CC BY
101
Информационные комплексы и системы
15. Gallo G. A fast parametric maximum flow algorithm and application [Text] / G. Gallo, M.D. Grigoriadis, R.E.Taijan // SIAM J. Comput. - 1989. -18. - P. 30-55.
16. Gordeev Je.N. O edinstvennosti reshenija nekotoryh kombinatornyh zadach vybora [Tekst] / Je.N. Gordeev, L.I. Lipkin //Metody diskretnogo analiza: sbornik trudov. - Novosibirsk, 1989. - Vyp. 49 - S. 1331.
17. Artemenko VI. Metod formirovanija optimal'nyh programmnyh traektorij robota-manipuljatora [Tekst] / V.I. Artemenko, Je.N. Gordeev, Ju.I. Zhuravlev i dr. // Kibernetika i sistemnyj analiz. - 1986. - № 5. - S. 84-107.
18. Gordeev Je.N. Ob adekvatnosti modelirovanija processov v setjah [Tekst] / Je.N. Gordeev // Jelektrosvjaz'. - 1999. - № 8. - S. 16-20.
Сухинец Ж.А.
Sukhinets Zh.A.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Телекоммуникационные системы» ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа
Сухинец А.В.
Sukhinets A.V.
студент
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Уфа
УДК 621.317
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТА-КОД
для частотных датчиков
В статье рассмотрен способ построения функционального преобразователя частоты синусоидальных сигналов для частотных датчиков с использованием принципа ФАПЧ, реализуемого электронноуправляемым фазовращателем. Преобразователь позволяет решить актуальную задачу обеспечения высокой точности, быстродействия и универсальности измерения без дополнительных преобразований в физических параметрах измеряемых величин и может использоваться в системах контроля и управления технологическими процессами. Использование частотных датчиков для измерения различных физических величин получили большое распространение в системах автоматического регулирования, измерения, контроля и дистанционной передачи информации. Преобразование измеряемой величины в пропорциональную ей частоту, совмещает простоту и универсальность, свойственную аналоговым устройствам, с точностью и помехоустойчивостью, характерными для датчиков с кодовым выходом. Кроме того, с энергетической точки зрения самым тяжелым участком измерительного канала является участок от выхода частотного датчика до входа усилительно-преобразующей аппаратуры. Мощность же даже низкодобротных RC-датчиков на три-четыре порядка превышает мощности реостатных, индуктивных, тензорезистивных, амплитудных преобразователей, что предопределяет их нечувствительность паразитным э.д.с., переходным сопротивлениям и взаимным влияниям каналов в информационно-измерительных системах. Однако нелинейные зависимости выходной частоты датчиков от физических параметров не позволяют использовать стандартные схемы частотомеров в системах измерения и регулирования. Использование варикапов в качестве управляемых напряжением чувствительных безынерционных емкостей в фазовращателях цепной трехполюсной структуры типа RC позволяет получить новые характеристики управления, не достигаемые в подобных схемах с линейными элементами, а именно: увеличение диапазонов регулирования в
88
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
Data processing facilities and systems
системах автоматической подстройки частоты.
Способ преобразования частоты реализуется использованием фазовой автоподстройки номинальной частоты аналогового сигнала с применением электронно-управляемого фазовращателя, что повышает точность, т. к. отсутствует частотная расстройка между измеряемым и уравновешенным сигналами в момент измерения, и быстродействие, а также устраняет методическую погрешность измерения.
Ключевые слова: номинальная частота, частотный датчик, функция преобразования, фазовращатель, варикап, преобразователь частота-код, квазирезонанс, микроконтроллер.
