книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

импульсами. В результате этого в установившемся состоянии напря­

жение на входе УГ постоянно, и пульсации частоты выходного сиг­ нала умножителя отсутствуют.

Как будет показано ниже, умножители на основе АИС ФАП наи­

более перспективны благодаря принципиально неограниченному (при

меньшей емкости Ctl чтобы в момент запоминания напряжение на Сх не изменялось заметным образом. В качестве импульсного модулятора использован мостовой диодный ключ, запираемый в про­ межутках между импульсами с помощью цепи автоматического сме­ щения # 2С2. Сдвоенный эмиттерный повторитель на выходе цепи па­

мяти уменьшает нагрузку на нее со стороны управляемого генератора.

Рис. 11-13. Структурная схема умножителя на основе АИС ФАП

Последний представляет собой симметричный ненасыщенный мульти­

вибратор с управлением по цепи смещения. С помощью резистора Я3 подбирается необходимое значение начальной частоты генератора,

т. е. расположение рабочего диапазона умножителя на шкале частот.

Рис. 11-14. Структурная схема узкополосного умножителя

частоты

Выходные импульсы делителя частоты (Д) поступают на ТФК и импульсный модулятор через одновибратор с эмиттерным повторите­ лем, обеспечивающим необходимую последовательность работы (сна­ чала запоминание, а затем сброс ГЛИН) и формирующий импульсы управления ключом. Эти импульсы должны иметь малую длитель­ ность (в данном случае 10 мксек) по сравнению с периодом входного

сигнала и обладать достаточной мощностью при амплитуде, не мень­

шей максимального выходного напряжения ГЛИН.

Работа умножителя поясняется временной диаграммой (рис. 11-16) напряжений в различных точках цепи при включении входного

сигнала. В исходном состоянии УГ генерирует сигнал, Частота кото­

рого определяется лишь внешним смещением (устанавливается регу­

лировкой R3) и соответствует нижней границе полосы синхронизма. Импульсами обратной связи ТФК установлен в состояние, при кото­ ром ключевой триод Тг открыт и конденсатор Сг (а следовательно,

и С3) разряжен.

Первый пришедший импульс входного сигнала, поступающий на базу левого триода ТФК, ставит его в положение, при котором триод

Тх закрывается и конденсатор Сх начинает заряжаться. Первый при­

шедший после этого импульс обратной связи запускает одновибратор,

ключ импульсного модулятора открывается, и конденсатор С3 заря­ жается до напряжения на Cv По заднему фронту импульса одновиб-

Рис. 11-16. Временная диаграмма работы умножителя (в переходном процессе)

ратора ТФК возвращается в исходное состояние, и Сг быстро разря­

жается через Д г и 7\. С приходом следующего входного импульса цикл работы устройства повторяется. По прошествии определенного

числа периодов входного сигнала временной сдвиг импульсных по­

следовательностей, поступающих на ТФК, как угодно мало отличается от своего установившегося значения туст, и переходный процесс за­ канчивается.

При приведенных на рис. 11-15 значениях номиналов элементов

полоса захвата умножителя составляла 2 — 2,5 кгц, коэффициент ум­

ножения был равен 32, а переходный процесс при включении сигнала

постоянной частоты заканчивался за 10—12 периодов входного сиг­

нала.

Широкополосный умножитель. При построении частотно-цифровых измерительных устройств, работающих, например, с датчиками тахо­

метров или расходомеров, возникает необходимость в широкополосных

быстродействующих умножителях. Задача создания таких умножителей

наталкивается на ряд трудностей, так как во всех описанных ра­

нее умножителях расширение рабочей полосы сопровождается сни­ жением быстродействия. Это противоречие устраняется в предложен­

ном Э. К. Шаховым умножителе на основе АИС ФАП, в котором рас­

ширение полосы захвата до 100 достигнуто без снижения быстродейст­

вия по сравнению с описанным выше узкополосным умножителем. Идея расширения рабочего диапазона умножителя состоит в том,

что в его структурную схему (рис. 11-17, а) вводится импульсное уст­ ройство преобразования периода входного сигнала в напряжение

(П — Н). Последнее совместно с напряжением, пропорциональным

фазовой ошибке (а точнее — временному сдвигу между импульсами входного сигнала и обратной связи), подается на УГ, который в дан-

Рис. 11-17. Структурная схема (а) и временная диаграмма (б) широкополосного умножителя на основе АИС ФАП

ном случае выполняется как генератор управляемого периода. При включении входного сигнала или скачке его частоты преобразователь периода в напряжение быстро (за один период) уменьшает расстройку сравниваемых частот до величины, заведомо меньшей полосы захвата

замкнутой системы, после чего управляющее воздействие основной

замкнутой цепи доводит систему до полного синхронизма.

