Прецизионные быстродействующие стабилизаторы напряжений низких и инфранизких частот Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА

имени С. М. Кирова

Том 298 1974

УДК 621.316.722.1.025

ПРЕЦИЗИОННЫЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЙ НИЗКИХ И ИНФРАНИЗКИХ ЧАСТОТ

М. С. РОИТМАН, Ю, А. БУЛАТОВ, Э. С. ЛИТВАК (Представлена научным семинаром кафедры радиотехники)

Рассматриваются варианты построения стабилизаторов напряжения низких и инфранизких частот с различными измерительными преобразователями, а также взаимосвязь между коэффициентом стабилизации, коэффициентом нелинейных искажений и быстродействием.

С целью обеспечения основных метрологических характеристик стабилизаторов напряжения низких и инфранизких частот предложено применять в качестве ИП управляемый амплитудный детектор.

Иллюстраций 8, библиографий 2.

Для решения все более широкого круга задач автоматики и измерительной техники требуются прецизионные быстродействующие стабилизаторы напряжений низких и инфранизких частот. Создание таких стабилизаторов сопряжено с необходимостью преодоления ряда принципиальных трудностей. В настоящей статье предприняты попытки рассмотреть эти трудности, наметить пути их преодоления и кратко изложить практические результаты найденных решений.

В подавляющем большинстве случаев в связи с тем, что сопротивления нагрузки могут колебаться в широких пределах, стабилизатор (по крайней мере оконечная ступень) выполняется в виде замкнутой системы авторегулирования. Выходное напряжение контролируется измерительным преобразователем и сигнал рассогласования после усиления воздействует на регулирующее звено.

Во всех известных в мировой практике реализациях таких стабилизаторов существует однозначная связь между коэффициентами нелинейных искажений, стабилизации и постоянными времени звеньев устройства. Это препятствует получению больших коэффициентов стабилизации в пределах одной петли и вынуждает применять звенья с большими постоянными времени, что резко снижает быстродействие системы и увеличивает флуктуационные явления.

Проведем анализ указанной взаимосвязи. Идеализированные «линейные» преобразователи действующего и среднего значений могут быть представлены структурными схемами, приведенными на рис. 1,а,б. Все реальные измерительные преобразователи (ИГ1) имеют конечное значение постоянной времени т (или постоянных времени), и мы на структурной схеме должны вместо интегратора включить низкочастотный фильтр (одно- или многозвенный, в зависимости от числа т). Очевидно, что на выходе ИП будем иметь напряжение гармоник, значение которых определяется частотой сигнала, количеством фильтрующих звеньев и их постоянными времени. Эти гармоники, проходя по каналу 54

.авторегулирования, воздействуют на регулирующий элемент (множительное звено) в системе с параметрической обратной связью, приводя к появлению гармоник напряжения на выходе стабилизатора. Множительное звено транспонирует спектр управляющего сигнала (например, вторая гармоника в спектре управляющего сигнала продуцирует третью гармонику в спектре выходного сигнала). Аналогичная ситуация имеет место в стабилизаторах компенсационного типа, поскольку и в нем

í/^SUJCOt

f-j cos2cút -¡jCos 4со ¿) Л

у

2í/m

fi

Рис. 1

принципиально должно выполняться преобразование: напряжение стабилизации — параметр схемы сравнения. Для пояснения сказанного рассмотрим статическую систему автостабилизации выходного напряжения с параметрической обратной связью, состоящую из «линейного*» преобразователя действующего значения 1 с однозвенным фильтром 2, корнеизвлекающего звена 3, схемы сравнения 4, частотно-зависимой цепи 5, усилителя б, линейного множительного элемента 7 и усилителя мощности 8 (рис. 2).

Разомкнем систему в точке а и подадим напряжение U т sin со/, близкое к величине номинального выходного напряжения стабилизатора. Все преобразования приведены на структурной схеме (рис. 2). Схема сравнения принята неуравновешенной, значение напряжения неравновесия должно отвечать условию

К, Д£/о = исы,

где UCM — требуемый уровень смещения для нормальной работы множительного звена (для выбора номинальной рабочей точки). Напряжение на выходе стабилизатора равно

^вы.х (0 = К„ и„ ■ К2 ( 1 -Кх yYu~ ) sin ы

К, и , / П[4Юа«>3 + 1]

^"'^tvwüzV —1-й--ш <./+*>

У (1+4тЗш«)Г1(4т>»+1)

Я\

Км ^вх'К

к,ит л/ пим>"+ч

2 41/9/7 I/ -7,- -Sin (3coí 4- ср3)

(1)

55

а s

«¡r

¿S

t

Sí.

