Частотно-импульсный датчик

 

.о; .,-;,:,-чQ T и ".л . л оиблно;-ри„О П И С А Н И Е 332326

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 26.1.1970 (№ 139704ljQ8-24) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 14.1!1.1972. Бюллетень № 10

Дата опубликования описания 15.1т, .1972

М. 1хл. G Old 5/20

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

УДЫ 531.14.083.8(088.8) Автор изобретения

А. Ф. Терещенко

Заявитель

ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ДАТЧИК

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для преобразования измеряемой механической или физической величины в частоту следования импульсов.

Известные устройства аналогичного назначения выполняются обычно на базе автоколебательных мультивибраторов, управляемых выходным сигналом с первичного генераторного или параметрического датчика, запитываемого от источника постоянного напряжения.

Однако эти устройства имеют низкую чувствительность (рабочий диапазон напряжения на входе составляет 2 в, тока 1 ма). Это объясняется тем, что усиление сигнала в тракте от датчика до мультивибратора производится при постоянном токе. При этом имеет место дрейф нуля усилителя как с течением времени, так и при изменении температурного режима работы схемы. Это ограничивает возможности применения указанных устройств, -.поскольку многие типы датчиков выдают сигналы низкого уровня (порядка 10 мв) .

Предлагаемый датчик имеет более высокую чувствительность .преобразования сигналов от первичных параметрических датчиков типа тензоэлементов, фоторезисторов и т. д.

Это достигается тем, что входной мост с параметрическим датчиком подключается попеременно к двум разнополярным источникам питания одинакового по величине напряжения с помощью двух ключевых схем, управляемых с соответствующих выходов автоколебательного мультивибратора, оба входа которого, в свою очередь, соединены с выходом параметрического моста через дифференциальный усилитель и разделительные конденсаторы.

Благодаря такой структуре реализуются принципы импульсного двухполупериодпого

1р питания датчика, усиления сигнала и управления мультивибратором на переменном токе с непосредственным фазочувствительным преобразованием амплитудно-импульсной модуляции в частотно-импульсную. Все это обеспечи15 вает не только высокую чувствительность, но и компактность устройства в целом.

На чертеже представлена схема частотноимпульсного датчика.

Устройство содержит входной мост 1, вклю2р чающий первичный датчик 2 и дополнительные элементы 3 — б. Мост питается от разнополярных источников 7 и 8, напряжение с которых поочередно поступает на питающую диагональ моста через две ключевые схемы 9

25 и 10, имеющие управляющие входы 11 и 12 соответственно. Измерительная диагональ моста непосредственно или через разделительные конденсаторы (или через согласующий трансформатор) соединена с первым и

Зр вторым входами дифференциального усилите332326 ля 18, первый и второй выходы которого через разделительные цепи 14 и 15 соединены соответственно с первым и вторым аналоговыми входами автоколебательного управляемого напряжением мультивибратора 1б, частота которого линейно зависит от амплитуды входного сигнала.

Разделительные цепи содержат конденсаторы 17 и 18 в последовательной ветви и резисторы 19 и 20 в,параллельной ветви. В качестве резисторов могут быть использованы входные резисторы схемы мультивибратора.

Выходы мультивибратора соединены соответственно с выходными клеммами 21 и 22 и одновременно с управляющими входами 11 и

l2 ключевых схем, Вследствие подсоединения их к разным выходам мультивибратора ключи 9 и 10 работают в противофазе: в течение одного полупериода один из них замкнут, а другой разомкнут, в течение же следующего полупериода состояния ключей меняются на противоположные.

Соединение входов и выходов составных звеньев преобразователя осуществлено таким образом, что положительному приращению параметра датчика 2 соответствует увеличение частоты мультивибратора. При перемене зажимов только в одной паре модуляционная характеристика меняет знак на противоположный.

В исходном положении, когда на датчик не поступает измеряемого воздействия, мост 1 находится в равновесии, баланс которого достигается регулировкой переменного элемента б. При этом на выходе моста имеются лишь весьма узкие экспоненциальные импульсы напряжения, соответствующие моментам переключения ключей 9 и 10, амплитуда же прямоугольных импульсов на входе и выходе дифференциального усилителя равна нулю, и поэтому частота мультивибратора имеет Уоминальное значение.

При действии измеряемой механической или физической величины параметр датчика 2 получает приращение, вследствие чего мост 1 выходит из состояния равновесия и па измерительной его диагонали появляются прямоугольные импульсы напряжения положительной и отрицательной полярности, фаза которых определяется знаком приращения входной величины. Эти импульсы усиливаются и проходят через разделительные цепи 14 и 15 на управляющие входы мультивибратора 1б, Поскольку постоянное или медленно изменяющееся напряжение с каждого выхода усилителя не пропускается разделительной цепью 14 или 15, то на первом и втором входах мультивибратора двуполярные прямоугольные импульсы имеют одинаковую амплитуду, но находятся в противофазе относительно друг друга.

В каждый полупериод на работу мультивибратора оказывает влияние лишь сигнал на одном входе, управляющий током разряда конденсатора хронирующей цепи и, следователь60

5

55 но, временем закрытого состояния транзистора (.1а«1пы) мультив11братора. На второе плечо мультивибратора с открытым транзистором в этот полупериод импульсы на управляющем входе влпяни не оказывают, Зато в следующий полупериод импульсное напряжение на этОм входе мульт:1в!!Оратора « правляет разрядом конденсатора второй «ропирующей цепи, а импульсы на первом входе пе оказывают влияния на процессы восстановления открытого плеча, Таким образом, при наличии постоянного по величине входного воздсйс1вия полупериоды мультивибратора получают одинаковое по величине и по знаку приращение. Несмотря па импульсную запитку датчика благодаря использованию двух выходов дифференциального усилителя, получаем двухполуперпод 1oe управление мультивибратором, совершенно аналогичное управлепшо непрерывным входным па11ряжением. Следовательно, в дан:1ой схеме нет необходимости в применении фильтра нижних частот для выделения медленно изменяющегося спп1ала — аналога входного воздействия. Кроме того, устранен также и фазочувствительный демодулятор AN-импульсов, что упрощает схему и позышает точность ее работы.

