4.4. Фазовые дискриминаторы

Фазовые дискриминаторы (ФД) основаны на принципе коммутации одного сигнала другим. Выходной сигнал ФД пропорционален разности фаз двух сигналов (гармонических или прямоугольных), поданных на его входы. Применяются в основном в качестве элементов сравнения сигналов задания и отработки (поступающих с датчиков обратной связи) в фазовых системах управления. По принципу действия и элементной базе различают ФД четырех типов: электромеханические; электронные на основе управляемых выпрямителей; электронные на основе потенциального триггера и усилителей постоянного тока; электронные с запоминающей ёмкостью и с выходом в цифровом коде.

1. Электромеханические ФД

В простейшем случае ФД состоит (рис. 4.9) из высокочувствительного поляризованного реле, на которое подаётся опорное напряжение , а контакты его коммутируют цепь нагрузки с сопротивлением, на которое через контакты реле подаётся преобразуемое (рабочее) напряжение . Схема работает по принципу управляемого выпрямителя. Опорный сигнал коммутирует рабочий. Он подключает рабочее напряжение к сопротивлению нагрузки на полупериод опорного сигнала. При этом из синусоиды рабочего сигнала (рис.4.10) «вырезаются» участки длиной в полупериод опорного сигнала.

Если фазовый сдвиг (рис.4.10,а), то имеет место обычное полупериодное выпрямление. Если =180 (рис. 4.10,б), то на выходе формируется инверсный сигнал. Выходной сигнал является функцией разности фаз опорного и рабочего сигналов (рис. 4.10,в).

Среднее значение тока на сопротивлении нагрузки определяется

.

Вместо поляризованных реле используют вибропреобразователи, например, типа ВПГ-62. Частота питания преобразователя и преобразуемого сигнала, поступаемого с датчиков обратной связи следящих систем, как правило 400, 500, 1000 Гц. В настоящее время электромеханические ФД применяются редко ввиду малого срока службы (200 - 400 ч) коммутирующего элемента и возникающих помех. Большее распространение получили ФД других типов.

4.4.2. Диодные ФД

Наибольшее распространение в преобразовательных аналоговых схемах получили балансные ФД.

Рассмотрим базовую схему однополупериодного ФД (рис. 4.11,а).

В преобразовании участвуют напряжения вторичных обмоток трансформаторов: (рабочее);(опорное). Каждая из половинок этой схемы (относительно горизонтальной оси симметрии) представляет собой обычный однополупериодный управляемый выпрямитель. На каждый из этих выпрямителей, работающих в линейном режиме, подается векторная сумма переменных напряженийи. В результате этого на резисторыичерез выпрямители подаются напряженияи, представленные векторами АВ и АС (рис. 4.11,б). При этом

; ;

; .

Так как диоды пропускают ток в одном направлении, то на резисторах ,, будут импульсы напряжений ,в виде половинок 1 и 2 синусоид разных полярностей, смещённые по фазе относительно друг друга на величину угла (рис.4.12).

Постоянная составляющая ФД и спектральный состав выходного напряжения определяются путем разложения его в ряд Фурье. Постоянная составляющая будет

Как видно, постоянная составляющая пропорциональна разности амплитуд и не зависит от углов и.

Если , то

так как полагаем .

За полупериод постоянная составляющая будет

.

Для того, чтобы получить синусоидальную зависимость один из сигналов, как правило опорный, предварительно сдвигают на 90 градусов. Тогда окончательно имеем

.

В зоне малых значений углов будет

где .

Меньшие пульсации и больший (в 2 раза) уровень выходного сигнала имеет двухполупериодный балансный (рис. 4.13,а) и кольцевой ФД (рис. 4.13,б). Первый представляет собой сочетание включённых на общую нагрузку двух однополупериодных ФД, работающих поочередно в каждый полупериод.

Рассмотрим работу кольцевого ФД . В преобразовании участвуют также напряжения вторичных обмоток трансформаторов: - рабочее;

- опорное. Опорное напряжение выполняет коммутирующие функции. Путь тока нагрузки рассматриваем от опорного напряжения трансформатора. Полярность напряжений на обмотках трансформаторов соответствует первому рассматриваемому ниже случаю для первого полупериода.

Ток в цепи нагрузки течёт по цепи:

при :

в 1-й п/период (точки): a - f - g - i - k -- b, ;

во 2-й п/период (точки): c - d - e - h - k - - b, ;

при : в 1-й п/период (точки): b - - k - h - e - f - a, ;

во 2-й п/период (точки): b - - k - i - g - d - c, .

Для лучшего использования схемы необходимо выполнять условие

.

3. ФД на основе статического триггера

Эта группа основана на использовании аналоговых и дискретных элементов. Рассмотрим построение и работу типовой схемы дискриминатора. ФД (рис. 4.14,а) состоит из усилителей-ограничителей (УО), формирователей импульсов (ФИ), инвертора аналогового сигнала И1, RS-триггера и усилителя постояннго тока (УПТ). В точках B и В' формируются положительные импульсы в моменты изменения полярности напряжений , на +. При=180° (рис. 4.14,б) скважность выходных импульсов триггера составляет 0,5. Токи ,в сопротивленияхиравны, имеют одинаковую длительность и=0. При 0 скважность импульсов на выходе Т1 меняется, причем при 180°<0,5 (рис. 4.14,в), при 180° > 0,5. Это приводит к уменьшению тока в одном плече балансного УПТ и увеличению в другом.

В результате изменяются знак и амплитуда выходного напряжения. Выходная характеристика имеет вид (рис. 4.15). Линейная зона ФД составляет 180°. Для приведения характеристики к виду на У02 подают инверсный сигнал.

