резисторе мультивибратора 46, а так как транзисторы 27 и 29 заперты, то согласующие транзисторы 27-30 не влияют на состояние мультивибратора.

Так как в первом состоянии мультивибратора открыты транзисторы 55 и 55 и заперты транзисторы 34 и 36, то разность коллекторных напряжений указанных транзисторов AU обеспечивает открывание транзисторов 6, 9 а запирание транзисторов 7 и в результате чего напряжение на накопительном конденсаторе 10 линей(Ю нарастает вследствие заряда коллекторным током транзистора 6 Если линейно нарастающее напряжение на выходе истокового повторителя превысит значение опорного напряжения источника 20, то откроется транзистор 17 и закроется транзистор 18, что приведет к открыванию транзистора 29 и запиранию транзистора 30. Так как входной транзистор мультивибратора 28 остается открытым, то на резисторе 46 напряжение увеличится, благодаря выключению транзистора 30, а на резисторе 45 уменьшится, благодаря включению транзистора 29, что приведет к регенеративному переключению мультивибратора. В результате регенеративного переключения транзисторов 33-36 строго синхронно во времени изменяются управляющие потенциалы на базах транзисторов 6-9 переключателей тока. При этом открываются транзисторы 7 и 8 и запираются транзисторы 6 vi 9.

Так как на транзисторы 6-9 в момент переключения воздействует разность напряжений база - эммиттер противоположного знака, (противофазное напряжение), то потенциалы на эмиттерах транзисторов б-Р остаются неизменными. Это обеспечивает максимально возможное быстродействие переключателей тока, выполненных на транзисторах 6-9. В результате изменения направления тока заряда конденсатора 10 после переключения токовых переключателей начнет уменьшаться положительное напряжение на конденсаторе 10. Если оно станет меньше опорного напряжения то транзисторы 17 и 29 закроются, а транзисторы 18 и 30 откроются. Время открытого состояния транзисторов 17 и 29 равно времени переключения транзисторов 6-9. После запирания транзисторов 17 и 29 напряжения на резисторах 45, 46 будут поддерживаться открытыми транзисторами 32 и 38 по цепям положительной обратной связи мультивибратора. В момент, когда линейно спадающее напряжение на накопительном конденсаторе станет ниже напряжения источника 16 опорного напряжения U, на короткое время tn откроются транзисторы 13 и 27, что приведет к переключению транзисторов мультивибратора в исходное состояние и переключению транзисторов б и 9 в открытое состояние. После запирания транзисторов/5 и 27 и отпирания транзисторов 7 и 28 нарастает напряжение иа накопительном конденсаторе до положительного опорного уровня Uq. Таким образом, цикл работы схемы повторяется.

Частота работы схемы при токе генераторов 2 н 4 и накопительной емкости Сн:

(3.69)

Для увеличения верхней рабочей частоты необходимо минимизировать компоненту времени t„, которая состоит из времени переключения мультивибратора, времени переключения схемы сравнения и согласующих транзисторов Предположим, что время задержки сигнала в транзисторе 4 = 0,2 -f- О.Зта. где т - постоянная времени транзистора, мало по сравнению с временем заряда емкости эмиттер-база С.б Чтобы получить изменение тока эмиттера в транзисторе от величины /,1 до величины /, необходимо изменить падение напря>ления на переходе база - эмиттер на величину Оэб = ФтЬт LJla. Указанное изменение тока эмиттера всех дифференциальных пар в мультивибраторе происходит одновременно благодаря регенеративному npoHtccy, охватывающему все транзисторы. Кроме того, началу регенеративного процесса предшествует переключение схемы сравнения и согласующих транзисторов. Следовательно, величина t„ = = 2иэбС.б/1б, где Сэб -емкость перехода эмиттер - база; /б - ток заряда, определяемый внутренним сопротивлением источника переключающего напряжения в цепи базы. В предложенной схеме внутреннее сопротивление равно двум последовательным нагрузочным сопротивлениям предыдущего каскада, падение напряжения на каждом из которых t/эб = At 2. С учетом найденного значения частота работы рассматриваемого ПНЧ

(3 70)

Формула (3.70) указывает на то, что повышение рабочей частоты при выбранном типе биполярных транзисторов достигается в результате увеличения тока заряда паразитной емкости Сэб, а также выбора минил}ально возможной емкости накопительного конденсатора С„. Минимизация емкости в схеме достигается тем, что она реализована в виде паразитных коллекторных емкостей транзисторов 6 и S и емкости затвора транзистора , поскольку другие ограничения накопительной емкости в предложенной схеме отсутствуют.

