ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ЧАСТОТНО­ЗАВИСИМЫМИ ЦЕПЯМИ

РАСШИРЕНИЕ ДИАПАЗОНА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Метод расширения диапазона преобразования путем многократного использования ИП

Будем характеризовать диапазон преобразования ИП отношени­ем d=Xmax/Xmin, ГДЄ Хтах И Xmin — МаКСИМаЛЬНОе И (МИНИМаЛЬНОв

значения входной переменной х. Для ИП с ЧЗЦ значение d ограни­чено и не превышает одного-двух порядков. В ряде случаев требуется осуществлять преобразование в значительно более широком диапазоне, соответствующем изменениям входной переменной на три-четыре по­рядка и более. Однако расширение диапазона преобразования ИП с ЧЗЦ традиционными приемами связано с существенным усложне­нием ИП и снижением его точности.

В настоящей главе описывается метод значительного расширения диапазона преобразования без снижения точности путем многократ­ного использования на различных участках изменения входной пере­менной ИП, работающего в ограниченном диапазоне. Для удобства рассмотрения будем различать основной ИП, т. е. ИП с ограничен­ие ным диапазоном, и ИП в целому т. е. основной ИП в сочетании с це­пями коммутации его входного и выходного сигналов и некоторыми другими элементами. Рассмотрим сначала сущность метода в общем виде — без учета особенностей выполнения основного ИП и харак­тера входной и выходной переменных.

Метод основан на реализации искусственных скачкообразных уменьшений или увеличений (в случаях роста и убывания входной переменной соответственно) уровня сигнала на входе основного ИП в число раз, определяемое его диапазоном. Такие изменения уровня производятся при достижении входной переменной значений, соответ­ствующих границам диапазона. Выходную переменную формируют пу­тем дополнительных изменений выходного сигнала основного ИП, осу­ществляемых одновременно с изменениями уровня его входного сиг­нала и компенсирующих, в соответствии с требуемой функцией преоб­разования, влияние этих изменений на выходной сигнал. В резуль­тате основной ИП используется многократно — на разных участках реализуемой непрерывной функциональной зависимости.

Поясним изложенное примерами прстроения ИП с широким диа­пазоном преобразования на основе данного метода.

На рис. 5.1 приведена структурная схема логарифмического ИП [38], функция преобразования которого реализуется путем п-f-І-крат­ного использования основного ИП (Осн. ИП), имеющего функцию преобразования і/=іо£л;, где х и у— нормированные (относительные) значения входной и выходной переменных в ограниченном диапазоне. Пороговые элементы ПЭ1—ПЭп срабатывают при соответствующих значениях входной переменной x=xd где t=l, 2, ..., /г - х — нижняя граница диапазона основного ИП. Коэффициенты передачи управ­ляемых делителей УД1—УДя, включенных на входе основного ИП, могут принимать два значения коэффициента передачи, отличающиеся друг от друга в d раз. Переход от одного из этих значений к друго­му происходит под действием выходного сигнала соответствующего порогового элемента при его срабатывании (или возвращении в ис­ходное состояние), в результате чего осуществляются скачкообразные изменения уровня сигнала основного ИП в d раз. Одновременно вы­ходной сигнал каждого сработавшего элемента ПЭ1 открывает соот­ветствующий ключ Клі (і= 1, 2, ..., /г), в результате чего реализуется формирование выходной переменной у путем суммирования с помощью сумматора Сум выходного сигнала основного ИП с дополнительной постоянной величиной г/о, получаемой на выходе источника дополни­тельного сигнала ИДС.

При изменениях входной переменной от граничного значения х= *=Х до значения х=х2=х1 d основной ИП работает в своем диапа­зоне. При этом все элементы ПЗі находятся в исходном состоянии, и коэффициент передачи всей цепи последовательно включенных де­лителей УДі имеет максимальное значение, которое без нарушения общности рассуждений можно принять равным единице. В таком режиме функция преобразования устройства в целом определяется функцией преобразования y=ogx основного ИП.

