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

где Г0—период опроса, часто называемый длительностью цикла опроса, в течение которого должны быть переданы значения мгновенных отсчетов напряжений во всех п ка­ налах.

Практическая частота опроса источников информа­ ции всегда выбирается значительно большей {F0^ ;> (3-г- 10)ГМако], чем требует соотношение (5-1). Выбор этого превышения зависит от способа и погрешности вос­ становления информации (фильтрация, интерполяция и т. и.) на приемной стороне по полученным значениям в точках опроса.

Важным параметром коммутатора является инфор­ мативность.

В общем случае информативность коммутатора Ик есть сумма частот опроса F0i по каждому из п информа­ ционных каналов

і—1

Если частота опроса по всем каналам одинакова, то выражение (5-3) примет вид:

HK= n F 0.

Помимо перечисленных параметров коммутаторы ха­ рактеризуются:

входными параметрами — динамическим диапазоном входных сигналов и входным сопротивлением;

выходными параметрами — пределами изменения ам­ плитуды выходных импульсов, длительностью фронтов

испадов импульсов и выходным сопротивлением; уровнем собственных шумов, вызывающих искаже­

ние выходных импульсов и приводящих к погрешностям измерений;

массой, габаритами, экономичностью питания, сро­ ком службы, надежностью и другими эксплуатационны­ ми параметрами.

В современных РТС могут использоваться измери­ тельные преобразователи с малыми по величине выход­ ными сигналами — 10—50 мв (тензометрические преоб­ разователи, термопары и др.). Эти сигналы должны быть усилены до требуемого стандартного уровня. Если таких измерительных преобразователей много, то тре­ буется соответствующее число усилителей с большим коэффициентом усиления, что делает кодер сложным Н

130

громоздким и, что наиболее существенно, при этом вно­ сится в каждый канал разная и значительная погреш­ ность. Поэтому в РТС при большом числе измеритель­ ных преобразователей с малым уровнем выходного сигнала обычно коммутируют выходные напряжения преобразователей. На выходе коммутатора устанавли­ вается один общий усилитель, обеспечивающий пооче­ редное усиление всех сигналов вместе с калибровочными уровнями. Для коммутации сигналов малого уровня используются коммутаторы повышенной надежности с малым уровнем собственных шумов. Выход усилителя подключается ко входу одного информационного кана­ ла РТС.

.Конструируются РТС с ВРК, как правило, так, что все каналы (или группы каналов) имеют одинаковые передаточные функции (идентичные каналы). В этом случае калибровка РТС проводится обычно в процессе ее работы передачей калибровочного сигнала по одному или нескольким каналам, выделенным специально для этих целей. Если передаточная функция системы линей­ на, то в качестве калибровочного сигнала передаются два (три) уровня напряжения, соответствующие нуле­ вому и максимально возможному значениям нормиро­ ванного телёметрического сигнала (50% от максималь­ ного значения).

В РТС применяются разнообразные по принципу действия, конструкции и параметрам коммутирующие устройства. Все их можно разделить на две большие группы: механические (контактные) и электронные (не­ контактные) коммутирующие устройства.

5-2. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОММУТАТОРЫ

Механические коммутаторы осуществляют по­ очередное подключение источников информации путем замыкания и размыкания электрических контактов.

Механические коммутаторы- в РТС с ВРК использу­ ются преимущественно со скользящими контактами. Такой коммутатор представляет собой контактную си­ стему, состоящую из неподвижных ламелей (рис. 5-1,я) и скользящего по ламелям контакта (щетки Щ), при­ водимого в движение электромотором. К каждой из ламелей подводится выходное напряжение от соответст­ вующего согласующего устройства. При замыкании вращающейся с постоянной скоростью щетки Щ с ламе-

СИ Максимальный, уровень^ _ ТИ!

Рис. 5-1. Механический коммутатор.

а — схема; 6 — форма сигнала на выходе.

лями П1—Пп сигналы от отдельных согласующих уст­ ройств поступают далее на формирующие каскады и в радиопередатчик. Выходное напряжение каждого из каналов на выходе коммутатора представляет собой импульсы, амплитуда которых зависит от величины из­ меряемого параметра, а длительность — от ширины ламелей и от значения угловой скорости вращения щетки.

