ГЛАВА VI. ПРЕОБРАЗУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
1. Усилители-преобразователи. 2. Реле. 3. Функциональные преобразователи. 4. Преобразователи аналог — код. 5. Преобразователи код — аналог. 6. Электронные аналоговые вычислительные устройства. 7. Электронные цифровые управляющие вычислительные машины. 8. Пневматические аналоговые и цифровые вычислительные устройства. 9. Точность работы и быстродействие управляющих цифровых вычислительных машин. 10. Сравнительная оценка преобразующих устройств.
Преобразующие устройства (преобразователи) выполняют самые различные функции в системах автоматического регулирования. Рассмотрим устройства четырех типов. В первых из них осуществляется эквивалентное преобразование сигнала без изменения вида энергии и его физической природы; например, низкочастотный сигнал превращается в высокочастотный (в этом случае преобразователь именуют модулятором) или высокочастотный сигнал превращается в низкочастотный (преобразователь называют демодулятором). Во-вторых — при преобразовании непрерывного сигнала в квантованный по амплитуде происходит и его усиление (усилители-преобразователи, реле). В третьих — преобразующее устройство служит для согласования начальных измерительных устройств с непрерывными устройствами управления (преобразователи код—аналог). В четвертых — преобразующие устройства превращают непрерывный сигнал в дискретный (преобразователи аналог—код).
1. УСИЛИТЕЛИ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
К числу простейших усилителей-преобразователей относят усилители-модуляторы и усилители-демодуляторы. Усилители-модуляторы преобразуют медленно изменяющиеся сигналы постоянного тока, снимаемые с датчиков, в мощные сигналы переменного тока, изменяющиеся на 180° при перемене полярности сигнала постоянного тока. На выходе такого усилителя-преобразователя могут быть включены электродвигатели переменного тока.
Усилители-модуляторы не только преобразуют управляющий сигнал постоянного тока в переменный, но и одновременно усиливают его по мощности. Усилители-модуляторы выполняют на электронных лампах и транзисторах.
На рис. VI. 1, а изображена принципиальная схема однополупериодного усилителя-модулятора на электронных лампах с реостатно-емкостным выходом. На аноды ламп 
подается опорное напряжение
При входном сигнале 
по резисторам 
текут равные токи 
зависящие от 
если 
Амплитуду токов первой гармоники для каждой лампы запишем в виде
где 
— угол отсечки анодного тока; 
— внутренние сопротивления лампы.
Для определения угла отсечки входного тока воспользуемся соотношением
где 
— напряжение между анодом и катодом (здесь у — статический коэффициент усиления).
Из соотношения (VI.3) найдем
При 
угол отсечки анодного тока одной лампы увеличивается, а другой уменьшается, т. е.
Изменение угла отсечки в соответствии с выражением (VI.4) приведет к изменению и амплитуды ока первой гармоники:
Для определения приращения тока 
под действием 
продифференцируем выражения (VI.6) и, учитывая выражения (VI.4) и (IV.5), получим
Приращение напряжения на входе модулятора будет
или, с учетом формулы (VI.7),
где вместо 
введено обозначение 
Рис. VI.1. Принципиальные схемы усилителей-модуляторов
Рис. VI.2. Характеристики усилителей-модуляторов и демодуляторов
Максимальное значение коэффициента преобразования модулятора запишем в виде
Подставив в формулу (VI.9) выражение (VI.8), получим
Формула (VI. 10) справедлива лишь при малых значениях 
по сравнению с 
Пользуясь (VI. 10), можно получить зависимость относительного коэффициента преобразования модулятора от входного напряжения (рис. VI.2, а) при углах отсечки анодного тока 
близких к 
. Из этого рисунка видно, что зависимость является нелинейной и при 
имеем 
На рис. VI. 1, б и в приведены принципиальные схемы двухполупериодных модуляторов-усилителей на транзисторах. Формула (VI. 10) справедлива и для оценки 
этих схем, с той лишь разницей, что 
будет в 2 раза больше, чем для схемы рис. VI. 1, а.
Усилители-демодуляторы осуществляют преобразование управляющего сигнала переменного тока в постоянный с одновременным усилением его по мощности. Как и у модуляторов, схемы демодуляторов выполняют в виде однополупериодных и двухполупериодных. На рис. VI. 3, а изображена принципиальная схема однополупериодного усилителя-демодулятора на транзисторах. Для нормальной работы схемы величина 
должна быть больше максимального значения входного сигнала 
Определим среднее значение результирующего тока 
за период Т —
где 
и 
— средние значения коллекторных токов, прошедших соответственно через транзисторы 
Уравнение идеализированной выходной характеристики транзистора с общим эмиттером запишем как
где 
— коэффициент усиления по току транзистора;
Входной ток
здесь 
— наклон идеализированной входной характеристики к оси 
— отрезок на оси напряжений, отсекаемый на идеализированной входной характеристике.
Среднее значение коллекторного тока транзистора при питании его переменным током запишем в виде
где 
— суммарное сопротивление коллекторной цепи; 
— коэффициент, 
зависящий от вида нагрузки и режима работы транзистора; 
— выходное сопротивление датчика, подключенного к усилителю-демодулятору.
В выражении 
соответствует плечусхемы рис. VI.3, а, где напряжения сигнала и коллектора совпадают по фазе, а 
— где не совпадают.
Если для простоты выкладок принять, что 
то 
. В этом случае формула (VI. 14) примет следующий упрощенный вид:
где принято
так как R мало.
Среднее значение выходного напряжения
Тогда коэффициент преобразования демодулятора по напряжению
Рис. VI.3. (см. скан) Принципиальные схемы усилителей-демодуляторов
Так как выходное значение напряжения усилителя-модулятора при активной нагрузке имеет пульсирующий вид, то для его сглаживания параллельно нагрузке включают конденсатор С (рис. VI.3, б). При этом среднее значение тока
где 
— коэффициент, зависящий от 
Среднее выходное напряжение
и коэффициент преобразования усилителя-модулятора
На рис. VI.2, б построены зависимости коэффициента 
Приведенными графиками можно пользоваться и при активно-индуктивной нагрузке с параллельно включенной емкостью, при этом величину сопротивления 
берут равной активному сопротивлению обмотки индуктивности.
На рис. VI.3, б показана принципиальная схема однополупериодного усилителя-демодулятора на электронных лампах, а на рис. VI.3, в — двухполупериодного усилителя-демодулятора на транзисторах.
Среднее значение результирующего тока двухполупериодного усилителя-демодулятора при нагрузке, зашунтированной емкостью,
Из сравнения формул (VI.21) и (VI. 18) следует, что значение среднего тока в двухполупериодном модуляторе в 2 раза больше, чем в однополупериодном.
