постоянной (т. е. не зависящей от 0) импульсной составляющей в зависимости /М0), выполненное на инверторе (операционный усилитель А1) и суммирующей цепоч­ке (резисторы Яь—R7), а также выходной усилитель А2, формирую-

щий необходимые уровень и знак выходного сигнала. Преобразователь ПДА2 состоит из двух линейных ПДА (элементы С4, R8i 74 и С5, /?э, Г5), суммирующей цепочки на резисторах Rio—Ri2, обеспечиваю­щей требуемое увеличение в зависимости F2(0) постоянной импульс­ной составляющей, и выходного усилителя АЗ. Транзисторы Г6, Т7у резисторы R13—Ru и конденсатор С6 образуют высокочастотный импульсный делитель напряжения.

Преобразователь рассчитан на работу с указанными выше преде­лами изменения 0 и обеспечивает соответствующее изменение значе­ния 01 по синусоидальному закону при частоте следования выходных импульсов, равной 50 кГц. Основная погрешность преобразования 0,5 о/0.

Описанные линейный и синусно-косинусный ИП были разработаны для использования в устройствах автоматической обработки геологи­ческой информации. Первый из них предназначен для преобразова­ния информации о различных углах, характеризующих направление геологической скважины, в относительную длительность импульсов. Второй ИП при подаче на его вход этих импульсов совместно с дат­чиком глубины скважины и блоком умножения позволяет осуществить автоматическое вычисление значений проекций скважины на различ­ные условные плоскости. Представление выходной информации вто­рого ИП в виде относительной длительности импульсов обеспечивает простоту построения блока умножения.