FUNCTIONAL CONVERSION FREQUENCY-CODE FOR FREQUENCY SENSORS
The article presents a method of constructing functional frequency sinusoidal signal converter for frequency sensors using phase-locked loop, which is realized by electronically-controlled phase shifter. Frequency indicator allows solving actual tasks of high accuracy, high-speed performance and versatility measurement without additional conversions in measuring values physical parameters and can be used for working in control systems and technological processes managing. Use of frequency sensors in measuring values physical parameters became widespread in automatic control systems, measurement and remote transmission of information. Converting the measured frequency proportional to its frequency combines simplicity and versatility, which is characteristic of analog devices with accuracy and noise immunity, which are typical for the sensors with output code. Furthermore, the most complicated area of the measuring channel is the area from the output frequency of the sensor to the entrance of the amplifying equipment from an energy point of view. The power of low-quality RC-sensors is for three - four orders of magnitude greater than the power rheostat, inductive, tensoresistive and amplitude converters that predetermine their insensitivity to parasitic EMF, transfer resistances and crosstalk in information and measuring systems. However, nonlinear dependence of the output frequency of the physical parameters of the sensors does not allow the use of standard frequency meter circuit in measurement and control systems. The use of variable-capacitance diodes as voltage controlled voltage freewheeling capacity in phase shifter chain tripolar structure provides new characteristics of the control, which were not achieved in such schemes with linear elements, specifically increasing of ranges regulation systems of automatic frequency.
The method of frequency conversion is implemented by using phase-locked nominal frequency of the analog signal with the use of electronically controlled phase shifter, which increases the accuracy and speed, because of the lack of frequency detuning between the measured and balanced signals at the time of measurement, and also eliminates the systematic error of measurement.
Key words: nominal frequency, frequency sensor, conversion function, phase shifter, variable-capacitance diode, frequency-code converter, quasiresonance, microcontroller.
Использование частотных датчиков для измерения неэлектрических величин (температуры, давления, уровня, концентрации веществ и т. д.) получило наибольшее распространение. Преобразование измеряемой величины в пропорциональную ей частоту совмещает простоту и универсальность [1], свойственную аналоговым устройствам, с точностью и помехоустойчивостью, присущими для датчиков с кодовым выходом. Кроме того, с энергетической точки зрения самым тяжелым участком измерительного канала является участок от выхода датчика до входа усилительно-преобразующей аппаратуры. Мощность же даже низкодобротных ЛС-датчиков на три-четыре порядка превышает мощности реостатных, индуктивных, тензорезистивных, пьезоэлектрических амплитудных преобразователей, что предопределяет их нечувствительность паразитным
э.д.с., переходным сопротивлениям и взаимным влияниям каналов в информационно-измерительных
системах. Однако нелинейные зависимости выходной частоты датчиков от физических параметров не позволяют использовать стандартные схемы частотомеров в системах измерения и регулирования.
Другая особенность частотных преобразователей заключается в том, что при изменении измеряемого параметра от нулевого значения до максимума, например, уровня, деформации и т. п., выходная частота изменяется в некотором диапазоне.
Так, выходная частота f струйно-акустического датчика температуры газов ГТД при изменениях абсолютной температуры 0 = 293 1650 К изменяется
[2] от 13200 до 31200 Гц по закону fn=nbлJQ,
где n - номер гармоники; b - коэффициент, зависящий от конструктивных параметров датчика.
Причем для измерения используется лишь первая гармоника полигармонического сигнала.
Естественно, что в таких случаях необходимы
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
89
Информационные комплексы и системы
специализированные функциональные частотомеры или преобразователи частота-код номинальных значений, т. е. работающие в требуемом диапазоне частот.
В [3] предложен частотомер номинальных значений, в котором импульсы измеряемой частоты после усилителя-формирователя и заполнения цифрового счетчика до определенного числа, соответствующего номинальному значению, управляют через триггер открытием ключа на время отношения номинальной частоты к измеряемой. За это же время реверсивный счетчик из начального заданного перед измерением значения отсчета, равного удвоенному произведению номинальной частоты на отношение опорной частоты к номинальной, вычитают импульсы опорной частоты, поступающие на него от генератора импульсов, и формирует показание, пропорциональное измеряемой частоте.
Его недостатками являются сложность схемы, малый диапазон измерений, большая методическая погрешность измерения и невозможность представления результатов измерения в физических единицах измеряемого параметра.
