Содержание к диссертации
Введение
1 Эффект сверхчувствительности частотыгенерируемых колебаний к вариации параметров автоколебательной системы 18
1.1 Структуры автоколебательных систем 18
1.1.1 Автоколебательная система с однопетлевой обратной связью 19
1.1.2 Автоколебательные системы с двухпетлевой обратной связью 21
1.1.3 Комбинационные генераторы 23
1.1.4 Синхронизируемые генераторы 26
1.2 Эквивалентные ФЧХ разомкнутых систем 28
1.3 Полосный фильтр с нетипичной ФЧХ 42
1.4 Устойчивость автоколебательных систем в режиме повышенной чувствительности 47
1.4.1 Однопетлевой генератор в режиме повышенной чувствительности 47
1.4.2 Генератор с многопетлевой обратной связью в режиме повышенной чувствительности 56
1.4.3 Комбинационный генератор в режиме повышенной чувствительности 62
Выводы 69
2 Структуры генераторных преобразователей в режиме повышенной чувствительности 71
2.1 Преобразователи на базе однопетлевой АКС 71
2.1.1 Параметрические преобразователи с частотным выходом 74
2.1.2 Параметрические преобразователи с фазовым выходом 76
2.2 Преобразователи на базе двухпетлевой АКС 78
2.2.1 Параметрические преобразователи с частотным выходом 81
2.2.2 Параметрические преобразователи с фазовым выходом 83
2.3 Преобразователи на базе комбинационного генератора 86
2.3.1 Преобразователи девиации частоты 91
2.3.2 Преобразователи девиации частоты в девиацию фазы 93
2.3.3 Преобразователи девиации фазы в девиацию частоты 94
2.3.4 Преобразователи девиации фазы 96
2.3.5 Параметрические преобразователи с частотным выходом 97
2.3.6 Параметрические преобразователи с фазовым выходом 101
Выводы 104
3 Характеристики преобразователей на базе одно и двухпетлевых автоколебательных систем 106
3.1 Характеристики преобразователей на базе генератора с однопетлевой обратной связью 106
3.1.1 Параметрические преобразователи с частотным выходом 106
3.1.2 Погрешности преобразователей с частотным выходом 116
3.1.3 Параметрические преобразователи с фазовым выходом 118
3.1.4 Погрешности преобразователей с фазовым выходом 125
3.2 Характеристики преобразователей на базе генератора с двухпетлевой обратной связью 127
3.2.1 Параметрические преобразователи с частотным выходом 127
3.2.2 Погрешности преобразователей с частотным выходом 132
3.2.3 Параметрические преобразователи с фазовым выходом 140
3.2.4 Погрешности преобразователей с фазовым выходом 143
3.2.5 Линеаризованная модель преобразователей на генераторе с двухпетлевой обратной связью 149
Выводы 155
4 Характеристики преобразователей на базе комбинационного трехчастотного генератора 157
4.1 Характеристики преобразователей девиации частотыи девиации фазы на комбинационном генераторе 157
4.1.1 Характеристики преобразователей девиации частоты 157
4.1.2 Погрешности преобразователей девиации частоты 159
4.1.3 Характеристики преобразователей девиации частоты в девиацию фазы 163
4.1.4 Погрешности преобразователей девиации частоты в девиацию фазы 164
4.1.5 Характеристики преобразователей девиации фазы в девиацию частоты 167
4.1.6 Погрешности преобразователей девиации фазы в девиацию частоты 168
4.1.7 Характеристики преобразователей девиации фазы 170
4.1.8 Погрешности преобразователей девиации фазы 170
4.2 Характеристики параметрических преобразователей 172
4.2.1 Характеристики параметрических преобразователей с частотным выходом 172
4.2.2 Погрешности параметрических преобразователей с частотным выходом 176
4.2.3 Характеристики параметрических преобразователей с фазовым выходом 178
4.2.4 Погрешности параметрических преобразователей с фазовым выходом 181
Выводы 182
5 Компьютерные модели преобразователей 184
5.1 Компьютерные модели преобразователей на генераторах с однопетлевой обратной связью 186
5.1.1 Исследование статических характеристик 186
5.1.2 Исследование динамических характеристик 193
5.2 Компьютерные модели преобразователей на генераторах с двухпетлевой обратной связью 198
5.2.1 Исследование статических характеристик 198
5.2.2 Исследование динамических характеристик 201