Э

i £

U

$

i

V»

Э

N §

I

V

VU

iN

3

V

vu

г

S

Ф

it

ч» 3

(i

3

u?

V. i

У

Va

3

ч

4 £

I

ч .

>

__

k)

i «

i«

N

Э

o

u4

.4

<h

ф.

<0

4.

V

u

Коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике равен

г

Кг3

к

у

п - -г 1

4 1/2/7 ■/

¿"си V (1 П(4х>2+1)

П [4К)2®2 + 1]

1_

(1 +4^ш2)П(4х>2+1)

(2)

где С ст —коэффициент стабилизации в системе.

Это выражение мы бы получили и при нулевой настройке, а также в стабилизаторах компенсационного типа.

В случае использования в стабилизаторе ИП среднего значения выражение (2) приобретает вид

п / П 14 Ю2 ш2 +1) (3)

)

(1+4x3 0,«) п (4^0,2+1) 1

Непосредственно из выражений (2) и (3) следует, что в стабилизаторах с замкнутой цепью воздействия при заданном Ост нелинейные искажения зависят от значений постоянных времени и количества фильтрующих звеньев. Чем больше инерционных звеньев, тем меньше, при прочих равных условиях, Кгз- Но если число звеньев больше двух, то мы сразу сталкиваемся с проблемой устойчивости. Исходя из условий устойчивости, следует стремиться к применению систем не выше второго порядка. Если задать О ст = 200, Кгз-< 0,02% на частоте 20 гц, то для системы первого порядка с ИП среднего значения требуемая постоянная времени равна

°гт = 1325 сек (!),

ЗКг3 2 со

а для системы второго порядка с одинаковыми постоянными времени

=

-1 /= 2,5 сек. 2о) V ЗКг3

Отсюда видно, что инерционность стабилизатора весьма велика и еще больше возрастает с уменьшением частоты стабилизируемого напряжения. Ситуация не меняется, если применить традиционный ИП амплитудного значения. У него малая постоянная времени заряда, но большая постоянная времени разряда.

Следовательно, инерционность всех традиционных систем автостабилизации с малыми нелинейными искажениями резко ухудшает их динамические свойства. Это обстоятельство особо нежелательно при построении автоматизированных контрольно-измерительных систем, где вопросы быстродействия приобретают первостепенное значение.

Рассмотрим стабилизатор с разомкнутой цепью воздействия, структурная схема которого приведена на рис. 3. Система инвариантна к изменениям ивх только при условии, что сумма передаточных функций для огибающей напряжения прямого тракта К1(р) ■ К^ (р) и тракта

компенсации Кип (Р) * Кг(р) К12 (р) равна нулю. Практически можно добиться лишь частичной инвариантности для стационарного режима, т. е. для медленных во времени изменений и вх, так как не удается выравнять динамические свойства каналов. Статический коэффициент стабилизации напряжения может быть достаточно велик и ограничивается взаимной нестабильностью модулей коэффициентов передачи каналов.

Коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике в схеме (рис. 3) в случае использования ИП действующего значения

Рис. 3

и К^р) = 1 (что фактически имеет место во всех существующих реализациях) в области низких частот равен

П + 1]

-!-Т.----(4)

(1 +

Из сравнения (4) с (2) и (3) видно, что стабилизаторы с разомкнутой цепью воздействия обладают большим достоинством в отношении нелинейных искажений в области низких частот и принципиально достижимого коэффициента стабилизации. Но такие стабилизаторы неработоспособны при вариациях сопротивления нагрузки и так же, как и замкнутые системы, имеют ограниченное быстродействие.

Можно ли увеличить быстродействие или коэффициент стабилизации, не увеличивая нелинейные искажения? Да, можно. Подключим к выходу стабилизатора в качестве первого звена системы стабилизации напряжения частотно-независимый обостряющий узел, т. е. узел с относительным коэффициентом передачи, равным

с (9) = аи™* (а)/'^вых = сопз4 >:> !

