5.3. Пфк с преобразованием частоты

Одним из методов повышения точности преобразования, связанных с умень­шением погрешности дискретности и повышением разрешающей способности.

как уже отмечалось, является уве­личение отношения частоты импуль­сов ГИ к частоте входных сигналов. Наибольшее распространение в на­стоящее время получил метод гете­родинного преобразования частоты входных сигналов, который обладает достаточно высокой точностью при относительно простой практической реализации [5, 13, 17, 22, 36].

Сущность метода рассмотрим на примере простейшей функциональной схе­мы ПФК с гетеродинным преобразованием частоты (рис. 5.24) (34]. На первые входы смесителей СМ1 и СМ2 поступают сигналы вида

где—фазовый сдвиг выходного сигналаФВ относительно опорного напря­жения На вторые входы поступает сигнал с выхода гетеродина Г где —начальный фазовый сдвиг выходного напря­жения гетеродина. В происходит суммирование входных напряжений с на­пряжением Г. Поскольку у смесителей нелинейный коэффициент передаче ап­проксимируется обычно полиномом, с выхода смесителей снимаются сигналы, представляющие собой спектр комбинационных частот

Эти сигналы поступают на фильтры-ограничители ФОГ1 и Ф0Г2, где выде- ляются составляющие спектра разностной частоты Таким образом,

на выходах ФOГi получаем гармонические сигналы

где— сдвиги фазы разностной частоты в смесителях и фильтрах соот-

ветствующих сигналов преобразователя. Разность фаз выходных напряжений на входе ключа Кл при этом составит

где — дополнительный сдвиг фаз за счет неидентичности каналов ПФК.Симметричность каналов позволяет свести эту погрешность до минимума.

Преобразование разности фаз вида (5.19) известным способом в код дает на выходе двоичного счетчика значение кода, пропорциональное измеряемому перемещению 0.

ПФК с гетеродинным преобразованием частоты можно применять н в схе­мах мгновенного измерения фазы, и в схемах с постоянным временем измере­ния. Однако для получения высокой точности преобразования, как это следует из рассмотрения схемы рис. 5.24, необходимо предъявить высокие требования к стабильности частоты гетеродина [5, 17, 36, 42], что не всегда можно осу­ществить на практике. Поэтому применяют специальные методы автоматической настройки частоты гетеродина или схемы с многократным преобразованием ча­стоты измеряемых сигналов.

В частности, можно применять схемы с «переносом» входного сигнала на напряжение определенной стабильной частоты [17, 36, 41]. В таких схемах

напряжение с частотой гетеродина после ряда последовательных преобразова­ний исключается. Функциональная схема такого ПФК представлена на рис. 5.25 [41]. Входные сигналы подаются на входы смесителей СМ1

и СМ2, где суммируются с опорным напряжением гетеродина Г аналогично схеме рис. 5.24. Таким образом, на выходах СМ1 и СМ2 получаем сигналы промежуточной (разностной) частоты вида (5.18). В целях упрощения схемы фильтры на выходах смесителей не показаны. Высокочастотные импульсы квар­цевого генератора ГИ через ДЧ поступают на Ф, выделяющий из них первую гармонику напряжения

где— начальный фазовый сдвиг фильтра.

Это напряжение суммируется в СМЗ с выходным напряжением СМ2, в результате чего на выходе формируется сигнал второй промежуточной частотыопределяемый выражением

Выходной сигнал в качестве опорного поступает на вход СМ4.

Суммирование этого сигнала с сигналом первой промежуточной частоты (смеситель СМ1) позволяет получить на выходе СМ4 гармоническое напряже­ние, в котором отсутствует частота гетеродина Г:

При выполнении условия симметричности СМ2 и СМ1окончательно

имеем

Разность фаз выходных напряжений фильтра Ф и СМ4, а также импульсы с ГИ поступают на входы низкочастотного ПФК, на выходе которого полу-чаем код, пропорциональный измеряемому перемещению 9.

Таким образом, в данной схеме исключается погрешность нестабильности гетеродина н одновременно уменьшается частотная погрешность преобразова­теля за счет введения синхронизации с тактовой частотой ГИ. Кроме того, по­вышение точности рассмотренной схемы происходит за счет уменьшения по­грешностей, связанных с формированием старт- и стоп-импульсов и нестабиль­ностью временных задержек старт- и стоп-импульсов в блоке преобразования временных интервалов в ПФК.

Недостатком данной схемы, как, впрочем, в других ПФК с преобразова­нием частоты, является погрешность, связанная с фазовой нестабильностью фильтров и смесителей, т. е. наличие фазо-частотных погрешностей. Фазовую

погрешность смесителей СМ1 и СМ2, как уже говорилось, можно свести к ми­нимуму обеспечением идентичности каналов и настройки схемы. Для компенса­ции погрешностей, вносимых смесителем СМЗ и CM4, можно использовать схе­му, имеющую два аналогичных канала с первой и второй проме­жуточными частотами, с подобранными идентичными фазо-частотными харак­теристиками всех смесителей и фильтров. Но такая структура построения ПФК значительно усложняет практическую реализацию преобразователя.

Одним из методов упрощения схемы ПФК гетеродинного типа является ис­пользование в качестве квантующего сигнала самого измеряемого напряжения [36]. Функциональная схема такого ПФК приведена на рис. 5.26.

Входные сигналы подаются на входы смесителей СМ1 и СМ2

и фильтры с формирователями Ф1 и Ф2, Выходное напряжение Ф1 через схему совпадения И открывает триггер 77, а выходное напряжение Ф2, по­ступая на триггер 77, закрывает его. Следовательно, на выходе триггера 77 формируется прямоугольный импульс с длительностью, равной временному ин­тервалу между

Одновременно напряжение с выхода формирователя Ф2 подается на фазо-чувствительный элемент ФЭ, на второй вход которого подается через ДЧ с коэффициентам п напряжение с частотой опорного сигнала Выходное

напряжение устройства сравнения частот ФЭ после усиления усилителем по­стоянного тока УПТ поступает на управляемый по частоте гетеродин УГЧ. Та­ким образом, цепь управления УГЧ включает в себя делитель ДЧ, устройство ФЭ и УПТ. Схема находится в состоянии устойчивого равновесия при условии При этом значение промежуточной частоты определяется равен­ством

Достоинствами рассмотренной схемы являются ее относительная простота и высокая точность. Основное влияние на точность схемы оказывает погреш­ность дискретности. Поэтому ее целесообразно применять в тех случаях, когда частота измеряемых сигналов достаточно высока, а сам сигнал обладает высо­кой стабильностью по частоте.