5.3 Компьютерные модели преобразователей на комбинационных генераторах 205
5.3.1 Исследование статических характеристик 205
5.3.2 Исследование динамических характеристик 218
Выводы 227
6 Цифровые генераторные преобразователи 229
6.1 Выбор цифровых фильтров для генераторных преобразователей 230
6.2 Синтез цифровых фильтров с инвертированной ФЧХ для автоколебательных систем повышенной чувствительности 236
6.3 Цифровые преобразователи на автогенераторах с однопетлевой обратной связью 241
6.4 Цифровые преобразователи на комбинационном генераторе 245
Выводы 252
Заключение 253
Литература 256
Приложения 279
- Генератор с многопетлевой обратной связью в режиме повышенной чувствительности
- Параметрические преобразователи с частотным выходом
- Линеаризованная модель преобразователей на генераторе с двухпетлевой обратной связью
- Характеристики параметрических преобразователей с фазовым выходом
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие и эффективность применения современных систем автоматического контроля и управления технологическими процессами и динамическими объектами связаны с проблемой увеличения чувствительности, точности и быстродействия преобразователей контролируемых параметров в информативные параметры сигналов в условиях многофакторных возмущений. В современном производстве большое внимание уделяется качеству продукции, которое многообразными способами влияет на непрерывность и ритмичность производства, себестоимость продукции, объём её выпуска и производительность труда. Высокое качество продукции может быть достигнуто только там, где существует контроль многочисленных параметров технологического процесса и соответствующая коррекция условий его протекания. Это подтверждается и тем, что трудоёмкость контроля и измерений составляет в среднем до 15% трудоёмкости всего производства. Надёжность и точность управления динамическими объектами достигается теми же средствами [1,3,7,13,14,15-33,36,39,41,45,48,52,53,57].
Наиболее ответственными элементами систем контроля являются датчики (первичные преобразователи). В большинстве случаев датчики реагируют на изменение нескольких различных параметров, из которых только один является информативным. Неинформативные параметры являются помехой или возмущающим фактором, влияние которого необходимо компенсировать. Совершенствование датчиков требует больших капитальных вложений. Это связано с большой номенклатурой датчиков и многообразием условий их эксплуатации [69,72,75,87,92,94,110,128,145,149,155,160,162,169,170,180].
Чаще всего изменения информативного параметра датчиков преобразуются в амплитуду аналогового постоянного или гармонического сигнала. Использование амплитудной модуляции не является оптимальным. Это связано с низкой помехоустойчивостью амплитудной модуляции, особенно при малых уровнях полезного сигнала. Амплитудная модуляция требует введе-
ния в структуру цифровых систем управления и контроля аналого-цифровых преобразователей (АЦП), быстродействие которых существенно меньше, чем тактовая частота современных цифровых процессоров [181,167,190,195,204].
Более эффективным является преобразование информативного параметра датчиков в изменение частоты или фазы периодического сигнала. При этом датчики работают всегда на одном высоком уровне сигнала. Частотная и фазовая модуляции обладают более высокой помехоустойчивостью, а измерения временных интервалов не имеют ограничений по точности, по сравнению с измерением амплитудных значений. Кроме этого известны генераторные датчики, выходной сигнал которых уже имеет частотную модуляцию.
Однако, построение систем контроля и управления с использованием только сигналов с частотной или фазовой модуляцией наталкивается на отсутствие согласующих элементов - усилителей девиации частоты и девиации фазы с возможностью плавного изменения коэффициента усиления.
Следовательно, существует проблема разработки частотных и фазовых усилителей, которые являются аналогами амплитудных усилителей, и генераторных параметрических преобразователей повышенной чувствительности.
