7.1. Коммутационные пфк

Дальнейшее повышение точности и быстродействия, расширение диапазона измеряемых перемещений в ПФК приводят к необходимости использования раз­личных комбинаций известных способов преобразования фазы в код, т. е. так называемых комбинированных методов построения ПФК. Рассмотрим основные структуры построения преобразователей фаза — код этого типа.

Коммутационные ПФК, или, иначе, ПФК двойного преобразования фазы, применяются, как правило, для исключения погрешностей, связанных с неиден­тичностью измерительного н опорного каналов преобразователей. Эти погрешно­сти могут достигать достаточно больших значений. Существуют две основные группы ПФК с использованием, коммутации каналов [13, 17, 36, 37, 43].

Преобразователи фаза — код первой группы основаны на определении не-ядентичностн каналов измерения за счет периодической подачи одного из вход ных сигналов на входы обоих каналов. При этом в процессе измерения учтенная неидентичность автоматически вычитается. На рис. 7.1 приведена упрощенная

функциональная схема одного из вариантов построения ПФК этой группы [42].

Опорное и сигнальное напряжения через коммутатор КР поочеред­но подаются на формирователь Ф2 измерительного канала. На формирователь Ф1 опорного канала' напрямую постоянно подается напряжение Таким

образом, в первый полупериод коммутации на входы формирователей Ф1 и Ф2 (опорного и измерительного каналов) поступают два разных напряжениян а во второй полулериод коммутации — только одно опорное напряжение Следовательно, в первый полупериод на выходе триггера Т образуются «временные ворота», длительность которых пропорциональна измеряемому фа­зовому сдвигу между {аналогично тому, как это производится в схе­мах ПФК времяимпульсного преобразования, например, в схеме рис. 5.1). Во второй полупериод коммутации, когда на оба канала поступает только одно опорное напряжение, на выходе триггера Т также образуются «временные воро­та», длительность которых зависит в основном от неидентичности фазовых харак­теристик опорного и измерительного каналов.

Выходные сигналы триггера Г, проходя через Кл, заполняются высокочас­тотными импульсами с генератора ГИ, а образованные таким путем пачки импульсов счнтываются реверсивным счетчиком PC. При этом в первом полупе­риоде коммутации счетчик PC работает на сложение, а во втором — на вычи­тание. Таким образом, в данной схеме автоматически исключается погрешность, связанная с неидентичностью характеристик каналов измерения. Реверсирование счетчика PC осуществляется с помощью блока управления БУ синхронно с пе­реключениями коммутатора КР. Частота переключений КР выбирается исходя из необходимой длительности цикла измерения, которая определяется периодом коммутации и равна ему. Принцип построения рассмотренной схемы использует­ся в серийно выпускаемом нашей промышленностью фазометре Ф2-4.

В преобразователях фаза — код коммутационного типа, относящихся ко вто­рой группе, каждое измерение фазового сдвига между производится 2 раза: при прямом подключении каналов ПФК к опорному и измерительному сигналам н при перекрестном подключении этих каналов. При этом происходит автоматическая компенсация погрешности неидентичностн каналов измерения за счет того, что фазовый сдвиг определяется как полусумма двух значений фазо­вых сдвигов при прямом и перекрестном подключениях каналов [13, 17, 36, 37, 43]. Упрощенная функциональная схема такого ПФК представлена на рис. 7.2 [13].

Опорноеи сигнальноенапряжения с выходаФВ (не показанного на рисунхе) в первый полупериод коммутации через коммутатор КР1 по­ступают соответственно на формирователи Ф1 и Ф2 (опорного и измери­тельного каналов ПФК). Этот полупериод коммутации соответствует режиму прямого измерения. При втором полупериоде коммутации (режим перекрестного измерения) опорное и сигнальное напряжения меняются местами. Другими сло­вами, коммутатор в это время подключает к измерительному каналу, а—к опорному каналу ПФК. Таким образом, в каждом цикле измерениядважды происходит переключение входных сигналов ПФК с прямого на пере­крестное н обратно, т. е. старт- и стоп-импульсы с выходов Ф1 и Ф2 дважды меняются местами. Второй коммутатор КР2 служит для подключения ко входу ключа Кл соответственно прямого выхода триггера Т при прямом измерения в инверсного выхода при перекрестном. При этом второй вход ключа Кл соединен с выходом генератора ГИ. Блок управления БУ осуществляет синхронизации

и управление работой коммутаторовВыходной код счетчика С, определяе-

мый полусуммой фазовых сдвигов прямого и перекрестного измерений, как сле­дует из описанного принципа действия схемы, пропорционален измеряемому пе­ремещению

К недостаткам схемы ряс. 7.2 следует отнести погрешность, возникающую при измерении фазы, близкой к а также погрешность от нестабильности ча­стоты входных сигналов

Существует ряд способов уменьшения этих погрешностей. О некоторых из них уже говорилось в предыдущих главах, и их можно использовать в схемах коммутационных ПФК. Рассмотрим еще несколько методов. В частности, для расширения диапазона измерения в ряде случаев используют так называемые двухполупериодные ПФК.

