Частотные преобразования

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СЧЕТА С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ АНАЛОГОВОЙ ВЕЛИЧИНЫ В ЧАСТОТУ

На рис. 2 приведена структурная схема преобразователя, в ко­тором числовой эквивалент получается после промежуточного пре­образований непрерывной величины в частоту электрических сигна­лов. Устройство содержит генератор управляемой частоты, генератор эталонных временных интервалов, элемент совпадения (ключ) и на­капливающий счетчик. Устройство управления, дешифратор и ин­дикатор на схеме не показаны.

Работает устройство следующим образом. Под действием ана­логовой величины генератор управляемой частоты выдает сигнал» частота которого линейно •зависит от преобразуемой величины. В течение каждого цикла преобразования с генератора эталонных

временных интервалов на элемент совпадения (ключ) поступает строго фиксированный по длительности сигнал. За время действия этого сигнала через элемент совпадения на счетчик проходят им­пульсы генератора управляемой частоты, количество которых, зафик­сированное счетчиком к концу каждого цикла преобразования, рав­но числовому эквиваленту преобразуемой величины.

После окончания сигнала генератора эталонных временных ин­тервалов, задающего в данном случае интервал преобразования, производится считывание числового кода и установка счетчика в нулевое положение. Устройство готово к новому циклу преоб­разования.

Из принципа работы рассмотренного выше преобразователя вы­текает одно из основных преимуществ указанной группы устройств — в связи с интегрированием частоты выходных импульсов управляе­мого генератора в течение интервала измерения достигается нечув­ствительность устройства к помехам, наложенным на преобразуемый сигнал.

Основным узлом, определяющим наиболее важные характеристи­ки преобразователя, такие как точность, быстродействие, помехоза­щищенность, является генератор управляемой частоты. В связи с тем, что преобразователи рассматриваемого типа могут быть со­зданы для измерения электрических и неэлектрических величин, ге­нератор управляемой частоты может иметь различную конструкцию. В дальнейшем речь пойдет о частном, но наиболее употребительном случае преобразования — преобразовании напряжения или тока в ча­стотный выходной сигнал и осуществляющих это преобразование генераторах управляемой частоты.

Как известно, основой работы таких устройств является пре­образование постоянной или медленно меняющейся входной анало­говой величины в сигнал, амплитуда которого постоянна, а частота меняется в соответствии с входным модулирующим сигналом. Раз­личают частотную модуляцию, когда выходным сигналом устройст­ва являются частота гармонических колебаний, или частотно-им­пульсную модуляцию, когда выходной сигнал несинусоидальной формы управляемого генератора имеет 'переменную частоту.

При частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) под частотой сле­дования импульсов понимается {Л. 5] мгновенная частота соответст­вующих этой последовательности гармонических, модулированных по частоте колебаний, у которых фазовые значения 0(?*) =0о+2зт (где /г=1, 2, 3...) совпадают по времени с моментом ti появления импульсов.

Геометрической интерпретацией ЧИМ в комплексной плоскости является модулируемый вектор 5 (t) = <?/0 вращающийся с по­стоянной скоростью

т. е., как и в случае частотной модуляции (ЧМ) гармонического сиг­нала при ЧИМ, скорость изменения фазы вектора £(0 определяется модулирующим воздействием x(t). Однако в отличие от ЧМ гар­монического сигнала частотно-импульсный модулятор фиксирует по­ложения вектора g(0 дискретно в моменты его совпадения с зафик­сированным вектором'

ф (п) = е] [0 (*о) + 2%п]

или, иначе говоря, частотно-импульсный модулятор фиксирует момен­ты ti изменения фазовой функции 0(0 вектора 5(0 на величину 2я. В моменты U на выходе генератора — частотно-импульсного модуля­тора появляются импульсы.

Текущее значение девиации частоты пропорционально отноше­нию текущего значения UBX к U'Bx, мин. Изменение количества им­пульсов, поступивших на счетчик по сравнению с количеством им­пульсов, поступивших на счетчик при {7Вх. мин при одинаковых ин­тервалах измерения будет определяться выражением

AN = AfAt = TJ Af.

При Л/=1 мсек и требуемой точности 0,1% необходима девиа­ция частоты '1 Мгц. Это приводит к большому объему счетчика и высоким требованиям к его быстродействию.

Промежуточное преобразование частоты позволяет исключить некоторые из этих недостатков.

На рис. 4 приведена блок-схема преобразователя [Л. 7], исполь­зующего генератор опорной частоты, и смеситель, в котором частота fm, зависящая от входного напряжения управляемого генератора гармонических колебаний, смешивается со стабилизированной часто­той fon кварцевого генератора.

