книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

тальным путем, так и из расчетов, выполненных на ЭЦВМ. Расчеты производились по рекуррентному соотношению

Сравнение различных типов умножителей частоты затрудняется

тем, что эффективность умножителя зависит от комплекса его пара­

метров — коэффициента умножения, диапазона частот, быстродей­

ствия, чрезвычайно разнообразных для различных типов умножителей и находящихся в сложной взаимозависимости для каждого типа умно­

жителя. В этой связи представляется целесообразным применить для сравнения умножителей некоторую совокупную оценку, в качестве

которой можно принять введенную в работе [28] обобщенную метро­

логическую характеристику измерительного прибора, названную ин­ формационной способностью. Для прибора с чисто аддитивной погреш­

ностью отнесенная к единице времени информационная способность

согласно [28] определяется выражением

где у.л— относительная величина аддитивной погрешности; D — диа­

пазон прибора, равный отношению максимального значения измеряе­ мой величины к минимальному; — суммарное время измерения,

отсчитываемое от момента включения на вход прибора измеряемой

величины до момента установления показания с точностью до вели­

чины уа.

Если взять некоторый частотно-измерительный прибор (один и

тот же для всех умножителей) и, приписывая ему те новые характери­

стики, которые он приобретает при включении на его вход различных умножителей, вычислить согласно (11-26) значения Nnp, то получен­ ные таким образом совокупные оценки и будут, очевидно, характе­

где Чп — время, затрачиваемое в умножителе на переходный процесс при включении входного сигнала, заканчивающийся с заданной точ­

ностью; Мэфф — эффективный коэффициент умножения; t'n — время,

затрачиваемое на измерение с той же точностью в отсутствие умножи­

TBX uaKC — максимальный период входного сигнала, соответствующий

нижней граничной частоте рабочего диапазона умножителя).

Таким образом, общее время измерения прибора с включенным на входе умножителем

(11-28)

:(П" + -Г?(£>-1)Л*эфф)

гДе Пп = У г вх.ыакс — число периодов Тех макс, соответствующих времени переходного процесса.

Подстановка (11-28) в (11-26) дает выражение для приведенной

информационной способности прибора с включенным на его входе умножителем. Однако такая оценка не будет инвариантной для умно­

жителей, рабочий диапазон которых расположен на различных участ­ ках шкалы частот, так как в выражение будет входить величина пе­

лей показывает, что наиболее эффективными являются умножители

на основе АИС ФАП с пилообразной характеристикой фазового ком­

Nдр = 40, в то время как, например,’ у умножителя прямого преобра­

зования с выпрямлением треугольного напряжения (см. § 11-2) инфор­

мационная способность не превышает Nnp — 6. Анализ показывает также, что эффективность широкополосного умножителя резко сни­ жается при использовании его в узком диапазоне. Из этого вытекает

весьма важный вывод о том, что при разработке умножителей не сле­

дует идти по пути создания только широкополосных умножителей, пригодных для работы с любыми датчиками, так как узкополосные

умножители, построенные специально для группы датчиков с малым

рабочим диапазоном, могут оказаться более простыми.

11-5. Выбор предельного коэффициента умножения и инженерный расчет умножителей с обратной связью

Как следует из проведенного выше анализа, динамические свой­ ства умножителей с обратной связью не зависят от коэффициента умно­

жения. В связи с этим представляет интерес выяснить вопрос о целе­

сообразном пределе увеличения коэффициента умножения исходя

из условий работы системы измерения в динамике и статике.

Для снижения динамической погрешности цифрового частотомера Кд ч = 2*/® (см. § 9-1) целесообразно увеличивать коэффициент

умножения и соответственно уменьшать измерительный интервал до тех пор, пока уд ч не станет меньше собственной динамической

погрешности умножителя уд . Приняв уд ч = 0,2уд у, из выражения

для уд ч, получим требуемое значение измерительного интервала:

Соответствующее значение коэффициента умножения найдем из со­ отношения М = t'Jtu. Здесь t'n= l/ty/д MIIK(D — 1)] — величина из­