В [4] предложен способ измерения отклонений частоты от номинального значения, основанный на подсчете числа периодов образцовой частоты в течение одного периода измеряемой частоты убывающим итогом от начального значения, пропорционального номинальной величине периода сигнала измеряемой частоты, в котором для упрощения процесса измерения меняют индикацию состояния счетчика на инверсную при получении нуля и продолжают подсчет импульсов убывающим итогом до конца периода. Этот способ, реализованный в цифровом измерителе отклонения измеряемой частоты от номинальной [5], имеет существенные недостатки, которыми являются низкие быстродействие и точность, сложность, большое количество операций по обработке синусоидальных сигналов и необходимость использования дополнительного устройства вычитания из текущего значения частоты ее начального значения, соответствующего нулевому значению измеряемого параметра. В [6] предложена схема развертывающего преобразователя с фиксированным приращением фазы сигнала преобразуемой частоты, у которой имеются погрешности: квантования, методическая, зависящая от емкости счетчика и значений измеряемой частоты, а также переменное время нелинейного преобразования.
Задачей исследования является разработка функционального преобразователя частота-код (ФПЧК) повышенной точности и быстродействия для преобразования параметров от аналоговых дат-
чиков с частотным выходом в физические единицы с использованием минимального набора стандартных функциональных узлов, что обеспечит высокую надежность.
Поставленная задача решается осуществлением способа непосредственного преобразования измеряемой частоты синусоидального сигнала датчика f в код с использованием (рис. 1) электронноуправляемого функциональным генератором развертки (ФГР) фазовращателя, соединенного с первым входом индикатора равенства фаз (ИРФ), на второй вход которого поступает преобразуемая частота напрямую. Для расширения диапазона измерения в качестве электронно-управляемого фазовращателя (ЭУФ) предложена цепная трехполюсная структура (ЦТС), состоящая из n/2 ЛС-звеньев, где роль емкостей С выполняют варикапы [7], практически безынерционные элементы [8]. Однако, до сих пор попытки использовать нелинейные элементы в этих целях ограничивались малыми диапазонами измерений [9, 10]. Применение ЦТС и способа развертывающего преобразования позволило расширить возможности использования нелинейных элементов в этих целях. Электронно-управляемый фазовращатель (ЭУФ), соединенный с первым входом ИРФ, осуществляет перестройку частоты квазирезонанса ЭУФ до равенства фаз с частотой, поступающей непосредственно на второй вход компаратора, под управляющим воздействием ФГР, запускаемого одновибратором (ОВ). ИРФ при равенстве фаз через ключ (Кл) фиксирует напряжение развертки ФГР, которое с помощью АЦП преобразуется в код. Микроконтроллер (МК), программу которого снабжают градуировочными характеристиками различных типов датчиков, управляет формой напряжения развертки ФГР. Например, для рассмотренного струйно-акустического датчика температуры зависимость up развертывающего напряжения ФГР по первой гармонике от времени t будет
ир(О = л/0.
Таким образом, одним из основных узлов ФПЧК является ЭУФ, n-плечая схема которого приведена на рис. 2.
Формулы для расчетов числа звеньев n/2, коэффициента kn и частот квазирезонанса f из [11] справедливы и для проектирования ЭУФ:
f _ К Ub 2tlRCb ^ Up + фд.
где С UB - емкость и напряжение смещения варикапа, соответствующие верхней частоте перестройки; ир - напряжение развертки; фк - контактная разность
90
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
Data processing facilities and systems
Рис. 1. Структурная схема функционального преобразователя частота-код
потенциалов р-п перехода, лежащая в пределах 0,40,7 В.
Коэффициент kn находится из выражения
=°>
/=0,1...
где Cq 5и+1+2г - сочетания из 2+4/ элементов по 0,5п+1+2/ элемента; p = 0,25n -1 - для четных 0,5n; p = 0,25(n + 2) -1 - для нечетных 0,5n.
Зная диапазон изменения выходной частоты датчика Af равный Af = fmax - fmin, выбираем из [11] соответствующее значение коэффициента kn.
По результатам исследования влияния изменения емкостей ЭУФ (рис. 2) с числом плеч n = 20, состоящего из варикапов КВ102 и сопротивлений 100 кОм под действием развертывающего напряже-
ния от 4 до 11 В на частоту квазирезонанса [12] была получена зависимость ее изменения (рис. 3) в пределах от 12,5 до 20 кГц.