4.4.4. ФД с запоминающей ёмкостью

В этой группе ФД можно выделить две разновидности - на основе импульсного ключа и с двойным преобразованием фазы.

Упрощенная схема ФД на основе импульсного ключа с запоминающей ёмкостью приведена на рис. 4.16. Сущность ее работы состоит в следующем.Ёмкость С заряжается путем периодического подключения с интервалом, равным периоду рабочего сигнала Т_р на время через ключ с низким входным сопротивлением. Разряд конденсатора производится в течение остальной части периода при отключённом ключе через большое сопротивление нагрузки. Постоянная времени цепи заряда конденсатора выбирается из условия его полного заряда, т.е..

Зарядившись до полного напряжения , которое было в момент импульса, ёмкость С почти сохраняет свой заряд до появления следующего импульса, так как постоянная цепи разряда.

Если в момент очередного подключения импульсом, на заряд, то ёмкость подзаряжается до нового значения , а если , то она разрядится до значения .

Характеристика ФД на статическом триггере и УПТ (рис. 4.15) симметрична

относительно значения фазового сдвига . Для приведения ее симметрии относительно нуля градусов предварительно смещают один из сигналов на 180 градусов. Принципиальным ограничением ФД это группы является определение фазового сдвига только с отрицательным знаком, то есть когда рабочий сигнал только отстает от опорного. Это является существенным ограничением их применения в системах управления и в особенности в следящих и самонастраивающихся.

В ФД с коммутирующим ключом и запоминающей емкостью выходной сигнал не имеет идеальной формы ступенек, так как в течение времени происходит разряд конденсатора С по экспоненте на резисторе нагрузки. Параметры иС, кроме того, выбираются из условия обеспечения требуемой относительной амплитуды пульсаций

, т.к. .

Наряду с этой группой ФД используются ФД, основанные на принципе двойного преобразования фазового сдвига в уровень постоянного напряжения и сохранения его в течение периода до окончания следующего измерения. Преобразование выполняется в два этапа: 1- преобразование фазового сдвига во временной интервал; 2 - преобразование временного интервала в уровень напряжения (рис.4.17). ФД работает следующим образом.

Усилители ограничители (УО1, УО2) преобразуют синусоидальные сигналы в ступенчатые. Формирователи импульсов (ФИ1, ФИ2) формируют разнополярные импульсы в моменты изменения полярности опорного и рабочегонапряжений при переходе их через нулевые значения в соответствии со знаком производной.

Диод V1 пропускает на S-вход RS триггера только положительные импульс: тем самым устанавливая его в единичное состояние в начале каждого периода опорного сигнала. С установкой триггера T1 в единичное состояние сбрасываются ключи K1, K2. При этом ключ K2 подключает к источнику линейно-нарастающего напряжения (на схеме не показан) один из конденсаторов С1 или С2 (например С1). Другой в это время подключен ключём K4 на считывание. Ключ К1 разрешает прохождение импульса в канале наR-вход триггера. Импульс в канале рабочего напряжения устанавливает триггер в нулевое состояние. Ключ K2 отключает конденсатор от источника напряжения заряда. В результате выполнено двойное преобразование: 1) фазовый сдвиг преобразован во временной интервал; 2) временной интервал преобразован в уровень напряжения на конденсаторе -. Конденсаторы С1, С2 подключаются поочередно на заряд ключомK2 и считывание ключом K4 в момент окончания текущего преобразования сдвига фаз согласно диаграммам рис. 4.17,б, рис. 4.17,в. Ёмкость С1 работает в периоды 1, 3, 5, ..., а емкость С2 в периоды 2, 4, 6, ... . Перед подключением каждого конденсатора на заряд с него производится сброс напряжения ключом КЗ в начале очередного периода. Селектором знака фазового сдвига является полярность импульса в канале рабочего напряжения. Если фазовый сдвиг отрицательный (рис. 4.17,б), то полярность этого импульса положительна, если фазовый сдвиг положительный (рис. 4.17,в), то она отрицательна. Постоянные времени цепи разряда и заряда конденсатора выбираются аналогично предыдущей схеме. В схеме используются две ёмкости, ёмкость С2 не показана. Выходная характеристика линейна в пределах 180 град (рис. 4.17,г). Линейная зона без труда может быть увеличена до значений 2П и более.

На этом принципе преобразования фазового сдвига во временной интервал строятся и цифровые ФД. При этом временной интервал, пропорциональный фазовому сдвигу, заполняется импульсами определенной частоты, которые суммируются счетчиком. По окончании измерения код счетчика и будет кодом величины фазового сдвига, а запомненный признак полярности импульса в канале рабочего напряжения - признаком знака фазового сдвига.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. С о т с к о в Б. С. Основы расчёта и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств. М.: Энергия, 1965. 576 с.

Высш. шк., 1974. 414 с.

3. Т а е в И. С. Электрические аппараты. М.: Энергия, 1977. 272 с.

4. Т а е в И. С. Электрические аппараты автоматики и управ­ления. М.: Высш. шк., 1975. 224 с.

5. Ч у н и х и н А. А. Электрические аппараты. М.: Энергия, 1975. 648 с.

6. М и х а й л о в 0. П., С т о к о л о в В. Е. Электрические аппараты и средства автоматизации. М.: Машиностроение, 1982. 182 с.

7. К и с е л ё в В. М. Фазовые системы числового программного управления станками. М.: Машиностроение, 1976. 352 с.

8. Н о в о с ё л о в Б. В., К о б з е в А. А. Устройство для измерения и запоминания сдвига фаз двух сигналов. А.с. № 332443, бюл. № 10, 1972.

9. К о б з е в А. А. Устройство для измерения сдвига фаз двух сигналов. А.с. № 661394, бюл. № 17, 1974.