Вопросы для самопроверки

1. С какой целью используются задатчики интенсивности в схемах автоматики?

2. Что является входной и выходной координатами задатчика интенсивности?

3. Чему равен статический коэффициент усиления задатчика интенсивности?

4. Как должно изменяться напряжение на выходе однократно интегрирующих задатчиков интенсивности при ступенчатых изменениях входного напряжения?

5. На основе каких усилителей строятся интегрирующие задатчики интенсивности?

6. Сколько операционных усилителей, включенных по инверсному входу, необходимо для реализации однократно интегрирующего задатчика интенсивности?

7. Укажите назначение каждого из трех операционных усилителей в типовой схеме однократно интегрирующего задатчика интенсивности, выполненной на микросхемах.

8. Какие параметры влияют на скорость изменения выходного напряжения однократно интегрирующего задатчика интенсивности на трех операционных усилителях?

9. Благодаря чему достигается линейное изменение напряжения на конденсаторе в схеме однократно интегрирующего транзисторного задатчика интенсивности?

10. Какие параметры влияют на скорость изменения выходного напряжения однократно интегрирующего транзисторного задатчика интенсивности?

4.3. Согласующие элементы

Функциональные элементы в составе систем управ­ления могут быть разнородными по типу сигнала, роду тока, по со­противлениям и мощности и по другим показателям. Поэтому при соединении элементов возникает задача согласования их характери­стик. Эту задачу решают согласующие элементы. К дан­ной группе элементов относятся фазовые детекторы, со­гласующие род тока, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, согласующие тип сигнала, эмиттерные повторители, согласующие входные и выход­ные сопротивления, усилители мощности, гальванические разделители и другие элементы. Функцию согласования могут выполнять также элементы, нормально предна­значенные для других целей. Например, рассмотренный в п. 4.1 операционный усилитель оказывается эмиттерным повторителем относительно неинвертируемого входа при подключении выходного напряжения на инвертируемый вход.

Для гальванического разделения может быть, например, использован трансформаторный датчик напряжения. Такие и подобные им элементы оказываются очевидными или известными и рассматриваться не будут.

Рассмотрим более сложные типовые согласующие элементы.

Фазовый детектор (ФД) в научно-технической лите­ратуре получил ряд других названий: фазочувствительный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, фазовый дискриминатор, демодулятор.

Назначение ФД - преобразование входного напряжения переменного тока U_вх в выходное напряжение постоянного тока U_вых, полярность и амплитуда которого зависят от фазы входного напряжения . Таким образом, ФД имеет две входные координаты: амплитуду входного напряжения U_вхm и фазу входного напряжения  и одну выходную координату: среднее значение выходного напряжения U_вых. Различают два режима работы ФД: амплитудный режим, когда фаза входного напряжения остается постоянной, принимая одно из двух значений 0 или , U_вхm = var и U_вых = f(U_вхm); фазовый режим, когда U_вх = const,  = var и U_вых = f().

В амплитудном режиме ФД применяется как преобразователь сигнала рассогласования переменного тока в управляющий сигнал в следящих приводах постоянного тока, как преобразователь выходного сигнала тахогенератора переменного тока и так далее. В фазовом режиме ФД приме­няется в системах управления, в которых контролируе­мой и управляющей величиной является плавно изменяющаяся фаза.

На фазовый детектор, как правило, не возлагается функция усиления напряжения.

Поэтому коэффициент усиления ФД близок к единице. На рис. 4.11 изображена расчетная схема замещения двухполупериодного ФД. Схема соответствует нулевой схеме выпрямления, в которой вентили заменены функциональными ключами K1 и К2. Сопротивление нагруз­ки R_н, на котором выделяется выходное напряжение, соединяет средние точки а, 0 ключей и источников ЭДС управления e_у. В каждый контур введено внутреннее сопротивление источника ЭДС управления R_у. Состоя­нием ключей управляет опорная ЭДС e_оп в соответствии с алгоритмом: для е_оп > 0 К1 включен, то есть его

