ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ЧАСТОТНО­ЗАВИСИМЫМИ ЦЕПЯМИ

Обратные ИП развертывающего преобразования

Известны две основные разновидности данных ИП, работающих как функциональные преобразователи длительности импульсов в на­пряжение (широтно-импульсные демодуляторы): ИП с фиксацией (за­поминанием) значений напряжения развертки и ИП с усреднением последовательности широтно-модулированных импульсов развертки [12, 35]. Отличием ИП второго вида от обобщенной структурной схе­мы обратных развертывающих ИП (см. рис. 1.10) является исполь­зование линейного импульсного делителя напряжения вместо ключа и АЗУ.

Рассмотрим возможность использования подобных демодуляторов для построения функциональных преобразователей частоты следования импульсов в напряжение [36].

Такая возможность основана на использовании в качестве преоб­разуемого интервала времени т длительности паузы между входными импульсами постоянной длительндсти то, зависящей от частоты f сле­дования этих импульсов:

т= Т—т0= 1 //—То. (4.1 >

Значение Uп может быть найдено для конкретных случаев путем обратного расчета — подстановкой функции £/оф(0> найденной по (4.4), в интеграл (4.2).

из которого следует, что зависимость

UBblx=(U0/fo2)f2+Un

реализуется при выполнении условия Un=-—V0. Таким образом, для получения функции преобразования (4.5) напряжение развертки долж­но изменяться по закону

ф(/)=-1-То7(*-Ы2. (4.7)

а в выходную цепь демодулятора должен быть введен сумматор Сум, ■осуществляющий суммирование выходного напряжения импульсного делителя с опорным напряжением U0 (рис. 4.2,а). Однако для полу­чения развертывающей функции вида (4.7) необходим сложный гене­ратор ГРФ.

В то же время при помощи данного демодулятора (рис. 4.2,а) с простым генератором линейной развертывающей функции

Ф (t)=ai--bt (4.8)

тде а и b — постоянные коэффициенты, можно аппроксимировать ши­рокий класс функций £/Вых = Ф(0- Действительно, подставляя (4.8) в (4.2), находим:

Ф(0 = U0[a/2f + (b—axo) + (ах02/2—bx0)f]. (4.9)

При каскадном включении рассматриваемого демодулятора через развязывающий усилитель РУ с линейным импульсным делителем на­пряжения ИДН2, управляемьім тем же входным сигналом (рис. 4.2,6) г выходное напряжение этого делителя определяется зависимостью

Увы х==Ф ( /) Tof,

где функция Ф(/), представляющая собой опорное напряжение им­пульсного делителя, имеет вид (4.9). В результате получаем уст­ройство, имеющее функцию преобразования в виде квадратичного по­линома

иВых = и оТо [ot/2—{— (b—схто) f + (ато2/2—Ьхо) /2],

коэффициенты которого зависят от параметров а, b и т0 и могут изме­няться в широких пределах установкой различных значений этих, параметров. Тем самым при помощи данного устройства можно ап­проксимировать различные трансцендентные функции преобразования,, используя их квадратичное (или кусочно-квадратичное) прибли­жение.

В демодуляторах с запоминанием значений напряжения развертки передача этих значений на АЗУ (см. рис. 1.10) должна осуществлять­ся в конце интервала времени (4.1). При этом функция преобразова­ния имеет вид

UB ы X = ф (f)=£/оф (т) = U оф (1 //-То), (4.10)

где ф(т) по-прежнему соответствует виду развертывающей функции ф(0- Связь функции ф(^) с требуемой функцией преобразования Ф^) устанавливается зависимостью

t/оф (Г) = Ф (f) =Ф[ 1 / (Т+То) ] (4.11)

с последующей заменой т на t.

Демодуляторы этого вида, в отличие от демодуляторов с усред­нением импульсов, не позволяют получить квадратичные функции пре­образования частоты в напряжение на основе простой схемы ГРФ с постоянным (нерегулируемым) временным масштабом развертыва­ющей функции. При q>(i)=at--b согласно (4.10) получают зависи­мость

ив ы х ■= и о [а (1 /f-то) + b] = Uo[ci/f + (b-cixol (4.12)

которая при выборе значений параметров а, b и то, обеспечивающих равенство Ь=атоУ соответствует закону обратной пропорциональности при конечном (не пренебрежимо малом) значении то, компенсируе­мом введением в напряжение развертки постоянной составляющей Ь. Однако функция (4.12) простыми схемными средствами не может быть преобразована в зависимость вида квадратичного поли­нома.

Для получения функции преобразования

ы х = Ф (/) =Uq (т + tif+If2),

где rti, п и I — постоянные коэффициенты, напряжение развертки в соответствии с (4.11) должно иметь форму

Ф (/) =т--п/(/-j-To)-f-// (^-j-1’0)2»

которая также может быть обеспечена только за счет существенного усложнения ГРФ.

Широкие функциональные возможности преобразования частоты следования импульсов в напряжение обеспечиваются обратными раз­вертывающими ИП с запоминанием значений напряжения развертки и регулируемым временным масштабом развертывающей функции, построенным согласно обобщенной структурной схеме (см. рис. 1.10).

