Частотные преобразования

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АНАЛОГОВОЙ ВЕЛИЧИНЫ ВО ВРЕМЕННОЙ ИНТЕРВАЛ С ЗАМКНУТОЙ СТРУКТУРОЙ И ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ

По своей структурной схеме преобразователь [Л. 65] имеет много общего с преобразователем аналог — частота (рис. 21,а). Устройство содержит в прямом тракте интегратор и схему сравне­ния выходного напряжения интегратора с пороговым напряжением Unop, и узел обратной связи. Последний представляет собой ключевую схему, управляемую триггером и коммутирующую источ­ник стабильного напряжения или тока. Работа устройства синхро­низируется внешним генератором импульсов, с помощью которого фиксируется период Т повторения импульсов обратной связи.

При преобразовании, например напряжения, с приходом тактового импульса запускается узел обратной связи и на вход интегратора подается стабилизированное напряжение, величина которого Uo, а полярность противоположна полярности £/вх. Выход­ное напряжение интегратора-под воздействием разности напряжений Uо—Uвх линейно изменяется до тех пор, пока не сработает схема сравнения, прекращающая подачу напряжения Uo. Так как действие измеряемого напряжения на вход интегратора продолжается, исход­ный уровень на выходе интегратора восстанавливается со скоростью, пропорциональной t/BX. С приходом очередного тактового импульса процесс повторяется. В установившемся режиме, характеризуемом равновесием заряда интегрирующего конденсатора, уравнение, описывающее работу идеального преобразователя без учета погреш­ностей преобразования, имеет вид:

С {kJJt — £і<Увх) dt — С kiUbxdt = 0,

0

где tx — длительность импульса обратной связи; Т — время одного цикла измерения; ki='A/RiC; k2=)RiC.

Если допустить, что за время одного цикла измеряемое напря­жение не меняется (U вх = const) и Uo = const, то в этом случае

&2U0tx — kiUvxtx = kiUvx (Т — tx);

{* = ТЇ1І7и*х = SUsx'

Две последние зависимости показывают, что длительность импульса обратной связи пропорциональна входному напряжению, а крутизна преобразовательной характеристики определяется амплитудой импульса обратной связи и периодом его повторений, а также отношением сопротивлений суммирующих резисторов на входе интегратора. Величина емкости интегрирующего конденсатора не входит в последнее уравнение, и, следовательно, ее стабильность не оказывает влияния на точность преобразования.

Существенным отличием рассматриваемого типа преобразова­теля является наличие переходного процесса, возникающего

замкнутой импульсной нелинейной системе при каком-либо воз­мущении внутри системы (Uвх остается постоянным в интервале преобразования) и приводящего к изменению длительности форми­руемого временного интервала в данном Т0 и последующих циклах работы устройства.

В этом случае учет предыдущего цикла Тр преобразования (рис. 47,а) приводит к следующей зависимости:

kiUvx (Т — txv) — (k2U0 — kUвх) ^л(р + і) = 0,

и, следовательно, длительность импульсного сигнала, формируемого

Рис. 47.

устройством в следующем Тр+1 цикле преобразования

или, учитывая уравнение f*(p + i),

В этом случае

При b= 1 в системе возникают автоколебания с периодом, равным Т.

Таким образом, приведенное неравенство соответствует области устойчивой работы преобразователя, причем время затухания пере­ходного процесса определяется величиной b, являющейся функцией Uвх, Uo и отношения Ri[R2.

Максимальное время затухания переходного процесса в системе

имеет место в случае преобразования £/Вх. макс < 0,5 -рг~ U0. Это же

условие должно учитываться при выборе верхней границы диапазо­на изменения аналоговой величины, а также амплитуды компенсирующего импульса.

Методическая погрешность интегрирования приводит к нели­нейности характеристики вход—выход преобразователя.

Интеграл разности эталонного и входного напряжений с учетом погрешности интегрирования [JI. 12] примет следующий вид:

кгиЪх (Т — tx) [1 — $ (7 — tx)] + kJJ&t* [1 - ft (tx)] - - k2Uotx[l-d(tx)]=0.

После упрощения

кгU*xtxb (tx) + k2U0tx [1 - 8 (f,)] - kJUvT [1 - a (T - tx)] - — кгУзхІх^ (T — tx) = 0.