к оммутационная функция y_к1 = 1, а К2 отключен, то есть его коммутационная функция y_к2 = 0. Для e_оп < 0 y_к1 = 0, а y_к2 = 1. Дан­ный алгоритм может быть представлен формулами

y_к1 = (1+sign e_оп) /2; y_к2 = (1- sign e_оп ) /2 . (4.10)

Очевидно, что при замкнутом К1 выходная ЭДС e_вых между точками а, 0 равна e_у, а при замкнутом К2 e_вых = - e_у, то есть

e_вых = e_уy_к1 - e_уy_к2. (4.11)

Подстановка (4.10) в (4.11) даст

e_вых = e_у sign e_оп. (4.12)

Соответствующая алгоритмам (4.11) и (4.12) диа­грамма изменения выходной ЭДС приведена на рисунке 4.12.

Если

e_оп = E_опmsint и e_у = E_уmsin(t - ),

где E_опm, E_уm - амплитудные значения опорной ЭДС и ЭДС управления;  - угловая частота опорной ЭДС и ЭДС управления, то среднее значение выпрямленной выходной ЭДС

. (4.13)

Так как E_уm = k_пU_вхm, среднее значение выходного напряжения , то с учетом (4.13)

, (4.14)

где k_п - коэффициент передачи от входного напряжения к ЭДС управления. Он определяется особенностями конкретной принципиальной схемы ФД.

Для  = const = 0 или  = const =  имеет место амплитудный режим работы ФД, для которого характеристика управления прямолинейна:

U_вых = k_ФДU_вх,

где с учетом (4.14) коэффициент усиления ФД в амплитудном режиме

.

При  = 0 значения выходных напряжений U_вых положительны, а при  =  значения выходных напряжений отрицательны.

Для U_вх = const и  = var имеет место фазовый режим ФД, для которого характеристика управления имеет вид

U_вых = k^'_ФД cos = k^'_ФД sin^',

где ^' = /2 - , а коэффициент передачи ФД в фазовом режиме с учетом (4.14)

;

При малых ^' характеристика управления

.

Работа ФД, их характеристики и принципиальные схемы рассмотрены в /1/.

Ц ифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Преобразователь согласует цифровую часть системы управле­ния с аналоговой. Входная координата ЦАП - двоичное многоразрядное число A_n = a_n-1…a_i…a₁a₀, а выходная ко­ордината - напряжение U_вых, формируемое на основе опорного напряжения U_оп (рис. 4.13).

Схемы ЦАП строятся на основе резисторной матрицы, с помощью которой происходит суммирование токов или напряжений так, что выходное напряжение пропорцио­нально входному числу. В составе ЦАП можно выделить три основные части: резисторную матрицу, электронные ключи, управляемые входным числом, и суммирующий усилитель, формирующий выходное напряжение. На рис. 4.14 приведена простая схема нереверсивного ЦАП. Каждому разряду входного двоичного числа An соответ­ствует сопротивление

R_i = R₀ / 2ⁱ, (4.15)

где R₀ - сопротивление младшего разряда.

Резистор R_i подключается к источнику питания с опор­ным напряжением U_оп через электронный ключ K_i, кото­рый замкнут при a_i =1 и разомкнут при a_i = 0. Очевидно, что в зависимости от значения a_i сопротивление вход­ной цепи для i-гo разряда c учетом (4.15) определится выражением

R_i = R₀ /(2ⁱ a_i). (4.16)

Тогда для а_i = 0 , то есть цепь разорвана, а для a_i =1 цепь включена и имеет сопротивление R₀ /2ⁱ.

В схеме на рис. 4.14 операционный усилитель У суммирует входные токи и его выходное напряжение с учетом обозначений схемы и выражения (4.16)

. (4.17)

Выражение (4.17) вида U_вых = f(A_n) - это характеристика управления ЦАП. Она имеет ступенчатую форму с дискретностью по напряжению, соответствующей единице младшего разряда,

ΔU₀ = R_осU_оп / R₀ = k_ЦАП.

