книги из ГПНТБ / Барсуков Ф.И. Элементы и устройства радиотелеметрических систем

ратуры окружающей среды величины сопротивления ра­ бочего и компенсирующего преобразователей будут из­ меняться на одинаковую величину и с одинаковым зна­ ком. Вследствие того, что указанные преобразователи включены в соседние, а не противоположные плечи мос­ та, температурные изменения сопротивлении будут ком­ пенсироваться и не вызовут изменений тока в индика­ торном приборе.

Чем ближе мост к режиму равновесия, тем более пол­ ной оказывается компенсация температурной погрешно­ сти. Применение в измерительных мостах дифферен­ циальных преобразователей приводит наряду с увеличе­ нием чувствительности измерительных схем к увеличению точности измерений за счет компенсации температурных погрешностей.

Мостовая схема на переменном токе. Мостовая схема, питающаяся от источника переменной э. д. с., называется мостом переменного тока. Все основные соотношения в этом случае остаются такими же, как и для моста по­ стоянного тока, при условии замены в них величин ак­ тивных сопротивлении R t, Яъ Яз и Яі плеч моста полны­ ми сопротивлениями соответственно Zь Z% Z3 и Z4.

Условие баланса моста определяется соотношением

сопротивления; X — реактивная составляющая сопротив­ ления; фі, ера, фз, ф4 — фазы соответствующих полных со­ противлений плеч моста.

Мост на переменном токе балансируется значительно труднее, чем мост на постоянном токе. Это объясняется тем, что после выполнения первого условия равновесия необходимо выполнить второе условие (сфазировать мост), не нарушая первого.

В мостах переменного тока могут использоваться ■в качестве плеч моста, кроме резисторных преобразовате­ лей, также емкостные и индуктивные преобразователи.

90 _

Преимущество измерительных мостов переменного тока состоит в том, что снимаемые с -их измерительных диаго­ налей незначительные по величине напряжения могут усиливаться усилителями переменного тока. Для усиле­ ния сигналов, снимаемых с мостов постоянного тока, мо­ гут использоваться только усилители постоянного тока с преобразованием в переменный или непосредственно. При использовании в плечах моста только резисторов все соотношения, приведенные для моста постоянного тока, могут быть применимы для расчета амплитудных соот­

ношений напряжений в мосте переменного тока низкой частоты.

Фазовая измерительная схема обеспечивает преобра­ зование входной величины преобразователя в сдвиг фа­ зы выходного напряжения по отношению к питающему эту схему напряжению. Обычно фазовая измерительная

схема состоит из фазовращателя на элементах R и С, питаемого переменным напряжением. В качестве одного из элементов фазовращателя используется соответствую­ щий измерительный преобразователь.

Фаза напряжения на выходе фазовращателя по от­ ношению к фазе напряжения на его входе изменяется в зависимости от выходной величины преобразователя.

Одна из возможных схем фазовой цепи приведена на рис. 3-2,а. Она состоит из фазовращателя, которым слу­ жит цепочка RC, и источника переменной э. д. с.—вто­ ричной обмотки трансформатора. С изменением величин R или С выходное напряжение фазовращателя ДВых (рис. 3-2,6), оставаясь постоянным по амплитуде, будет

91

Элементы схемы С и Д могут быть заменены соответ­ ственно емкостным или резисторным преобразователями. Зависимость сдвига фазы ср от соотношения величин Д и С определяется выражением

где со— круговая частота источника переменного напря­ жения.

Максимальная чувствительность фазовращателя обес­ печивается при равенстве активного сопротивления фазо­ вращающей і?С-депочки и ее реактивного сопротивления на частоте питающего фазовращатель напряжения. На­ чальный сдвиг фаз между выходным и питающим на­ пряжением при этом составляет л/2. Амплитуда выходно­ го напряжения фазовращателя равна половине напря­ жения, питающего фазовращающую і/?С-цепочку. Подоб­ ный фазовращатель широко используется в модуляторах РТС для получения фазовой модуляции синусоидальных поднесущих колебаний. При использовании фазосдвига­ ющей цепи требуется значительно меньшее усиление сиг­ нала, чем в случае применения моста переменного тока.

Автогенератор как измерительная схема. В качестве измерительных схем могут использоваться различного рода автогенераторные устройства. В этом случае отдель­ ные элементы селективных цепей автогенератора, опре­ деляющие частоту генерируемых колебаний, заменяют­ ся соответствующими преобразователями.

