Согласующие элементы системы управления

13. согласующие элементы

В состав системы управления входят функциональные элементы разнородные по типу сигнала, роду тока, по сопротивлению, мощности и т.п. (датчики тока, напряжения, регуляторы, ЗИ), поэтому при соединении элементов необходимо согласование их характеристик. Эту функцию и выполняют согласующие элементы. К ним относятся: фазовые детекторы, согласующие род тока, гальванические разделители, ЦАП и АЦП, согласующие тип сигнала, эмиттерные повторители, согласующие входные и выходные сопротивления, делители мощности.

Фазовый детектор (ФД) (фазочувствительный усилитель или фазочувствительный выпрямитель, фазовый дискриминатор, демодулятор.)

Назначение ФД – преобразование входного напряжения переменного тока U_{вх m} в выходное напряжение постоянного тока U_вых, полярность и амплитуда которого,  зависят от фазы входного напряжения φ, т.е. ФД имеет две входные координаты U_{вх m} и φ и одну выходную U_вых  (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Координаты фазового детектора

Различают два режима работы ФД:

– амплитудный режим, когда фаза φ входного напряжения остается постоянной (0 или π), а U_{вх m} = var и U_вых = f(U_{вх m});

– фазовый режим, когда U_вх m = const, φ = var и U_вых = f(φ).

В амплитудном режиме ФД применяется как преобразователь сигнала рассогласования переменного тока в управляющий сигнал в следящих приводах постоянного тока; как преобразователь выходного сигнала тахогенератора переменного тока; как выходной каскад (демодулятор) в усилителях с промежуточным усилением на переменном токе. В фазовом режиме ФД применяют в системах управления,  в которых контролируемой и управляемой величиной является плавно изменяющаяся фаза. В этом режиме ФД получает питание от фазовращающих устройств.

ФД, как правило, напряжение не усиливает, т.е. коэффициент усиления k_фд ≈ 1.

Рис. 13.2. Расчетная схема замещения  двухполупериодного  ФД

Рис. 13.3.  Диаграмма работы ФД

Схема замещения двухполупериодного  ФД соответствует нулевой схеме выпрямления (рис. 13.2), в которой вместо вентилей стоят ключи К1,  К2.

u_у – ЭДС источников управления, R_у – внутреннее сопротивление источника ЭДС управления. Состоянием ключей управляет опорная ЭДС  u_оп. в соответствии со следующим алгоритмом:

– при u_оп > 0 включен K1, а К2 отключен, т.е. у_к1 = 1, и у_к2 = 0;

– при u_оп <0, включен K2, К1 отключен и  у_к1 = 0, у_к2 = 1.  

алгоритм работы  u_вых = u_у у_к1 – u_у у_к2.

Подстановка у_к1 = (1+sign u_оп)/2  и  у_к2 = (1-sign u_оп)/2 дает

u_вых = u_у sin u_оп.

При замкнутом К1 u_вых = u_у

При замкнутом К2 u_вых = –u_у

Функция sign (сигнум) определяется следующим образом:

sign u_оп = 0, при u_оп = 0;

sign u_оп = 1, при u_оп > 0;

sign u_оп = – 1, при u_оп < 0.

Если u_оп = E_{оп m} sin ωt,   u_у = E_уm sin (ωt – φ), то среднее значение выпрямленной выходной ЭДС

т.к.  E_уm = k’_п·U_вхm,  а среднее значение выходного напряжения

 то

При φ = 0 = const (или φ = π = const) и U_{вх m} = var   имеет место амплитудный режим, для которого характеристика управления линейна

U_вых = k_фд·U_{вх m},

где  - коэффициент усиления ФД в амплитудном режиме;

 - передаточный коэффициент от входного напряжения к ЭДС управления.

При U_{вх m} = const и φ = var имеет место фазовый режим, для которого

где

при малых φ’

где  – передаточный коэффициент ФД в фазовом режиме

Пример схемы ФД – двухполупериодная транзисторная схема  (демодулятор в лабораторной работе №6).

Рассмотрим схему интегрального ФД  (рис. 13.4).

Рис. 13.4. схема интегрального ФД

Входным и опорным сигналами являются прямоугольные высокочастотные колебания. Опорное напряжение U_оп управляет транзисторным ключем VT. Когда U_оп > 0, транзистор заперт и на выходе DA напряжение не инвертируется т.е. U_вых = k·U_вх. Когда U_оп < 0, VT открыт и выходное напряжение U_вых инвертируется, т.е. U_вых = – k·U_вх. при  φ = 0 на выходе усилителя DA имеет место выпрямление и U_вых во всех полупериодах положительно. При противофазных колебаниях U_вх и U_оп (φ = π), напряжение U_вых < 0.

цифроаналоговые преобразователи (цап). ЦАП согласуют цифровую часть системы управления с аналоговой. Входная координата ЦАП – двоичное многоразрядное число А_n = a_n-1, … a_i … a₁  a₀, а выходная координата – напряжения U_вых, формируемое на основе опорного напряжения (рис. 13.5).

Рис. 13.5. Основные  координаты ЦАП

Схемы ЦАП строятся на основе резисторной матрицы, с помощью которой происходит суммирование токов или напряжений так, что выходное напряжение пропорционально входному числу. В составе ЦАП выделяют три части резисторная матрица, электронные ключи, управляемые входным числом и суммирующий усилитель (рис. 13.6).

Рис. 13.6.Схема нереверсивного ЦАП

Каждому разряду входного числа A_n соответствует сопротивление
R_i = R₀/2ⁱ,  где R₀ – сопротивление младшего разряда.

