Часть четвертая пути совершенствования амплитудных цпп

ГЛАВА ШЕСТНАДЦАТАЯ

Цпп с цифровыми интеграторами

16.1. Преобразователи с цифровыми интеграторами

Для устранения ограничений, свойственных ЦПУ на основе непрерывного генератора гармонических сигналов [3, 81], предложена структура построения [63], в которой задание начальных условий и вращение вектора производятся в цифровой форме. Выбор масштаба преобразования осуществляется суммиро­ванием констант на каждом такте работы цифрового квазигармонического генератора [а. с 875421 (СССР)].

Функциональная схема такого преобразователя представлена на рис. 16.1, где приняты следующие обозначения: ВО — выявитель октантов; АК—аналого­вый коммутатор; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; МР — мульти­плексор; ФК— формирователь констант; БУ — блок управления; ДШ — дешиф­ратор; НС — накапливающий сумматор; ГИ — генератор импульсов; ФКТ — формирователь кода тангенса; ЦО — цифровой осциллятор (генератор); А, В и С — константы.

Начальные условия вводят в виде кода тангенса угла, приведенного в пер­вый октант. Получение этого кода и трех старших разрядов кода угла осу­ществляется ФКТ. На входы АК и ВО поступают два сигнала постоянного то­ка, пропорциональные синусу и косинусу входного угла. Преобразование сиг­налов СКВТ в сигналы постоянного тока осуществляется либо демодуляторами,

либо пиковыми детекторами выборка—память. Три старших разряда кода 0 формируются из номера октанта.

Путем сравнения выходных сигналов СКВТ между собой и с нулевым уров­ней определяют номер октанта, в котором находится угол поворота вала СКВТ; используя номер октанта, формируют напряжения, пропорциональные синусу и косинусу угла 6, приведенного в первый октантс помощью линейного аналого-цифрового преобразования находят код отношения этих напряжений, т. е. код Первым принят октант, в котором

увеличение номера октанта — против часовой стрелки. По извест­ному номеру октанта определяются сигналы, пропорциональные синусу и косинусу угла в, приведенного в первый октант, по следующим выражениям:

В качестве эталонного сигнала используется сигнал, пропорциональный а

в качестве измеряемого — пропорциональный

При нулевом выходном коде НСЗ по сигналу ДШ2 БУ формирует команду, которая разрешает прохождение кодас выходаАЦП через МР на вход А старших разрядов НС1; при этом по шине В ФК вводится единичный код, по­ступающий на вход А старших разрядов НС2. Одновременно БУ формирует импульс записи на установочные входы HC1 и НС2, записывающий в них код; и константу В соответственно. Вслед за этим по импульсам, поступающий с выхода БУ на тактовые входы НС1 и НС2, начинается их совместная работа. Замкнутые в кольцо, НС1 и НС2 представляют собой цифровой осциллятор. описываемый системой разностных уравнений {а. с. 875421 (СССР)}

где — решетчатая функция, соответствующая выходному кодуНС1; Х[п)—решетчатая функция, соответствующая выходному коду НС2;—

число, равное отношению цен разрядов между входами А и В сумматоров НС1 и НС2; т — смещение разрядной сетки между входами А и В НС1 и НС2; п — число импульсов, поданных на тактовые входы НС1 и НС2. Решением системы (16.2) являются решетчатые функции

где— начальные условия.

В результате преобразования формируется числоимпульсный код, вес ко­торого выявляется функцией числа К.

Геометрическая интерпретация процесса решения системы (16.2) есть вра­щение вектора, заданного своими декартовыми координатами проис­ходящее с дискретными приращениями по внешнему тактирующему сигналу, от первоначального положения, задаваемого начальными условиями Пользуясь (16.3), можно определить число импульсов л, поданных на

тестовые входы HC1 и НС2 с момента начала вращения вектора до момента равенства нулю выходного кода HC1, т. е.

Для формирования двоичного кода узла НСЗ производят по тактовым импульсам суммирование константы С, которой присваивается формирователем кон­стант в нечетных октантах значение а в четных— а дополнительном коде. Таким образом, при переходе выходного кода HC1 через нуль, что фиксируется ДШ1, на выходе НСЗ формируется код углав нечетных октантах шла код угла в четных, который совместно с тремя старшими разрядами кода октантов представляет код угла 0.

После того как в НСЗ сформировался код угла, по сигналу ДШ1 БУ формирует команду, по которой разрешается прохождение через МР констант А и В; ФК присваивает им значения

Одновременно БУ формирует импульс запаса на установочных входах НС1 я НСЗ, записывая в них константы А и В. Вслед за этим по импульсам, посту­пающий с выхода БУ на тактовые входы НС1—НСЗ, производится вращение исходного единичного вектора, заданного начальными координатами

или 1,0) при одновременном суммировании в НСЗ константы С, причем константе С на этом этапе присваивается значение

Тактовые импульсы продолжают поступать до тех пор, пока угол, получен­ный на первом этапе работы в НСЗ, не дополнится до нуля, что фиксирует ДШ2, При этом исходный вектор повернется на угол в 1, 4, 5-м и

8-м октантах или на угол во 2, 3, 6-м и 7-м октантах, как показано на рис. 16.2, а на выходах HC1 и НС2 сформируются коды модулей синуса и косинуса угла поворота 0. Знаковый разряд кода синуса совпадает со старшим разрядом кода октанта, а знаковые разряд кода косинуса получается суммированием по модулю 2 двух старших разрядов кода октантов. Таким образом, амплитудный преобразователь на основе цифрового осциллятора осуществляет не только пре­образование угла поворота вала в код, но и формирование цифровых эквива­лентов синуса и косинуса этого угла. Такое расширение функциональных воз­можностей преобразователя позволяет при решении задач существенно раз­грузить ЭВМ благодаря исключению операций вычисления синуса я косинуса угла н высвободить существенную часть машинного времени [63].