Можно трактовать работу умножителя и иначе, считая, что пре­ образователи периода в напряжение и напряжения в период (УГ) образуют быстродействующий, но приблизительно работающий умно­ житель частоты, а цепь обратной связи является вспомогательным устройством интегральной коррекции, доводящим коэффициент ум­ ножения до требуемого целого числа.

Работа умножителя поясняется временной диаграммой (рис. 11-17,6) Первый пришедший импульс входного сигнала запускает преобразо-

ватель периода в напряжение, генерирующий линейно изменяющееся

напряжение с крутизной S v Запоминание мгновенного значения ли­

нейно изменяющегося напряжения осуществляется в данном случае по следующему импульсу входного сигнала, поэтому, если бы в те­ чение периода не появился импульс обратной связи, цепь памяти за­

помнила бы напряжение U1 — S 17’BX. Однако, если в течение периода

приходит импульс обратной связи, он устанавливает ТФК в состояние «1», что приводит к изменению крутизны пилообразного напряжения

до величины S 2 > S x. Результатом этого является увеличение управ­

ляющего генератором напряжения на величину AU, линейно связан­ ную с временным сдвигом между импульсом сигнала обратной связи и следующим входным импульсом. Так как при включении входного

сигнала импульс обратной связи может появиться в любой момент

периода, то управляющее напряжение в конце первого периода вход­

этими значениями частота сигнала обратной связи отличается от ча­

стоты входного сигнала не более чем на величину полосы захвата замкнутой системы. Последующий процесс вхождения в синхронизм

почти'такой же, как у рассмотренного выше узкополосного умножи­

теля.

Таким образом, роль цепи интегральной коррекции сводится к вве­

дению некоторой поправки к коэффициенту преобразования преобра­ зователя периода в напряжение, пропорциональной фазовой ошибке.

Если коэффициент преобразования прямой цепи период — напряже­ ние — период не меняется при изменении входной частоты, то постоянна

и установившаяся разность фаз, а следовательно, обеспечивается по­

стоянство запаса по стабильности в смысле компенсации изменения

характеристик отдельных звеньев под действием дестабилизирующих

факторов. Постоянство фазовой ошибки означает также, что рабочая полоса ограничивается только областью возможных перестроек уп­ равляемого генератора.

раемых с помощью переключателя Пм , который одновременно изменяет

обе крутизны и S 2, и коэффициент деления делителя частоты в цепи обратной связи. Преобразователь ГЛИН-1 периода в напряжение

выполнен на основе .RC-цепи, аналогичной цепи ГЛИН узкополосного

умножителя. В качестве ключа, используемого для заряда емкости цепи памяти, применен кремниевый триод Т3 в инверсном включении. Генератор управляемого периода ГЛИН-2 отличается тем, что его

сброс производится цепью сравнения, которая состоит из кремниевого

диода Дх, усилителя Ус и триггера Шмитта ТШ\ она срабатывает, как только напряжение на конденсаторе С4 несколько превысит уп­ равляющее напряжение на конденсаторе памяти С2. (Т-образный

RC-фильтр на входе цепи сравнения предохраняет ее от срабаты­ вания под действием паразитных импульсов в момент коммутации

импульсного модулятора, постоянная времени этого фильтра выбрана весьма малой.) В момент срабатывания цепи сравнения ТШ запускает одновибратор 033, отрицательный импульс которого открывает клю­ чевой триод Г4; происходит быстрый разряд С4. Далее цикл работы ГЛИН-2 повторяется, причем период его приблизительно линейно зависит от величины управляющего напряжения. Крутизна характе­ ристики управляемого генератора определяется постоянной времени заряда # 3С4.

Устройство сравнения, как видно из приведенного описания, вы­

полнено настолько чувствительным, что в установившемся режиме

работает как нерегенеративное, что позволяет исключить недопусти­

мый в данном случае подзаряд конденсатора памяти С2. Цепь поло­

жительной обратной связи через трансформатор Тр2 нужна только

для того, чтобы процесс генерации не прекратился из-за случайного

несрабатывания устройства сравнения, например, в результате пере­

грузки резким скачком управляющего напряжения.

Цепь импульсной коррекции (обратной связи) состоит из делителя частоты Д , ТФК и управляемого им триода Т 2, изменяющего крутизну

линейно изменяющегося напряжения преобразователя периода в на­ пряжение путем замыкания части времязадающего сопротивления. Так как эмиттер триода Т 2 соединен с отрицательной шиной источника напряжения — 27 в, которое превышает напряжение питания ТФК, последний соединен с базой Т 2 через два последовательно включен­

ных стабилитрона типа Д808. В открытом состоянии левого триода

ТФК стабилитроны пробиваются и передают отпирающее напряжение

на базу триода Т 2, при закрытом левом триоде ТФК напряжение на стабилитронах меньше пробивного и потенциал базы триода Т 2 ока­

зывается равным потенциалу эмиттера: триод Т 2 закрыт.

