книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

ляет несколько расширить диапазон изменения входных частот. Прак­ тические схемы балансных модуляторов для синусоидальных сигналов

показаны на рис. 7-7, г (смеситель на транзисторах) и рис. 14-5 (моду­

лятор на дифференциальном усилителе). На рис. 10-1 приведен при­

мер цепи, выполняющей функции балансного модулятора с фильтром нижних частот и формирователем выходного сигнала, но построенной

целиком на элементах цифровой техники. Входные сигналы этой цепи

должны иметь вид меандров стандартной амплитуды. Потенциально­ импульсные ключи на входах триггера играют роль балансного моду­

лятора. Если частоты входных сигналов не совпадают, положитель­ ный фронт напряжения, подаваемого на емкостные входы ключей,

будет совпадать с положительным полупериодом управляющих на­

пряжений то в одном, что в другом ключе. В результате ключи про­

пускают на входы триггера чередующиеся «гребенки» импульсов, частота повторения которых при близких друг к другу входных ча­ стотах равна разностной частоте. Триггер меняет свое состояние под действием первого импульса каждой «гребенки», поэтому частота его

срабатываний также равна разностной частоте.

Особенность этой цепи заключается в том, что моменты срабаты­

вания триггера всегда совпадают с моментами прихода импульсов от одного из входных сигналов, это эквивалентно тактованию (см. ниже)

сигнала разностной частоты входным сигналом. Из дальнейшего будет

видно, что период подвергаемого тактованию сигнала должен быть больше периода тактовых импульсов на определенную величину, за­

висящую от быстродействия элементов. В данном случае этому усло­ вию должен подчиняться не период, а полупериод сигнала разност­ ной частоты, так как тактованию подвергаются оба его фронта, поэ­

тому разностная частота не должна превышать половины частоты

сигнала, подаваемого на емкостные входы ключей (практически диа­ пазон еще меньше). Достоинство триггерного модулятора состоит в том,

что он сохраняет работоспособность при одновременном изменении

обеих входных частот в широком диапазоне (в модуляторах других

типов это требует перестройки полосы пропускания фильтра). Возможность работы только при близких между собой входных

частотах, чтобы диапазоны изменения частот различных составляю­ щих выходных сигнала не перекрывались, безусловно, является не­

достатком модуляторов. Методы, позволяющие снять это ограниче­

ние,— так называемые фазовые методы однополосной модуляции

[285] — до настоящего времени не находили применения в частотно­

цифровой аппаратуре.

Знакочувствительные цепи вычитания частот на основе модуля­

торов могут быть построены с использованием принципа многофазной модуляции. В общем случае одно из входных напряжений расщеп­

ляется по фазе на т напряжений, каждое из которых подается на от­

дельный модулятор с фильтром нижних частот. На вторые входы всех модуляторов подается одно и то же напряжение второго сигнала.

Выходные напряжения разностной частоты оказываются сдвинутыми

между собой на те же углы, что и входные напряжения (это легко про­ верить, считая модуляторы идеальными перемножающими устройст­

вами). Однако если частота сигнала, расщепляемого по фазе, больше частоты второго (нерасщепляемого) сигнала, то сохраняется не только

величина, но и знак фазовых сдвигов; если же частота расщепляемого

сигнала меньше, то знаки фазовых сдвигов меняются на противопо­

ложные.

Ввиду важности этого вопроса дадим наглядное пояснение. Как

известно, многофазную систему напряжений можно представить со­

вокупностью жестко скрепленных мёжду собой векторов, вращаю­ щихся в одном и том же направлении с угловой скоростью, равной

угловой частоте сигнала. Предположим, что разность частот входных

сигналов многофазного модулятора уменьшается до нуля и затем ме­

няет знак. В соответствии с этим система векторов, представляющих напряжения на выходах фильтров нижних частот, будет постепенно замедлять вращение, остановится, а потом станет вращаться в обрат­ ную сторону. При этом, естественно, вектор, который ранее отставал

от какого-либо из остальных, будет опережать его.

Таким образом, задача определения знака разностной частоты оказывается аналогичной задаче распознавания направления враще­ ния вала при следящем преобразовании угол — код с помощью счет­ ного преобразователя [265]. На рис. 10-2 изображена полная логи­

ческая схема многофазного модулятора и логической цепи, в совокуп­

ности образующих знакочувствительную цепь вычитания частот, [239]. В данном случае использован двухфазный модулятор, логиче­ ская цепь полностью совпадает с цепью, описанной в работе [265]

применительно к преобразователю угол—код.