На рис. 5-1,6 показан примерный вид сигнала на вы­ ходе коммутирующего устройства. На этом рисунке индексом СИ обозначены синхронизирующие импульсы, отличающиеся в частном случае от измерительных (обозначены 1, 2, 3 ...) по длительности за счет большей ширины ламели.

Механический коммутатор по существу представляет собой кодер передающей части РТС с первичной АИМ. Для получения другого вида первичной модуляции за механическим коммутатором включается соответствую­ щий преобразователь АИМ в необходимый вид моду­ ляции.

Механические коммутаторы со скользящим контак­ том являются наиболее простыми, компактными и на­ дежно работающими устройствами. Они широко приме­ няются для коммутации медленно меняющихся величин. Для коммутации весьма медленно меняющихся величин используется дополнительный коммутатор (субкомму­ татор), выход которого подключается к одной из ламе­ лей основного коммутатора. Скорость опроса источни­

132

с увеличением скорости коммутации возрастают собст­ венные шумы коммутатора, ухудшается надежность его работы и уменьшается срок службы. В связи с этим максимальная скорость коммутации механических ком­ мутаторов ограничивается максимальной скоростью вращения и не превышает 60—80 гц. Число же комму­ тируемых одним коммутатором каналов не превышает 50—60. В результате информативность механических коммутаторов оказывается невысокой, не превышаю­ щей 3 000—5 000 измерений в секунду.

В РТС с механическими коммутаторами все инфор­ мационные каналы по амплитудной характеристике идентичны. При этом более просто и надежно реализу­ ется система калибровки, так как она производится по одному каналу и действительна для всех других вслед­ ствие их идентичности.

Существенным недостатком механических коммута­ торов является наличие у них значительных собственных шумов коммутации, проявляющихся в виде непостоян­ ства формы и длительности измерительных импульсов на выходе коммутатора.

Изменение формы и длительности измерительных им­ пульсов на выходе механического коммутатора проис­ ходит из-за переходных процессов, возникающих при переходе щетки с ламели на ламель, и изменения со­ стояния контактируемых поверхностей. -

Для нормализации формы и длительности измери­ тельных импульсов на выходе коммутатора устанавли­ ваются специальные электронные ' устройства. Срок службы механических коммутаторов составляет несколь­ ко сотен часов, а потребляемая мощность 1 0 - ^ 2 0 вт.

Механические коммутаторы используются только в кодерах передающих частей РТС. В декодерах же они применяются редко (в виде стартстопных распредели? телей), так как их сравнительно трудно синхронизиро­ вать внешними сигналами.

Механические коммутаторы со скользящими контак­ тами из-за значительного уровня собственных шумов не применяются для коммутации малых напряжений. Для этих целей используются коммутаторы, работающие на замыкание постоянных пар контактов релейного типа. Чаще для этих целей применяются коммутаторы с маг­ нитным переключением контактных пар, находящихся в вакууме.

133

5-3. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Электронные коммутирующие устройства (ЭКУ) свободны от многих недостатков, свойственных механи­

слабые сигналы. Стабильность коммутации с помощью ЭКУ определяется стабильностью частоты тактового генератора коммутатора и может быть получена зна­ чительно более высокой, чем у механических коммута­ торов. Срок службы ЭКУ составляет несколько тысяч часов. Электронные коммутирующие устройства могут быть выполнены с использованием электроннолучевых трубок, трахотронов, декатронов, электронных ламп, полупроводниковых приборов и магнитных элементов. Наибольшее применение в РТС находят ЭКУ, выполнен­ ные на электронных лампах, полупроводниковых прибо­ рах и магнитных элементах, пз которых формируются не­ контактные переключающие устройства и однородные канальные элементы коммутатора.

Электронные коммутаторы так же, как и механиче­ ские, имеют собственные шумы (шумы коммутации), определяемые нестабильностью переходных сопротивле­ ний ключевых схем. В связи с этим при коммутации малых напряжений с помощью электронных коммутато­ ров в них необходимо применять специальные меры, обеспечивающие уменьшение собственных шумов. Ис­ пользуются различные по принципу действия электрон­ ные коммутаторы. Однако любой тип коммутатора состоит из коммутирующих элементов, называемых обычно ключами, и устройства управления этими клю­ чами. Широкое распространение получили коммутаторы, основанные на двоичных счетчиках на N разрядов.

При конструировании электронных коммутаторов стремятся сделать их оптимальными с точки зрения уменьшения числа и рационального использования вхо­ дящих в них элементов.