Запишем выражение для развертывающей функции с учетом ее временного масштаба Гм:

R (/)=/70ф (/) = /70ф1 (tITu). (4.13)

Отсюда видно, что результат преобразования зависит не только от момента /=т фиксации значения напряжения развертки, но и от вре­менного масштаба Тм, причем в общем случае результат определяет­ся отношением т/Гм и инвариантен к изменениям значений т и Гм. Если, кроме того, временной масштаб пропорционален периоду Т= =1 // следования входных импульсов Туї==ЬТу то согласно (4.13) получаем выражение для функции преобразования

*/вых=*/о<Р1(*М, (4.14)

где k=/k}> инвариантное по отношению к изменениям параметров ти/. Указанное свойство иллюстрируется временными диаграммами, показанными на рис. 4.3. При преобразовании длительности импуль*- сов, следующих с постоянным периодом Ти в напряжение (рис. 4.3,а) двум значениям Ті и тг=2ті длительности импульсов соответствуют значения U вы хі и U Выхг выходного напряжения. В случае преобра­зования частоты / следования импульсов в напряжение с изменения­ми временного масштаба развертывающей функции пропорционально* периоду 7==1// (рис. 4.3,6) при фиксации значений напряжения раз­вертки в конце одного и того же временного интервала ті для зна­чения периода Т2=0,5Ті (т. е. для f2=2fi) получаем то же, что и в> первом случае, значение £/Вых2 выходного напряжения.

При построении преобразователей частоты в напряжение на осно­ве описанного свойства инвариантности для формирования временного* интервала постоянной длительности, в конце которого должно фик­сироваться значение напряжения развертки, используют элемент за­держки. Регулирование временного масштаба развертывающей функ­ции осуществляется путем периодического получения цифрового кода,, пропорционального периоду входного сигнала, и воздействия этию кодом на цифроуправляемые времязадающие резисторы, включенные* в ЧЗЦ генератора ГРФ.

Схема подобного ИП [13] представлена на рис. 4.4, временные* диаграммы его работы — на рис. 4.5. На вход формирователя прямо­угольных импульсов ФПИ поступают импульсы преобразуемой ча­стоты / (рис. 4.5,а). На выходе ФПИ образуется последовательность, узких прямоугольных импульсов постоянной длительности (рис. 4.5,6)*. выбранной в соответствии с временем возврата генератора ГРФ в ис­ходное состояние. С помощью схемы запрета СЗ на время существо­вания импульсов, сформированных формирователем ФПИ, запрещает­ся прохождение импульсов генератора импульсов высокой частоты1 ГВЧ (рис. 4.5,в) на вход счетчика Сч. По узким импульсам, сфор* мированным дифференцирующим элементом ДЭ и соответствующим* срезам выходных импульсов ФПИ, счетчик Сч сбрасывается в нуле­вое состояние и начинает считать импульсы генератора ГВЧ, посту­пающие на его вход (рис. 4.5,г). По импульсам, соответствующим фрон­там выходных импульсов ФПИ, код, зафиксированный в счетчике Сч ir пропорциональный истекшему периоду Tt через блок ключей БК пере­писывается в регистр Рг (рис. 4.5,д). Пропорционально коду, зафик­сированному в регистре Рг, устанавливается значение сопротивления^ цифрового управляемого резистора ЦУР, который включен в ЧЗЦ, входящую в состав ГРФ, и является времязадающим резистором по­следнего. Тем самым по информации о длительности предыдущего периода задается временной масштаб развертывающей функции на следующий период. Выходное напряжение генератора ГРФ начинает изменяться в моменты времени /=0, соответствующие срезам выход­ных имдульсов ФПИ, и подчиняется закону

Выходное напряжение ивых преобразователя снимается с устройст­ва АЗУ в виде ступенчатой функции (рис. 4.5,и) преобразуемой ча>- стоты /.

Рассмотренная схема функционального преобразователя частоты в напряжение в частных случаях может быть значительно упрощена^ Например, если функция преобразования должна иметь вид синуса или косинуса, а сигнал преобразуемой частоты имеет синусоидальную форму, то этот сигнал может одновременно выполнять роль развер­тывающей функции, так как его период фактически является времен­ным масштабом. В качестве примера на рис. 4.6 приведена схема преобразователя частоты в напряжение [37]. Она содержит те же

блоки, что и схема, приведенная на рис. 4.4, однако в ней исключены генератор ГРФ и соответственно все блоки, осуществляющие управ­ление скоростью развертки. Вход ключа К л, на который должно по­даваться напряжение развертки, соединен с входом всего преобразо­вателя. Узкие импульсы на выходе ДЭ, соответствующие фронтам

выходных импульсов ФПИ и по времени совпадающие с моментами перехода входного синусоидального напряжения через нуль в сторону возрастания, после задержки на время та замыкают ключ Кл. Тем самым входное напряжение

U^=Ufsm2nft (4.17)

в моменты времени /=Тз, отсчитываемые от моментов /=0 перехода этого напряжения через нуль в сторону возрастания, передается на АЗУ, которое согласно (4.17) фиксирует значение напряжения

UBblx = Uf sin 2jtt3f,

«сохраняемое постоянным в течение одного периода входного сигнала, выходное напряжение UВых снимается в виде ступенчатой функции, ^соответствующей согласно (4.18) синусоидальной функции преобразуе­мой частоты /. Выбором достаточно большого значения т8 можно обеспечить преобразование изменения аргумента синусоидальной функ - щии в широких пределах, многократно превышающих ее период.

Если параметр входного сигнала задан частотой fh отсчитывае­мой от некоторого начального значения /н, т. е. f=sfi--fai то в соот­ветствии с (4.18) получаем зависимость

UM ы x=£/fS in (2rtT3f і+2nx3fn).