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

следовательный счет импульсов, следующих с определен­ ной частотой, за интервал времени, пропорциональный текущему значению преобразуемого параметра. Обяза­ тельной составной частью этого типа преобразователей является двоичный счетчик импульсов. Различаются же они методом промежуточного преобразования входного напряжения во временной интервал.

На рис. 6-1,а приведена одна из возможных структур­ ных схем преобразователя с последовательным счетом. Тактовые импульсы UT.„ (рис. 6 -1 ,6 , 1), поступающие от синхронизирующего устройства, запускают два генерато­ ра импульсов. Один из этих генераторов генерирует им­ пульсы постоянной длительности ті = то (рис. 6 -1 ,6 , 3), а другой—переменной длительности (рис. 6 -1 ,6 , 2), от­ личающиеся от импульсов постоянной длительности на интервал времени, пропорциональный величине преобра­ зуемого сигнала:

T2=To+/Cit/c. (6-2)

Импульсы постоянной длительности поступают на за­ прещающий вход логического элемента Запрет, а им­ пульсы переменной длительности — на проходящий вход.

С выхода схемы Запрет снимается импульс тВых (рис. 6-1,6, 4) с длительностью, равной разности дли­ тельностей импульсов, поданных на входы, т. е.

Т'вых= Т2 Т1= KlUс-

Такой способ позволяет формировать выходной им­ пульс, изменяющийся по длительности от нуля до неко­ торой достаточно большой величины.

Выходные импульсы схемы Запрет подаются на один из входов логического элемента И. На другой вход это­ го каскада подводятся импульсы периодической после­ довательности от генератора импульсов счета.

Те из импульсов этого генератора, которые поступят на вход элемента И одновременно с разностным импуль­ сом, пройдут к счетчику импульсов. При достаточно вы­ сокой стабильной частоте F0.u следования счетных им­ пульсов число импульсов, прошедших через логический элемент И за время длительности разностного импульса, будет пропорционально величине преобразуемого сигна­

170

где Kz=KiFCM— коэффициент преобразования, равный числу импульсов, приходящихся на один вольт преобра­ зуемого сигнала. Прошедшие импульсы считываются двоичным счетчиком. Результат счета в виде двоичного кода (в параллельной форме) фиксируется состоянием триггерных ячеек счетчика.

Время, затраченное на преобразование данного зна­ чения аналоговой величины в код, называют циклом, а преобразователи подобного вида—циклическими. Через некоторое время после окончания счета на счетчик по­ дается импульс сброса, под действием которого триггер­ ные ячейки возвращаются в исходное (нулевое) состоя­ ние (установка «О») и цикл счета повторяется. Время цикла и интервал между циклами в сумме определяют период опроса преобразуемого сигнала. Длительность периода опроса так же, как и в аналоговых РТС, выби­ рается с учетом возможной скорости изменения анало­ говой величины н необходимой точности преобразова­ ния.

В качестве генератора импульсов переменной дли­ тельности переменного строба могут использоваться фантастроны, ждущие мультивибраторы и другие устройства, у которых длительность генерируемых импульсов может изменяться пропорционально величине входного напря­ жения. _ ^

Генераторы импульсов постоянной и переменной дли­ тельности вместе с логическим элементом Запрет состав^ ляют преобразователь напряжения входного сигнала С/ 0 в импульсы Твых, модулированные по длительности (ШИМ).

В преобразователях аналог-код последовательного счета для преобразования входного сигнала в импульсы изменяемой длительности широко используются устрой­ ства с генератором пилообразного напряжения и схемой сравнения (рис. 6-2). Преобразуемый сигнал Uc сравни­ вается с линейно изменяющимся напряжением пилооб­ разной формы и П. Тактовый импульс хронизатора пода­ ется на генератор пилообразного напряжения для его запуска. Одновременно этот импульс устанавливает триг­ гер в положение «1», элемент И открывается и обеспе­ чивает прохождение счетных импульсов к двоичному счетчику. Когда пилообразное напряжение сравнивается по. величине с преобразуемым сигналом (рис. 6-3,2), схема сравнения вырабатывает импульс, под действием

171

Рис. 6-2. Структурная схем'а преобразователя аналог-код с последо­ вательным счетом и пилообразным опорным напряжением.

