книги / Цифровые приборы с частотными датчиками

торых трудно выделить один из многих резонансов, а также в датчиках с корпускулярными резонаторами, выходной сигнал которых на­ столько слаб, что осуществить автоколебания практически невозможно.

Автоколебания, как известно, могут существовать в замкнутых

системах, у которых усиление по контуру превышает единицу, а сум­ марный фазовый сдвиг равен нулю (или целому числу периодов).

В большинстве случаев требуемое усиление обеспечивается электрон­

ным усилителем, вносящим фазовый сдвиг, близкий к нулю или 180° При этом условии из всех возможных частотнозависимых систем мо­

гут непосредственно включаться в замкнутый контур автогенератора

только такие, у которых на характерной частоте фазовый сдвиг также

°) г

Рис. 1-8. Структурные схемы частотно-цифровых приборов с автоколебательными датчиками: а — одноконтурного; б — с дополнительной цепью обрат­ ной связи

равен нулю или 180°. К таким системам относятся все резонаторы (с

выходом по обобщенной скорости), а также некоторые RC и R L -цепи (см. § 3-4). При использовании резонаторов с распределенными пара­

метрами условие фаз выполняется на нескольких различных частотах.

В этом случае величина коэффициента усиления усилителя и его ча­

стотная характеристика должны быть выбраны так, чтобы генерация

была возможна только на одной из собственных частот резонатора. Общая структурная схема автоколебательного частотного датчика с непосредственным включением частотнозависимой системы в контур

и усилителем 5. Измерительным устройством служит цифровой ча­

стотомер (или измеритель периода) 6 . Эта же структурная схема ис­

пользуется для измерения характеристик усилителей [13] и интегра­

торов [48].

На рис. 1-8, б представлен другой вариант структурной схемы дат­ чика, в которой могут работать частотнозависимые системы, уравно­ вешивающиеся на определенной частоте (например, двойной Т-образ­ ный мост). Здесь условия генерации обеспечиваются на частоте рав­ новесия системы 2 благодаря цепи частотнонезависимой положитель­ ной обратной связи 7; на всех остальных частотах выходной сигнал частотнозависимой системы препятствует автоколебаниям.

Наконец, в третьем варианте, совпадающем по структурной схеме

с рис. 1-8, б, усилитель 5, охваченный частотнозависимой положи­ тельной обратной связью 7, сам по себе представляет автоколебатель­

ную цепь, а частотнозависимая система 2 играет лишь роль фазовра­

щателя, вызывающего некоторой сдвиг генерируемой частоты по от­

ношению к постоянной частоте настройки цепи 7. Следует отметить,

что в отличие от в с е х других рассмотренных датчиков здесь частот­

нозависимая система не имеет определенной характерной частоты, реализуемой в виде частоты выходного сигнала датчика. Более того,

в автоколебательных датчиках типа рис. 1-8, б могут использоваться

не только частотнозависимые системы, изменяющие фазовый сдвиг

в зависимости от измеряемой величины, но даже и устройства, изме­ няющие только коэффициент передачи, в сочетании с обычными неперестраиваемыми фазовращателями (см- § 3-5). Благодаря этому открывается уникальная возможность строить частотные датчики на

основе тензометрических мостов, полупроводниковых модуляторов

для измерения малых постоянных напряжений и т. д.

Существует модификация режима автоколебаний для резонаторов

с одной степенью свободы, которую можно назвать квазисвободными

колебаниями. Она состоит в том, что колебания резонатора поддер­

живаются импульсами, каждый из которых генерируется при зату­ хании колебаний до определенного уровня и подается в определенной фазе по отношению к этим колебаниям. В таком режиме работают ма­ ятниковые астрономические часы; по-видимому, его целесообразно использовать только в наиболее низкочастотных датчиках.

1-3. Структурные схемы развертывающих и интегрирующих частотных датчиков

По способу получения периодического выходного сигнала (способу

замыкания цикла) можно выделить три основные группы разверты­ вающих и интегрирующих датчиков, которые можно условно назвать датчиками с естественным циклом, с накоплением и с уносом.