На выходе смесительного каскада получаются сигналы различ­ных частот, из которых при работе устройства используется сигнал с частотой /вых, равный разности частот fm и /0п и пропорциональ­ный входному аналоговому сигналу. Сигнал с частотой /вых выде­ляется фильтром нижних частот, высшие гармоники подавляются фильтром.

Использование подобного метода получения выходной частоты позволяет получить большой относительный диапазон изменения вы­ходной частоты /вых при относительно небольшом изменении часто­ты fm управляемого генератора. Это свойство является весьма важ­ным, так как при небольшом диапазоне относительного изменения частоты fm удается получить хорошую линейность характеристики управляемого генератора.

Для изменения частоты генератора наиболее часто используются варикапы для косвенной модуляции частоты генератора путем из

Менений емкости запираюіцего слоя полупроводнйкового р-п-пере­хода.

Как показывает анализ подобного типа устройстз источниками их погрешностей являются: смещение нуля модуляционной характе­ристики; температурная зависимость емкости /7-я-перехода управляе­мого диода и нестабильность частоты управляемого генератора; не­линейность модуляционной характеристики преобразователя; неста­бильность генератора опорной частоты; изменение параметров сме­сителя; неточность начальной установки частот генераторов.

Погрешности подобного вида характерны для преобразователя аналоговой величины в частотный выходной сигнал, имеющего разомкнутую структуру.

'Введение в. преобразователь цепи отрицательной обратной свя­зи значительно улучшает перечисленные выше характеристики.

Блок-схема преобразователя, использующего промежуточное пре­образование частоты, и цепь непрерывной обратной связи '(показана пунктиром), основу которой составляет преобразователь частотного сигнала в аналоговую величину (напряжение или ток), приведена на рис. 4.

Выходной сигнал fm с управляемого генератора вновь подается через схему преобразования частоты в напряжение на его вход. При достаточно высоком коэффициенте усиления прямого тракта ли­нейность частотной характеристики преобразователя будет опреде­ляться свойствами цепи обратной связи.

Включение преобразователя частоты в напряжение между выхо­дом всего устройства. и входом нецелесообразно, ибо весьма сложно обеспечить линейность и стабильность преобразователя частоты в на­пряжение, рассчитанного на широкий диапазон частот. Кроме того, на низких частотах возрастают постоянные времени фильтров, что ухудшает динамические свойства преобразователя. Иногда, чтобы охватить обратной связью возможно большую часть тракта преобра­зования, применяют двойное преобразование частоты, и сигнал в цепь обратной связи заводят с выхода первого смесителя.

Преобразователи аналоговых величин в частотно-импульсный сигнал, основу которых составляет интегратор, обеспечивающий пе­ременное ‘время интегрирования входного сигнала и сравнивающее устройство, отмечающее достижение выходным напряжением инте­гратора заданного уровня по механизму формирования каждого эле­ментарного цикла преобразования, можно разделить на преобразо­ватели с периодическим интегрированием, характеризующиеся тем, что часть цикла используется для возврата интегратора в исходное состояние; преобразователи с поочередным интегрированием, в кото­рых используются два интегратора со своими сравнивающими уст­ройствами и цикл интегрирования аналоговой величины одним ин­тегратором следует за циклом интегрирования другим интегратором; преобразователе с переключением направления интегрирования, в которых используется реверсивный переключатель, изменяющий полярность аналоговой величины на входе собственно интегратора от цикла к циклу.

Эти преобразователи имеют разомкнутую структуру. Использо­вание цепи обратной отрицательной связи позволяет в значительной мере ослабить влияние погрешностей элементов прямого тракта си­стемы на точность формирования выходной величины.

В зависимости от того, каким образом в системе частотно-им­пульсного модулятора (ЧИМ), имеющего замкнутую структуру, фор­мируется период Генерации Ti} различают [Л. 69] замкнутые ЧИМ первого рода, которые характеризуются тем, что частота следова­ния импульсов зависит от сигнала ошибки, т. е. ti—ti-i = Ti — =F{x(ti)}, и ЧИМ 'второго рода, характеризующиеся тем, что ча­стота следования импульсов зависит от некоторого функционала сигнала ошибки, определенного на интервалах между импульсами.

'В ЧИМ первого рода сигнал рассогласования, являющийся раз­ностью между входным сигналом x(t) и непрерывным сигналом об­ратной связи через усилитель постоянного тока, .воздействует на управляемый по частоте генератор импульсов.

Наиболее простой из систем ЧИМ второго рода является си­стема, генерирующая импульсы в то время, когда абсолютная ве­личина интеграла входного сигнала системы достигает заданного по­рогового іуровня р, затем на вход такой системы подается импульс, имеющий постоянную вольт-секундную площадь и возвращающий систему в исходное состояние.