книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

покоя транзистора и известного угла отсечки определяются токи и

напряжения в базовой и эмиттерной цепях транзистора.

Далее производится расчет элементов контура. Если значения L и С контура могут выбираться свободно, то Сэкв или близкое к нему С3 в работе [61 ] рекомендуется выбирать из эмпирического соотноше­ ния С = (1 -s- 3)//, где С — в микрофарадах, а / — в килогерцах. По

известным значениям /?„, Q, Сэкв и генерируемой частоты из (3-10)

определяется произведение СХС2. Абсолютные значения С> и С2 часто

выбираются равными между собой, что обеспечивает наибольшую близость Сэкв к Са (максимум C1C J(C l + С2) при заданном СгС3).

При этом входное сопротивление контура, практически определяющее коллекторную нагрузку генераторного транзистора по переменному току, RBX = p^pQ = QC3KJ2nfC\ оказывается равным проходному

сопротивлению Ra, и коэффициент усиления генераторного транзи­ стора по напряжению UK_ JU 6_3 = 1. При более точном расчете

следует учесть неравенство входного сопротивления усилителя, ко­ торое шунтирует емкость С2, выходному сопротивлению, которое шун­

тирует емкость Сц и несколько изменить отношение C JC , с тем, чтобы

обеспечить наименьшее снижение добротности контура.

В заключение производятся проверки на отсутствие насыщения в области вершины импульса коллекторного тока и на мягкое само­

возбуждение при включении генератора. При проверке на отсутствие

насыщения полезно иметь в виду, что падение напряжения на насы­

щенном транзисторе при указываемых в паспортных данных допусти­ мых токах переключения для большинства транзисторов колеблется

в пределах 2,7 — 3,3 в и в среднем может быть принято равным 3 в. Отсюда сопротивление транзистора в режиме насыщения может быть определено как гн = 3//„, где /„ — паспортное значение тока пере­ ключения. Для проверки на мягкое самовозбуждение находится реаль­

с однокаскадными усилителями (используется эквивалентная схема кварца, содержащая последовательный контур).

3-4. Частотные датчики на основе RC и /^-генераторов

В табл. 3-5 представлены схемы частотнозависимых цепей RC-ге­ нераторов. Потенциальные /?С-цепи для построения генератора тре­ буют усилителя напряжения, т. е. усилителя с высоким входным и

низким выходным сопротивлениями [76, 91 ]. Эти цепи удобны для

построения ламповых генераторов.

При использовании транзисторных усилителей удобнее применять токовые [102] или потенциально-токовые /?С-цепи [68, 69]. В гене­ раторе с токовой цепью усилитель должен иметь высокое выходное

и низкое входное сопротивление (цепь включается, например, в ка­ честве коллекторной нагрузки усилителя). В генераторе с потенци-

Добротность избирательной цепи найдем следующим образом:

Из последней формулы видно, что чем меньше коэффициент пере­ дачи избирательной цепи при квазирезонансе А (со0) — Р> тем больше

„добротность Q. Цепи, имеющие боль-

гь ший коэффициент передачи А (©„), по­

зволяют при одном и том же усили­

теле вводить более глубокую отрица­

тельную обратную связь и тем самым

вбольшей степени увеличивать до­ бротность избирательной цепи. По­

выполняют инерционно-нелинейной. Глубина такой обратной связи увеличивается с ростом амплитуды колебаний. В качестве инерционно­

нелинейных элементов, как правило, используют полупроводниковые

термисторы или лампочки накаливания.

Значительно реже, чем /?С-генераторы, используются RL и ÆLC-генераторы, что вызвано отчасти тем, что добротность их изби­

рательных цепей еще ниже, чем у #С-цепей, вследствие потерь в ак­

тивном сопротивлении катушек индуктивности. Все RC-UQпи, приве­

денные в таблице, могут быть преобразованы в ÆL-цепи простой за­

меной емкости на индуктивность. Если пренебречь потерями в индук­

тивности, то приведенные в табл. 3-5 характеристики будут верны

и для /^L-цепей, но в формулах для частоты следует произведение RC

заменить на отношение L/R.

Примеры частотных датчиков с RС-генераторами. На рис. 3-18

показана схема частотного датчика, примененного для преобразова-

ния освещенности в частоту [72]. В этом датчике фоторезистор ФСК'1

включен в трехзвенную лестничную цепь /?-параллель.

На рис. 3-19 показана схема частотного микрометра с емкостным преобразователем [69]. Датчик построен на основе генератора с по­

тенциально-токовой #С-цепью. Применена лестничная цепь С-па- раллель, которая позволяет получить одну общую заземленную пла­

стину у всех четырех конденсаторов. Эта пластина выполнена в виде латунного диска диаметром 60 мм. Вторые пластины конденсаторов

представляют собой четыре изолированных друг от друга сектора,

полученных вжиганием серебра на поверхности диска из микалекса.