Датчики с естественным циклом — это тахометрические и доппле­ ровские датчики, выходной сигнал которых обладает естественной пе­

риодичностью. Общая структурная схема частотно-цифрового прибора

с тахометрическим датчиком показана на рис. 1-9, а, где 1 — предва­

рительный преобразователь измеряемой величины X в, скорость вра­ щения подвижной части 2; 3 -г- возбудитель (источник энергии вы­ ходного сигнала); 4 — приемник сигнала и 5 — цифровой частото­

мер. В структуре допплеровского датчика (рис. 1-9, б) предваритель­

ный преобразователь не изображен» так как измеряемой величиной является, как правило, сама скорость vx подвижного объекта 2, зато

дополнительно имеется смеситель 6, выделяющий разностную (допп­

леровскую) частоту сигналов возбудителя 3 (называемого в этом

случае излучателем) и приемника 4.

Механизм действия датчиков этой группы по существу заключается

в преобразовании пространственного положения подвижной части в мгновенную фазу выходного сигнала (аргумент синусоидальной

функции), чем и объясняется периодичность этого сигнала. По той же причине и выходная частота, которая, как известно, является про­

изводной фазы по времени, точно соответствует производной положе­

ния по времени, т* е. скорости.

В качестве примера рассмотрим простейший датчик тахометра

с индукционным преобразователем в виде рамки, вращающейся в од-

Рис. 1-9. Структурные схемы частотно-цифровых приборов с тахометрическим (а) и допплеровским (б) датчиками

нородном магнитном поле. Только потому, что потокосцепление рамк

связано с углом поворота 0 зависимостью ЧГ = 4Tmcos 0, наводима

висимость выходного сигнала от положения дает основание, следуя

Д. И. Агейкину, Е. Н. Костиной и H. Н. Кузнецовой [2], назвать датчики рассматриваемой группы позиционными и отнести к ней все прочие датчики для измерения скорости, которые при перемещении подвижной части дают периодический сигнал: оптические и акустиче1 ские интерферометры, датчики с дифракционными решетками, зуб­ чатыми рейками и т. д.

Датчики с накоплением отличаются тем, что в них в течение пе­ риода происходит более или менее равномерное перемещение подвиж­ ной части или накопление вещества либо энергии, а затем осущест­ вляется возврат в исходное положение. Так, работа расходомеров

многих типов сводится к накоплению вещества, расход которого

измеряется, в определенном объеме, который после заполнения

опорожняется. Процесс накопления энергии характерен для дат­ чиков релаксационного типа, например мультивибраторов.

Примером датчика с принудительным возвратом может служить

управляемый блокинг-генератор.

В датчиках с чередующимися накопителями (рис. 1-11) входной

сигнал поступает через переключатель на один из двух интеграторов 1а или 16. По достижении выходной величиной этого интегратора

уровня срабатывания соответствующего дискриминатора 2а или 26

двустабильное устройство 3 переходит в другое состояние, переклю­ чая входной переключатель так, что сигнал начинает поступать на

другой интегратор, и возвращая в исходное положение ранее работав­

ший интегратор.

Период выходного сигнала в случае использования идеальных

интеграторов

и в случае использования апериодических звеньев

где tn — время, необходимое на переключение накопителей. Время

возврата tB, обычно значительно превышающее /п, в данном случае

не сказывается на выходной частоте, так как возврат каждого из на­ копителей полностью заканчивается за время работы второго.

По этой схеме фактически работают, например, обыкновенные мультивибраторы с емкостной связью, преобразователи напряжения

в частоту на фантастронах, а из неэлектрических датчиков — различ­

ные расходомеры.

Датчики с изменением направления накопления по структуре (рис. 1-12) близки к датчикам с чередующимися интеграторами, но здесь имеется всего один накопитель, работающий либо на увеличе­

ние, либо на уменьшение выходной величины (в зависимости от поло­ жения переключателя), а приемники-дискриминаторы 2а и 26 на­

строены один на максимальное LMaKC, а другой на минимальное LMHH

значение этой величины. В этом случае справедливы формулы (1-8)

Ройера), релаксаторы на туннельных диодах 126], а из механических датчиков — вискозиметры [36, 40].

Структурная схема датчика с непрерывным накоплением показана на рис. 1-13. От схемы рис. 1-10 она отличается лишь тем, что импульс возврата подается не на отдельный вход интегратора, а вычитается

непосредственно из входного сигнала. Благодаря этому во время дей­ ствия импульса возврата интегратор не теряет работоспособности и продолжает интегрировать входную величину. Действие импульса

возврата в этом случае эквивалентно мгновенному (прерывистая ли­

ния на рис. 1-13, б) принудительному уменьшению выходного сигнала

а)

Следовательно, в отличие от всех остальных датчиков с накопле­

нием выходная частота датчиков с непрерывным накоплением не за­ висит ни от масштабного коэффициента интегратора, ни от уровня срабатывания дискриминатора, а определяется лишь площадью им­ пульса возврата. Такие свойства характерны для датчиков с обратной связью и будут подробно рассмотрены в гл. 13.

