Исследование преобразователей “ток-частота” цифровых измерительных приборов летательных аппаратов

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра 303

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой 303

_______________ Осипов В.Г.

«____»__________201__ г.

Лабораторная работа № 20

«Исследование преобразователей “ток-частота” цифровых измерительных приборов летательных аппаратов».

По дисциплине: «Основы проектирования приборов и систем».

Специальность 200103 Авиационные приборы и измерительно-

вычислительные комплексы.

Обсуждено на заседании кафедры «___»________________201__г.

Протокол № ____

МАИ 201 __г.

ОГЛАВЛЕНИЕ:

1. Назначение преобразователя “ток-частота” ………….………………. 3

2. Цель работы ………………………………………………………………... 3

3. Теоретическая часть:

3.1 Описание датчика линейных ускорений …………………………….. 3

3.2 Методы преобразования напряжения или тока в частоту……… 4

3.3 Принцип действия преобразователя “ток-частота” с импульсной обратной связью………………………………………………………………… 5

4. Экспериментальная часть:

4.1 Содержание задания ……………………………………………………..7

4.2 Описание установки .…………………………………….…...……..7

4.3 Методика проведения эксперимента……………………...……...8

4.4 Расчетная часть………………………………………………….….9

5. Требования, предъявляемые к отсчету………………………………….. 9

6. Литература ……………………………………………………….….……….. 9

1 НАЗНАЧЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ “ТОК-ЧАСТОТА”

В связи с широким использованием на летательных аппаратах бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ) возникает необходимость преобразования сигналов датчиков первичной информации в цифровую форму. При этом к аналого-цифровым преобразователям (АЦП) предъявляют повышенные требования к точности, быстродействию, помехоустойчивости и надежности. Таким требованиям удовлетворяют АЦП с промежуточным частотно-временным преобразованием. В таких устройствах используются датчики первичной информации, в которых воспринимаемая величина вначале представляется в виде напряжения или тока, затем преобразуемые в частоту или период следования импульсов. Известно, что частота или период электрического сигнала довольно просто реализуется в цифровой код. В данной работе рассматривается преобразователь выходного тока, который может быть получен в частном случае с датчика линейных ускорений, в частоту следования импульсов.

2 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Настоящая работа ставит своей целью изучить назначение, принципы действия, особенности устройства, а так же основные характеристики преобразователя тока в частоту следования импульсов. При выполнении работы необходимо также ознакомиться с методами проведения эксперимента, особенностями лабораторной установки и снять экспериментальные характеристики, проанализировать погрешности преобразователя и провести их оценки по результатам эксперимента.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Описание датчика линейных ускорений

Датчики ускорений (акселерометры) предназначены для измерения ускорений летательного аппарата (Л.А.). В инерциальных системах навигации акселерометры используются для определения путевой скорости и местоположения Л.А., для чего сигнал, пропорциональный ускорению, интегрируется.

На Л.А. основное применение нашел инерциальный метод измерения ускорений, заключающийся в измерении силы, развиваемой инерционной массой при ее движении с ускорением.

В зависимости от способа измерения силы, различают акселерометры пружинные и компенсационные. В системах навигации, в которых требуется высокая точность, применяются только компенсационные акселерометры.

В компенсационных акселерометрах сила, развиваемая инерционной массой, уравновешивается обратным преобразованием “ток-сила”.

В качестве выходного сигнала используется ток, поступающий на вход обратного преобразователя, или напряжение, развиваемое на эталонном сопротивлении, включенным в цепь тока.

На рис.1 приведена одна из возможных схем компенсационного акселерометра маятникового типа.

Отклонение маятника 1 под действием ускорения преобразуется индуктивным преобразователем 2 в электрический сигнал. Этот сигнал после усиления и выпрямления подается на обмотки моментного магнитоэлектрического преобразователя 3, который развивает компенсационный момент. Электрический ток на выходе усилителя 4, а, следовательно, и падение напряжения создаваемое этим током на добавочном сопротивлении, пропорциональны измеряемому ускорению.

В современных Л.А. информация об ускорении требуется, как правило, в цифровом коде, удобном для ЦВМ.

Теоретически информацию об измеряемом ускорении можно было бы получить, используя преобразователь типа “ток-код” или “напряжение-код”. Однако практически такое решение реализовать невозможно из-за слишком большого () диапазона измерения тока или напряжения, которые необходимо преобразовать в код.

Создание аналого-цифровых преобразователей на такой диапазон сопряжено с принципиальными трудностями. Поэтому на практике нашел широкое применение метод преобразования ускорения в код скорости с помощью, так называемых, интегрирующих преобразователей. Основой таких преобразователей является “ток-частота”.

3.2 Методы преобразования напряжения или тока в частоту

Преобразователи напряжения или тока в код (ПНК) являются самыми распространенными среди всех видов аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Причем в существующих ПНК используются все три классических метода преобразования: последовательного счета, поразрядного кодирования и считывания.

