ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ЧАСТОТНО­ЗАВИСИМЫМИ ЦЕПЯМИ

Классификация и основные структурные схемы ИП с частотно-зависимыми цепями

Рассматриваемые ИП делятся на прямые, обратные и комбиниро­ванные (рис. 1.4). Прямые ИП (рис. 1.5,а) осуществляют преобразо­вание переменных х различной физической природы и отвечающих раз­личным формам представления информации в частоту синусоидального сигнала или параметр 0 импульсного сигнала. Обратные ИП (рис. 1.5,6) преобразуют параметры 0О в переменные х, относящиеся к иной, чем параметр 0О, форме представления информации.

Комбинированные ИП работают с промежуточным преобразова­нием входных переменных в частотный или импульсный сигнал и представляют собой (рис. 1.5,в) сочетание прямого (ИП1) и обратного (ИП2) преобразователей. Целесообразность использования подобных ИП возникает, например, в случаях, когда необходимо нелинейное пре­образование *вых='ф(*вх), и его реализация с помощью рассматри­ваемых ИП достаточно проста. Если преобразователи ИП1 и ИП2 имеют функции преобразования 0о=Фі(*вх) и *ВЫх=Ф2(0о), то

Хв ьіх = Ф2[Фі (Хвх)],

и требуемый вид нелинейного преобразования обеспечивается взаимным подбором функций Фі и Ф2 исходя из условия Ф2(Фі)=г|). Комбиниро­ванные ИП являются, по существу, соединением двух независимых ИП и в дальнейшем не рассматриваются.

По форме выходного (входного) сигнала различают ИП, работаю­щие при синусоидальном или импульсном сигнале.

По способам реализации преобразования ИП с ЧЗЦ делятся на устройства непосредственного, следящего и развертывающего преобра­зования. Основные особенности этих способов были рассмотрены в §1.1. Здесь отметим лишь, что ИП непосредственного и следящего преобра­зования могут быть построены для работы как при синусоидальном, так и при импульсном сигнале, а ИП развертывающего преобразова­ния — только при импульсном сигнале. Данное обстоятельство связано с тем, что развертывающее преобразование принципиально основано на использовании развертывающих функций, представляющих собой кмпульсы пилообразной или нелинейной формы.

Рассмотрим основные структурные схемы ИП с ЧЗЦ. На рис. 1.6 представлена обобщенная структурная схема прямого ИП непосредст­венного преобразования. Усилитель ОУ с ЧЗЧ в цепи положительной

обратной связи образуют замкнутый контур автогенератора. Генерация происходит на частоте, при которой фазовый сдвиг, вносимый ЧЗЧ, равен пп, где п равно нулю или целому четному числу (при неинвер­тирующем усилителе). Преобразуемая переменная х может воздей­ствовать на частоту генерации двумя способами [3]. В соответствии с одним из них переменная х управляет параметром одного из элемен­тов ЧЗЧ (или непосредственно является таким параметром) и тем самым изменяет фазочастотную характеристику ЧЗЧ, а следовательно,

Рис. 1.5. Схемы измерительных преобразователей:

с — прямого; б — обратного; в — ком­бинированного

и частоту генерации. Второй способ состоит в управлении фазой сиг­нала, поступающего на усилитель У, путем суммирования двух сдви­нутых относительно друг друга по фазе сигналов, первый из которых формируется блоком управления БУ и имеет амплитуду, зависящую от ху а второй является выходным сигналом ЧЗЧ. Связи, относящиеся ко второму способу, показаны на рис. 1.6 штриховыми линиями (здесь У—усилитель, Сум — сумматор). Прямые ИП непосредственного пре­образования характеризуются нешироким набором вариантов входных и выходных параметров: состав известных схем таких ИП ограничи-

вается преобразователями напряжения и параметров электрических це­пей в частоту синусоидального сигнала. Кроме того, недостатками по­добных ИП являются невысокая точность преобразования (погрешность порядка единиц процентов) и трудности получения функций преобразо­вания требуемого вида. Функция преобразования, как правило, нели­нейна и изменение ее вида невозможно или, во всяком случае, связано с существенным усложнением схемы. Например, для получения линейной функции преобразования применяют автоподстройку пара­метра одного из элементов ЧЗЧ [4].

Обратные ИП непосредственного преобразования строят по про­стейшей структурной схеме (см. рис. 1.1) для преобразования частоты синусоидального сигнала или параметра импульсного сигнала (при использовании ПДА в качестве ЧЗЧ) в напряжение. Такие ИП харак­теризуются простотой и возможностью получения погрешностей пре­образования порядка десятых и даже сотых долей процента. Выбором

различных схем ЧЗЧ и ВУ можно реализовать широкий класс функций преобразования. Недостатком ИП подобного типа является наличие ограничения на характер выходной переменной (только напряжение по­стоянного тока), определяющее узкую область их применения.