Датчики с уносом — это импульсные ультразвуковые датчики и расходомеры с метками, в которых метка или импульс ультразвуковых

колебаний, созданные возбудителем, движутся самостоятельно, так что возврат их невозможен. Вместо возврата при достижении меткой

или импульсом приемника происходит просто генерация новой метки

или нового импульса, т. е. как бы воспроизведение подвижной части датчика. Структура и временные диаграммы работы датчика такого

типа показаны на рис. 1-14, я, б, выходная частота определяется той же формулой (1-8), что и для датчика с чередующимися накопителями,

только Lm = LN2 и kY= k2. В другой разновидности датчиков с уно­

сом, структура и временные диаграммы работы которых показаны на рис. 1-14, вугуметка или ультразвуковые колебания генерируются возбудителем непрерывно до тех пор, пока они не достигнут приемника. Пока приемник воспринимает сигнал, он запрещает работу возбуди­

теля. Из временной диаграммы видно, что такие датчики близки к дат­ чикам с изменением направления накопления; в отличие от ранее опи-

ченив чение

Рис. 1-14. Структурные схемы (а, 6) и временные диаграммы работы (iв, г) двух разновидностей датчиков с уносом

санной разновидности датчиков с уносом они не прекращают работы

при случайном пропуске приемником одной из меток.

Все перечисленные датчики с накоплением и уносом, кроме датчи­ ков с непрерывным накоплением, могут использоваться также в ре­ жиме, когда скорость v накопления или уноса постоянна, а база L

.зависит от измеряемой величины; тогда зависимость частоты от из­

меряемой величины получается обратной (см. § 13-2).

1-4. Структурные схемы статистических частотных датчиков

Структура статистических датчиков определяется, во-первых, ха­ рактером используемого случайного процесса и, во-вторых, способом его использования.

Рассмотрим случайный процесс, представляющий собой последо­

вательность одинаковых импульсов, случайным образом расположен­

ных во времени (рис. 1-15, а). Если момент появления каждого им­

пульса независим от моментов появления всех остальных, а вероят­

ность появления импульса в отрезке времени длительностью At

постоянна, то мы имеем дело с пуассоновским потоком случайных со­ бытий. Как известно [7], для такого потока вероятность появления в отрезке времени Т числа импульсов, равного k, определяется фор­

мулой

где Я — параметр потока, имеющий смысл математического ожидания

числа импульсов, появляющихся в единицу времени, или, иначе го­

воря, средней частоты импульсов. Очевидно, что единственная вели-

Рис. 1-15. Разновидности случайных процессов, используемых в статистических датчиках

— уровень дискриминации

чина, которая может быть сделана зависимой от измеряемой величины датчика,— это параметр Я.

Структурная схема статистического частотного датчика с пуассо­

новским потоком одинаковых импульсов содержит источник случай­

ных импульсов, изменяющий среднюю частоту импульсов в зависимо­ сти от измеряемой величины Х вх. Цифровой частотомер производит счет импульсов в течение измерительного времени TN, математическое

ожидание числа зарегистрированных импульсов Ncp = ЯТы.

Далее рассмотрим случайный процесс, состоящий из импульсов

случайной амплитуды (при этом моменты их появления могут быть

как случайными, так и неслучайными — рис. 1-15, б). Тогда для фор­ мирования счетных импульсов нужен дискриминатор, срабатывающий

только от тех импульсов, амплитуда которых превышает определен­

ный опорный уровень Ад. Измеряемая величина может воздейство­ вать не только на среднюю частоту импульсов, но также на распреде­

ление их амплитуд, а, кроме того, на уровень срабатывания дискрими­

натора (метод Монте-Карло [197]).

Наконец, наиболее общая структурная схема статистического ча­ стотного датчика содержит, кроме перечисленных выше элементов; полосовой фильтр, превращающий последовательность независимых

друг от друга импульсов в процесс, изображаемый плавной случай*

ной кривой (рис. 1-15, б). Иногда такой процесс получается уже на

выходе источника случайного процесса благодаря его инерционным

свойствам. Таковы, например, термошумовые датчики, где частота

элементарных импульсов шума, вызванных движением отдельных

электронов в проводнике, очень высока.

