4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ В НАПРЯЖЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА (ПЧН)

ПЧН с формирователем эталонных импульсов

Наиболее распространены схемы ПЧН, построенные по принципу выделения среднего значения напряжения интегрированием импульсов преобразуемой частоты, калиброванных по длительности и амплитуде. Примером

преобразователя такого типа может служить ячейка разработанная институтом ВНИИЭлектропривод. Структурная схема преобразователя показана на рис. 25. Ячейка состоит из формирователя импульсов стабильной длительности и амплитуды, фильтра низких частот суммирующего масштабного усилителя А. Формирование длительности импульсов преобразуемой частоты осуществляется с помощью четырехразрядного двоичного счетка на вход которого поступают импульсы высокостабильной частоты от кварцевого генератора что позволяет сформировать длительность импульсов с высокой точностью. Калибровка амплитуды импульсов производится помощью двухпозиционных ключей К и эталонного двухполярного напряжения .

Рис. 25. Структурная схема ПЧН с формирователем эталонных импульсов

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 в режиме глубокого насыщения можно с достаточно высокой точностью формировать импульсы по амплитуде.

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

преобразователя включен масштабный усилитель, опреде. ляющий коэффициент пропорциональности преобразователя.

Погрешность преобразователя, определяемая нелинейностью фильтра и дрейфом выходного усилителя, составляет менее .

Длительность нормируемых импульсов определяется тельностью периода максимальной преобразуемой частоты при этом для нормальной работы элементов преобразователя необходимо, чтобы выполнялось условие , где . Поэтому при использовании преобразователя в широком диапазоне преобразуемых частот приходится 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-импульсным модулятором — период сигнала — период сигнала при — период сигнала при

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 подается на вход одного из счетчиков

дополнительно к тактовой частоте а второй счетчик заполняется только импульсами частоты . 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 определяется емкостью счетчиков и актовой частотой где емкость двоичного счетчика, имеющего разрядов, откуда — время заполнения одного счетчика тактовой частотой. Длительность импульса ШИМ сигнала (время заполнения счетчика) .

Длительность паузы при частоте можно определить из соотношения, характеризующего заполнение второго счетчика, откуда

Таким образом, период ШИМ сигнала при входной частоте

Коэффициент заполнения кшим , а среднее значение выходного напряжения

Максимальная преобразуемая частота не должна превышать

Минимальная преобразуемая частота определяется допустимьш уровнем пульсаций выходного напряжения и чувствительностью демодулятора. При использовании описанного демодулятора Гц (при эквивалентной постоянной времени трехзвенного фильтра ).

Диапазон преобразуемых частот при выборе составит 10 000.

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 . Иногда необходимо строить преобразователь частоты в напряжение с постоянным 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 с 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 с емкостью определяет период ШИМ сигнала на выходе триггера управления. В этом случае период ШИМ сигнала постоянный и не зависит от преобразуемой частоты.

Рис. 27. (см. скан) Структурная схема (а) и временные диаграммы (б) ПЧН с постоянным периодом ШИМ сигнала (1, 2 — импульсы переполнения счетчиков соответственно; S - ШИМ сигнал на выходе триггера управления; ШИМ сигнала, )

Обратная связь в этом преобразователе заведена таким образом, что при переполнении счетчика емкостью у прекращается заполнение этого счетчика импульсами тактовой частоты до переполнения счетчика емкостью , который непрерывно заполняется импульсами частоты Временные диаграммы работы данного преобразователя изображены на рис. Преобразуемая частота непрерывно поступает через схему синхронизации на счетчик емкостью V. При этом

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

При с увеличением уменьшается время заполнения счетчика V и соответственно изменяется коэффициент заполнения ШИМ сигнала пропорционально числу импульсов поступивших на вход счетчика за время цикла преобразования, определяемое периодом ШИМ сигнала.

Напряжение на выходе демодулятора возрастает пропорционально изменению коэффициента заполнения ШИМ 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 раза.

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

Определим выходное напряжение преобразователя при подаче на вход старших разрядов счетчика. Период ШИМ сигнала для данной схемы Длительности импульса и паузы ШИМ сигнала для данной структуры преобразователя соответственно

где — изменение коэффициента заполнения ШИМ сигнала под действием Заполнение счетчика емкостью V импульсами и импульсами тактовой частоты характеризуется соотношением

где — номер разряда, на вход которого подается .

Найдя из соотношения (25) и учтя выражение (24), определим . Коэффициент заполнения ШИМ сигнала

Выходное напряжение преобразователя ивых .

Из соотношения (26) при определим .

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

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 в двух соседних периодах ШИМ сигнала может отличаться на ±1.

Частота этих колебаний определяется отношением Введем коэффициент где — целая часть числа С, при при тогда частота субгармонических колебаний . Так как то максимальная частота этих колебаний Амплитуда низкочастотных субгармонических колебаний ПЧН с эквивалентной постоянной времени трехзвенного -фильтра с не превышает 0,02 В.