При достижении входной переменной значения х2, соответствую­щего верхней границе диапазона основного ИП, срабатывает элемент ПЭ1, выходной сигнал которого уменьшает коэффициент передачи де­лителя УД1 в d раз, в результате чего сигнал на входе основного ИП уменьшается до значения х. Поэтому при дальнейшем росте входной

переменной от значения х=х2 до значения x=x3=Xid2 основной ИП повторно работает в своем диапазоне. Одновременно выходной сигнал элемента ПЭ1 открывает ключ Кл1у и выходной сигнал

y=-og(x/d)Jry0. (5.1)

Если yo=ogd, то зависимость (5.1) совпадает с зависимостью у—log х, т. е. на данном (втором) участке изменения входной пере­менной продолжается непрерывная логарифмическая зависимость с по­вторным использованием функции преобразования основного ИП. В частности, сохраняется значение переменной у вблизи граничного значения х=х2.

При равенстве входной переменной следующему граничному зна­чению *3, соответствующему повторному достижению верхней грани­цы динамического диапазона основного ИП, срабатывает элемент ПЭ2Г уменьшая в d раз коэффициент передачи делителя УД2 и открывая Кл2. В результате на третьем участке изменения входной переменной от х=х3 до x=x4=xid3 основной ИП по-прежнему работает в своем диапазоне, а выходная переменная изменяется согласно зависи­мости

y=log(x/d2)+2y0 (5.2)

(при этом открыты ключи Клі и Кл2). Благодаря равенству 2у0= = log d2 зависимость (5.2) также совпадает с той же непрерывной логарифмической зависимостью.

Каждый раз, когда входная переменная достигает значений Хі+і — =xid', при которых t'-й раз достигается верхняя граница диапазона основного ИП, срабатывает пороговый элемент Пді, уменьшая в d раз коэффициент передачи делителя УД/ и открывая ключ Клі. Вход­ной сигнал основного ИП уменьшается до нижнего граничного значе­ния хи чем обеспечивается постоянная работа ИП в своем диапазоне. Так как одновременно на все входы сумматора Су и от второго до (/-j—1) - го подается постоянная величина г/о, то, благодаря суммиро­ванию выходного сигнала основного ИП с величиной iyo^ogd1, вы­ходная переменная у на (і-(-І)-м участке изменения входной пере­менной х изменяется с ростом последней по той же непрерывной зависимости y=ogx. В процессе уменьшения переменной х при до - достижении ею тех же граничных значений описанные переключения и вызываемые ими изменения сигналов происходят в обратном порядке.

Если в подобном ИП используются п соответствующих групп эле­ментов ПЭ—УД—Кл, то основной ИП может быть использован п-- -{-1 раз (на разных участках реализуемой логарифмической зависи­мости). При этом диапазон ИП в целом характеризуется величиной

D=dn+l. (5.3)

Согласно (5.3) диапазон преобразования ИП в целом расширяется по сравнению с диапазоном преобразования основного ИП в п-- - f-І раз.

Структурная схема ИП с функцией преобразования вида у = =л;т, имеющего широкий диапазон [39] преобразования, представлена на рис. 5.2. Данная функция воспроизводится путем (/г—|—1) - кратного использования основного ИП, имеющего указанную функцию преобра­зования в ограниченном диапазоне, характеризуемом величиной d. Пороговые элементы ПЭ1—ПЭп и управляемые делители УД1—УДп включены и работают точно так же, как и в предыдущем ИП (см. рис. 5.1). Для формирования выходной переменной используется цепь последовательно соединенных умножителей Умнї—Умнп, подключенная к выходу основного ИП, и ключи Кл1—Клп, через один из которых выход ИП в целом связывается с выходом основного ИП или с вы­ходом соответствующего умножителя. Выходной сигнал сработавшего порогового элемента ПЭ1 запирает соответствующий ключ Клі (ключ Кл1 — через инвертор НЕ, остальные ключи — через схемы запрета С31—СЗп) и открывает ключ Клі+ (при отсутствии сигнала запрета с выхода элемента ПЭ1-И). В зависимости от числа сработавших элементов ПЭ устанавливается открытое состояние только одного из ключей, с помощью которого осуществляется требуемая коммутация выхода ИП.

