ИНДУКТИВНО-ЧАСТОТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Основу схемы индуктивно-частотного преобразователя состав­ляет генератор с самовозбуждением. Различные типы таких генера^ торов находят широкой применение в радиотехнике. В зависимости от рабочего диапазона частот и выходной мощности они выполня­ются по различным схемам.

В -большинстве радиотехнических устройств к генераторам предъявляется требование максимального к. п. д. Это условие в известной мере противоречит условию обеспечения максимально возможной стабильности схемы. В то же время именно стабиль­ность является определяющим фактором при создании устройств измерительной техники. В основу проектирования индуктивно-ча­стотных преобразователей должны быть положены принципы, по­зволяющие сочетать высокую стабильность устройства с возмож­ностью получения достаточно большой мощности на выходе. В этом случае исключается необходимость в дополнительном усиле­нии сигнала, уменьшается число элементов измерительного тракта, что значительно повышает его надежность.

Рассмотрим основные принципы построения стабильных гене­раторов с самовозбуждением и факторы, влияющие на их частоту.

Режим незатухающих^ колебаний устанавливается в генераторе вскоре после его включения благодаря тому, что часть знеріии колебаний из анодной цепи возвращается в цепь управляющей сет­ки через четырехполюсник обратной связи. При этом требуется, чтобы напряжение обратной связи имело определенную амплитуду и фазу, иными словами, необходимо соблюдение баланса амплитуд и баланса фаз в генераторе. Стационарный режим автоколебаний характеризуется системой уравнений

При изменении какого-либо из параметров уравнения (1-3) в схеме возникает переходный процесс, в результате которого устанавливается новый стационарный режим автоколебаний с из­мененной амплитудой и фазой.

Если бы Sср, Zа, К' были вещественными, частота генератора совпадала бы с частотой собственных колебаний задающего кон­тура

Наличие фазовых сдвигов в цепи самовозбуждения приводит к тому, что в общем случае (Сгент^оэо - Зависимость фазовых сдвигов от частоты и других параметров, изменяющихся под действием де­стабилизирующих факторов, приводит к тому, что и частота гене­ратора зависит в конечном счете от этих факторов.

Устойчивость частоты п<у отношению к фазовым сдвигам опре­деляется свойствами колебательной системы генератора. Если ба­ланс фаз, имевший место в схеме, нарушится, изменяется сумма запаздываний в цепи самовозбуждения, а в результате и частота колебаний. В установившемся режиме для нового значения частоты а) + Ао) снова выполняется условие 2кр(й)+Лй)) = 2лл. Если сумма запаздываний Аф>0, то Ао<0.

При изменении нескольких факторов, от которых зависит ча­стота генератора, можно записать:

Г dS<p дЕ<р *1

= Ду‘+^Ау’ + -"]’ (1-5)

где Sy = <ра + fs + <fK,

Л Vi — изменение дестабилизирующих факторов;

Лео — изменение частоты.

Чем больше сг, тем меньше сказываются на частоте дестабилизирую­щие факторы, изменяющие условия работы генератора. Поскольку фаза фа, определяемая резонансными свойствами колебательного

контура, включенного в анодную цепь генератора, изменяется зна­

чительно быстрее, чем фазы xps.

Чем больше Q, тем круче фазовая характеристика при часто­тах, близких к собственной частоте контура, и тем меньше измене­ния частоты Асо, происходящие при изменении фазового угла под влиянием дестабилизирующих факторов.

Если генерируемая частота значительно отличается от (Do, д<Ра/дсо падает, а следовательно, изменяется фиксирующая способ­ность генератора. В этом случае те же значения дестабилизирую­щих факторов вызовут больший уход частоты.

Однако не все дестабилизирующие факторы влияют на условия работы генератора. Часть из них действует непосредственно ца параметры колебательного контура, изменяя его собственную ча­стоту. Влияние этих факторов не зависит от добротности контура, а определяется стабильностью его элементов.

Классификация дестабилизирующих факторов приведена на рис. 1-1. Изменение фазовых сдвигов в цепи самовозбуждения про­исходит за счет нестабильности напряжений питания и влияния последующих каскадов схемы. Сущность влияния этих факторов на частоту заключается в изменении величин реактивностей, вносимых в колебательный контур.

