Устройство для моделированияимпульсного датчика частоты вращения

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советски кСоциалистическикРеспубпии н 1849245до девам изобретений и открытий(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСН ДАТЧИКА ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ 1 Изобретение относится к автоматике и предназначено для формирования двух импульсных последовательностейс частотой следования импульсов, про. порциональной входному напряжению,5 и сдвинутых по фазе на угол, знак которого определяется полярностью входного напряжения.Оно может использоваться при исследовании и настройке систем автоматического регулирования частоты вращения различных объектов, например .паровых турбин, двигателей внутреннего сгорания, электродвигателей и др., в которых в качестве датчиков регулиру емой угловой скорости используются импульсные тахометрические датчики,Известно устройство для моделирования импульсных тахопреобразователей которое содержит релейный элемент,дващ интегратора с фиксирующими диодами и два инвертора, причем инвертор, включенный на выходе устройства, через управляющий диоды подключен к дополнительным входам интеграторов. В дан,ном устройстве переключение релейного элемента осуществляется поочередно первым и вторым интегратором, на входы которых поступают соответственно входное напряжение и его инверсное значение, На выходе устройства формируется напряжение прямоугольной формы, частота которого пропорциональна входному напряжению Я.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для моделирования импульсного датчика частоты вращения, которое содержит последовательно соединенные двухвходовой интегрирующий усиди тель и гистерезисный релейный элемент, двухвходовой операционный усилитель, соединенный с выходом интегрирующего усилителя, дополнительный релейный элемент, подкпоченный к .источнику сигнала, и четыре ключа, соединенные по мостовой схеме и подключенные соответствующим образом к другим элемен"рирования.Таким образом, в известном устройстве не может быть реализовано одно из главных достоинств метода преобразования напряжения в частоту, основанного на изменении направления интег рирования входного сигнала и позволяющего таким путем компенсировать дрейфнуля интегратора, Кроме того, неидеальность частотных характеристик 30реальных операционных усилителей ив частности запаздывание в переключении релейного элемента, управляющегоключом на входе интегратора, приводит к появлению дополнительной погреш- З 5ности на повьппенных частотах.В результате известное устройствоимеет значительные погрешности в диапазоне рабочих частот моделируемых датчиков.Цель изобретения - повьппение точностиУказанная цель достигается тем,что в устройство для моделирования импульсного датчика вращения, содержащее интегратор, выход которого подключен к первому входу релейногоэлемента, источник входного напряжения .и ключ, введены ограничитель и блоквыделения модуля, первый вход которого 50соединен с информационным входомключа, с первым входом интегратора ис первым входом релейного элемента,выход которого подключен к управляющему входу ключа и к блокировочному 55входу интегратбра, выход ключа соединен с вторым входом интегратора исо вторым входом релейного элемента,40 3 84924 там устройства. Устройство работает с входными напряжениями обеих полярностей и воспроизводит сигнал реального импульсного датчика с учетом направления вращения связанного с ним вала 1 21.Недостатком устройства является сравнительно низкая точность преобразования напряжения в частоту, Это связано с тем, что при коммутации ключа на инвертирующем входе интегратора нарушается эквивалентность сопротивлений на входах операционного усилителя, а также изменяется постоянная интегрирования, вследствие этого 15 возникает погрешность от токовойпотенциальной составляющей смещения нуля операционного усилителя, Эта погрешность не компенсируется за счет изменения направления интег 5 фвыход интегратора соединен с первымвходом ограничителя, выход которогоявляется первым выходом устройства,вторым выходом которого является выход релейного элемента, выход источника входного напряжения соединен свходом блока выделения модуля, второйвыход которого подключен к второмувходу ограничителя, выход интегратора соединен с третьим входом релейного элемента.