Наиболее простым являются ПНК, построенные по методу последовательного счета. Классическим примером этого метода является ПНК со ступенчатым пилообразным напряжением, которое вырабатывается обратным преобразователем код-напряжение и сравнивается с преобразуемым напряжением . Схема сравнения напряжений управляет поступлением импульсов на счетчик, который своим выходом связан с ПНК. Однако, такие преобразователи напряжения в код в виду их малого быстродействия используется в основном в многоканальных системах. Остальные виды ПНК последовательного счета используют промежуточное преобразование напряжения или тока в другую величину: чаще всего во временной интервал, период или частоту электрического сигнала.

Широкое распространение нашли ПНК с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал. Основными узлами такого преобразователя являются генератор напряжения (ГПН) и схема сравнения (СС). Импульс запуска поступает на ГПН, который начинает вырабатывать пилообразное напряжение. Одновременно счетчик начинает считать импульсы, поступающие с генератора импульсов ГИ. В момент, когда пилообразновозрастающее напряжение ГПН станет равным, срабатывает схема сравнения СС, которая остановит счетчик импульсов. Количество импульсов, подсчитанное счетчиком, будет пропорционально времени от запуска ГПН до момента равенства его линейно возрастающего напряжения и . В свою очередь это время линейно зависит от .

Рассмотрим ПНК с промежуточным преобразованием в частоту, так как в настоящей работе представлен один из видов этих устройств.

Большую группу преобразователей постоянного напряжения в частоту представляют устройства типа релаксационного или гармонического генератора, частота которого определяется параметрами частотно-зависимой цепи.

Наибольшее распространение получили ПНК частотного преобразования, принцип действия которых основан на методе аналогового интегрирования. После импульса запуска напряжение их подается на вход линейного интегратора, а затем производится сравнение напряжения на выходе интегратора с некоторым постоянным напряжением. В момент равенства сравниваемых напряжений устройство сравнения выдает импульс, который возвращает интегратор в исходное состояние. Управляемый триггер меняет каждый раз свое состояние в моменты прихода сигнала со схемы сравнения. Частота переключения триггера будет обратно пропорциональна периоду интегрирования и прямо пропорциональна измеряемому напряжению :

или ; ; где -опорное напряжение, -постоянная интегрирования.

Для устранения влияния обратного хода интегратора, используют схему с двумя работающими интеграторами. Интегрирующие ПНК обладают высокой помехоустойчивостью и точностью. При аналоговом интегрировании ввиду различных статических характеристик сигнала и шума растет отношение сигнал/шум. Кроме того, используя интегрирующие ПНК, можно получать функциональную, например квадратичную, зависимость выходной частоты от входного напряжения.

Значительно более совершенным является метод компенсационного интегрирования, обладающий высокой точностью. В этих преобразователях вначале идет интегрирование входного сигнала , от исходного значения в течение некоторого времени, которое фиксируется переполнением счетчика:. Затем в течение некоторого времени происходит уменьшение напряжения с выхода интегратора до значения за счет интегрирования эталонного напряжения , имеющего противоположную полярность: . За время в счетчике будет зафиксирован код: , где -частота генератора импульсов ГИ. Если принять, что и , , то, и. Отсюда, т.е. - пропорционально входному напряжению.

Разновидностью преобразователя с компенсационным интегрированием является преобразователь напряжения в частоту с импульсной обратной связью. Такой тип преобразователя, рассмотренный в настоящей работе, является наиболее перспективным.

3.3 Принцип действия преобразователя “ток-частота” с импульсной обратной связью.

На рис.2 приведена схема преобразователя “ток-частота” с импульсной обратной связью, а на рис.3 приведены временные диаграммы его работы.

Процесс работы преобразователя описывается следующим образом. Преобразуемый ток , протекая через интегрирующий конденсатор, заряжает его. Когда напряжение на конденсаторе , достигнет величины срабатывания одного из пороговых устройств, имеющих разные уровни, последнее формирует выходной сигнал, поступающий на сигнальный вход соответствующего синхронизатора. При этом очередной синхроимпульс эталонной длительности , поступающий на такой вход синхронизатора, формирует на его выходе сигнал той же длительности, управляющий реверсивным ключом. Реверсивный ключ открывается, и в течение интервала времени через интегрирующий конденсатор протекает эталонный ток, уровень которого поддерживается стабилизатором тока, а направление - противоположно преобразуемому току .

При обеспечении условия заряд и, следовательно, напряжение на конденсаторе начинают уменьшаться со скоростью, пропорциональной разности , возвращая пороговое устройство в исходное состояние. В конце интервала в исходное состояние возвращаются синхронизатор и реверсивный ключ, а напряжение на конденсаторе вновь начинает возрастать до уровня срабатывания порогового устройства.

Выходные импульсы формируются синхронизатором каждый раз одновременно с подачей управляющего сигнала на реверсивный ключ.