Достоинством такой цепи является ее свойство давать на выходе

т импульсов (в данном случае 4) на каждый период сигнала разност­ ной частоты. Фактически эта цепь является разновидностью умножи­

теля частоты с набором фазовращателей (см. гл. 11). Если не требуется

умножения разностной частоты, то можно упростить цепь, используя

только половину или четверть (рис. 10-3) всех возможных ключей. При построении таких сокращенных цепей важно правильно выбрать используемые ключи. В качестве примера на рис. 10-3 изображены соответственно правильно (а) и неправильно (б) построенные цепи.

Рис. 10-2. Знакочувствительная цепь вычитания частот с многофаз­ ным модулятором: a — логическая схема; б — временная диаграмма работы триггеров-формирователей и ключей

Рассматривая работу последней, можно видеть, что если закон изме­

нения входных частот таков, что вектор, изображающий сигнал раз­ ностной частоты, не вращается, а только качается, так что триггер

Рис. 10-3. Сокращенные варианты цепей вычитания частот с многофазным модулятором: a — правильный, б — непра­ вильный

Шмитта (формирователь) Т2 срабатывает многократно, а триггер Тг не срабатывает, то все выходные импульсы будут подаваться на один

итот же выход, т. е. будет выдан ложный сигнал разностной частоты.

Втех же условиях правильно работающая цепь будет выдавать чере­

дующиеся импульсы по обоим выходам, что и будет говорить о равен­

стве разностной частоты в среднем нулю. Практически такое поло­ жение может возникнуть в случае работы дифференциального частот-

ного датчика, измеряющего входную величину, близкую к нулю, в ус­ ловиях помех и вибраций. Правило построения безошибочно рабо­ тающей сокращенной цепи таково: каждому ключу, работающему при каком-либо одном знаке разностной частоты, должен соответст­

вовать ключ, работающий при другом знаке, такой, что управляющий

потенциал на него берется с той же шины, что и у первого ключа, а импульс — с противоположной шины по отношению к первому ключу.

В работе [2401 описан многофазный модулятор, выполненный це­

ликом на элементах дискретного действия. Его достоинство — от­ сутствие аналоговых фазовращателей и фильтров, требующих на­ стройки, благодаря чему цепь может работать при любых значениях входных частот (лишь бы только между ними было правильное соот­

ношение). Недостаток — относительно узкий диапазон изменения

разностной частоты, ограничиваемый условием правильного тактования, свойственным триггерному модулятору. В данном случае пра­

вильное тактование возможно при условии 3/ 2 < /1 < 5/ 2, которое

и определяет возможный диапазон отклонения входных частот. За границами этого диапазона возможен целый ряд кратных режимов,

которые в некоторых случаях также могут быть использованы в ча­

стотно-цифровой аппаратуре.

Наряду с описанными цепями суммирования и вычитания частот,

построенными на основе модуляторов и работающими в ограниченном

относительном диапазоне изменения входных частот, существует много разновидностей цепей, оперирующих с импульсными потоками не­

зависимо от того, периодически следуют импульсы или случайно.

При применении таких цепей в частотно-цифровых приборах основная

трудность связана с тем, что импульсы суммируемых или вычитаемых

потоков формируются обычно независимо друг от друга и аналоговыми средствами, в результате чего их взаимное расположение совершенно

произвольно: имеются несовпадающие, частично совпадающие и пол­ ностью совпадающие импульсы. Для упорядочения временных соот­ ношений независимо сформированных импульсов используются два основных метода: метод тактования и метод антисовпадений.

Цепи суммирования и вычитания частот на принципе антисовпа­ дений выявляют полностью или частично совпадающие импульсы входных последовательностей (а также, если необходимо, слишком близкие импульсы) и осуществляют их взаимный запрет или сдвиг.

Для выполнения операции вычитания частот оставшиеся незапрещен-

ными импульсы подаются непосредственно на входы реверсивного счетчика или на дискретный фильтр (см. ниже); для выполнения опе­ рации суммирования выходные импульсы цепи, выявляющей совпаде­

ния, расщепляются на два импульса и вместе с оставшимися незапре-

щенными импульсами обеих последовательностей через ячейку

«ИЛИ» подаются на один и тот же вход счетчика.

Логическая схема цепи антисовпадений показана на рис. 10-4. Здесь из входных импульсов сначала формируются импульсы прямо­

угольной формы и длительности, равной минимально допустимому расстоянию между выходными (незапрещенными) импульсами цепи

вычитания или суммирования частот. Пусть эта длительность равна тг. Сформированные импульсы подаются на цепь совпадений (ячейку

«И») обычного типа. В случае полного или частичного совпадения

Рис. 10-4. Логическая схема цепи антисовпадений

сформированных импульсов на выходе ячейки «И» появятся импульсы

с длительностью от нуля до тх. Эти импульсы запускают одновибратор

Од, формирующий сигнал запрета длительностью т2 > тг. Так как в общем случае импульс запрета начинает

на его коллекторе отрицательного импульса

почти прямоугольной формы. Импульс запрета формируется однови-

братором с малым временем восстановления; ключи запрета построены на трех транзисторах с общим эмиттериым сопротивлением.