Большинство рассмотренных ранее схем являются, как следует из принципов их действия, однополупериодными. Действительно, в приведенных схемах, как правило, измеряется относительная длительность временного сдвига между нача­лами положительных нили отрицательных полуволн измеряемых напряжения. В двухполупериодных ПФК измеряется относительная длительность временных сдвигов между переходами через нуль и положительных и отрицательных полу­волн. При этом ПФК указанного типа обладают повышенной точностью в связи с уменьшением погрешности дискретности и частотной погрешности, уменьше­нием зависимости от амплитуды входных сигналов, а также от параметров основных элементов схемы (компараторов, формирователей и т. д.) [5, 13, 36, 42, 43].

Рассмотрим один из вариантов построения двухполупериодного ПФК на примере схемы, представленной на рис. 7.3 [а. с. 211655 (СССР)].

Опорноеи сигнальноенапряжения поступают на вход формировате­ля Ф, с выходов которого снимаются прямоугольные импульсы с длительностью, равной временному сдвигу между началами положительных полуволн, и импуль­сы с длительностью, соответствующей интервалу между началами отрицательных полуволн входных сигналов ПФК. Эти импульсы подаются соответственно на первые входы элементов И2 л ИЗ. Импульсы с выхода генератора ГИ через элемент И1, находящийся в открытом состоянии только во время измерения, поступают на триггер Tt. Делитель частоты ДЧ я триггер Т2 совместно с эле­ментом И1 ограничивают время измерения подобно тому, как это происходит в схемах ПФК с постоянный временем измерения (например, схема рис. 5.9). Продифференцированные посредством дифференцирующих цепочек ДЦ1 остро­конечные импульсы, сдвинутые относительно друг друга на я по фазе, с часто­той следования, равнойпоступают на вторые входы элементов И2 и ИЗ. С выхода элемента ИЛИ пачки импульсов, прошедших через И2 и ИЗ, считы-

ваются двоичным счетчиком ДС. В моменты времени, когда открыты оба эле­мента И2 а ИЗ, на счетчик поступают импульсы с частотой следования, удвоенной по сравнению с импульсами, поступающими в моменты, когда откры­та одна из схем — И2 или ИЗ.

Такая структура построения схемы ПФК дает возможность суммировать в счетчике ДС результаты измерения фазового сдвига за два полупериода не­зависимо от значения измеряемого перемещения 0. Отсюда следует, что данная схема ПФК, обладая всеми достоинствами двухполупериодного ПФК, перечис­ленными ранее, имеет такой же диапазон измеряемых перемещений, как и одно-полупериодные схемы.

Для уменьшения частотной погрешности, как известно, можно использовать методы автоподстройки частот входных сигналов и частоты генератора ГИ, вво­дить жесткую синхронизацию этих частот, применять схемы с гетеродинным пре­образованием частот ит.д. Кроме того, иногда применяют для уменьшения ча­стотной погрешности и погрешности измерения фазовых сдвигов, близких кметод калиброванного отсчета [17]. Функциональная схема ПФК с введением калиброванного отсчета представлена на рис. 7.4.

Опорное и сигнальноенапряжения поступают на формирователи

Ф1 и Ф2, которые образуют старт- и стоп-импульсы. Импульсы генератора ГИ непрерывно считываются счетчиком периода С/. С приходом каждого старт-импульса код счетчика С/ посредством блока элементов И1 (БИ1) переписы­вается в регистр двоичного умножителя ДУ. После этого сигналом с выхода линии задержки ЛЗ счетчик С/ устанавливается в состояние 0. В умножителе ДУ происходит умножение частотыгенератораГИ на код периода опорного напряжения

При этом частотана выходеДУ определяется как

где— емкость счетчика умножителяДУ. С приходом команды Пуск счетчик точного отсчета С2 и триггер Т устанавливаются в 0. Установку в 0 реверсив­ного счетчика PC производит первый старт-импульс после команды Пуск.

