9.3. Преобразователь на основе генератора гармонических сигналов

9.3.1. Особенности построения

Для преобразования сигналов СКВТ в цифровой код сигналы переменного тока сначала демодулируются и заряжают два интегратора постоянного тока: до напряжения, пропорционального синусу и косинусу угла поворота вала. Интеграторы соединяются последовательно с инвертирующим усилителем, имеющим коэффициент усиления I и включенным в цепь обратной связи, в результате-чего образуется двухфазный генератор. Период колебаний этого генератора составляет обычно от 1/200 с и выше и определяется прецизионными резистора-ми и конденсаторами интеграторов на операционных усилителях.

Для получения значений младших разрядов кода подсчитывается число-импульсов стабильного тактового генератора за интервал времени между на­чалом генерации и первым нулем синусного или косинусного напряжения. Значения двух старших разрядов выходного кода определяются по полярности синусного и косинусного напряжений. Интервал генерации равен четверти пе-риода генератора. За это время переход через нулевой уровень напряжений; одного из интеграторов всегда имеет место и число импульсов, накопленных в счетчике до перехода через нуль, даст величину, дополняющую угол поворота вала до

Затем конденсаторы возвращаются в исходное состояние до следующего интервала начальных условий, начало которого определяется моментом пере­хода через нуль с положительным наклоном (т. е. перехода через нуль снизу вверх) опорного сигнала несущей частоты. Изменение несущей частоты при­водят только к изменению амплитуд проинтегрированных сигналов в начале интервала генерации, но не влияет на их отношение и на общее число накоп-ленных в счетчике импульсов.

На входы генератора гармонических сигналов поступают два сигнала по-стоянного тока, пропорциональных синусу и косинусу входного угла. Эти сиг-налы образуются либо отдельными демодуляторами каждого СКВТ (рис. 9.7), либо пиковыми детекторами типа выборка — память [57, 82].

Выходные напряжения в точках А и В должны быть синусоидальными, причем напряженне в В является интегралом от напряжения в А. Вследствие этого они могут рассматриваться как функции синуса и косинуса от собствен-«ой частоты генератора. В схеме преобразователя имеется ряд переключателей «а полевых транзисторах. Они предназначены для задания начальных парамет­ров генератора, определяемых величинами и кроме того, для его запуска и остановки. В преобразователе предусмотрены блок синхрониза­ции, тактовый генератор и, кроме того, счетчик, формирующий цифровой выход.

При открытых полевых транзисторах ключей колебания в генераторе не возбуждаются, поскольку интегрирующие конденсаторы интеграторов зашунтированы усилителями, через которые производится их зарядка сигналами,

пропорциональными вводимыми через замкнутые ключи

Генератор находится в этом состояния в течение времени, достаточного для пол­ной зарядки конденсаторов. Начальные напряжения в точках А и В при этом» устанавливаются эквивалентными сигналами соответственно. Далее программирующее устройство размыкает все четыре ключаобеспечивая возбуждение генератора на его собственной частотеПри указан­ных начальных условиях формируются синусоидальный и косннусоидальный выходные сигналы. Тактовые импульсы подсчитываются в младших по весу разрядах МВР выходного счетчика. Счет начинается в момент запуска гене­ратора и продолжается до тех пор, пока либо синусоидальный, либо косинусо-идальный выходной сигнал не уменьшается до нулевого уровня. Два старших, по весу разряда СВР, определяющих квадрант, как указывалось ранее, зависят от комбинаций полярностей начальных синусных и косинусных напряжений.

Временные диаграммы выходных сигналов генератора и моментов появ­ления стартстопных сигналов (для первого и второго квадрантов), управляю­щих пропусканием тактовых импульсов, показаны на рис. 9.8,а и б.

На временной диаграмме показан также интервал установки в начальное состояние. В начале этого интервала оба интегратора перед переключением на новые начальные условия возвращаются на нуль. Установка осуществляется от аналогичной системы сннусно-косинусного преобразования либо через коммута­тор от другой пары сигналов второго преобразователя. Период установки в на­чальное состояние используется для стробирования выходного сигнала в других

узлах системы и обнуления счетчика при подготовке к следующему такт счета.