На фиг, 1 схематично представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2временные диаграммы его работы.Устройство для моделирования импульсного датчика содержит интегратор 1 с резисторами 2 и 3, образующие делитель на неинвертирующем входе, резистором 4 и параллельнымключом 5 на инвертирующем входе,релейный элемент 6 на операционномусилителе 7 и ограничитель 8 на операционном усилителе,на одном .извходов которого включен ключ 9, выполненный на транзисторе, а на другомвходе - резисторы 10 и 11, образующие делитель. Ограничитель 8 подключен к выходу интегратора 1 через диодный ограничйтель, выполненный нарезисторе 12 и диодах 13 и 14, Крометого, устройство содержит блок 15выделения модуля с диодным ключом 16на операционном усилителе 17 с входным резистором 18,Усилитель 17 охвачен основнойобратной связью через диод 19 и резистор 20 и дополнительной обратнойсвязью через диод 21 и стабилитрон 22,который с помощью источника(не показан)и резистора 23 смещен в направлении, соответствующем закрытому состоянию диода 21. Выход усилителя 17 диодного ключа 16 через ограничительный резистор 24подключен к базе транзистора 9. Наряду с диодным ключом 16 в блок 15 выделения модуля входит суммирующий усилитель 25 с входными резисторами 26, 27 и резистором 28 обратной связи,В устройство моделирования введены также ключ 29 выполненный на полевом транзисторе, цепь управления которого (затвор 30) подключена к выходу релейного элемента 6, а выход исток 31)и выход (сток 32) через резисторы 33 и 34 соединены соответственно с неинвертирующим и инвертирую5 8492щим входами операциойного усилителя7 релейного элемента 6. 10 15 В качестве ключей 5 и 29 исполь-. зуются МОП-транзисторы с каналами одной проводимости, поэтому в цепь управ ления одного из транзисторов включается инвертор 35(при использовании транзисторов с каналами противоположной проводимости необходимость в инверторе отпадает).Источник 36 входного напряжения через блок 15 выделения модуля и ключ 29 соединен с резистором 4 на инвертирующем входе интегрирующего усилителя 1.Выходные сигналы устройства сии маются с выходов 37 и 38 соответственно релейного элемента 6 и ограничителя 8, Кроме того, схема ограничителя содержит диод 39,усилитель 40, резистор 41, релейный элемент содержит резисторы 42, интегратор выполнен на усилителе 43, в обратную связь которого включен конденсатор 44.25Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии при нулевом входном сигнале напряжения О, и О 5ЭО на выходах диодного ключа 16 и блока 15 выделения модуля (суммирующего усилителя 25)равны нулю( Ц, =Ц,5= О) . Поз тому независимо от состояния релейного элемента 6 и соответственно положений ключей 5 и 29 на обоих входах35 интегратора 1 отсутствуют напряжения и устройство находится в заторможенном состоянии. При этом операционный усилитель 7 релейного элемента 6, как и ограничитель 8 находятся в сосХаяниях насьпцения того.или иного знака и напряжения / О на выходах ЬТ 38 не изменяются(импульсы на выходах 37,38 отсутствуют). Это сос" тояние схемы соответствует нулевой ,скорости вращения (неподвижному валРассмотрим работу устройства при наличии входного сигнала. 50Пусть напряжение Ов)0. Под действием этого напряжения на выходе усилителя 17 возникает отрицательное напряжение, смещающее диод 19 в непроводящее состояние, в результате 55 этого основная обратная связь, охватывающая операционный усилитель 17, разрывается. 45 6В то же время происходит замыкаИ ние дополнительной обратной связи через диод 21 и стабилитрон 22. Поэто. му на.