31. Преобразование параметров в частоту импульсов. Измерение частоты, средней частоты, напряжения, числа оборотов.

Для преобразования ряда параметров в частоту можно использовать простейшие датчики импульсов (контактные, фотоэлектрические и т.д.). Большую группу частотных преобразователей составляют устройства типа управляемого релаксацион­ного или гармонического генератора, частота которого меняется при изменении параметров частотно-задающей цепи. Основным среди них является преобразователь по­стоянного напряжения в частоту импульсов, т.к большинство параметров легко преобра­зуются в постоянное напряжение.

Схема преобразователя на рис. 3.12. Преобра­зуемое напряжение U_x интегрируется усилите­лем постоянного тока УПТ и подается на срав­нивающее устройство СУ, на его второй вход подано опорное напря­жение U₀. В момент ра­венства выходного на­пряжения интегратора U_И и U₀ сравнивающее устройство включает пре­образователь обратной связи ПОС, формирую­щий в течение интервала времени t_ОС импульс с ам­плитудой U_ОС (с поляр­ностью, обратной поляр­ности U_Х). Цикл работы преобра­зователя определяется интервалом времени T_Х = t_И + t_ОС, зависящим от значения напряжения U_Х. с учетом заряда и разряда интегратора (=R₁C, =R₂C) :

Для преобразования параметров R_X, C_X, L_X электрических цепей в частоту f_X лучше не исп-ть промежуточное преобразование в напряжение (для уменьшения погрешности преобразования). Элемент, параметр которого (R_X, C_X или L_X) преобразуется, вместе с опорным элементом (соответственно С₀ или R₀) образуют дифференцирующую цепь с постоянной времени , равной R_XC₀, C_XR₀ или L_X/R₀ соответственно. На рис. 3.15,а в качестве пре­образуемого параметра показано сопротивление рези­стора R_X. Дифференциальный усилитель УПТ₃ работает в ре­жиме ограничения, т. е. на его выходе будет появляться скачкообразно напряжение ± U₀ (рис. 3.15,б). Пусть U₀>0 и интегрируется УПТ₁, т. е. напряжение U_И1 на его выходе линейно нарастает: , гдеk — коэффициент передачи; =RC — постоянная времени усилителя.

Это напр-е дифференцируется цепочкой С₀ - R_Х, т. е. на вход интегратора на УПТ₂ подается напряжение с амплитудой . Это напряжение в свою очередь интегрируетсяУПТ₂, т. е. напряжение на его выходе . НапряжениеU_И2 поступает на вход дифференциаль­ного УПТ₃, на второй вход которого подается пороговое напряжение U_П, получаемое делением U₀ в п раз дели­телем напряжения R₁-R₂ и имеющее ту же полярность, что и U_И2. В момент их равенства напряжение на выхо­де УПТ₃ меняет знак, соответственно меняется и знак U_П, и описанный процесс повторяется (только для отрицательного U₀). Длительность Т_х импульса с выхода УПТ₃ определя­ется из условия , откуда частота импульсов на выходе преобразователя, гдеп — коэффициент деления напряжения делителем R₁-R₂.

Измерение частоты производится цифровым частотомером (рис. 3.16), который измеряет среднее за ин­тервал t_ц значение частоты f_x.

Измеряемый сигнал после усилителя-формирователя УФ поступает на ключ Кл, цифровой счетчик ЦС, дешифратор Дш и отсчетное устройство ЦОУ. Интервал времени t_ц задается генера­тором импульсов ГИ (обычно кварцевым генератором высокой стабильности) через делитель частоты ДЧ

и триггер Тг. Количество импульсов, подсчитанное счет­чиком:

Наиболее целесообразно выбирать t_ц=1 с, тогда .

Цифровой частотомер является основой цифровых тахометров при использовании разнообразных (фото­электрических, индуктивных и т. п.) преобразователей числа оборотов п_х (об/мин) вращающихся деталей в количество импульсов. Если преобразователь выдает импульсы с частотой (в имп/с): , гдеk — постоянная преобразователя, то за время t_ц измерения счетчик зафиксирует число импульсов .

Напряжение измеряют цифровые вольтметры – устройства, представляющие комбинацию преобразователя напряжение-частота и цифрового счетчика. Из-за использования интегрирования количества импульсов за определенный интервал времени t_ц в таких вольтметрах значительно снижается влияние помех на результат измерения, так как их среднее значение за период интегрирования су­щественно уменьшается. Основными источниками погреш­ности интегрирующих цифровых вольтметров являются погрешность квантования и погрешность преоб­разования напряжения в частоту (нестабильность, не­линейность). Цифровой вольтметр может быть реализован по структурные схеме :

См – частотный смеситель, ФНЧ – фильтр низких частот.

УФ-усилитель-формирователь, ЦС-цифровой счетчик, Кл-ключ. Частоту f₀ генератора импульсов ГИ выбирают равной начальной частоте преобразователя П напряжения в частоту. Тогда при U_X= 0, f_H = f₀ и Δf = 0. Следовательно , а количество импульсов в счетчике