В зависимости от режима работы измерителя временных интервалов ИВИ (построенного по любой известной схеме) на его выходе формируются одна или несколько пачек импульсов, которые через элемент ИЛИ подаются одновремен­но на входы блока синхронизации БС и счетчика С2, При этом частота импуль­сов в пачке определяется частотой При одновременном приходе на вход

БС сигналов с выходов ИВИ и ДУ на выходе блока ВС импульсы отсутствуют. Когда на вход блока БС преходит только один сигнал с ИВИ или с ДУ, а дру­гой отсутствует, на выходе блока БС появляется импульс, поступающий на реверсивный счетчик PC. При этом выходной импульс БС при отсутствии сигна­ла с ИВИ поступает на вход сложения счетчика PC, а при отсутствии сигнала с ДУ —на вход вычитания. Следовательно, момент окончания пачки импульсов, поступающих с измерителя ИВИ при отсутствии сигнала с ДУ на вычитающий вход счетчика PC, соответствует формированию стоп-импульса (так как частота

больше частоты При этом сигнал со второго выхода ИВИ устанавливает триггер Т в состояние I, открывается элемент И2 и импульсы с генератора ГИ считываются счетчиком С2.

При отсутствии сигнала с измерителя ИВИ на вход сложения счетчика PC поступают импульсы с частотой В момент установления PC в нулевое

состояние на его выходе образуется импульс, переводящий триггер Г в состоя­ние 0, элемент И2 закрывается и цикл измерения заканчивается. Временной интервал между старт-импульсом и нулевым значением PC равен

где —число импульсов в пачке, соответствующее временному интервалу между старт- и стоп-импульсами.

Значение кода на выходе счетчика С2 в конце цикла измерения определяет­ся выражением

Таким образом, на выходе счетчика С2 формируется код, пропорциональ­ный измеряемому перемещению 9, а частотная погрешность автоматически ком­пенсируется. Описанный принцип действия схемы рис. 7.4 определяет работу ПФК мгновенного измерения фазового сдвига. Очевидно, что довольно просто из такой схемы сделать ПФК интегрирующего типа. В случае использования в рассмотренной схеме интегрирующего ИВИ стар-импульс следующего времен­ного интервала установит счетчик PC в состояние 0 и цикл измерения будет повторяться. При этом в счетчик С2 будет записываться код каждого следую­щего мгновенного значения фазового сдвига и в конце измерений на выходе счетчика С2 будет сформирован в итоге код среднего за время измерения зна­чения сдвига фаз. Недостатком рассмотренной схемы ПФК с введением калиб­рованного отсчета является определенная сложность схемы, вызванная введе­нием ряда дополнительных элементов.

Некоторым упрощением при практической реализации коммутационных ПФК с двойным измерением фазового сдвига является использование способа по­строения ПФК с одним каналом преобразования и коммутацией на этот канал входных сигналов [17, 43]. Один из вариантов построения функциональной схе­мы такого ПФК приведен на рис. 7.5 [43].

Опорное и сигнальное напряжения поочередно подаются на форми­рователь Ф старт- и стоп-импульсов через коммутатор КР. Очередность подклю­чения к Ф входных сигналов определяется состоянием триггера Т2. При наличия разрешающего потенциала на выходе триггера 77 старт- или стол-импульсы проходят через элемент И/, переключая своим фронтом триггер Т2 я

устанавливая одновременно своим срезом триггер Т1 и счетчик С в состояние 0. Счетчик С после каждого переключения триггера Т2 формирует временной интер­вал, в течение которого прохождение старт и стоп-импульсов через элемент И1 запрещается. Этот временной интервал выбирается из условия окончания переход­ных процессов при переключении сигналовк формирователю Ф и за-канчивается с приходом импульса с выхода одного из разрядов счетчика С, который устанавливает триггер 77 в единичное состояние.

При этом в случае переключения Т2 старт-импульсом имлульс дифференци­рующей цепи ДЦ2 через элементы И2 и ИЛИ разрешает переписать значение обратного кода счетчика С в регистр Р. В случае переключения Т2 стоп-вмпуль-сом импульс цепи ДЦ1 разрешает переписать в регистр Р значение прямого кода счетчика С. Таким образом, в регистре Р фиксируется мгновенное значе­ние разности фаз сигналовв прямом коде после каждого измерения. Как уже отмечалось, временной интервал между моментом подключения каналов и командой на разрешение прохождения старт- и стоп-импульсов через форми­рователь Ф на управляющий триггер Т2 зависит в данной схеме от времена переходных процессов и взаимного расположения старт- и стоп-импульсов. Если время переходных процессов меньше периода входных сигналов Г, время двух измерений сдвига фаз может быть равно 27" и даже сведено до одного Т [17].

В заключение необходимо подчеркнуть, Что общим недостатком ПФК с двой­ным измерением сдвига фазы является низкое быстродействие, зависящее от переходных процессов при коммутации. При этом основным достоинством ПФК рассматриваемого типа является существенное повышение их точности.