мерительного интервала, обеспечивающая

непосредственное измерение (без умноже­

ния) частоты датчика /д с той же приведен­ ной статической погрешностью yf. Подстав­

ляя *и и fK в выражение для М, получим

целесообразное с точки зрения динамики

значение:

ходной частоты умножителя вследствие неидеальности фиксирующего

элемента. Обычно постоянная времени разряда трконденсатора памяти С

(см. рис. 11-15) много больше периода Т входного сигнала, поэтому

закон изменения частоты в пределах интервала регулирования при­

нят линейным. Как нетрудно видеть из рис. 11-29, при некратном величине Т измерительном интервале появляется погрешность изме­ рения умноженной частоты от пульсации, предельное значение кото­

рой Ÿn макс = т л (численно определяется отношением площадей,

покрытых двойной и простой штриховкой). Учитывая, что при задан­

ной приведенной статической погрешности yf отношение T/yftu равно коэффициенту умножения, из последнего выражения получим целе­

сообразное с точки зрения статики значение

Для обеспечения заданной погрешности yf отношение уп MaKC/?f не­

обходимо выбирать в пределах 0,1—0,2. При проектировании умно­

жителя, исходя из величины коэффициента умножения, выбранного

в соответствии с (11-31), следует проверить техническую реализуемость

постоянной времени, найденной из (11-32).

Основные рекомендации по методике инженерного расчета умно­ жителей. Исходными данными являются коэффициент умножения М 7 относительная величина рабочего диапазона датчика D и расположе­ ние его по шкале частот, заданное, например, нижним граничным значением частоты датчика. Независимо от величины D при проекти­ ровании умножителя следует стремиться к реализации максимума полосы захвата, так как это увеличивает запас по стабильности цепи. В связи с этим значение начальной частоты выходных колебаний управляемого генератора должно удовлетворять определенным соот­

ношениям. Ниже дается инженерный расчет умножителей, принци­ пиальные схемы которых приведены на рис. 11-15 и 11-18.

В цепи рис. 11-15 величина емкостей управляемого генератора рас­

считывается (подбирается) исходя из условия получения собственной

частоты колебаний (когда R5 закорочено), равной /вх минМ при сред­

нем положении движка резистора /?3. Если D < 2, то значение на­ чальной частоты f0 гуч должно удовлетворять условию:

которое соответствует размещению рабочего диапазона датчика сим­ метрично относительно середины рабочего диапазона умножителя.

Далее экспериментально определяется диапазон изменения управ­

ляющего напряжения 0 — £/макс на выходе эмиттерного повторителя, соответствующий изменению частоты выходного сигнала ГУЧ в пре­

делах полосы синхронизма fory4 -s- ~ 2 / 0ГУЧ.

Величина емкости памяти С3 выбирается из условия получения

Величина емкости С1г как указывалось выше, должна быть в 10—

ности характеристики ГЛИН напряжение питания Е его принимается

равным 2£/макс//Сэ п, где К 3 п — коэффициент передачи эмиттерного повторителя. Его значение выбирается в соответствии с напряжением

а следовательно, и наибольшую возможную полосу захвата. Пара­

метры времязадающей цепи одновибратора рассчитываются из усло­ вий получения длительности коммутирующего импульса, в 50—100 раз

Ориентировочное значение длительности импульса одновибра­

Величина постоянной времени /?3С4 цепи управляемого генератора

периода составляет

У С MINI V М /ВХ . макс /

W и сш>н = ° - 2 - °>5 б-

Длительность импульсов одновибраторов Од 1 и Од 2 определяется

из соотношений

Расчеты по рекуррентному соотношению (1-25) показывают, что

минимальная длительность переходного процесса в умножителе до­

Умножитель был разработан для системы измерения скорости вращения с индукционными датчиками, частота выходного сигнала которых лежит в диапазоне 20—2000 гц, и перекрывал этот диапазон без перестройки.

ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ

ЧАСТОТНО-ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

12-1. Приборы для измерения медленно меняющихся величин

Ввиду большого разнообразия измеряемых величин и предъявляе­

мых к приборам требований не представляется возможным в настоя­

щее время дать общую методику проектирования частотно-цифровых приборов. Учитывая, что их основные узлы описаны в гл. 10, здесь

на конкретных примерах будут рассмотрены взаимосвязи этих узлов, а также описаны устройства, не рассмотренные ранее, такие, как ком­ мутаторы, ключи и т. д.