Теоретический анализ показывает, что применение двух источников питания 7 и 8 с выходным разнополярным и одинаковым по величине напряжением при указанной схеме включения звеньев позволяет наиболее полно осуществить двухполупериодпый принцип работы и повысить помехоустойчивость датчика к высокочастотным паразитным составляющим в спектре входного воздействия.

Остановимся на практических вопросах реализации схемы. Мост 1 является частотно независимым и образуется пассивными элементами электрической цепи, сходными с первичным датчиком. В частности, если датчиком является тензоэлемент или фотосопротивление, то элементами 8 — б служат резисторы, если датчик 2 является фотокопденсатором, то элементы 8 — б должны быть конденсаторами ит.д.

Общая точка источников питания 7 и 8 обычно соединяется с шиной заземления.

Ключевые схемы 9 и 10 могут иметь ключевые элементы как в последовательной ветви, так и в параллельной. Последний случай более предпочтителен для управления ключами, так как управляющее напряжение здесь прикладывается относительно общей корпусной шины.

В качестве ключевых элементов удобно использовать транзисторы. При этом, если выполнить ключи 9 и 10 на транзисторах различного типа проводимости, то управляющие входы 11 и 12 достаточно присоединить лишь к одному выходу мультивибратора.

Ключевые схемы 9, 10 и источники 7, 8 могут быть совмещены с элементами схемы мультивибратора и источником его питания.

332326

Зо

Это имеет место в случаях за««тки мультивибратора от двух разнополярных источников питания одинакового по величине напряжения при ключевых режимах работы элементов мультивибратора и при достаточно хорошей прямоугольности импульсного напряжения на его выходах. Тогда питающая диагональ моста подключается непосредственно к выходам мультивибратора, что еще более упрощает схему датчика.

При питании мультивибратора от одного источника напряжения двухполупериодный режим работы входного моста достигается за счет использования переходного трансформатора, первичная обмотка которого подключается к выходам мультивибратора, а вторичная обмотка соединяется с питающей диагональю моста. В этом случае при заземлении средней точки вторичной обмотки трансформатора возможно применение входного полумоста вместо полного параметрического, а также возможность заземления второго входа дифференциального усилителя, соедпне«нем выхода полумоста с первым входом усилителя.

В представленной на чертеже схеме частотно-импульсного датчика может использоваться дифференциальный усилитель как постоянного, так и переменного тока. В случае соединения общей точки источников питания 7 и 8 с корпусом (землей) усилителя необходимо, чтобы дифференциальный усилитель имел высокий коэффициент режекции (порядка

80 дб), что является легко достижимым для усилителей переменного тока.

Подключение измерительной д«агонали моста 1 к входам дифференциального усилителя может быть выполнено как путем непосредственной связи, так и через разделительные конденсаторы или переходной трансформатор.

Последний выполняет также функции согласующего и разностного каскада, позволяя использовать усилитель с педифференциальным входом. В этом смысле применение переход«ого трансформатора эквивалентно включению питающего трансформатора к выходам мульт«вибратора. В обоих случаях коэффициент режекции усилителя может быть значительно уменьшен по сравнению с указанным выше.

Управляемый напряжением мультивибратор

1б выполнен I10 симметричной схеме с двумя хронирующими цепями. Для достижения высокой линейности модуляционной характерис I IIIcII в качестве разрядных цепей используются управляемые токозадающие источники тока, в частности управляемые коллекторноэмиттерные цепи дополнительных транзисторов.

Проведенное макетирование представленной схемы датчика на тра«э«сторах показало его работоспособность и высокую температурную стабильность. Нелинейность сквозной модуляционной характер«стикп не превышает

1%> что является приемлемым во многих практическ«х случаях. Девиации частоты на

+50% соответствовало изменение параметра датчика па +1%.

Датч к может найти пр«мене««е в высокочувствительный системах измерения, рег«страц«и и переда ш механическ«х и физических величин, например в телеметрии и измерительной маги«тной за««с«а шлоговой информации.

Предмет изобретения -1астотно-импульсный дат««к, содержащий мост с параметрическим датч«ком, дифференциальный усилитель, раздел«тельные цепи, м ул ьт и в и б р а то р, кл ю ч е в > е схемы I I I I c T o >I I I I I I I I питания, отличавшийся тем, что, с целью повышения чувствительности частотно-импульсного датчика, питающая диагональ моста соединена через две ключевые схемы с двумя разнополяр«ымп исто пшкам«п«тап«я одинакового по вели шне напряжения, а пзмер тельная диагональ через дифференциальный усилитель и разделительные цепи — с управляющими входамп мульт«в«бр«тора, выходы которого соединены с управляющими входаi I II соответствующ«х ключевых схем.

Составитель <О. Филимонов

Редактор В. Левятов Текред А. Каммшиикова Корректор В. Жолудева

Заказ 941/8 Изд. ¹ 375 Тираж 448 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий прн Соьсте Министров СССР

Москва, К-35, Раушская наб., д. 4 5

Тинографил, пр. C(!fl) íoâë, 2