При изменениях входной переменной между значениями X— =Х и x=x2=Xid все элементы Пді находятся в исходном состоянии, Кл1 открыт, ключи Клі заперты. При этом функция преобразования у=хт основного ИП непосредственно определяет функцию преобра­зования устройства в целом.

При достижении входной переменной значения Х2 срабатывает пороговый элемент ПЭ1у выходной сигнал которого через инвертор НЕ запирает ключ Кл1 и через элементы С31 (сигнал запрета с выхода элемента ПЭ2 при этом отсутствует) открывает ключ Кл2. Тем самым

между выходами основного ИП и устройства в целом включается умножитель Умн1. Поэтому на втором участке изменения входной переменной от значения х2 до значения х$=хd2 выходная переменная изменяется согласно зависимости

y=(x/d)mk, (5.4)

где k — коэффициент передачи умножителя Умн1. Если k—dm, то функция преобразования (5.4) совпадает с функцией преобразования основного ИП, т. е. на этом участке изменения переменной х про­должается прежняя непрерывная зависимость вида у=хт.

При достижении переменной х следующего граничного значения х3 выходной сигнал сработавшего порогового элемента ПЭ2 через элемент задержки С31 запрещает открывание ключа Кл2, т. е. запи­рает последний и через элемент С32 ввиду отсутствия соответству­ющего запрещающего сигнала открывает ключ КлЗ. В результате на третьем участке изменения переменной х от значения х3 до значения x4=xid3 на выходе устройства оказываются включенными два па - следовательно соединенных умножителя Умн1 и Умн2 с коэффициен­тами передачи, равными к. При этом переменная у изменяется со­гласно зависимости

y=(x/d2) mk2. (5.5)

Так как k2=(d2)mt то зависимость (5.5) также совпадает с за­висимостью у—хт.

Каждый раз, когда переменная х достигает значений, соответст - ствующих i-му достижению верхней границы динамического диапазона основного ИП, на выходе устройства подключается дополнительный умножитель с коэффициентом передачи k=dm. Так как одновременно коэффициент передачи одного из УД, включенных на входе основ­ного ИП, уменьшается в d раз, то функция преобразования

y={x/d})mk

реализуемая ИП в целом на (г—}—1)-м участке изменения переменной Ху сводится к функции преобразования основного ИП.

При включении в устройстве п соответствующих групп элемен­тов ПЭ—УД—СЗ—Кл—У оеновной ИП используется на разных участ­ках изменения входной переменной п-f-І раз, и общий диапазон уст­ройства характеризуется величиной D=dn+l

Подобный ИП целесообразно применять для воспроизведения сте­пенной функции при т^2, так как при /л>2 коэффициенты передачи k=dm умножителей Умн оказываются чрезмерно большими. При от­рицательных значениях т вместо умножителей Умн должны исполь­зоваться делители.

Отметим, что данный метод расширения диапазона преобразова­ния имеет общие черты с методами автоматического выбора пределов измерения в измерительных приборах [40—42]. При включении вме­сто основного ИП собственно измерительного прибора с одним опре­деленным пределом измерения система пороговых элементов и управ­ляемых делителей, включенная на входе этого прибора, обеспечивает автоматический выбор пределов измерения согласно одной из извест­ных структур. Существенным отличием рассматриваемого метода от методов автоматического выбора пределов измерения является фор­мирование выходного сигнала ИП, реализуемое на каждом участке изменения входной перченной (на каждом пределе), с целью по­лучения непрерывной функциональной зависимости. Для реализации рассматриваемого метода, в принципе, может быть использована лю­бая из структур автоматического выбора пределов измерений с мае* штабированием измеряемого сигнала [40]. При этом вместо собствен­но измерительного прибора должен быть включен основной ИП, а вместо устройства индикации устанавливаемых пределов — схема фор­мирования выходного сигнала.