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.