Представляет интерес использования в качестве ЭУФ искусственных линий в виде интегрально выполненных преобразователей с распределенными параметрами [13].
Способ преобразования номинальной частоты реализуется использованием принципа фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) аналогового сигнала с применением ЭУФ, что повышает точность, т. к. отсутствует частотная расстройка между измеряемым и уравновешенным сигналами в момент измерения, и быстродействие, а также устраняет [14] методическую погрешность измерения.
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
91
Информационные комплексы и системы
Рис. 3. Зависимость частоты квазирезонанса от управляющего напряжения для двадцатиплечей схемы фазовращателя
Таким образом, предложенная схема функционального преобразователя частота-код для синусоидальных сигналов частотных датчиков с использованием принципа ФАПЧ, реализуемого электронноуправляемым фазовращателем, обеспечивает высокую надежность, точность, быстродействие и универсальность применения преобразователя без дополнительных вычислительных операций и преобразований физических параметров измеряемых величин. Кроме того, ЭУФ одновременно обеспечивает фильтрацию информативной частоты, обеспечивая его настройку на первую гармонику полигармонического сигнала, что дополнительно увеличивает точность преобразования.
Список литературы
1. Новицкий П.В. Цифровые приборы с частотными датчиками [Текст] / П.В. Новицкий, В.Г. Кнор-ринг, В.С. Гутников. - Л.: Энергия, 1970. - 424 с.
2. Гулин А.И. Быстродействующий измеритель температуры газов в газотурбинном двигателе [Текст] / А.И. Гулин // Авиакосмическое приборостроение. - 2012. - № 9 - С. 10-14.
3. Шляндин В.М. Цифровые измерительные устройства [Текст]/ В.М. Шляндин. - М.: Высшая школа, 1981. - 335 с.
4. А.с. СССР № 336612, G01R23/10 от
21.04.1972. Способ измерения отклонений частоты от номинального значения [Текст] / А.Г. Рыжевский, Ю.А. Смагин, Э.К. Шахов, В.М. Шляндин. - Опубл.
19.10.1972. - Бюл. № 14.
5. А.с. СССР № 300833, G01R17/00 от
07.04.1971. Цифровой измеритель отклонения измеряемой частоты от номинальной [Текст] / Е.П. Осад-чий, А.Г. Рыжевский, Ю.А. Смагин и др. - Опубл.
10.06.1971. - Бюл. № 13.
6. Мартяшин А.И. Преобразователи электрических параметров для систем контроля и измерения [Текст] / А.И. Мартяшин, Э.К. Шахов, В.М. Шляндин. - М.: Энергия, 1976. - 392 с.
7. Берман Л.С. Введение в физику варикапов [Текст] / Л.С. Берман. - Л.: Наука, 1968. - 180 с.
8. Гулин А.И. Функциональный частотомер номинальных значений синусоидальных сигналов для частотных датчиков [Текст] / А.И. Гулин, Ж.А. Су-хинец // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2012. - № 9. - С. 33-37.
9. Калашников Н.И. Применение RC-фазовращателей для измерения малых фазовых сдвигов методом компенсации [Текст] / Н.И. Калашников, Л.А. Синицкий // Приборы и техника эксперимента. - 1975. - № 4. - С. 97-98.
10. Вострокнутов Н.Н. Теория погрешности цифровых измерительных устройств с нелинейной номинальной функцией преобразования [Текст] / Н.Н. Вострокнутов // Измерительная техника. -1991. - № 6. - С. 3-5.
11. Гулин А.И. Проектирование многозвенных RC-генераторов [Текст] / А.И. Гулин // Известия вузов. Приборостроение. - 2012. - Т. 56. - № 3. -
С. 14-18.
12. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012661380 от 13.12.2012. Исследование влияния разбросов параметров многозвенных RC-элементов на частоту квазирезонанса [Текст] / Ж.А. Сухинец, А.В. Сухинец // Фед. служба по интеллект. собственности (Роспатент). - М., 2012.
13. Gulin А.1. Investigation of errors in simulation of devices with distributed parameters [Text] / А.1.
92
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 4, т. 10, 2014
Data processing facilities and systems
Gulin, Zh.A. Sukhinets // Radioelectronics and Communications Sistems. - 2012. - Vol. 55, №. 5. - P. 233-237.