Техническая эффективность схемы ПНЧ оценивается результатами расчета по формуле (3.70) при максимальном токе генераторов 2, 4. При расчетных значениях U,6 = 0,\ В, С.б = 3 • 10~ Ф, /е = = 2 . 10-А, Uo=\ -В, Гн = 15 . 10-2 ф, /,=5 . 10- А F,=83 МГц.

Следовательно, максимальная рабочая частота генератора равна 83 МГц, причем задержка в цепи обратной связи приближается к длительности линейно нарастающих сигналов на накопительной емкости. Максимальная частота работы генератора существенно зависит от быстродействия транзисторов в схеме сравнения и мультивибратора.

Сравнение максимальной рабочей частоты схемы ПНЧ с максимальной рабочей частотой, полученной в схеме 460/ фирмы «Вигг - Bro\vn» (США), показывает, что схема (см. рис. 3.17) превосходит ее по быстродействию в 83 раза.

Дополнительное преимущество схемы ПНЧ заключается в меньшей чувствительности к помехам по питанию в связи с симметрией схемы относительно шины нулевого потенциала.

ПЕРИ

: ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

УСТРОЙСТВА ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ

4.1. Проетранетаенные шкалы периферийных измерительных устройств

Приняв перемещение в качестве информационного параметра в кибернетических системах, остановимся на его формальном описании. Перемещение как изменение положения наблюдаемой материальной точки в пространстве или объекта, отождествляемого с материальной точкой, является векторной величиной S (t), зависящей от времени. В общем случае оно представляется тремя скалярными величинами - проекциями на координатные оси: (t), Sy (t), S, (t). Каждая из этих величин численно равна разности координат подвижного объекта.

В случае прямолинейного движения перемещение обозначим через 5 (/) Оно формально не отличается от мгновенного значения напряжения и (t), если допустить, что разность координат аналогична разности потенциалов. Следовательно, без потери информации возможна замена механического сигнала S (t) электрическим U (/). Значение S (t) можно установить по двум различным алгоритмам: способом прямого считывания (абсолютного отсчета) величины перемещения либо способом счета приращений. По первому алгоритму

SAt) = x(t)-~x(0), (4.1)

где X (t), X (0) - текущее и начальное значения координат.

При X (0) = О, (t) = X (i) или в случае прямолинейного перемещения S (/) = X, т. е. достаточно сосчитать текущее значение координаты. По второму алгоритму перемещение представляется в виде

SAt) = Ux((). (4.2)

Последнему алгоритму свойственна низкая достоверность определения координат в связи с накоплением ошибок при суммировании дискретных приращений.

Каждый из алгоритмов технически реализуем двумя методами: пространственных шкал и временного отсчета Временной метод основан на свойстве прямолинейного распространения энергии и знании скорости ее распространения. Он менее точен, чем шкальный, ввиду непостоянства скорости распространения электромагнитных и акустических колебаний в условиях изменяющейся внешней среды и ошибок, связанных с отсчетом начала и конца временного интервала. Поэтому он редко применяется для кодирования перемещений в пределах одного объекта, но единственно возможен для нахождения координат удаленных объектов. Этот метод лежит в основе радио, гидро- и ультразвуковой локации.

Лространстбенная шкапа

уг/юЬая

дискретная \

двоичная ] \ комбинаторная \

Рис. 4 I. Структурная классификация пространственных шкал

В качестве основного метода для технической реализации пер ферийных измерительных устройств был принят метод пространстве ных шкал. В связи с этим элементную базу таких устройств следу считывать функционально полной, если она позволяет реализовать в известные типы пространственных шкал.

