книги из ГПНТБ / Генике, А. А. Геодезические фазовые дальномеры

В случае использования диодов с одинаковыми параметрами и при равенстве резисторов R t и і?2 напряжения Но и Но будут равны друг другу. В результате напряжение НВЬІХ на выходе дискриминатора оказывается равным нулю.

Изменим теперь частоту колебаний, подводимых к ограничитель­ ному каскаду. Колебательные контуры HJCJ и Ь 2С2 уже не будут в данном случае настроенными в резонанс, в результате чего между токами н напряжениями на контурах появляется сдвиг по фазе. При этом изменяется разность фаз между напряжениями- U 2 и U\, а также между U2 и U\, как показано на рис. 74, б. Напряжения U в и НЬ> а следовательно, Uо и Но оказываются уже неравными

Если построить зависимость Нвых от частоты входного напряже­ ния, то она будет иметь вид, изображенный на рис. 75. Эта зависи­ мость является основной характеристикой дискриминатора. Для того чтобы форма сигнала на выходе частотного детектора воспро­ изводилась без искажений, необходимо, чтобы изменения частоты 4M сигнала не в ы х о д и л и за пределы линейного участка этой харак­

теристики.

В § 18 данной главы отмечалось, что на ведущей станции радио­ дальномера с выхода смесительного каскада снимаются колеба­ ния промежуточной'частоты, модулированные до амплитуде синусо­ идальным, а по частоте импульсным сигналами (см. рис. 70). Задача детекторных каскадов заключается в том, чтобы выделить из колеба­ ний такой сложной формы отдельно синусоидальйый и импульсный сигналы. С этой целью к выходу УПЧ подключается .два детектора: амплитудный^ частотный (рис. 76).

С помощью амплитудного детектора восстанавливается синусои­ дальный сигнал, соответствующий огибающей колебаний промежу­ точной частоты. Как следует из рассмотрения принципа действия амплитудного детектора, изменения модулированных колебаний по частоте не оказывают влияния на форму сигнала на выходе этого детектора.

Для выделения импульсного сигнала из модулированных колеба­ ний промежуточной частоты необходимо прежде всего устранить

120

изменения этих колебаний по амплитуде, обусловленные синусои­ дальным сигналом. Эта задача решается с помощью ограничитель­ ного каскада, установленного на входе частотного детектора. Затем

Рис. 76

ограниченные по амплитуде 4M колебания поступают в фазовый дис­ криминатор, на выходе которого выделяется импульсный сигнал, пропорциональный изменению частоты 4M колебаний.

§ 20. ФАЗОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Поскольку все используемые в настоящее время в геодезии светоII радиодальномеры являются фазовыми, то в каждом из них должно быть устройство для измерения разности фаз, по которой тем или иным способом определяется величина искомого расстояния.

Существуют два основных метода измерения разности фаз: пря­ мой и косвенный.

При прямом методе оба колебания, между которыми требуется измерить разность фаз, подаются в специальное устройство, назы­ ваемое фазометром. По показаниям фазометра можно непосред­ ственно судить об измеряемой величине разности фаз.

При косвенном методе обычно используются компенсационные схемы, в которых одно из колебаний с помощью калиброванного фа­ зовращателя сдвигается по фазе на определенную величину, а инди­ каторным устройством фиксируется заданное фазовое соотношение между двумя колебаниями (совпадение по фазе, противофазность или сдвиг по фазе на 90°):

Один из вариантов прямого метода измерения разности фаз,, обычно называемый способом круговой развертки, получил широкое распространение в геодезических радиодальномерах. Блок-схема такого фазоизмерительного устройства приведена на рис. 77. В ка­ честве фазометра в этой схеме используется электроннолучевая трубка.

Подадим на вход устройства два гармонических колебания

Щ=ч Umi sin (at + фі) и u2 = C/mssin (сог + сра),

между которыми требуется измерить разность фаз Д ф = ф 2 — ф4

121 '

С этой целью напряжение и і после соответствующего усиления подается на горизонтально-отклоняющие пластины X. Кроме того, это же напряжение поступает на вертпкально-отклоняющие пластины Y со сдвигом по фазе на 90°, для него используется специальная фа­ зосдвигающая цепочка.