Частота срабатываний дискриминатора (не имеющего гистерезиса)

определяется известным выражением для средней частоты выбросов

случайного процесса [32]. Для нормального случайного процесса

где а — среднеквадратичное отклонение случайного процесса от сред­

него (нулевого) значения; R (т) — нормированная функция корре­ ляции, зависящая как от исходной последовательности импульсов,

так и от частотной характеристики фильтра.

В датчиках с гладким случайным процессом измеряемая величина может влиять, во-первых, на распределение амплитуд случайного сиг­

нала (или, в частном случае, на его мощность), во-вторых, на уровень

срабатывания дискриминатора и, в-третьих, на частотную характери­ стику фильтра. Последнее соответствует упоминавшейся ранее (см.

§ 1-2) возможности работы резонаторов при случайной вынуждающей

силе. Известны также корреляционные измерители скорости с частот­

ным выходом [20], в которых измеряемая величина меняет положе*

ние пика взаимной корреляционной функции.

Итак, измеряемая величина в общем случае непосредственно свя­ зана либо с временным параметром случайного процесса (средней

частотой импульсов, автокорреляционной или взаимной корреляцион­

ной функцией гладкого процесса), либо с его амплитудным параметром (распределением амплитуд), либо с уровнем дискриминации. Заметим, что последнее имеет некоторое сходство с развертывающим уравнове­

шиванием. Чтобы увидеть это сходство, представим себе вначале обыч­

ный прибор с уравновешиванием измеряемого постоянного .напряже­ ния линейно изменяющимся напряжением, затем разобьем последнее

на примыкающие друг к другу короткие импульсы линейно возрас­

тающей амплитуды («игольчатая пила» [34]), и, наконец, перемешаем эти импульсы в случайном порядке. Можно сказать также, что в этих

приборах происходит сравнение измеряемого постоянного напряжения со статистической мерой, заданной распределением вероятностей, по­

этому о приборах с преобразованием измеряемой величины в измене­ ние уровня дискриминации можно говорить как о приборах с т а т и-?'

с т и ч е с к о г о у р а в н о в е ш и в а н и я в противоположность

приборам с изменением того или иного параметра случайного процесса,

которые являются приборами п р я м о г о с т а т и с т и ч е с к о г о п р е о б р а з о в а н и я .

Зависимость параметров случайного процесса от измеряемой ве­

личины при прямом статистическом преобразовании может осущест­ вляться способами, различающимися степенью связи между измеряе­ мой величиной и случайным процессом. Наиболее тесная связь сущест­

вует в том случае, если сама измеряемая величина распадается на

случайные импульсы (события) или образует случайный процесс. При­ мером может служить измерение светового потока путем счета отдель­ ных фотонов. Менее тесная связь наблюдается при порождении слу­

чайного процесса измеряемой величиной, например связь между тем­

пературой и тепловым шумом в резисторе, между изменением напря-

Рис. 1-16. Структурные схемы преобразователей изме­ ряемой величины в элек­ трический случайный сиг­ нал для случаев, когда из­ меряемая величина образует случайный процесс (а), по­ рождает случайный процесс (б), управляет случайным

процессом (Ô)

женности магнитного поля и скачками Баркгаузена в ферромагне­

тике. Наименее тесная связь имеет место, когда измеряемая величина

управляет источником случайного процесса, существующего незави­

симо от нее, или осуществляет модуляцию этого случайного процесса;

примерами могут служить многочисленные приборы, в которых поток радиоактивного излучения, падающий на счетчик частиц, перекры­ вается какой-либо заслонкой.

В соответствии со сказанным возможны три различные структур­

ные схемы узлов, осуществляющих прямое преобразование измеряе­

датчика представляет собой последовательность случайных импуль­

сов (событий) или гладкий случайный процесс, а измеряемая величина является некоторым параметром этой последовательности или этого

процесса. Так как обычно входные импульсы нельзя считать непо­

средственно, они поступают на некоторый преобразователь Пр (на­

пример, в случае счета фотонов — на фотоумножитель), за которым,

как правило, следует усилитель Ус.

Схема рис. 1-16, б относится к случаю порождения случайного

Процесса измеряемой величиной. Здесь измеряемая величина в общем