выходе операционного усилителя 17 устанавливается отрицательное напряжение - Оо, определяемое порогом стабилизации стабилитрона 22 и практически не зависящее от величины Цисточника 36 напряжения. Напряженйе -О 0 открывает транзистор 9, и выходной сигнал О интегратора 1 поступает только на неинвертирующий вход огра- ничителЯ 8. ПосколькУ пРи ОВх 70 ДйоД 19 не проводит, напряжение О остается равным нулю и выходное напряжение О блока 15 выделения модуля определяется выражениемО =- фО216 ц где К 228- сопротивления резисторов 27 и 28.Отрицательное напряжение 05 через делитель 2 и 3 поступает на неинвертирующий вход интегратора 1. При равенстве сопротивлений резисторов 2 и 3 (К = К ) напряжение на неинвертир ующем входе О = 0,5 О 5Предположим, что релейный элемент 6 находится в состоянии положительного насьпцения (О,. 70),при котором ключ 5 замкнут, а ключ 29 разомкнут. При этом резистор 4 подключен к общей точке схемы и выходное напряженые интегратора 1 изменяется под действием отрицательного сигнала, приложенного к неинвертирующему входу операционного усилителя 43. В результате, выходное напряжение О 1, интегратора 1 уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой током заряда 1 конденсатора 44 в обратной связи усилителя 43.Ток зарядаоо ода к,"Ъ= Я = р 12 "Вх= где К - коэффициент передачи блока выделения модуля/К=0,5 - - /Я27 Напряжение на выходе интеграторак-ОдуОд цнгде О - напряжение начальных условий;Оо,5 о,5 у 4 4 25 то уменьшение и нарастание напряжения происходит с одинаковой скоростью. .Напряжение Ои во время разряда конденсатора 44 током р изменяется по законуи:-и, -- ьк - ,иЪ 35 В момент времени 1=1 напряжеЯние принимает положительное значение О 0, при котором релейный элемент 6 переходит в исходное состояние, после этого начинается новый щ цикл работы устройства. В установившемся режиме при О=соп напряжение начальных условий Он равно О /О =0/,Поэтому выходное напряжение интегратора 1 убывает по линейному Мзакону в пределах от 0 до - 0,1 в интервале Ти возрастает по тому же закону от -Одо О в интервалеТ причем этот процесс периодическифповторяется (фиг,2).50 Найдем пороги переключения 0 Ц4релейного элемента 6. При замкнутомключе 5, когда релейный элемент 6находится в состоянии положительногонасыщения, напряжение на инвертирующемвходе операционного усилителя 7 равнонулю, а потому условие переключения% 7 84924постоянная интегрирования;Ф, - текущее время.В момент времени й:й (временные диаграммы на фиг. 2)напряжение Ои достигает отрицательного уровня И при котором происходит опрокидывание релейного элемента 6. Релейный элемент переходит в состояние отрицательного насыщения, что приводит к открыванию ключа 29 и закрыванию ключа 5. При 10 этом выходное напряжение О блока 15 поступая на оба входа интегратора 1, оказывает превалирующее воздействие по инвертирующему входу, так как на неинвертирующем входе усилителя имеется делитель 2-3. Это вызывает изменение направления интегрирования входного напряжения и выходной сигнал интегратора возрастает по линейному закону, СкоРость наРастаниЯ напРЯжениЯ Ои 20 определяется током разряда р, Поскольку. при К : И токи заряда и раз- гряда равны 5 8релейного элемента 6 имеет следующий, видО, КЗО,5 О О и О (О К О )где О - напряжение положительнойобратной связи на неинвертирующем входе усилителяпри положительном насыщеении этого усилителя;Ж - коэффициент деления напряжения Ц на неинвертиирующем входе усилителя 7;1 к - коэффициент передачи цепи,образованной резистором 33и резисторами на инвертирующем входе усилителя 7.