Ji J

образователя такого типа может служить ячейка Я503, разработанная институтом ВНИИЭлектропривод. Структурная схема преобразователя показана на рис. 25. Ячейка fl4H состоит из формирователя импульсов стабильной длительности и амплитуды, фильтра низких частот ФНЧ и суммирующего масштабного усилителя Л. Формирование длительности импульсов преобразуемой частоты осуществляется с помощью четырехразрядного двоичного счет-ка Сч, на вход которого поступают импульсы высокостабильной частоты f эт от кварцевого генератора (екг < 0,001 %), что позволяет сформировать длительность импульсов с высокой точностью. Калибровка амплитуды импульсов производится е помощью двухпозиционных ключей К и эталонного двухполярного напряжения ± эт.

Стабильность схемы формирования амплитуды импульсов определяется точностью поддержания уровней напряжения на закрытом и открытом ключах. На закрытом ключе изменение выходного уровня определяется, в основном, стабильностью источника питания.

Для открытого ключа стабильность выходного напряжения определяется глубиной его насыщения. При использовании стабилизированных источников питания и ключей (бкл < 0,05%) в режиме глубокого насыщения можно с достаточно высокой точностью формировать импульсы по амплитуде.

Импульсы, сформированные по длительности и амплитуде, поступают на вход ФНЧ, который состоит из пассивного RC-фильтра и активного звена, выполненного на базе операционного интегрального усилителя типа 1УТ531А. На выходе

Рис. 25. Структурная схема ПЧН с формирователем эталонных импульсов

преобразователя включен масштабный усилитель, опред^. ляющий коэффициент пропорциональности преобразо! вателя.

Погрешность преобразователя, определяемая нелиней, ностью фильтра и дрейфом выходного усилителя, состав ляет менее 0.15%; эт == 125 кГц; Ыэт = ± 10 В; f = 100... 10 ООО Гц, Ывых = 0,1...10 В.

Длительность нормируемых импульсов определяется дли. тельностью периода максимальной преобразуемой частоты /таакс, при ЭТОМ ДЛЯ нормальной работы элсментов преобразо-вателя необходимо, чтобы выполнялось условие 4 < 0,5 Т

где Тд. = 1 лмакс. Поэтому при ис! пользовании преобразователя в широком диапазоне преобразуемых

частот ( акс л:мин > ЮОО) ПриХО-

дится формировать короткие импульсы, длительность которых становится соизмеримой с длительностью их фронтов, что снижает точность преобразования.

Рис 26. Сигнал на выходе триггера управления ПЧН с широтно-импуль-сным модулятором (То - период сигнала при/л=0; Ti - период сигнала при fx = fxi Т2 -период сигнала при fx = f)f:i2>fxl

ПЧН с широтно-импульсиым модулятором

При преобразовании частоты, изменяющейся в широком диапазоне, а также при передаче частотно-импульсного сигнала по линиям связи целесообразно использовать преобразователи частота - напряжение, построенные по принципу цифрового широтно-импульсного модулятора [23], так как их характеристики не зависят от параметров импульсов (длительность, амплитуда) входной частоты. Аналогичный преобразователь используется в качестве сравнивающего устройства (см. рис. 24). В таком преобразователе частотно-импульсный сигнал fx подается на вход одного из счетчиков

дополнительно к тактовой частоте ff, а второй счетчик заполняется только импульсами частоты р^. Заполнение счетчиков тактовой частотой осуществляется поочередно, а ШИМ сигнал на выходе триггера управления и напряжение на выходе демодулятора пропорциональны преобразуемой частоте. Изменение коэффициента заполнения ШИМ сигнала под действием преобразуемой частоты показано на рИС. 26.

Частота ШИМ сигнала при fx = О определяется емкостью счетчиков и тактовой частотой/шим = I/Tq =FJ1V, рде у = 2 - емкость двоичного счетчика, имеющего п разрядов, откуда TJ2 = VlF - время заполнения одного счетчика тактовой частотой. Длительность импульса ШИМ сигнала (время заполнения 1-го счетчика) = = Го/2.

Длительность паузы t-ax при частоте / можно опреде-biTb из соотношения, характеризующего заполнение второ К счетчика, f (Го/2 + Uvc) + F-lnx = V, откуда

t..= {V-f,VlFЖPг + fx). (21)

Таким образом, период ШИМ сигнала при входной частоте /

r = < + n. = 2K/(f, + /J. (22)

Коэффициент заполнения кшим = tJT = (1 + fjFj)/2, а среднее значение выходного напряжения

Ивых = kpf,uJjFi. (23)

Максимальная преобразуемая частота fx max Ие должна превышать F.

Минимальная преобразуемая частота fx min определяется допустимым уровнем пульсацпй выходного напряжения и чувствительностью демодулятора. При использовании описанного демодулятора fx min = 20 Гц (при эквивалентной постоянной времени трехзвенного фильтра Гф < 0,05 с).

