книги / Цифровые измерительные преобразователи и приборы

Амплитуда прямоугольных однополярных импульсов напряжения в точке N

UN=UX (U*-Uç)*o

Яо+*н

Исключая из двух последних равенств Uc, найдем

UN=UX 2Rn

R0-{-2Rli

и коэффициент передачи модулятора, как отношение действующего значения 1ГВЬ1Х первой гармоники выходного напряжения к входному сигналу

2

где значение и'шхтак= — UN определяется путем разложения в ряд

Фурье.

На рис. 2.39 приведена схема модулятора с компенсацией остаточ­ ных тока и напряжения. В данной схеме влияние остаточного тока i0

ция осуществляется только в полупериоды, когда транзистор открыт. Значение сопротивления рези­

стора R3 (порядка 2 ом) намного меньше R3 транзистора и не оказы­ вает влияния на его работу. Резистор R1 устанавливает необходимый токовый режим диода Дъ а резистор R2— режим цепи базы. Как указывалось, при определенном токе базы и0 практически не зависит от температуры, поэтому при хорошей регулировке параметров схема рис. 2.39 может обеспечить дрейф нуля меньше ±50 мкв в диапазоне температур 0 -г- 50° С.

На рис. 2.40 показана схема модулятора на двух транзисторах [10]. Здесь диод Д фиксирует напряжение, запирающее транзисторы, до значения, близкого к нулю, для уменьшения влияния остаточных токов и паразитных всплесков. Оба транзистора, как и раньше, вклю­ чены встречно,, т, е. представляют собой один ключ. Выпускаемый

отечественной промышленностью интегральный прерыватель 1КТ011

При питании модулятора через трансформатор трудно получить хорошую прямоугольную форму импульса напряжения, так как труд­ но'создать широкополосный трансформатор с малой межвитковой ем­ костью. Поэтому в качестве промежуточного источника питания иногда используют*триггер, управляемый через трансформатор от любого источника переменного напряжения, или специальный генератор прямоугольных импульсов.

Усилители переменного напряжения

Входной постоянный сигнал модулируется с относительно низкой частотой, поэтому в СУ типа МДМ обычно используют простейший усилитель переменного напряжения с RC-связями. В ЦИП усилитель работает, как правило, в режиме усиления малых (в ряде случаев порядка микровольт) сигналов и главным при проектировании яв­ ляется обеспечение небольшого уровня помех на его входе. Основные источники помех на входе усилителя — это паразитные напряжения и токи, создаваемые модулятором, от тщательной компенсации'кото­ рых во многом зависит работа СУ.

Уровень внутренних шумов на входе зависит от шумового сопро­ тивления, т. е. от правильности выбора входной лампы или транзи­ стора, входного сопротивления и полосы пропускаемых частот. При уменьшении входного сопротивления уровень шумов снижается, но его значение обычно задается согласно условиям.работы входной цепи ЦИП. Повышение избирательности усилителя (уменьшение полосы

пропускаемых частот) также снижает уровень внутренних шумов, но при этом ухудшается быстродействие усилителя. Для повышения избирательности усилителя в ряде случаев применяют дополнитель­ ную отрицательную связь между каскадами в виде резонансного (двойного Т-образного) фильтра, настраиваемого на частоту "сигнала.

Характер помех на входе усилителя, вызываемых внешними и внутренними электрическими и магнитными полями, а также колеба­ ниями напряжения источников питания, весьма разнообразен и трудно поддается математическому учету. К мерам, уменьшающим влияние помех, относятся, в частности, тщательный и рациональный монтаж, экранировка (особенно входных цепей), правильные заземления, пита­ ние накала ламп (особенно входной) постоянным током, высокая сте­ пень фильтрации анодного питания ламп (особенно входной) и т. п.

..Для того чтобы выходной пороговый элемент СУ реагировал на знак входного сигнала, после усилителя переменного напряжения не­ обходим выходной фазочувствительиый каскад (демодулятор), питае­ мый переменном напряжением с частотой и фазой модулирующего напряжения. Фазовые сдвиги напряжения сигнала, появляющиеся за счет реактивных элементов усилителя и его перегрузок, нарушают правильную работу фазочувствительного каскада. Компенсация пер­ вых осуществляется благодаря специальным регулируемым фазосдви­ гающим контурам, вводимым либо между каскадами усилителя, либо в цепь напряжения питания модулятора. При этом фаза модулирован­ ного напряжения сигнала регулируется так, чтобы на выходе усили­ теля она совпадала (или была в противофазе) с фазой напряжения питания фазочувствительного каскада.