Схема коммутатора выбирается такой, чтобы при минимально возможном числе используемых элементов обеспечить наименьший уровень собственных шумов коммутатора. С этой целью в ряде случаев при комму­ тации слабых сигналов, например с выхода мостовых

134

схем с тензометрическими 'преобразователями или тсрморезмсторами, прибегают к усложнению схемы комму­ татора с тем, чтобы понизить уровень собственных шу­ мов коммутатора.

На рис. 5-2 приведена типичная структурная схема электронного коммутатора кодера РТС. Работой ком­ мутатора управляет генератор тактовых импульсов ГТИ, вырабатывающий периодические импульсные сигналы. Импульсы тактового генератора подаются в распредели­ тель импульсов. На выходе распределителя в раздель­ ных цепях (число цепей равно числу коммутируемых

Рис. 5-2. Структурная схема электронного коммутатора кодера РТС.

каналов) по очереди появляется управляющий сигнал, который замыкает соответствующий канальный ключ (Лі—Кп) и подключает выход измерительного преобра­ зователя (коммутируемое напряжение £/ді—URn) к схе­ ме суммирования. На выходе схемы суммирования фор­ мируется последовательность амплитудно-модулирован- ныхх измерительных импульсов всех каналов. Для преобразования АИМ в ШИМ или ФИМ за электрон­ ным коммутатором в кодере устанавливается специаль­ ное устройство, преобразующее АИМ в необходимый вид модуляции. В некоторых РТС с ЭКУ в кодере для получения ШИМ, ФИМ или другого вида, модуляции применяются соответствующие канальные модуляторы, которые в этом случае включаются вместо ключевых с*евд,

135

Для формирования тактовых импульсов, определяю­ щих темп работы всей радиотелеметрической -системы, как правило, используются самовозбуждающиеся муль­ тивибраторы или блокинг-генераторы. Помимо того, широко распространены устройства, формирующие пе­ риодическую последовательность импульсов из непре­ рывных синусоидальных колебаний, вырабатываемых генератором с кварцевой стабилизацией частоты.

Для повышения стабильности частоты колебаний мультивибраторов и блокинг-генераторов- их синхрони­ зируют сигналами задающих генераторов с более высо­ кой стабильностью. В ряде случаев повышенная ста-

Рис. 5-3. Структурная схема электронного коммутатора приемной аппаратуры РТС.

бильность генераторов релаксационных колебаний до­ стигается за счет непосредственного включения кварца в схему генератора.

Электронный коммутатор декодера приемного уст­ ройства, часто называемый дешифратором, работает подобно ЭКУ кодера. Основной его задачей является распределение измерительных импульсов по соответст­ вующим каналам. Так же как и ЭКУ кодера, дешифра­ тор (рис. 5-3) содержит: генератор тактовых импульсов, распределитель и ключевые схемы Кі—Кп. Ключевые схемы дешифратора работают так, что сигн.ал с выхода приемника может пройти канальную ключевую схему только при воздействии на нее управляющего импульса,

136

подаваемого; с распределителя. Для правильного раз­ деления сигналов по каналам распределитель коммута­ тора должен подавать отпирающий импульс на ключе­ вую схему того канала, сигнал которого передается.

Синхронная работа электронных коммутаторов коде­ ра и декодера, как уже отмечалось, обеспечивается по­ сылкой специальных синхронизирующих сигналов с ко­ дера. Синхронизирующие сигналы выделяются из общего выходного сигнала приемника посредством специального выделяющего (селектирующего) устройства. Под воз­ действием синхросигналов осуществляется коррекция частоты и фазы следования импульсов генератора так­ товых импульсов дешифратора так, что импульсы с рас­ пределителя подаются на ключевые схемы в моменты времени, совпадающие с сообщением измерительного преобразователя, имеющим тот же номер, что и ключ.

Телеметрические сигналы с выходов канальных де­ модуляторов поступают на многоканальные регистри­ рующие устройства.

Часто ключевые схемы совмещаются о канальными демодуляторами. Преобразователь одного вида модуля­ ции в другой в дешифраторе включается между выходом приемника и коммутатором.

5-4. РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ ЭЛЕКТРОННЫХ КОММУТАТОРОВ

Как следует из приведенного краткого описания коммутирующих устройств кодера и декодера, одной из важнейших их составных частей является распредели­ тель..