Диапазон преобразуемых частот при выборе F, = 200 кГц составит 10 ООО.

Таким образом, с помощью преобразователя частота-напряжение, построенного по принципу цифрового широтно-импульсного модулятора, можно расширять диапазон преобразуемых частот и передавать последовательности импульсов с выходов счетчиков по линиям связи, не боясь искажения формы импульсов, так как эти импульсы определяют только моменты срабатывания триггера управления, на выходе которого образуется ШИМ сигнал. Кроме того, при использовании таких преобразователей можно унифицировать элементы и узлы для САУ, так как благодаря незначительному изменению внешних связей из небольшого количества унифицированных узлов (счетчиков, генератора тактовых импульсов, схем синхронизации, демодулятора и др.) можно построить цифроаналоговый интегратор, пропорциональное звено (сравнивающее устройство), ПЧН, цифроаналоговый квадратор и др.

В преобразователе (см. рис. 24) с перекрестными обратными связями период ШИМ сигнала зависит от преобразуемой частоты fx. Иногда необходимо строить преобразователь частоты в напряжение с постоянньм периодом ШИМ сигнала, например, когда работу данного преобразователя необходимо согласовать с работой вычислительного устройства, где период ШИМ сигнала является временем цикла измерения или вычисления требуемой величины.

ПЧН о постоянным периодом широтно-импульсно-модулированного сигнала

Структурная схема этого преобразователя показана на рис. 27, а. В этой схеме емкость одного из счетчиков выбрана в два раза больше, чем другого. Счетчик Сч2 с емкостью 2V определяет период ШИМ сигнала на выходе триггера управления. В этом случае период ШИМ сигнала постояв ный и не зависит от преобразуемой частоты.

к

3 £

г

п

I I I I I I И I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I !

I И I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I.

11,1111111

Рис. 27. Структурная схема (а) и временные диаграммы (б) ПЧН с постоянным периодом ШИМ сигнала 2 - импульсы переполнения счетчиков Сч1 и Сч2 соответственно; 3 -ШИМ сигнал на выходе триггера управления; 4-(1ъ~1 ) ШИМ сигнала, =

Обратная связь в этом преобразователе заведена таким образом, что при переполнении счетчика Сч1 емкостью ]/ прекращается заполнение этого счетчика импульсами тактовой частоты Fi до переполнения счетчика Сч2 емкостью 2V, который непрерывно заполняется импульсами частоты F-i. Временные диаграммы работы данного преобразователя изображены на рис. 27, б. Преобразуемая частота непрерывно поступает через схему синхронизации на счетчик Сч1 емкостью V. При этом < 0,5 F.

При отсутствии преобразуемой частоты импульсы пере-полнения счетчиков частотой F, поочередно воздействуя на триггер управления, образуют на его выходе ШИМ сигнал со скважностью 0,5.

При f-ф О с увеличением уменьшается время заполнения счетчика I/и соответственно изменяется коэффициент заполнения ШИМ сигнала пропорционально числу импульсов fx, поступивших на вход счетчика за время цикла преобразования, определяемое периодом ШИМ сигнала.

Напряжение на выходе демодулятора возрастает пропорционально изменению коэффициента заполнения ШИЛ1 сигнала. В данной схеме преобразователя предусмотрена возможность ввода преобразуемой частоты на входы старших разрядов счетчика. При подаче на 2-й, 3-й,... разряды, крутизна выходной характеристики преобразователя возрастает соответственно в 2, 4, ... раза.

Это позволяет также настраиваться на заданный диапазон рабочих частот при использовании преобразователя в САУ с различными характеристиками.

Определим выходное напряжение преобразователя при подаче f на вход старших разрядов счетчика. Период ШИМ сигнала для данной схемы Т = 21 f j = const. Длительности импульса и паузы ШИМ сигнала для данной структуры преобразователя соответстве1шо

t, = T/2 + At; t = T/2-At, (24)

.де Д/ - изменение коэффициента заполнения ШИМ сигнала под действием f. Заполнение счетчика емкостью V J,лпyльcaми fx и импульсами тактовой частоты характеризуется соотношением

V = 2 -/,Г + Ft , (25)

где i - номер разряда, на вход которого подается f.

Найдя t = V - 2~fJ/Fi из соотношения (25) и учтя вьфажение (24), определим At = 2~fJIF. Коэффициент заполнения ШИМ сигнала

Щ кшии = tlT = V2 + 2~fjF. (26)

Выходное напряжение преобразователя вых = о (и - QTku,2fJF.

Из соотношения (26) при кшим = 1 определим ах <

Минимальная преобразуемая частота, как и в преобразователе с переменным периодом ШИМ сигнала, составляет 20 Гц. Диапазон преобразуемых частот при F = = 200 кГц от 20 Гц до 100 кГц.