При отклонении аноднЬго и накального напряжений от номи­нальных значений изменяются режим генератора и величина его сеточного тока, что влечет за собой изменение фазовых углов cps и фк'. (Последнее равносильно внесению в колебательный контур

дополнительных реактивных сопротивлений. Кроме того, при из­менении напряжения питания лампы в цепи управляющей сетки создается сдвиг фаз между /аі и Uy за счет изменений амплитуд высших гармоник анодного тока. Изменяются также пространствен­ный заряд лампы и ее динамическая емкость. При этом в контур вносятся реактивности, вызванные изменением Сдин, а также сдви­гом фаз между Ua и Оу в цепи обратной связи. Изменения напря­жений вызывают непостоянство теплового режима деталей колеба­тельного контура и как следствие — изменение частоты.

Здесь же следует отметить влияние статических междуэлек - тродных емкостей лампы, не зависящих от режима. При наличии в схеме генератора параллельного колебательного контура умень­шение дестабилизирующего действия вносимых емкостей дости­гается правильным выбором характеристики контура. Если С' — вносимая емкость, имеем:

“•= уЦс+рг) ’

ю

При изменении С на величину А С' получаем относительное прира­щение частоты

Асо0 _ 1 ДС'

со0 2 С+С' 9

т. е. влияние емкости Cf тем меньше, чем больше значение С (т. е. меньше р).

Дестабилизирующее действие непостоянства напряжений пита­ния уменьшается при использовании стабилизированных источни­ков, автономного питания генератора, а также развязывающих фильтров.

Существенное уменьшение влияния дестабилизирующих факто­ров достигается при обеспечении минимальной связи задающего контура с лампой и выборе оптимального режима генерации. Влия­ние последующих каскадов на частоту генератора происходит так­же за счет изменения реактивных сопротивлений, вносимых в за­дающий контур. Эти изменения вызываются нестабильностью режи­мов этих каскадов, а также наличием паразитных связей. При этом в контуре генератора создаются наведенные токи, не совпадающие по фазе с основным током контура Важным условием уменьшения дестабилизирующего действия последующих каскадов является обеспечение их работы без сеточных токов, а также применение специальных схем, уменьшающих связь последующих каскадов с генератором Большие преимущества в этом смысле имеет схема с электронной связью, которая будет рассмотрена ниже.

Каждый из перечисленных факторов может являться причиной изменения частоты на величину порядка сотых долей процента, но и эти изменения становятся существенными при создании высоко­точных измерительных устройств. Как будет показано ниже, индук­тивно-частотные преобразователи при работе в диапазоне частот 200—700 кгц позволяют получить на выходе изменения частоты по­рядка 30—60 гц на микрон входного перемещения. Эта величина соизмерима с уходом частоты от мешающих факторов, если не при­няты специальные меры.

Из факторов, влияющих непосредственно на параметры коле­бательного контура, следует выделить температуру. Она вызывает наиболее существенные изменения частоты, чему способствует использование в качестве одного из элементов задающего контура датчика измерительного устройства, т. е. элемента, не обладающего высокой стабильностью.

Следует отметить, что изменения частоты генератора всегда являются результатом совместного действия многих дестабилизи­рующих факторов. Однако значительный интерес представляют дан­ные, позволяющие оценить влияние тех или иных факторов, дей­ствующих отдельно. На рис. 1-2 представлены экспериментальные зависимости частоты от напряжений £/а, Uc2y ^Нак-

Исследование стабильности частоты генератора позволяет сформулировать требования к схеме и параметрам задающего кон­тура. Это прежде всего высокая фиксирующая способность а, ста­бильность собственной частоты контура, низкое значение его харак­теристики р при использовании схемы с параллельным контуром, а также минимальная связь задающего контура с генераторной лампой.

б)

Для полного использования фиксирующей способности контура частота генератора должна быть близка к соо - Режим генерации выбирается таким, чтобы обеспечивалось минимальное влияние всех факторов, воздействующих на *d0 и на сдвиг фаз фз + фа+ф'к в элементах цепи самовозбуждения.

Большое количество схем одноконтурных генераторов с самовозбуждением можно све­сти к обобщенной трехточеч­ной схеме, изображенной на рис. 1-3,а. Комплексные сопро­тивления Zac, ZCK, ZaK состав­ляют задающий контур гене­ратора, определяющий в основ­ном частоту его колебаний.