Цепи суммирования и вычитания частот на принципе тактования

осуществляют «привязку» импульсов входных потоков к импульсам

вспомогательных тактовых последовательностей, т. е. вместо каждого

из входных импульсов выдают импульс, совпадающий с одним из так­

товых. Эта операция и называется тактоваиием (или синхронизацией).

Если тактование двух входных потоков производить двумя несовпа­ дающими последовательностями тактовых импульсов, то выходные

(тактованные) импульсы образуют два также несовпадающие потока,

которые могут быть поданы на входы реверсивного счетчика (или на дискретный фильтр) для вычитания или на ячейку «ИЛИ» для сумми­ рования. Этот метод позволяет одновременно обрабатывать любое число частот, для чего требуется только соответствующее количество сдви­ нутых во времени последовательностей тактовых импульсов.

Цепь тактования одного из входных импульсных потоков (рис. 10-7) представляет собой триггер, который ставится в положение 1 каждым из импульсов входного потока и возвращается в положение 0 ближай­ шим или следующим за ним тактовым импульсом. Дополнительная

цепочка RC разрешает поступление тактовых импульсов на триггер

только через некоторое время после прихода входного импульса, когда переходные процессы в триггере уже заканчиваются, и тем са­

мым устраняет возможность появления уменьшенных выходных им­

пульсов. Практически элементы цепочки RC подбираются экспери­

ментально путем наблюдения формы кривой на коллекторе триггера

на экране осциллоскопа при синхронизации развертки входными им­ пульсами (рис. 10-8).

Для правильной работы цепи тактования частота тактовых им­ пульсов должна быть такой, чтобы в наименьшем промежутке между

входными импульсами укладывались два тактовых импульса и два

времени «задержки» т3 (рис. 10-8), т. е. должно соблюдаться соотно­

в случае, если в качестве тактовой используется более высокая ча­ стота, и равна нулю в противоположном случае (строго говоря, это справедливо только при т3 —>0). Таким образом может быть построена цепь вычитания частот с односторонней характеристикой.

Следует заметить, что операция тактования несколько увеличи­

вает погрешность квантования при цифровом измерении частоты, так

как вносит переменную задержку импульсов. Эта задержка распре­

делена равномерно в пределах от т3 до т3 + 1//т, ее математическое

ожидание равно та + l/2fT. Влияние задержки на погрешность кван­

тования при измерении одной частоты можно оценить, пользуясь фор­ мулами § 11-1; при измерении суммы, разности или другой комбина­

ции нескольких частот каждая входная последовательность дает свою

погрешность квантования. С аналогичных позиций можно подойти

и к оценке увеличения погрешности квантования, вызываемой це­ пями антисовпадения.

Дискретные фильтры на выходе цепей вычитания частот, постро­ енных по принципу антисовпадений или тактования, ставятся в тех

случаях, когда необходимо устранить чередующиеся

Выход1

пей. Это дает возможность уменьшить число сраба­

тываний реверсивного счетчика или даже заменить

его нереверсивным.

Логическая схема дискретного фильтра показана

на рис. 10-9. Каждый входной импульс фильтра

либо ставит триггер в такое положение, при кото­

ром ключ в канале этого импульса открыт, а дру­

гой закрыт, либо подтверждает это положение триг­ гера. В случае, если приходящий импульс застает триггер уже поставленным в то положение, которое

он подтверждает, этот импульс может пройти через

Рис. 10-9. Логическая схема дискретного фильтра

подготовленный ключ на выход фильтра. Если триггер находится в про­

тивоположном положении, ключ оказывается закрытым и успевает открыться только после окончания импульса благодаря цепи задержки (в реальных устройствах с применением диодно-резистивных ключей по типу рис. 10-1 отдельная линия задержки ЛЗ не нужна, так как постоянная времени, с которой открывается ключ, равна постоянной времени, с которой спадает импульс). Поэтому, если на входы триг­ гера поступают чередующиеся импульсы, каждый из них меняет со­ стояние триггера и ни один не проходит на выход. Только в том слу­ чае, если на один вход приходят подряд два импульса, второй из них проходит через открытый ключ на выход фильтра.

Если дискретный фильтр используется совместно с реверсивным

счетчиком, он одновременно может служить триггером, определяю­

щим направление счета. Кроме того, этот триггер может одновременно

служить фазовым демодулятором цепи аналоговой интерполяции (см.

§ 9-5), которая позволяет повысить точность измерения частоты или заполнить ступеньки в характеристике частотно-цифрового интегри­

рующего звена [321] (см. § 14-1).