которого триггер возвращается в положение «О» (рис. 6-3,4). Элемент И закрывается, и прохождение счетных импульсов к счетчику прекращается. Число счет­ ных импульсов, прошедших в счетчик, оказывается про­ порциональным текущему значению преобразуемого сиг­ нала в момент его равенства пилообразному напряже­ нию (рис. 6-3,5). Точность преобразователя с'пилообразным напряжением зависит от линейности пилообразного

Рис. 6-3. Эпюры напряжений в преобразователе ана­ лог-код с пилообразным опорным напряжением. .

172

импульсов, стабильности и чувствительности схемы срав­ нения.

В современных генераторах пилообразного, напряже­ ния нелинейность может быть достигнута порядка 0 ,0 2 %. При частоте следования счетных импульсов 1 Мгц и ста­ бильности до ІО- 6 точность преобразования аналог-код достигает 0,1%. Вместо пилообразного опорного напря­ жения в преобразователях аналог-код последовательно­ го счета часто применяется ступенчатое напряжение (рис. 6-4,а). В этом случае структурная схема преобра-

6)

Рис. 6-4. Преобразователь аналог-код со ступенчатым опорным напряжением.

а — эпюры напряжений; 6 — структурная схема.

зователя примет вид, приведенный на рис. 6-4,6. Счетчик считает число ступенек напряжения от начала преобра­ зования до момента, когда оно сравнивается по величине с преобразуемым сигналом. В таких преобразователях значительно понижаются требования к стабильности ча­ стоты следования ступенек, но при этом повышаются требования к стабильности уровней ступенек ступенча­ того напряжения.

В настоящее время в РТС е фазовой импульсной мо­ дуляцией для обеспечения записи получаемой информа­ ции на магнитную ленту широко используется преобра­ зование ФИМ в двоичный код. Преобразование времен­

173

ного интервала между опорным и измерительным им­ пульсами в цифровую форму осуществляется с исполь­ зованием преобразователей последовательного счета (рис. 6-2); В этом случае генератор пилообразного на­ пряжения и схема сравнения в преобразователе отсут­ ствуют. Опорный импульс, поступая на единичный вход триггера, устанавливает его в положение «1», а измери­ тельный импульс, поступая на нулевой вход триггера, возвращает его в исходное состояние. Счетчик считает число импульсов, прошедших в интервале от опорного импульса до измерительного.

Преобразователи сравнения и вычитания. В преоб­ разователях сравнения и вычитания производится по­ следовательное (поразрядное) сравнение преобразуемого напряжения с рядом эталонных напряжений; причем каждое из эталонных напряжений соответствует по уров­ ню одному из разрядов используемого кода. Например, при преобразовании входного сигнала в двоичный код используются ряд эталонных напряжений, образующих геометрическую убывающую прогрессию со знаменате­ лем 2 , например:

рается равным возможному наибольшему значению пре­ образуемого сигнала U c . Сравнение напряжения сигнала Uc с эталонными напряжениями производится в следую­

ветствующий единице старшего разряда (номеру уров­ ня 2 ), используемого двоичного кода с числом разря­ дов N . При Ц ~ с < Е } 2 в старший разряд выделяется сим­ вол «О».

В результате первого этапа сравнения, помимо фор­ мирования символа старшего разряда, на выходе срав­ нивающего устройства выделяется разность сравнивае­

174

Рис. 6-5. Структурная схема преобразователя сравнения и вычита­ ния с обратной связью.

поставляется с более низким эталонным напряжением — Е/4. При этом формируются символ более низкого раз­ ряда (номер уровня 2N~2) и разностное напряжение вто­ рого этапа сравнения. Последовательные поразрядные этапы сравнения производятся N раз до получения сим­ вола самого младшего разряда (разряда единиц), т. е. когда разностное напряжение на выходе схемы сравне­ ния не будет превосходить шаг квантования

AUC= UC. ^ C[2n- 1.