Рис. 77

Таким образом, пренебрегая фазовыми задержками в усилителях, для напряжений, поступающих на пластины X и Y электроннолуче­ вой трубки, можно написать

ux = U mxsin(<at -{-Фі),

иі, = Umy sin (at + ф! + -у) .

Если Uтх = Uту, то электронный луч на экране трубки будет описывать окружность с угловой скоростью со. При этом угол ф (рис. 78, а), на который перемещается луч за время At, равен

ф = aAt.

Напряжение u2 подадим на вход формирующего каскада, с по­ мощью которого синусоидальное напряжение преобразуется в ост­ роконечные импульсы (рис. 78, б), причем момент возникновения данных импульсов соответствует точке перехода синусоидального напряжения через нуль от отрицательного значения к положитель­ ному. Эти импульсы отрицательной полярности попадают на упра­ вляющий электрод электроннолучевой трубки, в результате чего в момент прихода импульсов электронный луч прерывается. На

122

экране трубки при этом возникает затемнение, т. е. разрыв на кру­ говой развертке.

Поскольку частота напряжения, приложенного к отклоняющим пластинам трубки, совпадает с частотой повторения импульсов, то разрыв на круговой развертке будет казаться неподвижным, не­ смотря на то, что электронный луч все время вращается по кругу.

Рассмотрим две характерные точки на круговой развертке: точку 1, которая соответствует верхней точке окружности, н точку 2, ко­ торая соответствует разрыву на круговой развертке.

/

и,

Y ~ т

1 Нап выходеДмт-ппр формирующего,

каскада

В точке I напряжение их на горизонтальио-отклоняющих пласти­ нах равно нулю, а напряжение иу на вертикально-отклоняющих

Разность двух мгновенных значений фаз, соответствующих точ­ кам 1 и 2, равна

<о(*і—«а) = Фа—Фі»

но

со( h — to) =со Ді = ф.

Окончательно имеем

■ф= Фя— Фі-

Таким образом, геометрический угол, измеряемый между верх­ ней точкой круговой развертки и точкой, соответствующей разрыву на этой развертке, равен разности фаз двух колебаний и 1 и и 2.

Для повышения точности измерения разности фаз положение точки 2 оценивается, как правило, по началу разрыва круговой раз­ вертки при движении в направлении вращения часовой стрелки.

123

Фазометр с круговой разверткой позволяет измерять разность фаз в пределах от 0 до 360° с точностью порядка 2—5°.

В свето- и радиодальномерах последних лет применяется прямой метод измерения разности фаз с помощью электронно-счетного ча­ стотомера.

Принцип действия такого частотомера описан в следующем пара­ графе. Для преобразования частотомера в фазометр используется функциональная схема, приведенная на рис. 79.

При измерении разности фаз между двумя синусоидальными на­ пряжениями и х и и2 последние подаются соответственно на «Вход I» и «Вход II». С помощью формирующих устройств эти напряжения

Рпс. 79 I

преобразуются в остроконечные импульсы, причем на выходах фор­ мирующих устройств I ж I I импульсы оказываются сдвинутыми во времени на величину Аt, которая однозначно связана с измеряемой

разностью фаз ср = соА t.

Следовательно, для определения значения ф необходимо знать частоту со подводимых к фазометру напряжений Uj и и2, а также измерить их сдвиг во времени At.

Для измерения At импульсы с выходов формирующих устройств поступают в датчик интервала времени счета, где вырабатывается прямоугольное напряжение, которым воздействуют на электронный ключ, открывая его на время, равное At.

В течение этого отрезка времени колебания от кварцевого гене­ ратора частотомера через формирователь импульсов и электронный

124

ключ поступают в счетное устройство, с помощью которого осуще­ ствляется счет импульсов за время Аt с выдачей данных -на свето­ вое табло. Если частота кварцевого генератора известна, то значение At легко определяется по показаниям счетного устройства

A t == йТкг,,

где а — показания счетного устройства, т. е. количество импульсов, поступающих от кварцевого генератора за время At;

Ткв — период колебаний кварцевого генератора.

Подбирая частоту кварцевого генератора, можно легко осущест­ витъ градуировку счетного устройства в удобных для эксплуатации единицах. Так, в современных даль- • номерах градуировка счетчика осу­ ществляется, как правило, непосред­ ственно в единицах длины изме­ ряемого расстояния.