Частотная независимость коэффициента передачи означает, что узел реализован из безынерционных нелинейных элементов.

К выходу обостряющего узла 1 двустороннего ограничителя напряжения подключим усилитель 2 и амплитудный детектор 3 рис. 4 (4 — схема сравнения, 5 — множительный элемент). При таком построении системы, как показано в [1], общий коэффициент стабилиза-

^ з ит

ции системы возрастает в и е = — ^ раз, а нелинейные искажения практически не увеличиваются. Таким образом, введение операции ограничения напряжения и амплитудного детектирования позволяет в значительной мере преодолеть существующее в низкочастотных стабилизаторах противоречие между достижимым уровнем нелинейных искажений и стабильностью выходного напряжения. 58

Применение обостряющего узла также позволяет существенно улучшить характеристики стабилизаторов с разомкнутой цепью воздействия. Речь идет не только о нелинейных искажениях и динамических свойствах, но и о принципиально достижимом коэффициенте стабилизации бст (0) для медленных вариаций напряжений.

Рис. 4

Структурная схема стабилизатора представлена на рис. 5. Система будет инвариантной в квазистационарном режиме при выполнении соотношения

О] — Сип Ор = 0.

Нестабильность £/вых определяется нестабильностью звеньев и равна

А^вых^АС, /А^ | 1 А01П | 1 АК [ 1 АСЛ (5)

ит Ог \ Сип К Ох Оип йр )

Из (5) видно, что при О^ 1 резко ослабляется влияние нестабильности усилителя, амплитудного детектора и регулирующего звена;

Рис. 5

решающее значение приобретает постоянство коэффициентов передач прямого канала и обостряющего узла.

Последние сравнительно легко могут быть сделаны стабильными. Так как сопротивление нагрузки может колебаться в широких пределах, то достоинства стабилизирующей ступени с разомкнутой цепью воздействия могут быть реализованы только при наличии весьма качественного согласующего усилителя (Кс) с близким к нулю выходным сопротивлением. Успехи, достигнутые в области измерительных усилителей, прежде всего, благодаря рациональному использованию

структурных методов [2], позволяют считать эту задачу практически разрешимой.

Для того, чтобы исключить взаимосвязь между Ост и КГз в низкочастотных стабилизаторах с замкнутой цепью воздействия, необходимо решить две задачи:

1. Изменение коэффициента передачи регулируемого звена должно происходить релейно в момент, когда мгновенное значение входного напряжения равно нулю, а в течение периода передача неизменна.

2. Информация о значении входного сигнала должна быть получена за время, меньшее одного периода.

ИП действующего и среднего значения для этой цели по самой своей природе непригодны (можно применить на очень низких частотах метод выборок и вычислительное устройство, но такое сложное решение пока не оправдано). Непригодны и ординарные амплитудные детекторы. Путем дальнейших логических рассуждений мы придем к управляемому амплитудному детектору.

В результате проведенных исследований нам удалось решить указанные задачи и построить прецизионные низкочастотные стабилизаторы с замкнутой цепью воздействия (рис. 6), с разомкнутой цепью

воздействия (рис. 7) и комбинированного типа. В качестве частотно-независимого обостряющего узла 1 используется двусторонний ограничитель на диодах и температурно-скомпенсированном стабилитроне. Выпрямительный мост служит для исключения перезаряда емкостей стабилитрона, что позволяет существенно повысить верхнюю граничную частоту стабилизируемого напряжения. Если же стабилизатор предназначен для функционирования в области низких и инфраниз-ких частот, то надобность в диодном мосте отпадает и в качестве двустороннего ограничителя целесообразно использовать просто два встречно-параллельно включенных температурно-скомпенсированных стабилитрона. Такое построение обостряющего узла позволяет получить весьма высокую стабильность относительного коэффициента передачи так как в настоящее время нам неизвестны более стабильные нелинейные элементы.