Изменение выходной величины преобразователя будет вызывать изменение частоты выходных колебаний гене­ ратора. Так, например, в генераторе синусоидальных ко­ лебаний отдельные элементы колебательного контура L и С могут быть заменены частично или полностью соот­ ветственно индуктивным или емкостным преобразовате­ лем. В мультивибраторе, блокииг-генераторе или ДС-те- нераторе синусоидальных колебаний элементы Д и С, определяющие частоту генерируемых колебаний, также могут быть заменены соответственно резистивным или емкостным преобразователем.

Усилители выходных сигналов преобразователей. Вы­ ходные сигналы преобразователей и измерительных схем во многих случаях оказываются незначительными ловеличине. В связи с этим возникает необходимость в уси­ лении этих сигналов до необходимого уровня. Усилители, выполняющие эту -задачу, должны обеспечивать, во-п-ер-

92

Бых, воспроизведение сигнала на выходе усилителя в со­ ответствии с заданной функциональной зависимостью от входного сигнала и, во-вторых, повышать мощность (на­ пряжения) выходного сигнала по сравнению с мощ- »- иостью сигнала на входе. Используемые при этом усили­ тели выбираются обычно с таким коэффициентом усиле­ ния и динамическим диапазоном по входу, чтобы при из­ менении входного сигнала во, всем его диапазоне выход­ ной сигнал усилителя изменялся бы в пределах диапазо­ на нормирования для данной РТС. В этом случае отпа­ дает необходимость в специальном нормирующем уст­

ройстве.

Часто преобразователи и измерительные схемы с оди­ наковыми пределами изменения выходного напряжения объединяются в группы, которые обеспечиваются одним усилителем. При этом перед усилителем устанавлива­ ется электронный («ли. механический) коммутатор, поо­ чередно подключающий выходы преобразователей ко входу усилителя. Сигналы с выходов таких усилителей с помощью объединяющего коммутатора, работающего синхронно с коммутаторами на входах усилителей, соби­ раются (суммируются) в общую цепь.

Такая система сбора информации с преобразователей при необходимости усиления их выходных сигналов ока­ зывается более простой и надежной, чем система, в ко­ торой для усиления сигналов каждого преобразователя использовался бы отдельный усилитель.

іВ РТС наибольшее применение находят усилители переменного и постоянного тока, выполненные на тран­ зисторах и электронных лампах.

Усилители переменного тока используются для усиле­ ния электрических сигналов, сравнительно быстро изменя­ ющихся во времени. Однако часто с выхода преобразо­ вателей и мостов постоянного тока снимаются сигналы, медленно изменяющиеся во времени и содержащие посто­ янную составляющую. Такие сигналы могут быть усиле­ ны с помощью усилителей постоянного тока (электрон­ ных, транзисторных и магнитных). Различают электрон­ ные (транзисторные) усилители постоянного тока (УПТ) с непосредственной связью между каскадами и усили­ тели с преобразованием постоянного (усиливаемого) сигнала в переменный.

Усилители с непосредственной связью выполняются без переходных емкостей с непосредственной гальваниче-

93

ской межкаскадной связью, что обусловливает трудности их построения п эксплуатации. В таких усилителях, по­ мимо трудности поддержания заданного режима каска­ дов, имеется еще один существенный недостаток, заклю­ чающийся в неустойчивости нуля (дрейф нуля). При дрейфе нуля уровень выходного сигнала изменяется при

Рис. 3-3. Структурная схема УПТ с преобразованием.

отсутствии изменения входного сигнала. Дрейф нуля обусловливается непостоянством параметров деталей схе­ мы, режима питания и окружающей температуры.

■В согласующих устройствах преимущественно исполь­ зуются усилители постоянного тока с преобразованием. Усиливаемый сигнал в таких усилителях предварительно преобразовывается в переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна величине сигнала на (входе. Преобразованный сигнал затем усиливается узкополос­ ным усилителем переменного тока. На выходе усилителя производится обратное преобразование усиленного пере­ менного сигнала в постоянный. Преобразование входного медленно изменяющегося сигнала в переменный может производиться многими способами. Наиболее часто такое преобразование осуществляется с помощью электронных преобразовательных элементов. На'рис. 3-3 приведена структурная схема УПТ с преобразованием входного сигнала. В преобразовательном элементе производится периодическое прерывание входного сигнала и превра­ щение его ,в прямоугольные колебания, амплитуда кото­ рых пропорциональна величине входного напряжения. Выходные колебания преобразовательного элемента уси­ ливаются, детектируются и фильтруются. В результате на выходе УПТ выделяется постоянное напряжение, ве­ личина которого будет изменяться в нужных пределах при изменении преобразуемой величины на входе изме­ рительного преобразователя.