При перегрузке, возникшей в каком-либо каскаде усилителя, межкаскадная емкость в положительные полупериоды напряжения сигнала заряжается за счет сеточного тока до высокого напряжения (/с, отрицательного по отношению к сетке. Если после этого резко умень­ шить входной сигнал, то сеточный ток прекращается, отрицательное напряжение межкаскадной емкости на некоторый интервал времени запирает лампу следующего каскада, и усилитель перестает работать. Лишь после того, как Ucстанет меньше напряжения запирания лампы, она начнет постепенно отпираться, а выходной сигнал увеличиваться до нуленого значения. Этот эффект нарушает правильность работы выходного элемента, так как эквивалентен дополнительному фазо­ вому сдвигу между напряжением сигнала и напряжением питания фазочувствительного каскада. Аналогичный эффект наблюдается в транзисторных схемах. Для устранения данного явления наиболее целесообразно использование межкаскадных ограничителей сигнала. Включение ограничителей на входе усилителя нежелательно, так как это повышает уровень помех.

Демодуляторы

Демодуляторы преобразуют выходное переменное напряжение в постоянное. Для улучшения формы кривой выпрямленного напря­ жения и обеспечения реакции на знак входного сигнала СУ в ЦИП

из

используют, как правило, двухполупериодные фазочувствительные демодуляторы с питанием управляющей цепи напряжением с той же частотой, что и частота сигнала с усилителя. Наилучшие результаты получают, если сигнал с выхода усилителя и управляющий сигнал имеют прямоугольную форму, так как в этом случае отпадает необ­ ходимость в дополнительном фильтре, и быстродействие демодулятора значительно повышается.

Как отмечалось, наилучшей характеристикой переключения обла­ дал бы контактный модулятор, используемый в качестве демодуля­ тора. Однако это нецелесообразно, потому что благодаря достаточно большому усилению сигнала до демодулятора его точностные харак­ теристики (дрейф и т. п.) не играют столь существенной роли, как

ных токов питание демодулятора осуществляют однополярным на­ пряжением через диоды Д. Все сказанное о ключах на транзисторах для модуляторов справедливо и в данном случае. Входной трансфор­ матор Трг может быть заменен активным делителем. 'Напряжение щ для питания схемы желательно прямоугольной формы. Схема обла­ дает высокой стабильностью и чувствительностью, так как начальный небаланс можно сделать небольшим. В связи с отсутствием жестких точностных требовании к демодуляторам, вместо двух транзисторов в ключах практически можно использовать по одному.

При импульсной форме входного сигнала на выходе усилителя целесообразно включать фазочувствительный триггер, реагирующий на знак или фазу (по отношению к фазе напряжения питания) им­ пульса. Для снижения требований к стабильности настройки триггера по отношение к возможным фазовым сдвигам необходимо, чтобы импульс образовывался не в начале полупериода демодуляции, а при-

мерно, в его середине, для чего можно применять дополнительный им­ пульсный источник питания, открывающий ключ модулятора с часто­ той, равной удвоенной частоте модуляции.

Схема фазочувствительного триггера показана на рис, 2.42, а. При отсутствии сигнала их и при указанной на схеме мгновенной по­ лярности напряжения иу через резистор Ry лампы Лг от диода Д будет проходить положительный импульс тока. Такой же по значению импульс тока будет проходить в следующий полупериод через рези­ стор Ry лампы Л2. Значение этих импульсов недостаточно для того, чтобы перебросить триггер из одного состояния в другое. Если левая лампа заперта, то при появлении достаточного по значению сигнала указанной на схеме полярности добавочный положительный импульс

Рис. 2.42. CxeiMbi фазочувствительных триггеров

тока в резисторе Ry откроет эту лампу и закроет правую лампу. Если теперь изменить фазу сигнала, то в последующий полупериод напря­ жения питания в резисторе Ry правой лампы появится добавочный положительный импульс тока и триггер перебросится обратно. Если изменения фазы сигнала не происходит, то триггер находится в одном из устойчивых состояний и выходное напряжение постоянно по зна­ чению (близко к Ей при закрытой правой лампе и резко падает при ее открывании).