Преобразователи сравнения и вычитания подразделя­ ются на преобразователи без обратной связи и преобра­ зователи с обратной связью между входом и выходом. Преобразователи без обратной связи, по существу, явля­ ются разомкнутыми системами. В них сравнение и вы­ читание осуществляются покаскадно, начиная с форми­ рования старшего разряда кода. Такие преобразователи довольно сложны и обеспечивают точность преобразова­ ния около 0,4—0,8% (7— 8 разрядов двоичного кода).

В преобразователях с обратной связью преобразуе­ мый сигнал всегда сравнивается с сум,мой эталонных на­ пряжений, поступающих по цепи обратной связи. Точ­ ность преобразования в таких преобразователях дости­ гает примерно 0,025—0,1 %• На рис. 6-5 приведена струк­

175

тур Мая схема многоканального циклического Преобразо­ вателя сравнения и вычитания с обратной связью для формирования'5-разрядного двоичного кода.

Сигналы от измерительных преобразователен подают­ ся на входы электронного коммутатора. Под действием импульсов продвижения, следующих с частотой /•’прдг, на выходе коммутатора появляются канал иные измеритель­ ные импульсы, амплитуда которых Uc пропорциональна значению телеметрируемого параметра соответствующего канала. Выходные сигналы коммутатора подаются на один из входов схемы сравнения. На другой вход схемы сравнения подается эталонное напряжение Пот.

Преобразование напряжения сигнала Uc происходит следующим образом. Генератор импульсов (ГИ) выра­ батывает периодическую последовательность импульсов, следующих с частотой .Гпрді. Эти импульсы являются им­ пульсами продвижения для распределителя устройства формирования эталонного напряжения.

С пяти первых выходов импульсные сигналы исполь­ зуются для формирования значащих символов двоичного кода, а с одного-двух (и более) последних— для фор­ мирования символов синхронизации слов.

Первый импульс распределителя переводит триггер Тгі . в состояние «1», а остальные устанавливает в «О» (триггеры Тг2 , Тг3 и Тг/к устанавливаются в «О» через элементы ИЛИ). На выходе кодирующей матрицы уста­ навливается эталонное напряжение [/эті = £Ѵ2, где Е = —■Uсмаке — напряжение источника эталонного напряже­ ния. Эталонное напряжение {7ЭТі подается на схему сравнения.

При сравнении напряжений ІІС и £/эті возможны два случая, когда £/с> £/аті и Uc<Uarl.

В первом случае на выходе схемы сравнения обра­ зуетсянапряжение, которое подается на входы логиче­ ских элементов Запрет и И. Элемент Запрет при этом закроется. На вторые входы элементов Запрет и И по­ ступают задержанные импульсы задающего генератора. Время задержки равно интервалу времени с момента появления импульса на входе распределителя до момен­ та возникновения напряжения на выходе схемы сравне­ ния. Задержанный импульс генератора в этом случае на вход элемента И поступит одновременно с выходным сигналом схемы сравнения. В результате на выходе эле­ мента И выделится импульс (символ «1») старшего раз­

176

ряда (24) . Под действием этого импульса опрокидывает­ ся выходной триггер Тг. При этом на элементы Иі—Щ устройства формирования эталонного напряжения сигнал с, выходного триггера не подается. Когда появится им­ пульс на втором выходе распределителя, то он не прой­ дет через элемент Иі и не опрокинет первый управляю­ щий триггер Тгі, а эталонное напряжение Ь,эті= £/2 при этом останется подключенным к выходу кодирующей ма­ трицы.

Во втором случае, когда ПС< П ЭТі, на выходе схемы сравнения напряжение не появится. В результате задер­ жанный импульс от ГИ не пройдет на выход элемента «И» (формируется символ «О») и пройдет на выход эле­ мента Запрет. Выходным импульсом элемента Запрет триггер Тг будет приведен в исходное (нулевое) состоя­ ние, при котором с него подается напряжение на логи­ ческие элементы Иі—Ид схемы сравнения. Появившийся после этого импульс на втором выходе распределителя пройдет через элемент Иі, опрокинет триггер Тгі в со­ стояние «О» и отключит тем-самым эталонное напряже-. ние U3Ti= E/2 от выхода матрицы.