10-2. Вычитание начальной частоты в счетчике

При использовании частотных датчиков с характеристикой вида f = fxо ± kx требуется вычитание из текущего значения частоты f ее начального значения fxQt соответствующего нулевому значению из­

меряемой величины х. Цепи вычитания частот (см. § 10-1) не всегда

удобны, так как требуют стабильного (а иногда и регулируемого)

генератора частоты /*0. В настоящем параграфе рассматриваются спо­ собы учета начальной частоты путем вычитания из результата изме­

рения частоты / числового эквивалента частоты fx0.

Вычитание значения начальной частоты вида k-Wm. Наиболее просто вычитание начальной частоты производится тогда, когда эта

частота всегда постоянна и имеет значение вида /г-10т . Поясним это

на примере. Пусть начальная частота датчика равна точно 1 кгц, а наибольшее значение частоты, соответствующее 100% измеряемой ве* личины, не превышает 2 кгц. В счетчике такого прибора просто дол­

жен отсутствовать разряд единиц килогерц. Действительно, при по­

ступлении на счетчик за 1 сек 1378 импульсов на табло прибора будет индицироваться цифра 378, которая и соответствует измеряемой ве­

личине.

Очевидно, что таким образом можно исключить начальную частоту

только тех датчиков, у которых рабочее изменение частоты не более

двукратного. Однако весьма просто решается вопрос и тогда, когда ча­ стота изменяется, например, от начального значения, равного 1 кгц, до наибольшего значения 9 кгц, В этом случае достаточно соединить

выходы дешифратора старшего разряда счетчика с устройством ин­ дикации таким образом, чтобы выход дешифратора «1» соединялся со

входом «0» индикатора (например, лампы ИН-1), выход дешифратора «2» — со входом «1» индикатора и т. д.

Вычитание путем ненулевой начальной установки счетчика. Наи­

более универсальным и достаточно простым методом вычитания чис­

лового эквивалента N0 = fx0tn начальной частоты является установка на счетчике дополнительного кода JV0 доп числа N0 перед каждым цик­ лом измерения. В этом случае после прихода N0 импульсов в начале измерительного интервала счетчик переполнится и дальнейший счет будет происходить от нуля. По окончании измерительного интервала

число в счетчике будет соответствовать разности / — fv0.

Если числоNe = fx0tn постоянном заранее известно, то сброс счет­ чика в состояние УУ0доп можно предусмотреть еще при проектирова­ нии принципиальной схемы прибора. В том случае, когда прибор должен работать с несколькими датчиками, у которых начальные ча­ стоты различны, смену числа Л^0доп можно производить переключе­ нием диодных матриц, распределяющих сигнал сброса.

Если имеется возможность непосредственно перед измерением определить начальную частоту датчика и тем самым исключить по­ грешность от ее дрейфа, вся цепь начальной установки счетчика де­ лается управляемой. При ручном управлении установка кода М0доп

производится с помощью тумблеров или галетных переключателей,

для автоматизации этой операции в прибор вводится дополнительный счетчик начальной частоты. Перед основным измерением при х = О начальная частота запоминается дополнительным счетчиком. Затем прибор переключается на рабочий режим, и тогда перед началом каж­ дого измерения число со счетчика начальной частоты переписывается

в дополнительном коде в основной счетчик.

На рис. 10*10 показан возможный вариант цепи переписи для двух

пар триггеров счетчика. Нетрудно убедиться, что верхние триггеры в результате воздействия импульса переписи установятся в состоя­

ния, противоположные состояниям нижних триггеров (обратный код).

Для получения дополнительного кода достаточно теперь добавить один импульс на вход верхнего счетчика.

Установка нуля при измерении в примыкающих интервалах. Иногда встречаются задачи, когда нужно производить измерения в примы­

кающих интервалах, без потери информации. В этом случае отсутст­

вуют промежутки времени, когда на вход счетчика не поступают им­ пульсы, и соответственно отсутствует время для подготовки счетчика к каждому следующему измерению. Самый простой путь для преодо­

ления этого затруднения — включить в состав прибора два одинако­

вых счетчика для подсчета импульсов текущей частоты и обеспечить их поочередную работу. В то время как один счетчик производит счет импульсов, показания второго счетчика регистрируются, и затем про­

изводится его начальная установка. В следующем измерительном интервале роли счетчиков меняются и т. д.

На рис. 10-11 приведена схема устройства, позволяющего обойтись

для измерения в примыкающих интервалах одним основным счетчиком

и тем самым избежать переключения цепей регистрации и индикации. Для этого в прибор вводится, кроме основного счетчика и счетчика

начальной частоты, вспомогательный счетчик емкостью Nocn =