Схема фазочувствительного триггера на транзисторах показана на рис. 2.42, б, ее работа принципиально не отличается от работы схемы рис. 2.42, а.

При использовании в СУ в качестве демодулятора фазочувстви­ тельного триггера режим работы порогового элемента улучшается, так как в этом случае он при срабатывании триггера питается постоян­ ным напряжением, всегда значительно превышающим его напряжение срабатывания. Следовательно, отпадает необходимость в шунтирова-

нии емкостью. Однако чувствительность фазочувствительного триг­ гера при прочих равных условиях всегда ниже, чем у обычного фазо­ чувствительного демодулятора, так как ток. в выходном элементе фазо­ чувствительного триггера появляется только при некотором порого­ вом значении сигнала. Характеристика же обычного фазочувстви­ тельного демодулятора практически линейна, что в ряде случаев имеет существенное значение. Кроме того, наличие довольно большой по значению зоны нечувствительности фазочувствительиого триггера при быстрых изменениях сигнала приводит к частичной потере инфор­ мации об изменении входного сигнала. Эти особенности следует учи­ тывать при использовании фазочувствительных триггеров в схемах СУ с сигналом прямоугольной формы. При сигналах импульсной формы эти особенности существенного значения не имеют.

Импульсные СУ

Основные сведения, приведенные ранее по построению. СУ, спра­ ведливы и для импульсных СУ. Простейшая схема импульсного СУ с использованием ключей /С^ и Кл2показана на рис. 2.43, а. Ключ Кл1 является, по существу, модулятором входного постоянного напряже­ ния, а ключ Кл%играет роль схемы И, пропуская со второго каскада импульсы, соответствующие только передним фронтам входных пря­ моугольных импульсов (после модуляции). Форма и полярность им­

определяются входным сигналом, а их частота — частотой модуляции, которая должниц быть синхронна с частотой тактов отработки UK. Такой способ позволяет, кроме того, получать выходные импульсы только после окончания переходных процессов, вызванных резкими изменениями входного сигнала.

Импульсные СУ обладают разрешающей способностью порядка десятков микровольт и быстродействием до 50 000 преобразований в секунду. Наиболее существенным их недостатком является значи­ тельная зависимость от случайных импульсных помех, так как любой случайный импульс может вызвать сбой в работе ЦИП. Кроме того, при использовании полупроводниковых модуляторов существенное влияние могут оказывать паразитные всплески в модулированном напряжении сигнала. Если отработка UK ведется единичными ступенямиГто амплитуда импульсов с выхода СУ должна только обеспечи­ вать срабатывание счетчика. Однако часто применяют поразрядную работу счетчика от пороговых устройств на выходе СУ, срабатываю­ щих в зависимости от амплитуды импульсов. В этом случае амплитуда импульсов должна быть пропорциональна входному сигналу.

При использований полупроводниковых модуляторов для устра­ нения влияния на работу ЦИП паразитных всплесков в модулирован­ ном напряжении сигнала применяют схемы со сдвигом рабочих им­

пульсов (стробирование), величину которого обычно подбирают экспе­ риментально. Структурная схема такого СУ показана на рис. 2.44. Генератор импульсов ГИ, работающий с частотой тактов отработки UK, через триггер Тг коммутирует модулятор Мъ с выхода которого полу­ чаются прямоугольные импульсы Ux — £/к с большими всплесками. Эти импульсы усиливаются широкополосным усилителем Ух и подаются

Рис. 2.43. Схема импульсного СУ

на ключ Кл. Ключ открывается на интервал стробирования tcтр, рас­ положенный вне зоны всплесков модулятора Мг. Всплески, создавае­ мые самим ключом, не играют существенной роли по сравнению с уси­ ленным во много раз напряжением Ux — UK. Ждущий мультивибра­ тор ЖМг сдвигает импульсы от ГИ и запускает ждущий мультивиб­ ратор ЖМ2 на интервал /стр. Инвертор Ине нужен для согласования полярностей. После ключа импульсы поступают на эмиттерный повто­ ритель ЭП и через дополнительный широкополосный усилитель У2

ипороговый элемент ПЭ на счетчик ЦИП. Такая схема позволяет,

взначительной степени избавиться от влияния импульсных помех при частоте модуляции, равной частоте тактов отработки ЦИП.