Точность отсчетной части рассмотренного преобразователя определяется в основном погрешностью ФКТ, определяющего цифровой код Цифровой осциллятор вносит лишь погрешность, определяемую уровнем его дискретиза­ция, которая выбором оптимального числа разрядов HC1 и НС2 может быть сведена к минимуму. При этом параметры ЦО стабильны во времени и при из-неленив температуры. Следует отметить, что к ГИ не предъявляется жестких требований по стабильности частоты. Это является дополнительным достоинством

рассмотренного построения функционального ЦПУ. Суммарная точность такого ЦПУ в значительной степени зависит от погрешностей первичного пре­образователя.

Наиболее существенным недостатком схем ЦПУ, предусматривающих пря­мое преобразование амплитуды или фазы СКВТ в коды проекций, является наличие погрешности, обусловленной нестабильностью амплитуды и фазы на­пряжении СКВТ вследствие изменения его, коэффициента трансформации под действием температуры окружающей среды, уходов частоты и амплитуды се­тевого питания. Для ряда схем возможно возникновение погрешности из-за не­стабильности частоты ГИ.

Следует отметить, что рассмотренные выше алгоритмические, структурные я схемные методы улучшения показателей ЦПУ предусматривают парирование влияния дестабилизирующих факторов на отсчетную часть. Они не затрагивают погрешности, обусловленные влиянием дестабилизирующих факторов яа СКДУ, который зачастую находятся под влиянием более жестких воздействии [23].

Комплексный подход к задаче создания ЦПУ с высокими метрологическими показателями в условиях широкого спектра внешних воздействий должен пре­дусматривать их компенсацию в части изменения выходных параметров первич­ного преобразователя.

Схема функционального преобразователя, предусматривающего такую компенсацию, представлена на рис 16.3 [а. с. 506890 (СССР)].

Она содержит СКВТ, согласующие блоки СБ1 и СБ2, аналоговый сумматор АС, источник опорного напряжения ИОН, генератор импульсов ГИ, цифро-ана­логовый преобразователь ПАП, запоминающее устройство ЗУ, дешифратор ДШ, цифровые интеграторы ЦИ1, ЦИ2 и шифратор Ш.

В качестве согласующих блоков могут быть использованы различные типы АЦП, выходной код которых соответствует отношению амплитуды переменного напряжения к опорному напряжению, например действующее по принципу срав­нения и вычитания или двухшагового интегрирования.

С учетом нестабильностей напряжения питания СКВТ по частоте и ампли­туде и температурно-частотной нестабильности его коэффициента трансформа­ции амплитуды напряжении квадратурных обмотокпри угловом поло­жении ротора 0 могут быть представлены в виде

где —номинальное значение амплитуды напряжения питания СКВТ;К — номинальное значение коэффициента трансформации СКВТ при отсутствии де­стабилизирующих факторов; —суммарная относительная погрешность изме­нения амплитуды, вызванная действием дестабилизирующих факторов.

Согласующие блоки вырабатывают соответственно цифровые коды и

равные отношению

где— выходное напряжение аналогового сумматора.

С выходов СБ коды поступают на входы установки начальных условий ЦИ. Выход каждого из них подключен к входу другого ин­тегратора, благодаря чему при поступлении на вторые входы ин­теграторов тактовых импульсов с ГИ воспроизводится дифференциальное уравнение видас начальными условиями

При фиксации на регистровой выходе ЦИ1 нулевого кода ДШ нуля вы­дает сигнал на стробирующие входы ГИ и Ш, При этом блокируется ГИ, за­прещается поступление импульсов на ЦИ я разрешается работа Ш. В этот мо­мент на регистровом выходе ЦИ2 имеет место код модуля

отличающийся согласно (16.5) и (16.6) от своего номинального значения Фс= на величину приращения соответствующего суммарной

погрешности

Шифратор приращения кода выделяет кодовый эквивалент погрешности и выдает его с учетом знака на ЗУ. ЦАП, связанный с выходом ЗУ, фор­мирует напряжение поправкипропорционально значению входного кода, ко­торый поступает на АС. Выходное напряжение АС

где—напряжение ИОН, поступает на опорные входы согласующих блокови при равенствезначению погрешностиполностью компенсирует влияниепоследней.

При совмещения в ЗУ функций суммирования кодов приращения АФ, вы­числяемых относительно условной цифровой опорыи функции хранения зна­чения этой суммы можно снизить требования к стабильностиИОН, ЦАП и АС. Это возможно благодаря тому, что в последующих циклах работы функционального преобразователя автоматически осуществляется подбор до урав­нивания значенийТочность компенсацииопределяется разрешающейспособностью ЦАП, разрядность которого выбирается исходя из максимально возможной суммарной погрешности при выработке кодов функций

Таким образом, при работе функционального преобразователя автомати­чески поддерживается равенство и с выходовСБ поступают цифровые коды значения которых не зависят от рассмотренных нестабильностей СКВТ и линии его питания.