С появлением управляющего импульса на втором вы­ ходе распределителя опрокидывается триггер Тг2, под­ ключая ко входу кодирующей матрицы другой уровень эталонного напряжения Е/4. Начинается второй этап сравнения эталонного напряжения с преобразуемым сиг­ налом, в результате которого формируется символ вто­ рого, более младшего, разряда двоичного кода.

Процесс сравнения во втором этапе проходит ана­ логично первому этапу. Эталонное напряжение при вто­ ром этапе может иметь два значения: С/ЭТ2 = £ /2 +.Е/ 4 (если в первом этапе >UC>>U3ті) или U'aJ2=E/4 (если

впервом этапе UC<U3Tі).

Врезультате второго этапа сравнения на выходе пре­ образователя будет сформирован символ «1 », если на­ пряжение сигнала буд&т превышать эталонное напряже­ ние. В случае, когда эталонное напряжение превышает сигнал, выделяется символ «О» и от выхода кодирующей матрицы отключается составляющая эталонного напря­ жения El4, подключенная в начале второго этапа срав­ нения.

6 бЛ младіііёго разряда двоичного кода. После токо käk на выходах 6 и 7 распределителя выделятся импульсы для формирования символов синхронизации слова и на выходе распределителя снова появляется импульс часто­ ты /чірда, начинается новый цикл преобразования ампли­ тудного значения измерительного импульса очередного канала в двоичный код.

Число разрядов в формируемом коде (слове) выби­ рается с учетом допустимой ошибки квантования по уровню.

После преобразования сигналов всех каналов в дво­ ичные коды формируются символы кадрового синхрони­ зирующего сигнала, которые по длительности обычно равны длительности одного или нескольких слов. Для формирования кадрового синхросигнала на один из вхо­ дов коммутатора (я-й) подается напряжение, равное на­ пряжению источника эталонного напряжения Е. В этом

случае синхросигнал будет состоять из одних символов ↔ 1≈.

При таком методе преобразования АИМ сигнала, сни­ маемого с выхода электронного коммутатора, частота

а частота импульсов, поступающих на вход распредели­ теля, для обеспечения такой частоты опроса должна

быть равна:

FapAi—n(N+2)Fo. (6-5)

Преобразователь сравнения и вычитания с обратной связью обеопечивает более высокое быстродействие. Его разрешающая способность определяется в основном чув­ ствительностью схемы сравнения.

Рассмотрим некоторые возможные схемы кодирую­ щих матриц и сравнения.

Кодирующая матрица на резисторах. Кодирующая матрица обеспечивает формирование в нужной после­ довательности различных уровней эталонного напряже­ ния. Наибольшее применение находят матрицы на рези­ сторах, основанные на суммировании напряжений или токов. В кодерах чаще применяются матрицы с сумми­ рованием напряжений, а в декодерах с суммированием токов.

178

R R R

6)

Рис. 6-6. Схемы кодирующих матриц для суммирования напряжений.

а — типа R—2R-, б — весовыми значениями резисторов.

На рис. 6 - 6 приведены два типа кодирующих матриц для суммирования напряжений.

Из приведенных схем следует, что при включении ключа первого разряда (ключ 1 подключается к источ­ нику напряжения Е) на выходе матрицы будет эталон­ ное напряжение U0Tl= E/2. Если будет включен ключ 2, то эталонное напряжение составит U3T2— E/4. При вклю­ чении г-го ключа U3Ti= E/21.

В случае одновременного включения нескольких клю­ чей результирующее значение эталонного напряжения определяется соотношением

N

(6-6)

1=1

где

1 — при включении і-го ключа; О — при замыкании ключа на „корпус“.

В качестве ключей могут использоваться электрон­ ные ключи, описанные в гл. 5. Схема одного из наиболее употребительных ключей в кодирующих матрицах на резисторах приведена на рис. 6-7.

Под действием управляющего сигнала транзистор мо­ жет быть открыт или закрыт. Если транзистор закрыт, то источник напряжения Е подключается к точке а схемы