94

Несмотря на сравнительно низкий уровень входных сигналов, часто требуется обеспечить преобразование 8 усилителе с ошибкой, не превышающей 0,1%'. В связи с этим от преобразовательного элемента требуется ■весьма низкий уровень собственных шумов при нулевом сигнале на входе. Для обеспечения этого необходимо, чтобы прерывание входного сигнала в преобразователь­ ном элементе осуществлялось импульсами прямоуголь­ ной формы и соответственно была выбрана частота пре­

рывания.

■На точность преобразования существенное значение оказывают переходные процессы, вызываемые переклю­ чениями в схеме преобразовательного элемента. Увели­ чение крутизны фронтов прерывающих прямоугольных импульсов приводит к уменьшению ошибок преобразо­ вания в УПТ.

Обычно частота прерываний в преобразовательном элементе УПТ выбирается такой, чтобы за время под­ ключения выхода канального напряжения ко входу ко­ дера РТС с ВРК 'происходило бы 300—500 прерываний. При этом переходные процессы, вызываемые коммута­ цией каналов, не будут иметь существенного влияния на точность передачи сигналов по РТС. Частота прерыва­ ний должна согласовываться также со спектром усиливаемого сигнала с учетом теоремы Котельникова, в соответствии с которой необходимо, чтобы частота пре­ рываний была в 2 (практически в 5—10) раза боль­ ше наивысшей частоты спектра сигнала.

В качестве генератора прямоугольных импульсов мо­ гут использоваться многие из известных релаксационных генераторов. На рис. 3-4 приведена в качестве примера

95

течь неодинаковые начальные токи. Если предположить, например, что через транзистор Т2 течет больший ток, то он вызовет за счет наличия цепей обратной связи (катуш­ ки W2) подзапирание транзистора Tz, а транзистор Т\ откроется еще в большей степени. При этом разбаланс схемы увеличится и будет продолжать увеличиваться лавинообразно до полного закрытия транзистора Т2. На­ пряжение на обмотке обратной связи W2 падает до нуля. С этого момента формируется плоская часть прямоуголь­ ного импульса. Когда сердечник выходит из состояния насыщения, лавинообразный процесс протекает в обрат­ ную сторону — транзистор Т2 открывается, а транзистор Ті закрывается. С момента насыщения сердечника транс­ форматора за счет коллекторного транзистора Т2 начи­ нает формироваться плоская часть прямоугольного им­ пульса противоположной полярности и заканчивается так­ же .в момент, когда сердечник трансформатора выходит из состояния насыщения. При симметрии схемы импуль­ сы обеих полярностей будут идентичными по форме и амплитуде. Их суммарная длительность определяет пе­ риод колебаний генератора. Увеличение частоты генери­ руемых колебаний достигается за счет уменьшения ин­ дуктивности катушек генератора и подбором режима ра­ боты транзисторов. Работают такие генераторы в усили­ телях-преобразователях многоканальных РТС на часто­ тах 20—30 кГц.

Выше отмечалось, что правильность формы прямо­ угольных импульсов и идентичность генерируемых им­ пульсов положительной и отрицательной полярности су­ щественно влияют на величину собственных шумов на выходе преобразовательного элемента. Шумы на выходе преобразовательного элемента тем больше, чем длитель­ нее фронты у переключающих импульсов и особенно, ес­ ли этифронты у отрицательных и положительных им­ пульсов будут неодинаковыми по форме и длительности.

Длительность фронтов прямоугольных импульсов за­ висит от величины емкости между двумя половинами первичной обмотки (Wi) и между первичной и вторичной (Wz) обмотками. Поэтому при конструировании транс­ форматора стремятся уменьшить указанные емкости и сделать емкости половин катушек одинаковыми. Несимметрия емкостей половин катушек приводит к неидентичности фронтов импульсов положительной и отрицатель­ ной полярности,

96

В схеме генератора применяются транзисторы, имею­ щие малый начальный ток коллектора, за счет чего обес­ печивается большая стабильность частоты генерируемых колебаний.

В качестве прерывателей напряжения постоянного то­ ка малого уровня обычно применяют прерыватели, вы­ полненные по балансной схеме, так как они обладают значительно меньшим уровнем собственных шумов и обеспечивают поэтому более высокую точность преобра­ зования.

На рис. 3-5 приведена одна из возможных балансных схем прерывателя. К эмиттерам транзисторов Г3 и ^ п о д ­ водится постоянное преобразуемое напряжение UBX. Ре-

'зистор Ят представляет собой выходное сопротивление источника этого напряжения.