Работа умножителя поясняется временной диаграммой напряжений

(рис. 11-19) в отдельных точках цепи (см. рис. 11-18). Пришедший импульс входного сигнала (точка А) запускает одновибратор 031.

Короткий выходной импульс со вторичной обмотки трансформатора

Трг, включенного в цепь эмиттерного повторителя ЭП (кривая В), поступает на базу триода Т3 и открывает его. Конденсатор памяти С2 заряжается (или разряжается) до величины напряжения на Сг и хра­

нит это напряжение до прихода следующего импульса входного сиг­

нала (ступенчатая прерывистая линия Ж).

По заднему фронту импульса одновибратора Odl запускается од­ новибратор 032 (кривая Г), который через ключевой триод Т г разря­ жает Сг. По окончании импульса одновибратора 032 конденсатор Сг снова начинает заряжаться (кривая £). При этом до прихода выход­ ного импульса делителя Д (точка Б и кривая Б) постоянная времени определяется двумя последовательно включенными резисторами, сое­

диняющими Сг с отрицательной шиной источника — 27 в, так как

триод Т 2 закрыт. Пришедший выходной импульс делителя опрокиды­

вает ТФК (кривая Д), триод Т 2 открывается и шунтирует одно из

сопротивлений цепи RC. Результатом этого является увеличение на­

клона пилообразного напряжения преобразователя периода в напря­

жение. С приходом следующего импульса входного сигнала цикл ра­

боты устройства повторяется. Работа преобразователя напряжения

в период (кривые 3, И, К) была подробно описана выше.

Рис. 11-19. Временная диаграмма работы широко­ полосного умножителя частоты

На рис. 11-19 показан переходный режим, в котором напряжение на конденсаторе памяти (кривая Ж) имеет вид ступенчатой функции; в установившемся режиме при постоянной входной частоте это напря­

жение постоянно.

Умножитель по схеме рис. 11-18 имеет диапазон (относительную полосу захвата) D3 = 100, длительность переходного процесса при

скачке частоты входного сигнала практически составляет 10 — 12

периодов входного сигнала.

11-4. Анализ свойств умножителей на основе А И С Ф А П

Задача анализа умножителей состоит в определении возможных значений параметров цепей, обеспечивающих устойчивую работу,

оценке их влияния на динамические свойства, полосы синхронизма

и захвата, в нахождении максимального значения коэффициента ум­ ножения и, наконец, в разработке методики инженерного расчета ум­ ножителей.

Анализ умножителей как импульсных систем может быть прове­

ден методом дискретного преобразования Лапласа и методом уравне­ ний в конечных разностях. Ниже предпочтение отдано второму ме­

тоду из-за его наглядности в случае использования систем невысокого

порядка. Устойчивость исследуется с помощью линеаризованных урав­

нений [269]; полоса захвата, полоса синхронизма и характер пере­ ходного процесса при ключении на вход умножителя сигнала постоян­

ной частоты определяются решением нелинейных уравнений методами

численного анализа [261].

Рабочая полоса умножителей ограничивается следующими тремя

условиями:

1) условием отсутствия ложных настроек на гармоники или суб­ гармоники входного сигнала, возможность которых объясняется яв­ лением стробоскопического эффекта: любое возможное значение уп­ равляющего напряжения в установившемся режиме может получаться не только при равенстве сравниваемых частот (что соответствует пра­

вильной настройке), но и при их кратных отношениях;

2)условием асимптотической устойчивости «в малом», относящимся

крежиму динамического равновесия в замкнутой системе, при кото­ ром любое достаточно малое отклонение от положения равновесия с те­ чением времени стремится к нулю. В зависимости от вида характери­

стик УГ, ФК и значений параметров инерционных звеньев системы

это условие может уменьшить рабочую полосу до значений, меньших

чем это определяется первым условием;

3)условием устойчивости «в большом», т. е. при больших отклоне­

ниях от равновесия, что может уменьшить рабочую полосу, опреде­

ляемую вторым условием.

Важным вопросом является выбор переменных, относительно ко­ торых составляются исходные уравнения умножителей. Практика

показала, что уравнения целесообразно составлять для величины вре­

менного сдвига %(п) между входными импульсами и импульсами сиг­ нала обратной связи в функции от номера п периода последнего.

Узкополосный умножитель с генератором управляемой частоты.

Чтобы дать представление о методике составления уравнений умно­

жителей и способе анализа их свойств, рассмотрим узкополосный ум­

ножитель, структурная и принципиальная схема которого были при­

ведены соответственно на рис. 11-14 и 11-15. Примем ряд допущений:

а) длительности импульсов В, В, Г (рис. 11-16), а также обратного

хода пилообразного напряжения Е пренебрежимо малы по сравнению

с периодом входного сигнала (рис. 11-20);