В данном параграфе дается описание двух многоканальных при­ боров, предназначенных для измерения медленно меняющихся вели­ чин (разработаны В. С. Гутниковым, Л. И. Любимовым и В. И. Юлда­

шевым под руководством П. В. Новицкого).

Десятиканальный телетермометр. Прибор в комплекте с десятью

преобразователями сопротивления в частоту обеспечивает измерение

температуры в десяти точках с помощью стандартных проволочных

термометров сопротивления. Каждый из преобразователей сопротив­ ления в частоту (Li?-генератор с автоподстройкой сопротивления в из­

бирательной цепи — см. § 3-4, рис. 3-21) устанавливается в непосред­ ственной близости от объекта измерения и соединяется с частотно-

цифровым прибором двухпроводной линией. По этой линии поступает на прибор частота с выхода преобразователя, а с прибора на преобра­ зователь подается напряжение питания.

Структурная схема прибора показана на рис. 12-1. Она содержит

коммутатор каналов (К0—Ко, «ИЛИ»!, У70—770, Дек 4, дешифратор),

счетчик с формирователем Ф и устройством индикации, блок образ­ цовой частоты (КГ и Дек 1—Дек 3) и блок управления (мультивибра­

тор М , триггеры Т ъ Т 2, ключи К ц , К 12> формирователь импульсов сброса ФИС).

Цепь связи датчиков с прибором. Схема цепи, позволяющей весьма

просто осуществить передачу по одной линии частоты от датчика и напряжения питания на датчик (предложена В. Г. Кноррингом), показана на рис. 12-2. Она включает в себя стабилизатор напряжения

жение питания частотного датчика, а пульсации потребляемого тока передаются по линии связи и обра­

зуют переменную составляющую падения напряжения на сопротивле­ нии /?!, Эта переменная составляющая через конденсатор Сг посту­ пает на коммутатор и затем на формирователь частотомера.

Стабилизатор вместе с относящимися к нему элементами может

быть размещен не в частотном датчике, как это показано на рис. 12-2,

а в приборе. В этом случае в линии будут практически отсутствовать пульсации напряжения, в то же время падение напряжения на кол­

лекторном сопротивлении транзистора будет пульсировать с часто­

той, равной выходной частоте датчика.

Коммутатор состоит из декады, на вход которой через ключ К 10 и цепь «ИЛИ»2 поступает частота 100 гц, дешифратора, с выходов кото­ рого управляются ключи Ко—Ко, цепи «ИЛИ»! на 10 входов и десяти механических переключателей (тумблеров) П0—П9 (см. рис. 12-1). Работа коммутатора происходит следующим образом. Напряжение на одном из десяти выходов дешифратора держит открытым один из ключей Ко—Ко, пропускающих импульсы на вход формирова­

теля Ф. Это же напряжение через соответствующий переключатель

из числа У70—П9 держит закрытым ключ /С10. Приходящий с мульти­

вибратора М импульс переводит декаду Дек 4 в следующее состояние,

в результате чего на вход формирователя начинает подаваться частота

со следующего датчика.

Однако коммутатор останется в этом новом состоянии только при условии, что замкнут соответствующий механический переключатель. Если переключатель не замкнут, то ключ К хо окажется открытым и

импульсы частотой 100 гц будут поступать на вход декады до тех пор, пока она не придет в состояние, соответствующее очередному замкну­

тому переключателю из числа П0—Пь. Таким образом, обеспечивается периодический опрос только тех каналов, которые заданы включением

соответствующих переключателей. Прибор может последовательно

производить измерения по всем десяти каналам (замкнуты все пере­

ключатели # 0—Я 9) или быть включенным на измерения только по од­ ному или нескольким каналам (замкнут один или несколько переклю­

чателей).

Р и с . 12-3. Принципиальная схема к л ю ч ей коммутатора

Принципиальная схема ключей коммутатора Ко—Ко показана на рис. 12-3. Элементы R lf Сх на рис. 12-3 те же, что и на рис. 12-2.

