9.4. Калібратори на основі подільників з шім-перетворенням

На сьогодні широко використовуються КПН на основі ШІМ-подільників. Прикладом можуть служити КПН типу П320 та Р3003, які серійно випускаються, АТ ” Краснодарский ЗИП ” (Росія), 5440А фірми “ Fluke “ (США) [85-87].

Одразу відмітимо, що побудова ШІМ на базі інтегратора Міллера і приладів вибірки-запам’ятовування є мало перспективною, оскільки його похибка обмежується значенням декількох сотих процента через нелінійність інтегратора і похибки схем вибірки-зберігання аналогових сигналів.

Широко застосовуються схеми ШІМ на основі прямого перетворення. На рис. 9.8 представлена КПН на основі ШІМ, коефіцієнт поділу в якому може бути некратним десяти. Точність поділу в цьому калібраторі, досягається дискретизацією опорної напруги. Комутатор підключає вихід фільтра, то до джерела опорної напруги, то закриває вихід фільтра на загальну нульову точку ДОН і ФНЧ. Якщо це переключення здійснюється з великою частотою (100-200 Гц) і, якщо постійна часу фільтра значно більше періода модуляції комутатора, то на виході фільтра з’являється практично постійна напруга, значення якої визначається виразом:

К - комутатор; Ф - фільтр; ГІ - генератор імпульсів; Д - п-декадний подільник; СП₁, …, СП₄ - селективні перемикачі; ССК - схема співпадіння кодів; Т - тригер; ФІ - формувач імпульсів.

Рис. 9.8. Блок-схема КПН на основі ШІМ з некратним десяти коефіцієнтом поділу

U_вих=U₀t₁/(t₁+t₂)=(t₁/T) U₀ , (9.4)

де t₁ - час, на протязі якого комутатор підключає вхід фільтра до ДОН; t₂ - час, на протязі якого комутатор підключає вхід фільтра до нульового потенціалу; Т - період модуляції комутатора; U₀ - опорна напруга.

Доповнювальні селекторні перемикачі СП₁ і СП₂ і формувач імпульсів дозволяє змінити коефіцієнт перерахунку n-декадного подільника Д1 і Д2. Встановлення перемикачів СП₁ і СП₂ в положення, відповідне числу, наприклад <<73>> призводить до того, що при одночасній появі на цих інформаційних виходах логічної <<I>> формувач імпульсів видає сигнал, що встановлює n-декадний подільник в нульовий стан. Таким чином, коефіцієнт перерахунку n- декадного подільника стає рівним 73. Після встановлення селекторних перемикачів СП₃ і СП₄ в одне з положень від <<0>> до <<73>> на виході RS-тригера формується сигнал тривалістю, рівною 0; 1/73; 2/73¼73/73 - частин від всього періоду модуляції, коефіцієнт перетворення t_1/(t₁+t₂)=t₁/Т змінюється від 0 до 1. Перемикачі СП₃ і СП₄ встановлюють максимальну кількість інтервалів розбиття опорної напруги на рівні частини, а перемикачі СП₁ і СП₂ - вихідні напруги в будь-якій точці вибраного діапазону розбиття.

Недоліком цього пристрою є сильна залежність між досягнутою дискретністю і частотою генератора імпульсів. Так, наприклад, при використанні шестидекадного лічильника, частота генератора має бути в 10 ⁶ разів більшою від частоти роботи вихідного ключа.

З більшити роздільну здатність можна з використанням КПН, блок схема якого показана на рис. 9.8. [88].

ГІ – генератор імпульсів; Т – тригер; ДЧЗК – подільник частоти із змінним коефіцієнтом поділу; Вд – блок віднімання; Мн – блок множення; К – ключ; Ф – фільтр; ЛП - лінійний підсилювач.

Рис. 9.8. Блок-схема ШІМ КПН з великою роздільною здатністю

При подачі потенціалу дозволу з виходу тригера на вихід елемента І₁ імпульси генератора поступають через нього на вихід подільника частоти ДЧПК1, коефіцієнт поділу якого заданий по керуючому виходу блоком керування. Вихідний імпульс ДЧПК1 переводить тригер Т у заборонений стан, чим закінчується формування вихідного імпульсу, що подається на вхід ключа. Формування паузи між імпульсами починається передачею потенціалу дозволу з другого виходу тригера Т на вхід елементу І₂ і закінчується формуванням вихідного імпульсу на виході ДЧПК2. Послідовність імпульсів Х₁ з виходу елемента І₂ поступає на вхід блоку віднімання і при появі на його другому вході Х₂ імпульсів, на вхід ДЧПК2 поступає кількість імпульсів Х₃=X₁-X₂. Блок ДЧПК2 ділить наступну кількість імпульсів X₃ на коефіцієнт У₀. Значення У₀ задається по керуючому входу БК. На виході ДЧ2 отримуємо кількість імпульсів рівну Х₄=Х₁-Х₂/У₀. Коефіцієнт множення у блоці Мн задається по керуючому входу БК. Кількість імпульсів, що надходить на вхід блоку віднімання з виходу блоку множення рівна Х₂=Х₄ b. Із цих співвідношень визначаємо кількість імпульсів Х₄=Х₁/У₀+b. На вхід тригера послідовно поступають імпульси з виходу ДЧПК2. Тривалість паузи між вихідними імпульсами, що надходять на вхід ключа рівна періоду повторення імпульсів з виходу ДЧПК2, середнє значення якого рівне t=Т_вх-[У₀+b], де Т_вх – період повторення імпульсів ГІ. Довжина вихідного імпульса рівна t=T_вх×m, де m – коефіцієнт поділу ДЧПК1.

Коефіцієнт заповнення знайдемо як

K₃=m/(m+У₀+b). (9.5)

Із рівняння (9.5) видно, що у цьому калібраторі здійснюється розділене регулювання коефіцієнта поділу вихідних імпульсів і паузи між ними, причому регулювання паузи, а також і коефіцієнта заповнення проходить з достатньо малою дискретністю. В даному калібраторі так само зменшені вимоги до значення вхідної частоти ГІ.

Докорінно знизити вимоги до значення частоти ГІ і постійної часу фільтра можна в багатоканальних ШІМ. Блок-схема такого ШІМ наведена на рис. 9.9 [89]. Це дозволяє значно збільшити швидкодію ШІМ. Декілька старших розрядів забезпечується ключем S1, інші молодші – S2. Основну увагу в таких ШІМ необхідно приділяти на зменшення нелінійності за рахунок двоканальності. Ця нелінійність може бути ліквідована з використанням калібрування КПН.

Р ДН – резистивний подільник напруги; Сум – суматор; Ф – фільтр

Рис. 9.9. Блок-схема КПН з двоканальним ШІМ