Положительными характеристи­ ками рассмотренного фазометра яв- -ляются высокая точность и быстро­ та измерений. К недостаткам его

следует отнести большое количество элементов электрической схемы.

Наряду с прямыми способами измерения разности фаз в геодези­ ческих дальномерах находят применение и компенсационные методы. Блок-схема компенсационного метода измерения разности фаз изо­ бражена на рис. 80.

Пусть на вход I подаются колебания U j, а на вход I I — колеба­ ния U 2 - Требуется определить разность фаз Дф = ф2 — ф4.

Как уже отмечалось выше, фазовый индикатор в данном случае регистрирует вполне определенную разность фаз между двумя коле-

баннями. Чаще всего эта разность выбирается равной^-.

С помощью калиброванного фазовращателя колебания U2 мо­ гут быть сдвинуты по фазе на фф. Величина этого сдвига определяется по показаниям проградуированной шкалы фазовращателя.

Таким образом, разность фаз колебаний, подаваемых на фазовый индикатор, определяется величиной

А ф = (ф з— Фф) — Фі = А ф — Фф-

Изменяя величину фф, можно добиться того, чтобы Аф —

Тогда разность фаз между исходными колебаниями получается рав­ ной

Аф= у + ФФ-

Для получения плавного или скачкообразного изменения фазы интересующих нас колебаний в дальномерах используется несколько различных типов фазовращателей и фазосдвигающих цепочек.

125

Простейшей фазосдвигающей цепочкой, с помощью которой мож­ но получить сдвиг по фазе от 0 до 90°, является цепочка, составлен­ ная нз последовательно соединенных конденсаторов и резисторов. На рис. 81 приведена схема фазосдвигающей ДС-цепочки, исполь­ зуемая в радиодальномерах для сдвига по фазе между £/вх и £/вьк

на 90°. С помощью переменного резистора R 2 этот фазовый сдвиг можно регулировать в небольших пределах.

На сравнительно невысоких частотах (до 100 кГц) для плавного изменения фазы в пределах от 0 до 360° широко используются ин­ дукционные фазовращатели. В таком фазовращателе имеется че­

они расположены перпендикулярно к вращающейся катушке V. Если же катушка V располагается горизонтально, то фаза на­ пряжения и вых будет уже зависеть от фазы тока І 2 и не будет за­ висеть от фазы тока /*. Поскольку токи 1 1 и / 2 сдвинуты по фазе

126

на 90°, то при вращении катушки V на 90° фаза выходного напряже­ ния также будет изменяться на 90°.

Таким образом, в индукционном фазовращателе изменения фазы выходного напряжения £/„Ь]Х пропорциональны геометрическому углу поворота а вращающейся катушки V.

Современные индукционные фазовращатели обеспечивают точ­ ность регулировки фазы цорядка 10' — 30' в пределах от 0 до 360°.

На более высоких частотах (порядка 10 МГц и выше) в светодальномерах в качестве фазовращателей используются искусственные

.длинные линии.

j

Если взять длинную двухпроводную линию, подключить к ее началу генератор, а к концу — специально подобранную активную нагрузку, то вдоль такой линии будут распространяться электро­ магнитные волны с вполне определенной -скоростью, зависящей от параметров этой линии. Можно подобрать такую длину линии, вдоль которой будет укладываться целая длина волны интересующих нас колебаний.

Если пренебречь активными потерями в длинной линии, то ее эквивалентная электрическая схема может быть представлена в виде сочетания отдельных индуктивностей U и емкостей С' (рис. 83). Для скачкообразного изменения фазы в схему вводится переключа­ тель П, к которому подводятся выводы от отдельных секций.

Для плавного изменения фазы в пределах одного скачка исполь­ зуется параллельный колебательный контур LKCK, в котором один из элементов (Ск или LK) делается переменным. Если резонансная частота контура совпадает с частотой подводимых колебаний, то эквивалентное сопротивление такого контура получается чисто ак­ тивным. Ток / совпадает при этом по фазе с напряжением U'. Если же изменить теперь величину Ск, то резонансная частота уже не будет совпадать с частотой подводимых колебаний. Между током I

инапряжением U' появляется фазовый сдвиг.

Всветодальномерах эквивалентная длинная линия используется для скачкообразного изменения фазы в пределах от 0 до 180°. Ко­ личество звеньев в такой линии достигает десяти и более. В случае использования 10-звенной линии фаза выходного напряжения

127

относительно входного при переключении переключателя на одно положение изменяется скачком на величину около 20°. В пределах одного скачка фаза плавно изменяется переменным конденсатором Ск, входящим в состав колебательного контура.