14. Радиоприемные устройства [Текст] / Под ред. А. П. Жуковского. - М.: Высшая школа, 1989. -344 с.
References
1. Novickij P.V. Cifrovye pribory s chastotnymi datchikami [Tekst] / P.V. Novickij, V.G. Knorring, V.S. Gutnikov. - L.: Jenergija, 1970. - 424 s.
2. Gulin A.I. Bystrodejstvujushhij izmeritel' temperatury gazov v gazoturbinnom dvigatele [Tekst] / A.I. Gulin // Aviakosmicheskoe priborostroenie. - 2012. - № 9 - S. 10-14.
3. Shljandin V.M. Cifrovye izmeritel'nye ustroj-stva [Tekst]/ V.M. Shljandin. - M.: Vysshaja shkola, 1981. - 335 s.
4. A.s. SSSR№336612, G01R23/10 ot 21.04.1972. Sposob izmerenija otklonenij chastoty ot nominal'nogo znachenija [Tekst] / A.G. Ryzhevskij, Ju.A. Smagin, Je.K. Shahov, V.M. Shljandin. - Opubl. 19.10.1972. -Bjul. № 14.
5. A.s. SSSR №300833, G01R17/00 ot 07.04.1971. Cifrovoj izmeritel' otklonenija izmerjaemoj chastoty ot nominal'noj [Tekst] / E.P. Osadchij, A.G. Ryzhevskij, Ju.A. Smagin i dr. - Opubl. 10.06.1971. - Bjul. № 13.
6. Martjashin A.I. Preobrazovateli jelektricheskih parametrov dlja sistem kontrolja i izmerenija [Tekst] / A.I. Martjashin, Je.K. Shahov, V.M. Shljandin. - M.: Jenergija, 1976. - 392 s.
7. Berman L.S. Vvedenie v fiziku varikapov
[Tekst] / L.S. Berman. - L.: Nauka, 1968. - 180 s.
8. Gulin A.I. Funkcional'nyj chastotomer nominal'nyh znachenij sinusoidal'nyh signalov dlja chastotnyh datchikov [Tekst] / A.I. Gulin, Zh.A. Suhinec // Pribory i sistemy. Upravlenie, Kontrol', Diagnostika. - 2012. - № 9. - S. 33-37.
9. Kalashnikov N.I. Primenenie RC-fazovrashha-telej dlja izmerenija malyh fazovyh sdvigov metodom kompensacii [Tekst] / N.I. Kalashnikov, L.A. Sinickij // Pribory i tehnika jeksperimenta. - 1975. - № 4. - S. 97-98.
10. Vostroknutov N.N. Teorija pogreshnosti cifro-vyh izmeritel'nyh ustrojstv s nelinejnoj nominal'noj funkciej preobrazovanija [Tekst] / N.N. Vostroknutov // Izmeritel'naja tehnika. - 1991. - № 6. - S. 3-5.
11. Gulin A.I. Proektirovanie mnogozvennyh RC-generatorov [Tekst] /A.I. Gulin // Izvestija vuzov. Priborostroenie. - 2012. - T. 56. - № 3. - S. 14-18.
12. Svidetel'stvo ob oficial'noj registracii program-my dlja JeVM №«2012661380 ot 13.12.2012. Issledovanie vlijanija razbrosov parametrov mnogozvennyh RC-jelementov na chastotu kvazirezonansa [Tekst] / Zh.A. Suhinec, A.V. Suhinec // Fed. sluzhba po intellekt. sobstvennosti (Rospatent). - M., 2012.
13. Gulin A.I. Investigation of errors in simulation of devices with distributed parameters [Text] / A.I. Gulin, Zh.A. Sukhinets // Radioelectronics and Communications Sistems. - 2012. - Vol. 55, № 5. - P. 233-237.
14. Radiopriemnye ustrojstva [Tekst] / Pod red. A.P. Zhukovskogo. - M.: Vysshaja shkola, 1989. - 344 s.
Electrical and data processing facilities and systems. № 4, v. 10, 2014
93