Ключи Ко—Ко и цепь «ИЛИ» образованы диодами Д 1% сопротивле­ ниями R3 и делителем —R5.

Работа прибора в целом (см. рис. 12-1) происходит следующим образом. По сигналу с мультивибратора М опрокидывается триг­ гер Тх и открывает ключ К 12• Одновременно с мультивибратора по­ ступает импульс на переключение коммутатора, а также на сброс счетчика на нуль (через усилитель ФИС). Импульсы частотой 100 гц, получаемые в результате деления частоты кварцевого генератора К Г, поступают на декаду ДекЗ. Первый импульс с ее выхода появится через 0,1 сек после открывания ключа К Х2• За это время счетчик уста­

новится на нуль, а коммутатор подключит очередной заданный канал.

Импульс с выхода Дек 3 опрокидывает триггер Т 2, открывает ключ K XXf

и начинается заполнение счетчика. Второй импульс с выхода этой декады через 0,1 сек закроет ключ К хх и одновременно импульсом

с триггера Т2 триггер Т х устанавливается в состояние, соответствую­

щее закрытому ключу К 12. Измерение закончено, начинается инди­

кация.

Длительность времени индикации определяется периодом колеба­

ний мультивибратора М и может регулироваться в пределах 1—10 сек.

Когда с мультивибратора придет следующий импульс, индикация

показаний данного канала закончится и начнется измерение по но­ вому каналу и т. д.

цифропечатающей машиной ЭУМ-46.

Структурная схема прибора показана на рис, 12-4. Она включает

в себя входной коммутатор Км, счетчик показаний Сч 1, генератор

образцовой частоты ГОЧ и счетчик времени, а также другие узлы, назначение и взаимодействие которых будет пояснено ниже.

Устройство индикации, содержащее дешифраторы и цифровое

табло, подключено к Сч L Однако нажатием кнопки на передней панели прибора оно может быть присоединено также к счетчику вре­

мени для контроля его состояния (индицируется время в часах и ми­

нутах).

Входной коммутатор управляется Сч 2 емкостью 8 единиц через дешифратор Дш L Для вывода данных на цифропечатающую машину

в приборе содержится коммутатор печати (логическая цепь, состоя­ щая из элементов «И»—«ИЛИ»), управляемый через дешифратор Дш 2 счетчиком СчЗ (емкостью 14 единиц). Для подачи напряжения на соленоиды различных знаков машины служит релейно-диодный де­

шифратор, включающий в себя реле Р г — Р5. Напряжение на дви­ гатель машины ЭУМ-46 подается через контакты реле P G.

Цепь управления работой прибора включает в себя триггеры 7 \—Т4, ключи К х—Кь цепи «ИЛИ»!—«ИЛИ»3, мультивибратор М , одновибратор Од цепь совпадения ЦС, формирователи импульсов

сброса ФИСг и ФИС2.

Измерение по всем восьми каналам осуществляется непрерывно цикл за циклом (время цикла зависит от длительности измерительного интервала и периода колебаний мультивибратора М) с индикацией всех 5 разрядов результата измерения, а печать включается автома­ тически через заданные интервалы времени, которые могут устанавли­ ваться равными 10 мин, 20 мин, 30 мин, 1 ч, 2 ч, или в любой момент времени с помощью специальной кнопки.

Работа прибора в режиме без цифропечати происходит следующим

образом.

В исходном состоянии триггеров Т г и Т 2 ключи К г и К 2 закрыты.

Мультивибратор М запускает одновибратор Од, от переднего фронта

сигнала одновибратора формируется импульс сброса на нуль всех декад Сч 1. От заднего фронта сигнала одновибратора формируется

импульс, поступающий на Сч 2 переключателя каналов. Последний подсоединяет на вход измерительного устройства очередной канал.

Тот же импульс устанавливает триггер Т 2 в состояние, при котором разрешается прохождение через ключ К 2 импульсов с выхода пере­ ключателя /72. Одновременно отрицательный потенциал коллектора

правого триода триггера Т 2 блокирует мультивибратор М на время