Резистор R_i подключается к источнику опорного напряжения U_оп через электронный ключ K_i, который замкнут при  a_i = 1 и разомкнут при a_i = 0. В зависимости от значения a_i сопротивление входной цепи для i-го разряда равно

Тогда, для a_i = 0 R_i=¥, т.е. цепь разорвана, а для a_i = 1 цепь включена и имеет сопротивление R₀/2ⁱ.

Выходное напряжение операционного усилителя DA, суммирующего входные токи, находится по выражению

Т.о., характеристика управления ЦАП U_вых = f(A_n) имеет ступенчатую форму с дискретностью по напряжению, соответствующего младшему разряду

 

Величина ΔU₀ = k_цап является одновременно и усредненным передаточным коэффициентом.

Недостаток данной схемы, – необходимы разные номиналы входных разрядных сопротивлений, и кроме того, чем старше разряд, тем меньше сопротивления и больше ток, и тем выше требования к классу точности резистора по значению сопротивлению. Она равна  и при n = 10 точность изготовления составит около 0,1 %, что практически не реализуемо. Поэтому данная схема применяется для ЦАП с небольшой разрядностью.

Для устранения этих недостатков была разработана схема, в которой используется резисторная матрица с двумя номинальными сопротивлениями R  и 2R  для любого числа разрядов (рис. 13.7). Все резисторы обтекаются неизменными токами независимо от положения электронных ключей K₀ – K₃.

Управляемые ключи, в зависимости от входного числа А_n = a₃ a₂ a₁ a₀ могут  быть либо замкнуты на шину Ш1, если соответствующее a_i = 0, либо на шину Ш2, если a_i= 1.

Рис. 13.7. Схема ЦАП с резисторной матрицей R-2R

На резисторах R и 2R в точках 3, 2, 1, 0 происходит последовательное деление пополам напряжения и тока, при этом ток i-го разряда протекающий в шину Ш2 определяется формулой

Выходное напряжение U_вых

Дискретность и усредненный передаточный коэффициент ЦАП в этой схеме  если R₁ = R то

примерами серийно выпускаемых ЦАП являются микросхемы  К572ПА1А – десятиразрядный ЦАП,  К572ПА2А – двенадцатиразрядный ЦАП.

аналоговые цифровые преобразователи  (ацп). АЦП преобразует входное непрерывное по форме напряжение в пропорциональное ему число (обычно в двоичном коде).

Каждому выходному числу A_i соответствует диапазон изменения входного напряжения.

,

где U_эi = ΔU₀·i – эталонное значение входного напряжения соответствующее выходному числу А_i;

ΔU₀ – дискретность по напряжению, соответствующего единице младшего разряда выходного числа;

i – десятичное число.

При n – разрядном АЦП общее число отличных от нуля эталонных уровней входного напряжения, отличающих друг от друга на ΔU₀ равно максимальному выходному числу N = 2ⁿ – 1. Усредненный передаточный коэффициент АЦП определяется как обратная величина соответствующего коэффициента ЦАП

k_ацп = 1/ΔU₀.

В работе АЦП можно выделить основные операции: сравнение входного и эталонных напряжений, определения номера уровня, формирование выходного числа в заданном коде. АЦП делятся на два основных типа: параллельного (рис. 13.8) и последовательного действия (рис. 13.9).

Рис. 13.8. Схема АЦП параллельного действия

С помощью резисторного делителя выделяются уровни эталонного напряжения в токах 1, 2, …, N. Сравнение U_вхi и U_эi выполняется на компараторах К₁ – К_n, в качестве которых используются операционные усилителя с однополярными выходами.

При U_вхi – U_эi < ΔU₀/2 на выходе компараторов – нулевой сигнал, а при U_вхi – U_эi ≥ ΔU₀/2, на выходах единицы, которые запоминаются D – триггерами.

Число единиц на выходах триггеров преобразуется с помощью шифратора CDв код n – разрядного двоичного числа A_n, равного i (i – это номер уровня в десятичном исчислении). Достоинство данной схемы АЦП – высокое быстродействие, недостаток – большое число компараторов и триггеров (2ⁿ – 1) (для восьмиразрядного АЦП необходимо 255 компараторов и столько же триггеров).

Существенно меньше элементов содержит АЦП последовательного действия (рис. 13.9).

Рис. 13.9. Схема АЦП последовательного действия (следящий АЦП)

Сравнения U_вх и U_э выполняется на комбинированном аналоговом компараторе К с двумя выходами: “больше” (>) и “меньше” (<).

Если U_вх – U_э > ΔU₀/2,то единичный сигнал на выходе «>», при этом элемент И1 пропускает проводит тактовые импульсы на суммирующий вход (+1) реверсивного счетчика СР. Растёт выходное число СР, и соответственно увеличивается U_э, формируемое ЦАП.

Если , то единичный сигнал появляется на выходе «<» при этом импульсы от генератора тактовых импульсов через И2 проходят на вход вычитания (-1) СР и U_э уменьшается. При выполнения условия  на обоих выходах К будут нулевые сигналы и элементы И₁ и И₂ оказываются закрыты для тактовых импульсов. Счётчик прекращает считать, и  число на его выходе появляется на выходе регистра Р. Разрешение на запись числа в регистр дает единичный сигнал  элемента ИЛИ–НЕ. Рассмотренная схема относительно U_вх и U_э представляет собой замкнутую систему регулирования. Система отслеживает эталонным напряжением на выходе ЦАП изменение входного напряжения с установившейся точностью , поэтому такие АЦП называют еще следящими.