Решив это выражение относительно tx и учтя что

Отклонение выходного сигнала реального преобразователя от идеального, приводящее к нелинейности преобразования, определяет­ся зависимостью

Таким образом, основное влияние на нелинейность характеристи­ки преобразователя оказывает составляющая (Т) методической

погрешности преобразования.

В соответствии с этими выражениями выбираются параметры интегратора.

Особенностью преобразователя является также то, что его точность не зависит от стабильности частоты образцового генерато­ра, если заполнение временного интервала, эквивалентного длитель­ности импульса обратной связи, и импульсы тактовой частоты пре­образователя обеспечить от одного генератора импульсов.

Кроме указанных выше погрешностей, на точность преобразова­ния существенно влияют изменения статических параметров ключей, применяемых в узле обратной связи, коммутирующих источник эталонного напряжения.

Учет этих параметров производится так же, как и в случае преобразования аналоговой величины в частоту, использующей интегратор и цепь обратной связи.

Следует обратить внимание на то, что имеющийся в данном случае дрейф нуля в результате изменения параметров замкнутого
состояния коммутатора вносит погрешность в характеристику пре­образования, а задержка выключения уменьшает диапазон работы преобразователя.

Номинальная величина эталонной частоты заполнения и коэф­фициент деления делителя частоты, которым фиксируются тактовые импульсы, выбираются из условия допустимой погрешности длитель­ности преобразования.

Недостатком преобразователей этого типа является наличие делителя частоты для выработки тактовых импульсов. Кроме того, момент окончания процесса установления временного интервала, соответствующего преобразуемой величине в следящем преобразо­вателе этого типа, точно не известен.

Преобразователь, блок-схема которого приведена на рис. ![Л. 66], этих недостатков не имеет. На рис. 48,а показана временная диа­грамма процесса уравновешивания двух крайних значений начальных уровней напряжений на выходе интегратора. Из диаграммы следует, что независимо от уровня напряжения на выходе интегратора (а следовательно, на входе преобразователя) система уже в тече­ние пяти циклов приходит в устойчивое состояние (кривые слива­ются).

Уравновешивание входного напряжения в течение каждого цикла осуществляется импульсами, формируемыми узлом обратной связи и несущими единичные стабильные заряды q (дискреты), причем количество этих единиц (дискрет) является цифровым значением входного сигнала.

При подаче преобразуемого напряжения на вход интегратора его выходное напряжение воздействует на нуль-орган таким образом, что триггер Тгt на выходе нуль-органа находится в состоянии, при котором вентиль В і открыт, и сигналом генератора эталонных импульсов возбуждается коммутатор. Через последний от источника стабильного напряжения U о на вход интегратора поступают дискреты заряда. Величина дискреты

q='U0TlR2,

где т — длительность эталонного импульса.

Кроме того, эталонные импульсы через элемент ИЛИ поступают на счетчик.

Когда напряжение на выходе интегратора в результате действия импульсов обратной связи падает до порогового уровня нуль-органа, последний срабатывает, перебрасывая триггер в исходное состояние. Вентиль В і закрывается, однако открывается вентиль В2 (переклю­чатель /Сі замкнут) и импульсы эталонной частоты через В2 и элемент ИЛИ продолжают поступать на счетчик. Когда счетчик переполнится, импульс переполнения перебросит триггер Тг 1 в со­стояние, при котором снова открывается коммутатор и дискреты компенсирующего заряда поступают на вход интегратора. Начинает­ся новый цикл уравновешивания.

Интервал времени tv (рис. 48,6) в установившемся режиме пропорционален преобразуемому напряжению. Для выявления интервала и автоматической остановки процесса преобразования служит остальная часть схемы преобразователя.

Когда триггер Тг і возвращается в исходное состояние (в момент tP) импульс с его выхода через конденсатор С2 на короткий интер­вал времени открывает вентиль В3, подключая к разряду счетчика выпрямительное устройство на диодах Ді—Д4, конденсаторе С4 и резисторе R3. Этим проверяется состояние триггера этого разряда. В случае наличия единицы в этом разряде, через конденсатор С3 на выпрямитель с емкостной нагрузкой (С4) поступает импульс, за­ряжающий через диоды конденсатор С4. Напряжение на конденса­торе управляет работой триггера Шмитта, коммутирующего ключ /Сі. Конденсатор С4 быстро заряжается через выпрямитель и медленно разряжается.