Работу схемы можно пояснить следующим образом. Предположим, что преобразуемое напряжение UBX в схе­ му не подается и эмиттерные цепи транзисторов соеди­ нены непосредственно друг с другом (Run закорочено, на рис. 3-5 показано пунктиром), а конденсатор С из схемы исключен. При этом первичная обмотка вы­ ходного трансформато­

угольного напряжения будет такой, как показано на схе­ ме (рис. 3-5), то оба диода, образующие транзистор Тз, будут проводить ток, так как эмиттеры и коллекторы транзисторов имеют одинаковый потенциал. Ток, проте­ кающий по нижней половине обмотки W3, разветвляется

обмотки W3. При смене' полярности прямоугольного на­ пряжения проводящими станут диоды транзистора Т,,. Через транзистор Т3 в этом случае будет протекать только начальный ток коллектора.

Токи диодов транзистора TiL будут идентичны токам транзистора Т3 до переключения полярности напряже­ ния.

Несмотря на смену полярности прямоугольного на­ пряжения и включение в работу то одного, то другого транзисторов, ток, ответвляющийся в первичную обмотку выходного трансформатора, своего направления не ме­ няет. Таким образом, в предположении, что прямоуголь­ ные импульсы одной и другой полярности идентичны, можно считать ток через первичную обмотку выходного трансформатора постоянным. Если же амплитуда этих импульсов или крутизна их фронтов будет не одинако­ вой, то ток через обмотку выходного трансформатора будет содержать переменную составляющую. При вклю­ чении конденсатора С исключается возможность про­ хождения постоянной составляющей через первичную обмотку выходного трансформатора.

Если между эмиттерами транзисторов включить по­ стоянное напряжение, то симметричность в работе схе­ мы при действии разных полярностей прямоугольных импульсов нарушается. Это приводит к тому, что через первичную обмотку выходного трансформатора Тр2 бу­ дет протекать переменная составляющая тока, пропор­ циональная разностипотенциалов между эмиттерами транзисторов Т3 и 7Y Результирующее выходное напря­ жение прерывателя будет представлять собой напряже­ ние прямоугольной формы, амплитуда которого будет также равна разности потенциалов между эмиттерами, т. е. величине преобразуемого постоянного напряже­ ния и вх.

. В целях уменьшения выходных шумов преобразова­ тельного элемента амплитуда прямоугольного напряже­ ния не должна превышать размаха линейного участка диодной характеристики участка база — эмиттер каждо­ го из транзисторов, включаемых в схему. При значитель­ ном уменьшении амплитуды прямоугольного напряже­ ния выходные шумы также возрастают за счет появле­ ния значительного температурного дрейфа (увеличения неидентичности диодных характеристик транзисторов).

Сигналы прямоугольной формы с выхода прерыва-

98

теля должны быть усилены до необходимого уровня и затем снова путем детектирования и фильтрации пре­ вращены в сигналы постоянного тока.

Для усиления выходных сигналов преобразователя

нейшие требования, которые предъявляются к такому усилителю. В целях стабилизации коэффициента усиле­ ния в усилителе применяется сильная отрицательная связь по току и напряжению. Для выравнивания ампли­ тудно-частотной характеристики в области низких ча­ стот в усилителе применяется низкочастотная коррекция или же схема усилителя выполняется без переходных емкостей.

Преобразование выходного напряжения прямоуголь­ ной формы в постоянное напряжение производится

спомощью обычного двухполупериодного выпрямителя

ифильтра нижних частот, но при этом выходное напря­ жение зависит от модуля входного. Для получения одно­ значной зависимости выходного напряжения от входного детектор должен быть фазовым и управляться тем же прямоугольным напряжением, что и входной преобра­

зовательный элемент.

3-3. ДЕМОДУЛЯТОРЫ ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СХЕМ И ГЕНЕРАТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Как отмечалось, один из параметров выходного сигнала измерительной схемы или генераторного пре­ образователя неэлектрических величин несет информа­ цию о значении телеметри'руемой величины.

Для передачи всех значений телеметрируемых вели­ чин по радиолинии на передающую сторону производят преобразование информативных параметров выходных сигналов измерительных схем в один параметр, напри­ мер напряжение постоянной полярности. Подобное пре­ образование называют демодуляцией, а сами преобра­ зователи— демодуляторами. Тип демодулятора опреде­ ляется видами информативных параметров входного и выходного сигналов. Если информативным параметром выходного сигнала демодулятора является напряжение