Обобщенная структурная схема ИП следящего преобразования [8], показанная на рис. 1.7, иллюстрирует принцип обратимости этих ИП и возможность единого структурного построения и единого рассмотрения прямых и обратных ИП подобного типа с одной и той же ЧЗЦ. Схема содержит ЧЗЦ уравновешивания (см. рис. 1.3), усилитель ОУ напря­жения разбаланса, управляемый генератор УГ выходного синусоидаль­ного или импульсного сигнала, переключатель Я, ключи Кл1 и Кл2, управляемый генератор обратного преобразования УГО (исполнитель­ный двигатель, генератор цифрового кода или высокочастотный широт­но-импульсный модулятор). В зависимости от вида используемой ЧЗЦ в схему также включают устройство сравнения УС или (и) блок фор­мирования управляющего сигнала БФУС (см. § 3.1). Переключатель и ключи срабатывают одновременно и осуществляют необходимую ком­мутацию для реализации обратимости преобразования (на схеме пока­зано их положение при прямом преобразовании). Отметим, что в схе­мах реальных ИП, обычно рассчитанных только на прямое или только на обратное преобразование, переключатель и ключи отсутствуют, а из двух управляемых генераторов содержится только один, необходимый по назначению.

При изменениях преобразуемой переменной, нарушающих условие равновесия (1.6), на выходе ЧЗЦ (или УС) возникает напряжение разбаланса, которое после усиления усилителем ОУ воздействует на генератор У Г или У ГО. При этом выходная переменная 0О или х2 (в ре­жимах прямого или обратного преобразования соответственно) регу­лируется таким образом, чтобы при любых изменениях входных пере­менных в заданных рабочих пределах автоматически восстанавливалось условие равновесия (или квазиравновесия), определяющее функцию преобразования.

Следящие ИП обладают наиболее широким набором различных ва­риантов входных (выходных) параметров. В прямых следящих ИП разнообразие выполнения схем ЧЗЦ уравновешивания обеспечивает ра­боту с ВХОДНЫМИ переменными Х и х2 в виде напряжения постоянного тока, параметров электрических цепей, коэффициентов передачи дели­телей напряжения. Кроме ТОГО, переменными Х и х2 могут быть пер­вичные измеряемые параметры (например, температура), от которых зависят параметры некоторых элементов ЧЗЦ, например емкости кон­денсаторов или коэффициенты передачи делителей напряжения. И, на­конец, третью группу возможных вариантов переменных х{ и х2 со­ставляют параметры, управляющие сопротивлениями и коэффициентами передачи делителей напряжения — механическое перемещение, цифро­вой код и относительная длительность прямоугольных импульсов, ча­стота следования которых значительно превышает частоту выходного (вводного) сигнала ИП. Обратные ИП следящего преобразования ра­ботают с выходными параметрами х2, относящимися к указанной третьей группе; по отношению к ИП с подобными управляющими па­раметрами х и применяется понятие обратимости следящих ИП с ЧЗЦ.

Следящие ИП позволяют реализовать широкий класс функций пре­образования с малыми методическими погрешностями или практически без них при инструментальных погрешностях порядка десятых долей процента. Их недостатками по сравнению с ИП других типов являются несколько повышенная сложность и наличие известных трудностей в на­стройке и наладке, характерных для любых следящих систем, например трудностей одновременного обеспечения малых инструментальных по­грешностей и устойчивости.

На рис. 1.8 приведена обобщенная структурная схема прямого ИП развертывающего преобразования напряжений постоянного тока. Схема состоит из двух генераторов развертывающих функций ГРФ1 и ГРФ2, содержащих цепи ЧЗЦ1 и ЧЗЦ2У генератора синхронизирующих им­пульсов ГСИ, устройства сравнения УС и /?5-триггера Те. Преобра* зуемые напряжения Uxi и Ux2 включены как опорные напряжения со­ответствующих генераторов развертывающих функций и тем самым

Рис. 1.9. Временные диаграммы работы ИП развертывающего преобразования

задают масштаб (амплитуду) последних:

Яі(0=^іФі(0; Д2(0=^2ф2(0. (1*7)

При работе прямых развертывающих ИП в режиме преобразования

входных напряжений в длительность импульсов возврат развертываю­

щих функций к исходному (обычно нулевому) значению производит­ся в равноотстоящие моменты времени, заданные периодом Т следо­вания синхронизирующих импульсов, поступающих с выхода ГСИ (рис. 1.9,а). Эти же импульсы устанавливают триггер в единичное со­стояние, а в моменты tu когда R(t) =і?2(^і), СУ вырабатывает крат­ковременные импульсы, возвращающие триггер в нулевое состояние. В результате на выходе триггера формируются импульсы длительно­стью x=tu и согласно (1.7) справедливо соотношение

Ф2(т)Арі(т )=UxxIU*.