Частным случаем такой схемы является вариант с ем­костной обратной связью. В нем сопротивление Z ас НОСИТ индуктивный, а сопротивления Zck и Zак — емкостный харак­тер. Поскольку в индуктивно - частотном преобразователе ка­тушка датчика является ин­дуктивностью задающего кон­тура, в дальнейшем все рас­суждения будем вести приме­нительно к схеме с емкостной обратной связью.

Выше отмечалось, что толь­ко при частичной связи задаю­щего контура с лампой можно добиться существенного повы­шения стабильности генератора. Это определяет важность выбора оптимального значения коэффициента связи, величина которого должна быть по возможности минимальной, но в то же время в схе­ме должны соблюдаться условия самовозбуждения.

Рассмотрим генератор с емкостной связью, принципиальная схема которого представлена на рис. 1-3,6. Здесь С0 — собственная емкость катушки индуктивности, Сь С2, С3 — емкости делителя на­пряжения, а С — суммарная емкость колебательного контура. Для напряжений, действующих в контуре

Для расчета р зададимся коэффициентом обратной связи /С, ко­торый должен обеспечить:

1. По возможности минимальное влияние нагрузки генератора на частоту внутреннего контура; это влияние происходит за счет того, что по высокой частоте нагрузка и внутренний контур вклю­чены последовательно, причем увеличение К способствует умень­шению отбора мощности во внутренний контур, устраняет излиш­ний нагрев его элементов и повышает к. п. д. генератора.

2. Уменьшение дестабилизирующего действия емкости катод — подогреватель лампы, что позволяет использовать в катодной цепи только один дроссель; это важно при работе устройства на частотах порядка нескольких сотен килогерц, так как в этом диапазоне га­бариты дросселя в накальной цепи значительно возрастают.

3. Уменьшение связи внутреннего контура с нагрузкой, про­исходящее с ростом К; при этом появляется возможность увеличе­ния Za до значений, соизмеримых с внутренним сопротивлением лампы Яг, и использования в качестве нагрузки лампы контуров с высокой добротностью.

Перечисленные соображения ограничивают минимальное значе­ние К. Максимальное его значение не должно нарушать баланс ампЛитуд в генераторе.

Величина К выбирается в пределах 3—5. Большие значения со­ответствуют внутренним контурам с большей добротностью.

Сопротивление задающего контура, частично связанного с лам­пой генератора, составляет:

(1-17)

где 2а — сопротивление эквивалентного параллельного контура, ко­торый составлен из емкостей С2 и С3 (см. рис. 1-4) и некоторой индуктивности Z/, имеет коэффициент связи с лампой р — 1 и обес­печивает устойчивый режим генерации на частоте исходного кон-

тура.

На резонансной частоте справедливо

Границей стационарного режима генератора при заданных па­раметрах колебательного контура является предельное мини-мальное значение коэффициента связи рпреД, при котором еще соблю­дается равенство Scp=*S (аг=1). Поскольку значение 5ср, боль­шее, чем S, невозможно, режима с р<риред не существует, а при Р> Рпред колебания возникают, если соблюдается наравенство £СР<£, причем с ростом р значение 5ср уменьшается. Последнее возможно только при переходе генератора в нелинейный режим, который и является единственно возможным.

Анодный ток в этом режиме не повторяет форму напряжения на сетке и представляет ряд косинусоидальных импульсов. При на­личии обратной связи, обеспечивающей условие SCP<S, после включения питания амплитуда колебаний начинает возрастать до величины, соответствующей установившемуся режиму.

Коэффициент устойчивости аг - определяется по формуле

= ' 0 —sin 0 cos в ’ t1'30)

где 0 — угол отсечки анодного тока генераторной лампы. Значения аг>1,5-т-2,0 не рекомендуются, так как при этом растет р и, сле­довательно, увеличивается влияние дестабилизирующих факторов на частоту.

Сеточный ток является весьма нестабильным параметром элек­тронных ламп. Он имеет большой разброс даже для ламп одного и того же типа и, кроме того, изменяется при эксплуатации. Для того чтобы шунтирующее действие лампы за счет сеточных токов не влияло на параметры колебательного контура, необходимо, что­бы входное сопротивление лампы было значительно больше резо­нансного сопротивления контура, отнесенного к участку сетка — катод. Это условие выполняется при значениях сопротивления в цепи автоматического смещения порядка 50—200 ком.