Распределитель под воздействием импульсов генерал тора тактовых импульсов, следующих с частотой .FT.*, вырабатывает периодические последовательности ка­ нальных селектирующих импульсов (управляющих им­ пульсов). Под воздействием этих импульсов ключевые схемы осуществляют поочередное подключение отдель­ ных электрических цепей к одной общей цепи. В кодере при этом обеспечивается сбор сигналов с выходов ка­ нальных согласующих устройств в одну общую электри­ ческую цепь, а в декодере — разделение сигналов по отдельным цепям (информационным каналам). В общем случае распределитель состоит из ряда последовательно включенных спусковых схем, число которых соответст­

137

вует Числу коммутируемых цепей (информационных каналов). С выхода каждой спусковой схемы в отведен­ ное ей в цикле передачи время выдается импульсное напряжение, которое подается на ключевую схему. За время цикла передачи (Го) все выходы распределителя поочередно выдают управляющие импульсные напряже­ ния, осуществляя тем самым с помощью ключевых схем необходимую коммутацию. Таким образом, спусковые схемы для правильного функционирования бесконтакт­ ного распределителя должны обладать релейными свой­ ствами, т. е. находиться в одном из двух возможных состояний. Это свойство называется двоичным по ана­ логии с двоичной системой счисления в математике, имеющей только две значащих цифры — «1 » и «О».

Распределители могут классифицироваться по типу используемых в них элементов, а также по схемному •построению спусковых схем.

Спусковые схемы с явно выраженными релейными свойствами могут выполняться на электронных лампах, транзисторах, туннельных диодах, магнитных и других элементах.

По схемному построению различают распределители с использованием: спусковых схем с одним и двумя устойчивыми состояниями, многофазных мультивибрато­ ров и схем с несколькими состояниями устойчивого рав­ новесия, а также матричных схем и др.

По способу управления спусковыми схемами распре­ делители делятся на шаговые, стартстопные п с непре­ рывным движением. В шаговом распределителе пере­ ключение спусковых схем из одного положения в другое совершается в результате воздействия тактовых (про­ двигающих) импульсов. Спусковые схемы таких распре­ делителей выполняются с двумя устойчивыми состояния­ ми и на матричных схемах.

Стартстопные распределители начинают работать с приходом стартового (кадрового) импульса, после поступления которого происходит поочередное переклю­ чение всех спусковых схем. Новый цикл работы распре­ делителя может повториться лишь с приходом следую­ щего стартового импульса. Спусковые схемы, используе­ мые в стартстопных распределителях, могут выполняться с одним устойчивым состоянием равновесия с пилообраз­ ным и ступенчатым напряжениями, на линиях задержки и-других элементах.

138

Распределитель' с непрерывным движением осущест­ вляет поочередное периодическое переключение всех спусковых схем. Распределители этого типа обычно вы­ полняются на многофазных мультивибраторах.

В качестве простейшего распределителя может ис­ пользоваться цепочка из последовательно включенных спусковых схем с одним устойчивым состоянием (рис. 5-4).

В качестве спусковых схем с одним устойчивым со­ стоянием применяются ждущие мультивибраторы,. фантастроны, санатроны, выполненные на электронных лам­ пах или транзисторах.

Генератор тактовых импульсов ГТИ вырабатывает периодическую последовательность импульсов, следую­ щих с частотой опроса F0. Эти импульсы запускают спусковую схему первого канала (СпСхі). По истечении

Лс

<US з а

's а

а з-

§ 1*

Р ис. 5-4. Структурная схема распределителя импульсов с после­ довательным включением спусковых схем.

некоторого интервала времени после прихода тактового импульса, определяемого постоянной времени спусковой схемы, без воздействия внешних сигналов происходит возврат спусковой схемы в исходное состояние. На вы­ ходе спусковой схемы формируется импульс, длитель­ ность которого равна интервалу времени между момен­ тами прихода тактового импульса и моментом ее возвра­ та в исходное состояние.

Этот импульс используется как канальный управляю­ щий импульс. Кроме того, он подается на дифференци­ рующую цепь ДДо­

получающимися после дифференцирования импульса­ ми, соответствующими по временному положению момен­ там спадов импульсов спусковой схемы СпСхь запуска­ ется спусковая схема второго канала СпСх2. Аналогично запускаются последующие спусковые схемы. Импульсы, формируемые на выходе каждой спусковой схемы, ис­

139