При разомкнутом ключе 5, когдарелейный элемент 6 находится в противоположном состоянии, на инвертирующийвход усилителя 7 поступает напряжениеК 4 О 5 (К -коэффициент передачиЪ 4 15цепи, образованной резистором 34 и резистором на инвертирующем входе операционного усилителя 7), В моментпереключения релейного элемента имеетместо равенство напряжений на входахусилителя 7, т;е,с ЗЬ 5 = М 5где О - напряжение положительнойобратной связи на неинвертирующем входе операционногоусилителя 7 при отрицательном насыщении этого усилиСледовательно, 2-Ь к Ъ 4 ЗЗ) 5 д,Полное изменение напряжения ЕО навыходе интегратора 1 в инверторах Т 1и Х 2 определяется суммойои=и,и Я(ии -к о 1:(о-к ко 1Здесь первое слагаемое характеризуетширину петли гистерезиса релейногоэлемента 6, а второе отражает сужениеэтой петли за счет опережения моментов срабатывания й отпускания, которое обеспечивается с помощью введенных корректирующих связей черезрезисторы 33 и 34,Для получения симметричных колебаний (без постоянной составляющейна выходе интегратора 1)необходимо,чтобы выполнялись равенства4 3Второе равенство достигается при К.=0,5 К . Что касается ус9245 1 Ообладает повышенной линейностью прималых входных напряжениях.Как видно из временных диаграмм(фиг. 2) напряжение интегратораО опережает выходное напряжение. 031 релейного элемента 6 на уголЧЦ 2Напряжение 0 на выходе ограничителя8 при замкнутом транзисторном ключе9 совпадает по фазе с напряжением 01,поскольку сигнал с интегратора 1поступает на неинвертирующий входограничителя 8. Фазовый сдвиг Ф=ЩЯмежду напряжениями О ,1,1 на выходах38 и 37 сохраняется постоянным во 15 всем рабочем диапазоне частот устройства.Таким образом, при положительном напряжении Цх на выходах 38и 37 формируются импульсные напря жения с частотой следования, пропорциональной Овх, и сдвинутые пофазе на угол Ъ 1 Я . Это соответствуетпрямому вращению вала с импульсным датчиком.Рассмотрим теперь работу устройства при отрицательном входном напряжении. В этом случае операционный усилитель 17 диодного ключа 16 работаетв линейном режиме благодаря основной 30 обратной связи, охватывающей этот уси"литель через открытый диод 19 и резистор 20. При этом выходное напряжениедиодного ключа 16 определяется выра- жением 9 84 ловия Ц+ = О , то оно обеспечивается известными способами стабилизации уровней ограничения операционных усилителей.При одинаковых токах заряда. и разряда конденсатора 44 в обратной связи усилителя 43 интервалы времени равны и определяются выражениями Т=:сс 0,5 к О равР,О, -- Я- ОРв Вх и напряжение на выходе блока 15 выде-:ления модуля40з ад 1 арО =" О + Оа 7 Вх 126 В Вх Соответственно период колебаний4(ДО к кОТ=Т+Т- ссК ОВх,1 сбКО хи частота4(ьО -к кц) При К КО СС 6 ОР частота34 Ьмна-вкЬц."Як.)У (.1Р Р Таким образом, наряду с основной составляющейлинейно зависящей от входного напряжения 11, выражение (Овх ) имеет дополнительную квадратичную составляющую. Благодаря:этому в значительной мере компенсируется погрешность, обусловленная неиде.альными частотными свойствами реальных операционных усилителей, в том числе и запаздывание релейного элемента 6. Наряду с уменьшением погрешности на повышенных частотах уст ройство обладает более высокой линейностью при весьма малых частотах, Это обеспечивается за счет введения ключа 29 с помощью которого достигается постоянство сопротивления резистора, подключенного к инвертирующему входу интегратора 1. Действительно на этом входе интегратора независимо от состояния релейного элемента 6 всегда включен постоянный резистор 4, что осуществляет симметрирование входов операционного усилителя, выполнив условие% й3Одновременно обеспечивается неизменность постоянной интегрирования ь при заряде и разряде конденсатора 44. В результате при изменении направления интегрирования погрешность, обусловленная смещением нуля интегратора 1, компенсируется и устройство При выполнении условия йо 45 26 йв . 27 имеем О: - фф- О с о,ю а, Ьхчто совпадает с полученным выше выражением для ианряжения при 0 40,ПоэтоЬхму напряжение О, , поступающее на интегратор 1, не зависит от полярнос- ти 01 и процессы в схеме имеют тот же характер, что и при положительном входном сигнале.Отличие состоит лишь в том, что при 00 ключ 9 .разомкнут, поскольку положительное напряжение О с