Каскад схемы, непосредственно следующий за генератором, ока­зывает особенно большое влияние на режим его работы. Для уменьшения этого влияния применяется схема с электронной связью, объединяющая в одной лампе возбудитель и буферный каскад. Схема собирается на лампе с экранной сеткой. Применение триодов для этой цели исключается из-за большого значения емкости Са. к. Задающий контур генератора (внутренний контур) включается в цепь управляющей сетки. Экранная сетка служит анодом генера­тора. Нагрузка, в качестве которой обычно используется контур, настроенный на частоту внутреннего контура, включается в анод­ную цепь лампы. Экранная сетка заземляется по высокой частоте. Внутренний контур связывается с лампой так же, как в обычных трехточечных генераторах.

На рис. 1-4 представлен вариант схемы с электронной связью при емкостной связи внутреннего контура с лампой. Связь внутрен­него и внешнего контуров незначительна и осуществляется только через общий электронный поток лампы. В схеме предусмотрена ста­билизация напряжений питания анодной и экранной цепей. Цепь накала лампы питается от отдельной обмотки, в которую включен стабилизатор тока.

При расчете генераторов с электронной связью следует учиты­вать, что крутизна характеристики лампы по общему электронному потоку

S = Sa + Sc2*

Изложенные выше соображения позволяют произвести расчет оптимальных параметров и оптимального режима генератора для обеспечения его наибольшей стабильности. Исходными данными для расчета являются верхнее и нижнее значения генерируемой ча­стоты.

Исходные данные: тип лампы — б^КЗП; добротность внутрен него контура Q = 30; /(=4; /=150—300 кгц /?'г = 10 ком &г = = 500 ком; добротность анодного контура QaK=100; емкость анод­ного контура Са = 500 пф С0=50 пф.

Выбираем рабочую характеристику лампы при

£а = 250 в; Ес2— 150 в.

При использовании в схеме измерительного генератора транзи­сторов частота колебаний будет определяться не только параметра­ми колебательной системы, но также и характеристиками транзи­сторов. От устойчивости этих характеристик при изменении внеш­них условий будет зависеть та или иная доля общей нестабильности частоты генератора, связанная с активным элементом схемы.

Как известно, свойства высокочастотных транзисторов в зна­чительной степени зависят от частоты. Для очень высоких частот эта зависимость становится иас'ґоліжо сильной, что возникает во­прос о целесообразности использования данного типа транзистора. Если учесть, что дрейфовые транзисторы имеют предельную частоту, равную десяткам и сотням мегагерц, а рабочий диапазон индук­тивно-частотных преобразователей обычно лежит в пределах сотен килогерц, можно ограничиться рассмотрением лишь низкочастотных свойств транзисторов.

Значительно большая по сравнению с лампой крутизна харак­теристики транзистора, малое входное сопротивление цепи базы и сравнимое с пентодом внутреннее сопротивление цепи коллектора делают практически возможной схему измерительного генератора с частичной связью колебательного контура с транзистором. Это повышает стабильность схемы. Значение коэффициента включения и связи колебательного контура с активным элементом р выби­рается в зависимости от добротности контура генератора.

На существующих транзисторах не представляется возможным построить схему генератора, аналогичную ламповой схеме с элек­тронной связью. В транзисторных схемах необходимо вводить до­полнительные каскады усиления и ограничения сигнала перед дискриминатором.

Режим транзисторов в схемах генераторов должен выбираться с учетом их специфических свойств (низкое значение R6 э> высокое значение /?эк, зависимость параметров от температуры)* Важен также правильный выбор тока и напряжения коллектора. При больших значениях этих параметров увеличивается мощность рас­сеяния, что ухудшает тепловой режим транзистора. При малых то­ках коллектора вследствие нелинейности начального участка стати­ческой характеристики уменьшается ее крутизна и усиливается влияние изменения параметров входных и выходных цепей транзи­стора.

Для согласования высокоомного сопротивления коллекторной цепи с низкоомным входным сопротивлением необходимо выбирать малое значение К=ибэ/икэ. Практически выбирают /(=0,054-0,3.