При построении высокочувствительных СУ существенное значение имеет обеспечение помехоустойчивости. Для этого обычно используют

входные фильтры, различные способы автоматической коррекции и интегрирования, что приводит к снижению быстродействия ЦИП.

На рис. 2.45 показан способ дискретного интегрирования 111], не снижающий общего быстродействия ЦИП. Сигнал после первого модулятора Мг содержит полезную составляющую и помеху. Он усиливается, модулируется (Л42) еще раз с частотой, например, 100 /„ и поступает на пороговый элемент ПЭ1. Наибольшее влияние помехи оказывают при сигнале на входе, близком по значению к порогу

Рис. 2.44. Структурная схема СУ со стробирова­ нием (а) и графики процессов в ней (б)

чувствительности сравнивающего устройства, когда они соизмеримы с сигналом и мЬгут вызвать ложные срабатывания или, наоборот, отсутствие срабатывания. ПЭ1 настроен так, что срабатывает лишь тогда, когда напряжение на его входе Ux — UK+ Unon> Ucpl-, в этом случае на его выходе будут создаваться ' импульсы. Если на вход интегратора Ин поданы все 100 импульсов, то на его выходе будет максимальное напряжение U„ max. Порог срабатывания порогового элемента ПЭг равен £/ср 2 = 0,5 Uu Шах или чуть больше. Следова­ тельно, он сработает независимо от помехи, только если на входе есть сигнал Ux — UK> Ucр х, так как при этом наличие регулярной no­

us

мехи даст примерно 50 увеличенных и примерно 50 уменьшенных им­ пульсов, а при Ux — UK< Um количество уменьшенных импульсов будет больше 50 и ПЭ2 не сработает.

Помеха

Рис. 2.45. Структурная схема СУ с дискретным интег­ рированием (а) и графики процессов в ней (б)

Входные схемы СУ

СУ в том или ином виде всегда имеется в любом ЦИП. В большин­ стве случаев, не считая сравнений с опорными интервалами времен].*, сравниваются два напряжения — измеряемое Ux и опорное U0. В при­ борах прямого преобразования нередко (например, интегрирующие вольтметры) опорное напряжение U0 постоянно; в приборах уравно­ вешивающего преобразования опорное напряжение U0 всегда пере­ менно. С точки зрения функционирования СУ это не играет сущест­ венной роли, поэтому в общем случае всегда можно говорить о сравне­ нии двух напряжений, обозначая их Ux и t/K, одно из которых, напри­ мер UK (условно), в процессе сравнения (уравновешивания) может изменяться. Следовательно, в общем случае в процессе сравнения

одно из напряжений (измеряемое Ux) уравновешивается другим (ком­ пенсирующим UK).

Основные параметры (разрешающая способность, входное сопро­ тивление и быстродействие) ЦИП в значительной мере зависят от пост­ роения и параметров входной схемы СУ. Поэтому очень важен анализ входных схем; например, для точных ЦИП уравновешивающего пре­ образования рассмотрение входных схем СУ с модуляцией входного сигнала. Вход СУ может быть трансформаторным и бестрансформаторным. Трансформаторный вход дает возможность легко разделить цепи измеряемого сигнала и СУ, но, так как не позволяет получить доста­ точно высокое входное сопротивление, в ЦИП применяется очень редко (только в специализированных ЦИП для измерения параметров низ­ коомных датчиков).

Основные типы входных схем СУ

В ЦИП процесс автоматического уравновешивания в общем слу­ чае не приводит к полной компенсации измеряемой и компенсирующей величин, так как выходной пороговый элемент СУ всегда имеет неко­

ществлено либо по схеме сравнения напряжений (рис. 2.46, а), либо по схеме сравнения токов (рис. 2.46, б). Схема сравнения токов имеет меньшее входное сопротивление в момент отсчета, но нередко ее суще­ ственным преимуществом является наличие общей точки соединения у источника Ех и СУ