В качестве индикаторного устройства при компенсационных ме­ тодах измерения разности фаз используются, как правило, фазовые детекторы.

Существует много разновидностей схем'фазовых детекторов. Одна из них приведена на рис. 84. По принципу действия данная схема аналогична схеме дискриминатора, приведенной на рис. 73. Основ­ ное ее отличие состоит в том, .что катушки индуктивности Z-t и L z

а

подключаются не к одному, а к различным источникам колебаний, между которыми требуется измерить разность фаз. Кроме того, в ка­ честве нагрузки используется стрелочный прибор с нулем посредине шкалы. При фазовом сдвиге между напряжениями U , и £72, равном 90°, напряжение на нагрузке равно нулю. Показания стрелочного прибора также при этом будут равны нулю. Если же разность фаз между напряжениями U±и £72 отличается от 90°, то между точками а и б разность потенциалов уже не будет равна нулю, и стрелка при­ бора отклонится от нуля в ту или другую сторону.

В современных геодезических светодальномерах находит приме­ нение еще один из вариантов компенсационного метода измерения разности фаз, получивший название равносигнального или парафазного способа (см. § 7). Блок-схема парафазного способа измерения разности фаз приведена на рис. 85.

Пусть на вход такой фазоизмерительной схемы поступают два гармонических сигнала С74 и С/2, между которыми требуется измерить разность фаз. С помощью фазоопрокидывающего устройства фаза сигнала Uj периодически скачком изменяется на 180°. Опрокидыва­ ние фазы в большинстве случаев происходит с низкой частотой по­ рядка 100 раз в секунду. Если сигналы U\ и Ui подать в фазовый де­ тектор, то величина напряжения на выходе этого детектора будет зависеть от соотношения фаз сигналов Ѵ\ и U^. При совпадении фаз

128

сигнал на выходе детектора будет максимален, а при противофазностн — минимален. Изменим с помощью фазовращателя фазу сигнала U2 так, чтобы сигналы U[ и U2 отличались по фазенал/2. Тогда на­ пряжение £/вых при опрокидывании фазы изменяться не будет. Задача индикаторного устройства состоит в том, чтобы зафиксировать такой момент, когда амплитуда £/вых не изменяется при скачкооб­ разном изменении фазы сигнала U{.

Для решения этой задачи используется специальный каскад, называемый балансным детектором. Рассмотрим вкратце принцип действия балансного детектора, схема которого приведена на рис. 86. Основная особенность данной схемьГ заключается в поочередной ра­ боте двух пентодов Л t и Л 2- Упра­

вляющие и экранные сетки этих ламп соединены параллельно. На защитные же сетки в противофазе подается низкочастотное напряже­ ние Um трапецеидальной формы от того же источника, который используется для скачкообразного изменения фазы сигнала. В один из полупериодов этого напряжения на защитной сетке одного пентода будет отрицательное напряжение,

и данная лампа запрется. В этом случае электроны попадают на эк­ ранную сетку и анода не достигают. В то же время на защитной сетке другой лампы должно бы быть положительное напряжение. Но из-за шунтирующего действия диодов, включенных между защитной сеткой й землей, в эти же полупериоды низкой частоты на защитной сетке поддерживается напряжение, близкое к нз^лю, что соответ­ ствует нормальному режиму работы пентода.

Таким образом, из-за воздействия на защитные сетки трапеце­ идального напряжения в один полупериод одна из ламп оказывается закрытой, а другая — работающей в нормальном режиме. В течение следующего полупериода лампы меняются ролями.

Благодаря поочередномуоткрыванию и закрыванию пентодов напряжение на их анодах будет периодически изменяться. Когда пентод закрыт, то напряжение на его аноде равно полному напря­ жению источника анодного питания Еа. Если же пентод открыт, то напряжение на аноде равно

U a= E a— /аі?а,

где І а — анодный ток;

R a — сопротивление анодной нагрузки.

Форма изменения напряжения на анодах пентодов приведена на рис. 86, б.

Между анодами двух пентодов включен стрелочный прибор, имеющий нуль посредине шкалы. Из-за инерционности этот прибор

I