Применение потенциально-токовой #С-цепи является в данном случае способом уменьшить влияние входной и выходной емкостей усилителя на частоту автоколебаний. Так как эти емкости сравнимы по величине с емкостью конденсаторов RC-цепи, то они могут существенно ухуд­

шить стабильность частоты и линейность. Усилитель генератора на

рис. 3-19 имеет малые входное и выходное сопротивления, поэтому ем­ кости, шунтирующие эти сопротивления, практически не влияют на

частоту генератора. Резистор сопротивлением 3,9 Мом, шунтирующий

частотнозависимую цепь, .служит для введения отрицательной обрат­

ной связи с целью увеличения добротности избирательной цепи.

Вследствие того, что все четыре емкости /?С-цепи в датчике изме­ няются одновременно, выходная частота генератора изменяется об­ ратно пропорционально величине этих емкостей. Если бы емкость

изменялась строго обратно пропорционально зазору между пласти­

нами, то частота оказалась бы линейной функцией этого зазора. Прак­

тически полученная характеристика датчика имеет некоторую нели­

нейность, которая вызвана влиянием паразитных емкостей первичного преобразователя» а также фазовыми сдвигами в усилителе генератора.

Генераторы с автоподстройкой сопротивления избирательной цепи. Приведенный выше пример проиллюстрировал, в частности, один

из методов получения линейности градуировочной характеристики

частотных датчиков на основе /?С-генераторов, заключающийся в том, что первичный преобразователь делается многоэлементным, так чтобы

в /?С-цепи одновременно изменялись или все емкости, или все сопро­

тивления. Недостаток этого метода заключается в том, что он непри­ годен для работы с обычными одноэлементными первичными преобра­

зователями.

В настоящее время разработаны специальные генераторы с Г-об-

стройкой сопротивления в jRC-цепи. Генератор состоит из усилителя и мостовой /?С-цепи, включающей в себя двойную Г-образную частотно­ зависимую RC-цепь (Rlt R 2, Сг, С2) и цепь отрицательной обратной связи (Rs, i?4). Коэффициент положительной обратной связи через частотнозависимую цепь на частоте автоколебаний

Коэффициент отрицательной обратной связи через делитель R a—Ri определится выражением

Согласно условию амплитуд при установившихся автоколебаниях

коэффициент усиления по замкнутому контуру генератора'равен еди­

нице:

где К — коэффициент усиления усилителя. Преобразуем это равенство следующим образом:

Подставляя в равенство (3-17) значения |5Пи р0, определяемые со­ отношениями (3-14) и (3-15), получаем

где

(3-19)

В генераторе на рис. 3-20 сопротивление R х представляет собой

металлическую нить лампочки накаливания, разогреваемую выход­

ным напряжением генератора. С ростом амплитуды колебаний темпе­ ратура нити увеличивается, ее сопротивление также увеличивается,

и это приводит к уменьшению коэффициента положительной обратной

связи, определяемого выражением (3-14). Амплитуда колебаний в ге­ нераторе установится на таком уровне, при котором сопротивление

нити таково, что точно выполняются равенства (3-16), (3-17), (3-18).

Очевидно, что при этом

Подставляя в формулу для частоты генератора

Из выражения (3-22) следует, что при включении инерционно-не­ линейного сопротивления на место сопротивления 7?х частота генера­ тора изменяется обратно пропорционально сопротивлению R 2. При выполнении условия Ci/C1 < I частота генератора, кроме того, из­

меняется обратно пропорционально емкости С2.

Нестабильность подстраиваемого сопротивления R ± не влияет на частоту генератора, несмотря на то, что это сопротивление входит в его частотнозависимую цепь. Действительно, величина подстраивае­ мого элемента однозначно определяется величинами остальных эле­

ментов избирательной цепи и коэффициентом усиления усилителя.

Нестабильность характеристики подстраиваемого элемента, вызван­ ная, например, влиянием окружающей температуры, приведет лишь к изменению амплитуды колебаний, так как любое, даже самое не­ большое, отклонение величины подстраиваемого элемента от устано­ вившегося значения нарушит условие равновесия амплитуд К (Рп—

— Ро) = 1. Амплитуда колебаний снова установится лишь тогда, когда

будет восстановлено прежнее значение подстраиваемого элемента,

при котором К (Рп — Ро) = 1-

При прочих равных условиях, частота R С-генератора с автопод­ стройкой имеет несколько большую нестабильность, чем у обычного

генератора, за счет изменения величины а [см. выражение (3-22) ], которая зависит от коэффициента усиления. Однако если коэффициент усиления усилителя достаточно велик, то величина а будет мала и ее изменения, как следует из равенства (3-19), практически не будут ока­

зывать влияния на частоту.