В ПЧН по схеме рис. 27 наблюдаются низкочастотные субгармонические колебания выходного напряжения, связанные с некратностью периодов преобразуемой частоты с периодом ШИМ сигнала, т. е. количество импульсов f, в двух соседних периодах ШИМ сигнала может отличаться на ±1.

Частота этих колебаний определяется отношением Тшим/ТхС. Введем коэффициент М = С --[С], где [С] - целая часть числа С, при С - [С] < 0,5 и М = I - (С - [С]) при С - [С] > 0,5, тогда частота субгармонических колебаний / =М/я/ил1-Так как М < 0,5, то максимальная частота этих колебаний / ах =0,5 fwHM-

Амплитуда низкочастотных субгармонических колебаний ПЧН с эквивалентной постоянной времени трехзвенного /?С-фильтра 0,03...0,05 с не превышает 0,02 В.

5. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

Цифроаналоговый квадратор

Цифровой квадратор, производящий вычисление квад. рата числа импульсов, поступивших на его вход, содер^ц^ счетчик, на вход которого поступает последовательность импульсов с частотой f. Выходы счетчика соединены через вентили прямого кода с накапливающим сумматоров Результат вьмислений получается на выходах накапли! вающего сумматора в виде параллельного двоичного кода который преобразуется в аналоговый сигнал специальны преобразователем ПКН [27].

Более простой цифроаналоговый квадратор можно построить с помощью ПЧН. Структурная схема цифроаналогового квадратора показана на рис. 28. Устройство производит преобразование частотно-импульсного сигнала в соответствии с алгоритмом ы^ьк = kfl. Оно состоит из описанного выше преобразователя частота - напряжение с постоянным периодом ШИМ сигнала и схемы, осуществляющей введение квадрата числа входных импульсов в счетчик Сч1. Эта схема (выделена на рис. 28 штриховой линией) состбит из регистра сдвига PC, дополнительного счетчика СчЗ и группы схем совпадения С„.

- Принцип действия квадратора основан на подсчете импульсов входной последовательности в счетчике СчЗ и введении в счетчик Сч1 преобразователя частота - напряжение квадрата числа входных импульсов. В ПЧН квадрат числа импульсов fj, преобразуется в ШИМ сигнал, а затем, с помощью демодулятора,- в постоянное напряжение, пропорциональное fl.

Работа аналогичной схемы ПЧН описана выше, поэтому рассмотрим только схему, обеспечивающую введение квадрата числа входных импульсов в счетчик Сч1 [39].

Импульсы преобразуемой частоты непрерывно вводятся на вход первого разряда счетчика Сч1 синхронно с

ж

-----1

СчЗ

Г

П

КСчЗ {сброс)

.Рис. 28. Структурная схема цифроаналогового квадратора

тактовой частотой F. Кроме того, эти импульсы поступают на вход сдвигового регистра PC, с выхода которого поступают на вход счетчика СчЗ. Этот счетчик считает число пульсов fx за период ШИМ сигнала ПЧН, который не зд. висит от fx и определяется тактовой частотой и емкостью счетчика Сч2 (Т =2VfFi). По окончании каждого периода ШИМ сигнала происходит сброс счетчика СчЗ. Импульсы fx продвигаются по разрядам сдвигового регистра тактовой частотой Fi, при этом максимальная преобразуемая частота должна быть fxrual < FJitn +1), где т - число разрядов сдвигового регистра. При выполнении этого условия сдвиговый регистр успевает очищаться к приходу каждого следующего импульса fx- Проследим поступление нескольких импульсов fx (рис. 28). Первый импульс fx посту-пает на вход первого разряда счетчика Сч1 и на вход четырехразрядного сдвигового регистра. Через 4 такта F этот импульс с выхода сдвигового регистра поступит на вход счетчика СчЗ и запишет в нем 1 .

Второй импульс fx поступает на первый разряд счетчика Сч1 и на сдвиговый регистр. При этом на входах первой схемы совпадения появляются разрешающие потенциалы с выхода первого разряда сдвигового регистра и первого разряда счетчика СчЗ и импульс вводится во второй разряд счетчика Сч/. Далее, пройдя сдвиговый регистр, второй импульс запишется в счетчик СчЗ. При прохождении третьего импульса по разрядам сдвигового регистра появляются разрешающие потенциалы с выходов второго разряда сдвигового регистра и второго разряда счетчика СчЗ на входах второй схемы совпадения, которая разрешает поступление импульса Fi на вход 3-го разряда счетчика Сч1. Таким образом, с первым импульсом fx в счетчик Сч1 добавляется 1 импульс, со вторым импульсом содержимое счетчика увеличивается на 3 единицы, с третьим импульсом - на 5 единиц. Всего запишется 9 импульсов - квадрат числа 3.

Аналогично происходит дальнейшее поступление им-