Функции фі и ф2 аргумента х ввиду постоянства периода Т экви­валентны функциям аргумента 0=т/7 Выполнение соотношения (1.8) обеспечивает возможность получения различных функций преобразо­вания Uxi/Ux2-+$ с малыми методическими погрешностями или без них. В частных случаях одно из входных напряжений обычно является опор­ным, например Uxi=Uo, а из генераторов ГРФ1 и ГРФ2 может исполь­зоваться только один, например ГРФ2. При этом если Фі(0 =const=l, то согласно (1.8) Uо=*ф2(т) = £/*і и, следовательно, 0 = ф_і(£/*і), где Ф_1 — функция, обратная функции Фг(т). Данный частный случай со­ответствует преобразованию напряжения в интервал времени [9], а при пилообразном напряжении развертки [т. е. при ф2(t)=kt, & = const] и линейной функции преобразования x=Uxi/kU0 этот же случай явля­ется примером реализации классического способа развертывающего пре­образования [10].

При развертывающем преобразовании входных напряжений в ча­стоту следования импульсов возврат развертывающих функций к исход­ному значенжго производятся выходным импульсами УС, возникающи­ми в моменты выполнения равенства - Поэтому отрезки

времени между моментами начала развертки являются вряфжающими (рис. 1.9,6), а так как импульсы н« выходе УС в этом случае являют­ся выходными импульсами ИП, то указанные отрезки времени соот­ветствуют периоду Т следования выходных импульсов. Связи, харак­терные для такого режима работы ИП, показаны на рис. 1.8 штрихо­выми линиями, причем в данном случае из схемы исключаются гене­ратор ГСИ и триггер Тг. Период T«=ti связан с входными напряже­ниями соотношением вида (1.8):

ф2 (Т) /фі (У) = Uх / UХ2» (1.9)

В частных случаях, если преобразуемое напряжение Ux2 заменено опорным напряжением U0y согласно (1.9) при фі (t)=kt и фг(0 = —const =1 получают линейную функцию преобразования напряжения в частоту f следования импульсов [11]: f^l/T=kUxl/U0, а при ф2 (t)=kt и фі(0 = 1 имеется линейная зависимость периода следования выходных импульсов от преобразуемого напряжения: T*=Uxl/kU0.

Обобщенная структурная схема обратного ИП развертывающего преобразования представлена на рис. 1.10. При работе ИП в качестве преобразователя длительности т импульсов в напряжение UBых он содержит только генератор развертывающей функции ГРФ, ключ Кл и аналоговое запоминающее устройство АЗУ [12]. В моменты /=0, со­ответствую, тче фронтам входных импульсов, происходят возврат раз­вертывающей функции R(t) к исходному значению и следующий за­пуск генератора ГРФ. По импульсам, соответствующим срезам вход­ных импульсов, в моменты ti=х ключ Кл замыкается и передает зна­чение Р(х) напряжения развертывающей функции на блок АЗУ. Вы­ходное напряжение ИП снимается с блока АЗУ в виде ступенчатой функции ^/вых = /?(т), скачкообразно изменяющейся (если изменяется
величина, т) в моменты t и непосредственно определяющейся законом изменения зо времени напряжения развертывающей функции R(t).

Для развертывающего преобразования частоты в напряжение в ИП дополнительно включают формирователь прямоугольных импульсов ФПИ, дифференцирующий элемент ДЭ, блок управления разверткой БУР и элемент задержки ЭЗ [13]. Один или несколько элементов ЧЗЦ входящих в состав ГРФ, выполняют с управляемыми параметрами, что позволяет регулировать временной масштаб развертывающей функции.

о--**! <рпи W I—

Рис. 1.10. Обобщенная структурная схема обратного ИП развертыва­ющего преобразования

По сигналам, поступающим с ФПИ и ДЭУ блок БУР устанавливает такое значение управляющей переменной х, при котором закон изме­нения напряжения развертки имеет характер функции

R(t)=U0q>(kft), (1.10)

где Uо — опорное напряжение генератора ГРФ; k — постоянный ко­эффициент, и скорость изменения напряжения развертки пропорцио­нальна преобразуемой частоте f. Выходные импульсы ФПИ возвра­щают развертывающую функцию к исходному значению со следующим запуском ГРФ. Выходные импульсы ДЭ, соответствующие срезам вы­ходных импульсов ФПИ, поступают на ЭЗ. После задержки на время т3 эти импульсы замыкают ключ Ка, благодаря чему в моменты вре'- мени /=Тз на АЗУ согласно (1.10) передается значение напряжения развертки

ЯЫ=и0ч>(Ы). (1.11)

В соответствии с (1.10) и (1.11) зависимость выходного напряже­ния ИП от преобразуемой частоты f подчиняется закону изменения во времени функции R(t).

Развертывающие ИП (как прямые, так и обратные) работают

с малыми инструментальными погрешностями — не более десятых до­

лей процента. Основным недостатком этих ИП (как и ИП непосред­ственного преобразования) является наличие ограничения на характер входных (в прямых ИП) и выходного (в обратных ИП) параметров.