Пока в системе не наступит устойчивое состояние, через вентиль В з на выпрямитель будет поступать напряжение, уровень которого изменяется, и конденсатор С4 будет поддерживаться в заряженном состоянии. Следовательно, ключ /Сі будет замкнут. В установившем­ся режиме уровень напряжения, поступающего через вентиль В3 на конденсатор С3 остается постоянным, цепь разорвана, конденса­тор С4 разряжается и при определенном, заранее заданном напря­жении на конденсаторе триггер размыкает переключатель /Сі.

После этого в счетчике подсчитывается число импульсов эталон­ной частоты, прошедших через элемент ИЛИ за время tv. Так как ключ Ki разомкнут, вентиль В2 закрыт, переполнение счетчика не происходит, процесс преобразования останавливается. В счетчике регистрируется число импульсов, эквивалентное интервалу времени tP и пропорциональное входному напряжению.

Возможности преобразователя аналог — временной интервал, имеющего замкнутую структуру, могут быть расширены введением

в прямой тракт преобразования симметричного биполярного пило­образного сигнала J71. 64].

Основным достоинством такого устройства является возмож­ность преобразования биполярных входных сигналов.

Преобразователь (рис. 49) помимо стандартных узлов, харак­терных для этого типа устройства (интегратора, сравнивающего устройства, узла обратной связи), содержит новые блоки — генератор пилообразного напряжения, формирователи Ф±—Фъ, триггеры Тг і— Тг2, триггер Тг3 индикации полярности преобразуемого сигнала.

Работа устройства синхронизируется блоком управления, с помощью которого фиксируется период повторения Т импульсов обратной связи. Синхронизирующий сигнал поступает на триггер

Тги осуществляющий деление синхронизирующих импульсов. Перед­ним фронтом прямоугольного напряжения с триггера Тгч через формирователь Фі (дифференцирующая цепь) запускается генера­тор симметричного биполярного напряжения и триггер Тг2.

Выходной сигнал генератора пилообразного напряжения сумми­руется с выходным напряжением интегратора, являющимся времен­ным интегралом преобразуемого аналогового сигнала, и поступает на сравнивающее устройство. При равенстве выходного напряже­ния сумматора и порогового сравнивающее устройство срабатывает, запуская узел обратной связи, которым в течение периода Т форми­руется сигнал обратной связи, причем в течение tx на вход интегра­тора поступает компенсирующий сигнал с амплитудой + Uо и в течение времени /—tx — сигнал с амплитудой — Uo.

Пилообразное напряжение определяет цикл повторения работы преобразователя и фазу, которая необходима для последующего суждения о полярности преобразуемого сигнала.

Одним из достоинств устройства является то, что точность полу­ченной информации не зависит от формы пилообразного напряже­ния. Нелинейность последнего корректируется в замкнутой системе преобразования.

Временной интервал tx преобразуется в код следующим обра­зом. Импульс, соответствующий началу интервала tx с выхода формирователя Ф2 через схему ИЛИ запускает отсчетное устрой­ство. Импульс с выхода формирователя Ф3, соответствующий окон­чанию интервала <tx, через схему ИЛИ прекращает счет импульсов отсчетным устройством. Базисным импульсом является импульс, соответствующий середине биполярного пилообразного напряжения. Поэтому в случае положительной преобразуемой величины импульс окончания временного интервала <tx следует за базисным импульсом, в случае отрицательной преобразуемой величины, наоборот, базис­ный импульс следует за импульсом с .выхода сравнивающего устройства. В связи с этим появляется возможность простой индика­ции полярности. Для этого служит триггер Тг3. Если базисный импульс приходит первым, а импульс с выхода сравнивающего устройства вторым,, индикатор фиксирует положительную поляр­ность входной величины. Если импульс с выхода сравнивающего устройства приходит первым, а базисный вторым, индицируется отрицательная полярность.

Триггер Тг2 предупреждает запуск отсчетного устройства (нача­ло отсчета) от импульса, следующего вторым в последовательности импульсов, поступающих через схему ИЛИ в результате цикла преобразователя. Для этого в начале каждого элементарного цикла импульс, соответствующий запуску генератора пилообразного напря­жения, перебрасывает триггер в состояние, при котором отсчетный блок готов для начала счета.