На сопротивлении Я получаем отсеченные верхушки синусоиды. После усиления усилителем 2 импульсы поступают на вход амплитуд-

Рпс. 6

ного детектора, состоящего из диода 3 и емкости 4. Детектор реагирует только на импульсы положительной полярности и должен иметь малую длительность постоянной времени заряда и очень большую разряда (т раз). Для того, чтобы амплитудный детектор мог реагировать на каждый импульс, емкость 4 предварительно разряжается через кратко-

временно открываемый ключ на полевом транзисторе с изолированным затвором 5. На рис. 8 даны эпюры напряжений: А — на входе узла I, В — после усилителя 2, С— на емкости 4. Напряжение на выходе детектора имеет в течение t£LB , 1е/ и т. д. провалы, которые могут привести к искажению формы сигнала на выходе стабилизатора. Для исключения этой опасности можно после усилителя б включить фильтр. Но такое решение нежелательно, так как приводит к снижению быстродействия. Поэтохму для исключения «провалов» используется детектор перезаписи, состоящий из управляемого электронного ключа 7 и запоминающей емкости 8. В моменты 1й , Iп и т. д. информация об экстремальном значении и ВЬ1Х (0 «перезаписывается»—(рис. 8, О). «Запомненное» напряжение через усилитель 9 воздействует на регулирующее звено 10, осуществляя стабилизацию напряжения на выходе усилителя мощности (Г1). Схема управления 12 в моменты 1а , 1е и т. д. кратковременно открывает ключ 5 и в 1а , I к и т. д.—ключ 7. Максимальное запаздыва-ние в системе меньше одного периода. Легко заметить, что в стабилизаторе уже нет строгой взаимосвязи между С/ст и Кгз в области низких частот, что позволяет создавать стабилизаторы с низкими нелинейными искажениями даже инфранизких частот.

К сожалению, вследствие наличия запаздывания и релейного характера регулирующего воздействия сохраняется ограничение на допустимое значение Ост из условия устойчивости. Поэтому при желании увеличить Сст приходится в цепь стабилизации вводить дополнительное инерционное звено и фактически снизить быстродействие системы. Правда, и в этом случае достигается существенный прогресс по сравнению с традиционными решениями.

Применение обостряющего звена в сочетании с амплитудным управляемым детектором и схемой «перезаписи» позволяет значительно улучшить метрологические характеристики стабилизаторов с разомкнутой цепью воздействия (рис. 7). В принципиальном плане такой стабилизатор может не вносить дополнительных нелинейных искажений даже в области весьма низких частот, и запаздывание в компенсирующем канале не превышает длительности одного периода. Из сопоставления рис. 6 и рис. 7 видно, что подавляющая часть узлов совпадает и,

Рис. 7

следовательно, особо эффективным является комбинированное решение в виде последовательно включенных ступеней стабилизации с замкнутой цепью воздействия и с разомкнутой цепью воздействия.

Рис. 8

В этом случае без большого увеличения сложности системы и практически при том же уровне нелинейных искажений можно резко увеличить Ост=Ост1- (7ст2.

Однако следует заметить, что в рассматриваемых стабилизаторах постоянство £/вых зависит от неизменности уровня гармоник. Поэтому потенциальные возможности таких стабилизаторов могут быть в полной мере реализованы только тогда, когда нелинейные искажения во входном напряжении £/Вх(0 и вносимые управляемыми делителями и усилителями мощности пренебрежимо малы.

В заключение рассмотрим устройство прецизионного стабилизатора с гарантированным значением размера выходного напряжения. Если в стабилизаторе комбинированного типа с обостряющим узлом и управляемым амплитудным детектором выполняется вышеуказанное требование малости нелинейных искажений и усилители в тракте прямой передачи представляют собой высококачественное УПТ с низким дрейфом нуля, то £/ных практически в области низких и инфранизких частот не будет меняться с частотой. Подключим к выходу компаратор действующего значения напряжения (У вь:х и, следовательно, получим возможность на верхних частотах, где компаратор работоспособен,

гарантировать само значение и вых .А это позволяет и на инфраниз-ких частотах (где компаратор уже неработоспособен) гарантировать значение и вых с погрешностью, не превышающей частотные искажения тракта прямой передачи и вариаций влияния нелинейных искажений. Оба указанных фактора могут быть сведены к значениям меньших долей процента. !

ЛИТЕРАТУРА

1. М. С. Р о й т м а н. Теория амплитудно-стабильных низкочастотных автогенераторов с малыми нелинейными искажениями. Настоящий сборник.

2. М. С. Ройтман, В. М. Сергеев, В. А. Б у т е н к о. Некоторые вопросы теории и практической реализации структурных методов повышения точности измерительных усилителей. Известия ТПИ, т. 270, Томск, изд-во ТГУ, 1973.