Величина ΔU₀ является одновременно и усредненным передаточным коэффициентом ЦАП k_ЦАП.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) решает обратную задачу - преобразует непрерывное по форме входное напряжение в число, например, двоичное. Каж­дому выходному многоразрядному двоичному числу A_i соответствует диапазон изме­нения входного напряжения:

, (4.18)

где U_эi = ΔU₀ i - эталонное значение выходного напряжения, соответствующее выходному двоичному числу A_i; ΔU₀ - дискретность по выходному напряжению, соответствующая единице младшего разря­да выходного числа.

При n-разрядном АЦП общее число отличных от ну­ля эталонных уровней входного напряжения, отличаю­щихся друг от друга на ΔU₀, равно максимальному вы­ходному десятичному числу N=2ⁿ - 1. Так как каждый уровень U_эi, согласно (4.18), несет в себе информацию о числе, то в работе АЦП можно выделить основные операции: срав­нение входного и эталонного напряжений, определение номера уровня, формирование выходного числа в задан­ном коде. Усредненный передаточный коэффициент АЦП определяется как обратная величина соответствующего коэффициента ЦАП:

k_АЦП = 1 / ΔU₀.

Тогда уравнение характеристики управления АЦП можно записать в виде

.

Характеристика управления АЦП имеет ступенчатую форму.

Схемы реализации АЦП можно разделить на два ос­новных типа: параллельного действия и последователь­ного действия.

Основное достоинство АЦП параллельного действия - высокое быстродействие. Преобразование аналогового входного напряжения в десятичное многоразрядное число происходит всего за два такта работы цифровых элементов схемы. Основной недостаток таких АЦП - большое число аналоговых компараторов и триггеров в составе схемы, равное 2ⁿ - 1, что делает многоразрядные АЦП параллельного типа чрезмерно дорогостоящими.

С ущественно меньшие аппаратурные затраты требу­ются в АЦП последовательного действия. На рис. 4.15 приведена схема следящего АЦП, относящаяся к группе схем последовательного действия. На схеме использованы не упомянутые раньше обозначения: ГТИ - генератор тактовых импульсов, СР - реверсивный счетчик, К - компаратор, Р - выходной регистр. Обозначения логических элементов И, ИЛИ-НЕ общепринятые.

Сравнение U_вх и U_э вы­полняется на комбинированном аналоговом компараторе с двумя выходами: «больше» (>) и «меньше» (<). Если U_вх - U_э >ΔU₀ / 2, то единичный сигнал оказывается на выходе >, при этом элемент И₁ проводит тактовые им пульсы на суммирующий вход (+1) реверсивного счет­чика СР. Растет выходное число СР, и соответственно увеличивается U_э, формируемое ЦАП. Если U_вх - U_э < ΔU₀ /2, то единичный сигнал появляется на выходе < , при этом импульсы от генератора тактовых импульсов через элемент И₂ проходят на вход вычитания (-1) счетчика СР и U_э уменьшается. При выполнении условия |U_вх - U_э | = ΔU₀ /2 на обоих вы­ходах К выделяются нулевые сигналы и элементы И₁ и И₂ оказываются запертыми для тактовых импульсов. Счет­чик прекращает считать, и остающееся на его выходе не­изменным число появляется на выходе регистра Р. Раз­решение на запись числа в регистр дает единичный сиг­нал элемента ИЛИ-НЕ, включенного на два выхода К. Рассматривая данную схему относительно U_вх и U_э, можно установить, что АЦП представляет собой замкну­тую по выходной координате систему регулирования с ре­гулятором К релейного действия. Система отслеживает эталонным напряжением на выходе ЦАП изменение вход­ного напряжения с установившейся точностью ±U₀ /2 и выдает на цифровом выходе число, соответствующее U_вх. Следящий АЦП позволяет быстро преобразовать только доста­точно медленное изменение входного напряжения.

Основной недостаток рассмотренного АЦП - плохое быстродействие. В са­мом неблагоприятном случае, когда скачком задано мак­симальное напряжение на входе, для выдачи соответствующей вы­ходной величины в цифровом коде потребуется 2ⁿ - 1 тактов. Некоторые схемы ЦАП и АЦП и их работа рассмотрены в /1/.