Для ЦПУ по рис. 9.7 число импульсов, накопленных в счетчике, представ-ляет собой дополнение к углу 0. Иными словами, в счетчике будет накоплено число импульсов, соответствующее углу Величину 0 можно определить, сняв отсчет 8 с дополнительного выхода счетчика.

Подсчет импульсов никогда не занимает больше 1/4 периода колебаний генератора. Таким образом, с учетом времени на возврат в исходное состояние и установку начальных условий полный цикл считывания реализуется за время, меньшее одного периода колебаний гармонического генератора. Иными слова-ми, при частоте генератора 200 Гц возможно осуществить 200 преобразований за 1 с. При тактовой частоте 1 МГц только для МВР в этом случае обеспе­чивается разрешающая способность 1 : 1250. Вместе с двумя СВР, получае­мыми при анализе знаков синуса н косинуса в селекторе квадранта, общее число разрядов выходного кода оказывается равным 12. При других комби­нациях значений тактовой частоты и частоты генерации будут обеспечиваться другие уровни разрешающей способности.

Точность системы в первую очередь определяется точностью нуль-органов (сравнивающих устройств), стабильностью тактовой частоты и, кроме того, стабильностью частоты генератора гармонических сигналов. Высокую стабиль­ность генератора обеспечить трудно, поскольку она характеризуется постоян­ными времени интеграторов. Предельные точность и разрешающая способность обычно определяются отношением тактовой частоты к частоте генератора. В ряде систем с контуром фазовой подстройки генератора, отслеживающим любой дрейф частоты гармонических колебаний, это отношение сохраняется постоянным [3].

В. рассмотренной выше схеме (рис. 9.7) предполагается, что оба выходных напряжения СКВТ предварительно преобразуются в напряжение постоянного тока, а угол поворота лежит в первом квадранте. Сигналы постоянного тока полученные на выходах фазочувствительного демодулятора, при­водятся в первый квадрант. Преобразователь может принимать выходные сиг-налы, лежащие во всех четырех квадрантах, если добавить второй детектор перехода сигнала через нуль и применить дополнительные логические схемы.

На основе этого метода выполнен ЦПУ широкие возможности применения которого в различных областях техники описаны в [58]. Он отли­чается от преобразователя, показанного на рис. 9.7, тем, что в нем выходные -сигналы СКВТ интегрируются непосредственно в первой половине периода несущей частоты. Поэтому отпадает необходимость в фазочувствитель-ных демодуляторах. Конденсаторы и резисторы интегратора в нем подобраны с нулевым температурным коэффициентом¹. Две постоянные времени подгоняют­ся в процессе изготовления с точностью 0,03%.

Поворот координат и их преобразование — две основные функции такого преобразователя. Эти функции иллюстрируются графиками на рис. 9.9.

При повороте координат вектор поворачивается на угол А (рис. 9.9,а) из начального положения в конечное положение Новые координаты выражаются через старые и угол поворота в следующей форме:

Для преобразования прямоугольных координат в полярную -форму (рис. 9.9,6) вектор характеризующий начальное положение поворачивается на некоторый угол А до совмещения с осью так чтои

т.е. величине полярной координаты. Полярные координаты выра­жаются через начальные прямоугольные координаты:

Другие операции, связанные с тригонометрическими функциями, например преобразование полярных координат в прямоугольные, можно выполнить с помощью этих уравнений путем каскадного включения двух или нескольких решающих приборов, путем установки или равными нулю или путем использования критериев, определяющих величину углового перемещения.

Существенным достоинством ЦПУ на основе генератора гармонических сигналов является его малая чувствительность к таким параметрам сигнала, как частота, амплитуда н содержание высших гармоник. Благодаря этим достоинствам ЦПУ такого типа нашел широкое применение и его совершенст­вованию уделяется большое внимание. Пути совершенствования предусматри­вают повышение быстродействия и точности с использованием как структурных, так и алгоритмических методов.