Пространственная шкала представляет собой специально созда ную структуру пространственных неоднородностей, которые мож! считать электрическими методами. Неоднородности, образующие шк лу, создают метрику в пространстве, где перемещается объект S ( Вид неоднородностей определяется с помощью способа их преобраз вания в электрический сигнал, т. е. способа считывания. В устройств

НепрерыЫюя

Ионщ/сная

Структура неоднородности и расположение считыЬаю-Ш.Ш элвмвнтоЬ

g> П П П . X

Г-I

Рис. 4.2. Типы пространственных шкал ПИУ

цифрового кодирования относительное перемещение объекта S (О воспроизводится аналогичным перемещением считывающих элементов относительно модулирующих. В результате такого юспроизведения перемещению S (t) ставится в соответствие один или множество считанных сигналов и (t).

Обобщение опыта разработок ЦДК как основного устройства периферийных измерительных устройств, выполненных многими исследователями и описанных в работах [69-72], позволяет установить структурную классификацию пространственных шкал (рис. 4.1). По функциональному назначению пространственные шкалы делятся на три основных класса: линейные, угловые, двух координатные.

На рис. 4.2 изображены основные типы шкал, структура неоднородностей и расположение считывающих элементов, а также зависимости амплитуды выходного напряжения считывающих элементов от перемещения - ВМХ.

Принципиальный характер имеет деление шкал на непрерывные и дискретные. Непрерывные шкалы служат для преобразования перемещения в аналоговый электрический сигнал, информационный параметр которого изменяется непрерывно в диапазоне перемещения S

->- и (t). Примером таких шкал являются датчики перемещения [731, ЦДК на основе непрерывных шкал свойственны те же недостатки, что и аналоговым устройствам переработки информации. Однако их применение целесообразно в устройствах с малым диапазоном перемещения и функциональных преобразователях.

Характерной особенностью дискретных шкал является разбиение диапазона перемещения на дискретные интервалы, на границах которых происходит скачок уровня неоднородности, принимающего обычно два значения. Дискретный интервал шкалы, выполняющий функцию модулирующего элемента, и соответствующий ему считывающий элемент назван КЭ аналогично логическим и запоминающим элементам ЭВМ. КЭ осуществляет преобразование уровней неоднородности шкалы в двоичный электрический сигнал.

Периодически расположенные неоднородности образуют шкалу, позволяющую считывать последовательность единичных сигналов (унитарный код) при движении вдоль оси х. Разрешающую способность шкалы типа «унитарный код» можно существенно повысить за счет применения нескольких сдвинутых по нониусу считывающих элементов [74]. Полученная таким образом нониусная шкала демонстрирует соотношение между точностью и аппаратурными затратами.

Если шкалы унитарного кода и нониусная пригодны для кодирования лишь по алгоритму счета приращений, то последующие шкалы на рис. 4.2 реализуют алгоритм прямого считывания. Шкала типа «пространственный код» позволяет непосредственно считывать S (t) в виде двоичного позиционного кода [75]. Однако разрешающая способность такой шкалы невысока, поэтому одна из важнейших задач в области техники цифровых датчиков координат состоит в достижении высокой разрешающей способности по алгоритму абсолютного отсчета. Решение этой задачи основано на комбинации позиционной и нониус-ной шкал [4, 761.

Шкала развертывающего типа предназначена для решения задачи высокоточного двух координатного кодирования. Она представляет собой, например, ортогональное пересечение линий, возбуждаемых последовательно ю времени импульсами тока. Вследствие такого возбуждения сначала вдоль осид;, а затем у дискретно перемещается волна магнитного поля, которую регистрирует считывающий элемент.

Наибольшее распространение в технике получили пространственные кодовые шкалы, реализующие прямое считывание двоичного позиционного кода [75, 77, 78]. Каждому разряду кодовой шкалы соответствует кодовая дорожка. В зависимости от принятого цифроюго кода модулирующие элементы этих шкал выполнены в виде позиционного двоичного кода. Для защиты от неоднозначности считывания на границе изменения кодов двоичную кодовую шкалу выполняют в виде кода Грея, У-кода или двоичный код дополняют блокировочным разрядом для запрета считывания информации в местах переключения кодов. Единственным недостатком двоичной кодовой шкалы является ее увеличенная ширина Ь, равная произведению ширины кодовой дорожки h одного разряда на число разрядов т : b = hm.