Рассмотрим один цикл работы преобразователя в установившемся режиме между двумя соседними моментами и срабатывания порогового устройства, идеализируя работу узлов схемы и считая, что в течение рассматриваемого времени преобразуемый ток и уровни срабатывания пороговых устройств и величина емкости интегрирующего конденсатора остаются постоянными; эквивалентное сопротивление утечки конденсатора и гальванически связанных с ним участков схемы равны бесконечности; значение и длительность обратной связи постоянны; между моментом срабатывания порогового устройства и открытием реверсивного ключа не существует задержки.

За время одного цикла преобразуемый ток вносит в интегрирующую емкость заряд, равный , где -продолжительность цикла.

За этот же период эталонный ток “спишет” заряд, равный .

Так как за время одного цикла суммарный заряд емкости остается неизменным, можно записать:

Отсюда частота следования циклов равна:

Таким образом, преобразователь, построенный на рассматриваемой схеме, обеспечивает линейное преобразование тока в частоту следования импульсов, т.е. имеем характеристику: (рис. 4)

Как видим из характеристики в преобразователе имеется зона нечувствительности , величина которой в первом приближении равна току, протекающим через - эквивалентное сопротивление, шунтирующее конденсатор C при напряжении на конденсаторе, равным порогу срабатывания порогового устройства.

где - напряжение срабатывания порогового устройства;

- эквивалентное сопротивление, шунтирующее конденсатор.

Эквивалентная схема шунтирования конденсатора будет состоять из параллельного включения (рис.5) сопротивлений:

- сопротивление утечки конденсатора;

- сопротивление утечки порогового устройства;

- сопротивление утечки реверсивного ключа.

Основные погрешности преобразователя следующие:

-погрешность за счет утечек интегратора, ;

-погрешность за счет нестабильности стабилизатора,;

-погрешность за счет нестабильности длительности импульса, .

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

4.1 Содержание задания.

1) Снять характеристику преобразователя в диапазоне входных токов 4-40 мА при крутизне преобразования:

2) Определить относительную погрешность преобразования в заданных точках.

3) Построить зависимость для каждого заданного значения с учетом зоны нечувствительности.

4) Построить зависимости для каждого заданного значения

5) Сделать выводы по проделанной работе.

4.2 Описание установки

Блок-схема лабораторной установки состоит из следующих основных элементов: задатчика входного тока, интегратора, преобразователя тока, стабилизатора эталонного тока, формирователя импульсов заданной длительности , миллиамперметра для измерения входного и эталонного токов, блока питания.

Входной сигнал, имитирующий ток “электрической пружины” акселерометра, подается с задатчика входного тока на интегрирующий элемент, в качестве которого используется конденсатор типа К77-1. Направление тока может изменяться с помощью переключателя “Полярность iвх “.

Установка величины входного тока производится ручками “Установка iвх “, “грубо”, “точно”. Величина входного тока контролируется миллиамперметром, установленном на передней панели установки, при установке переключателя “измерение” в положение “ iвх “.

С помощью внутреннего шунта верхний предел измерения микроамперметра расширен до 100 мА. Величина эталонного тока может регулироваться с помощью ручек “ “, “грубо”, “точно”.

Контроль величины эталонного тока производится при переводе переключателя “измерение” в положение “ “. Более точно измерение входного и эталонного тока может быть произведено с помощью внешнего многопредельного миллиамперметра, подключенного к клеммам “внешний амперметр”. При использовании встроенного прибора между указанными клеммами должна стоять перемычка.

Величина импульса эталонной длительности может дискретно изменяться в пределах от 31,25 мксек до 500 мксек переключателем “Установка t “.

В установке предусмотрена возможность визуального контроля работоспособности установки с помощью осциллографа, подключаемого к клеммам “осциллограф”.

Выходная частота контролируется частотомером, подключенным к клеммам “частотомер”.

4.3 Методика проведения эксперимента.

1) Включить частотомер Ф 5080. Поставить переключатель рода работ в положение “измерение частоты”. Входной аттенюатор - в положение измерения положительных импульсов и входной делитель - в положение УПТ 1:1.

Подключить вход частотомера к лабораторной установке - клеммам “частотомер”.

2) Тумблер “Сеть 220В” поставить в положение “Вкл.”.

3) Установить переключатель “Установка iэт “,”грубо” в положение 100, переключатель “Установка tмакс” - в положение 500, переключатель “Измерение” - в положение iэт, переключатель “Установка iвх “ - в положение 40, полярность iвх - в положение “+”.

4) Установить мА ручкой “Установка iэт” “точно”, произведя контроль показаний по встроенному амперметру.

5) Плавно изменяя входной ток через каждые 4 мА в диапазоне -40+40 мА, записать показания частоты по частотомеру для пяти значений крутизны преобразования: 20 Гц/мА, 40 Гц/мА, 80 Гц/мА, 160 Гц/мА, 320 Гц/мА. Получение необходимой крутизны преобразований производить за счет изменения .

6) Результаты экспериментов по п.5 записать в таблицу по форме