Выше рассмотрен пример генератора (рис. 3-20) с автоподстройкой сопротивления R x. Можно также подстраивать сопротивление R Zt

тогда период колебаний будет пропорционален сопротивлению R t.

Вообще при автоподстройке одного из двух сопротивлений Г-образиой

цепи линейная зависимость будет связывать период и величину вто­

рого сопротивления, а при выполнении некоторых условий будет близка к линейной и зависимость периода от одной из емкостей [69].

Подстройка сопротивления в jRL-генераторе позволяет получить уже

не период, а частоту, изменяющуюся пропорционально сопроти­

влению.

Преобразователь сопрбтивления в частоту, схема которого пока­

зана на рис. 3-21, был разработан для построения цифрового телетер­

мометра. Если производить подстройку сопротивления R 2 (рис. 3-21,а) для чего на его место включается термистор, разогреваемый выход­ ным напряжением, то частота генератора определится выражением

(3-23)

Соотношения (3-23) и (3-24) показывают, что частота генератора изменяется линейно с изменением сопротивления R lf некоторую не­ линейность вносит лишь сопротивление г2 катушки индуктивности Lo. Однако достаточно выполнить катушку индуктивности L* так,

чтобы ее активное сопротивление было в 20 раз меньше сопротивления

Ri, и погрешность от нелинейности составит менее 0,1% при измене­

нии выходной частоты вдвое.

Особенность генератора по схеме рис. 3-21, 6 состоит в том, что с заземленным проводом соединяется последовательное звено .RL-цепи. Это достигается благодаря введению обмотки L 3 и дает возможность присоединить к генератору платиновый термометр сопротивления

(градуировка 21) при помощи двухпроводной линии с одним заземлен-

Рис. 3-21. Схемы избирательной цепи (а) и R/.-генератора пре­ образователя сопротивления в частоту, использованного для построения цифрового телетермометра (б)

ным проводом. Таким образом уменьшается влияние емкости линии на выходную частоту генератора.

Катушки индуктивности выполнены на броневых ферритовых сер­ дечниках диаметром 18 мм с зазором между половинами магнитопровода. Катушка L x содержит 180 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,25 мм. Катушка индуктивности L s — L 3 содержит 265 витков про­

вода диаметром 0,19 мм (L2) и 265 витков провода диаметром 0,06 мм

(Ls). Параметры катушек следующие: L x = 3,8 мгн\ L 2 = 12,3 мгн, гх = 2,4 ом, г%= 6 ом. В качестве постоянных сопротивлений избира­

тельной цепи в генераторе использованы точные резисторы (обозна­

чения номиналов этих резисторов на рис. 3-21, б подчеркнуты).

Генератор по схеме 3-21, б содержит регулируемые резисторы (Rs,

Rio, Rie) и трехпозиционный переключатель, что дает возможность

производить настройку по частоте так, чтобы выходная частота была

равна 4 кгц при tx = 0 и 7 кгц при tx = 300° С. При настройке вместо термометра сопротивления к генератору с помощью переключателя поочередно присоединяются манганиновые резисторы R7 и RB сопро­ тивлением 46 ом и 98,34 ом, соответствующие 0 и 300° С измеряемой температуры. Чувствительность преобразователя регулируется рези­ стором R 1Sf а начальная частота — резистором R 10. Резистор R5 слу­ жит для подгонки сопротивления линии.

Основная погрешность преобразователя не превышает 1%, вклю­

зультате выпрямления и сглажива­ ния выходного напряжения генератора U Инерционность цепи авто­

подстройки в данном случае определяется постоянной времени филь­

тра на выходе выпрямителя. Подобным образом, очевидно, можно по­

строить и ^ L -генератор, в котором индуктивность будет управляться

током подмагничивания, получаемым в результате выпрямления гене­

рируемого напряжения. Частота генератора с автоподстройкой од­

ного из реактивных элементов Г-образной цепи изменяется обратно пропорционально величине другого реактивного элемента. Это дает

возможность получать близкую к линейной зависимость частоты от

длины воздушного зазора между пластинами плоского конденсатора или между полюсами магнитопровода катушки индуктивности.

На рис. 3-23 показана принципиальная схема генератора с авто­ подстройкой емкости, примененного для построения динамометра с емкостным первичным преобразователем [71]. В этом генераторе выходное напряжение выпрямляется с помощью триода Т5, сглажи­ вается фильтром R 1Q— С4 и управляет емкостью стабилитрона Д808. При испытании этого генератора изменение емкости Сх от 300 до 700 пф вызвало изменение выходной частоты примерно от 74 до 34 кгц, при этом погрешность от нелинейности зависимости периода от емкости

не превышала 0,1%.

Характеристики частотных датчиков с RC и RL-генераторами. Как и в случае применения LC-генераторов, погрешность частотного датчика, вносимую 7?С-генератором, можно считать состоящей из

двух составляющих: погрешности от нестабильности частоты и погреш­