Анализ работ посвященных данной проблеме показывает, что выход может быть найден при использовании генераторных преобразователей на базе сложных автоколебательных систем, имеющих несколько степеней свободы. В этом случае частота генерируемых сигналов определяется эквивалентной фазочастотной характеристикой разомкнутой системы, и существуют разнообразные возможности управления точкой, для которой выполняется условие баланса фаз [85].
В предлагаемой Вашему вниманию диссертационной работе указанная проблема решается на основе выявленного нового физического эффекта -сверхчувствительности девиации частоты и девиации фазы генерируемых колебаний в автоколебательных системах к воздействию управляющего параметра. Использование данного эффекта позволило существенно увеличить
чувствительность генераторных параметрических преобразователей и разработать несколько новых видов преобразователей, обладающих повышенной чувствительностью и возможностью плавной регулировки коэффициента преобразования.
Таким образом, актуальность решаемой проблемы определяется:
потребностью различных областей науки и техники в чувствительных, точных и быстродействующих преобразователях, использующих угловую модуляцию сигнала;
необходимостью совершенствования способов построения преобразований типа девиация фазы - девиация фазы, девиация частоты - девиация частоты, девиация частоты - девиация фазы, девиация фазы - девиация частоты;
- расширением теоретических положений в классической теории автоколе
бательных систем, определяющих новый режим повышенной чувствительно
сти.
Цель работы. Разработка научных основ и принципов построения генераторных преобразователей повышенной чувствительности для систем управления и контроля.
Задачи научного исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
Исследование различных структур автоколебательных систем в новом режиме повышенной чувствительности.
Определение условий устойчивой генерации колебаний в автоколебательных системах в новом режиме повышенной чувствительности.
Разработка способов инвертирования фазочастотных характеристик (ФЧХ) аналоговых и цифровых фильтров.
Разработка математических моделей и структурных схем генераторных преобразователей повышенной чувствительности с параметрическим управлением.
Разработка математических моделей и структурных схем генераторных преобразователей повышенной чувствительности на основе прямого усиления девиации частоты и девиации фазы.
Разработка математических моделей и структурных схем генераторных преобразователей повышенной чувствительности с управлением по цепи сигнала внешней синхронизации.
Разработка математических моделей и структурных схем генераторных преобразователей повышенной чувствительности на основе автоколебательных систем с многопетлевой обратной связью.
Разработка цифровых (виртуальных) генераторных преобразователей повышенной чувствительности.
Разработка способа ввода и вывода информации в цифровых, генераторных преобразователях, исключающего использование аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.
Создание алгоритмов и программ для реализации цифровых генераторных преобразователей повышенной чувствительности
Разработка компьютерных моделей преобразователей, адекватно отображающих динамические процессы в каждом из них.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались теория колебаний, теория электрических цепей, теория устойчивости, теория измерительных преобразователей, теория чувствительности, теория погрешностей, теория цифровой обработки сигналов, методы параметрического и структурного синтеза, численные методы, методы компьютерного моделирования и экспериментальные методы исследований.
Научная новизна работы. 1. Предложены новые методы генераторных преобразований девиации частоты и девиации фазы, основанные на явлении сверхчувствительности девиации частоты и фазы генерируемых колебаний к параметрам сигнала возбуждения (синхронизации).
Показано, что явление сверхчувствительности проявляется в любой автоколебательной системе при наличии каскадного соединения полосных фильтров, имеющих естественную (типичную) ФЧХ и инвертированную (нетипичную) ФЧХ.
Получены условия существенного увеличения чувствительности генераторных параметрических преобразователей с угловой модуляцией выходного сигнала при использовании автоколебательной системы в режиме повышенной чувствительности.
Разработан способ инвертирования ФЧХ аналоговых и цифровых фильтров.
Получено дополнительное условие устойчивой генерации колебаний в автоколебательных системах в режиме повышенной чувствительности, требующее, чтобы эквивалентная ФЧХ разомкнутой цепи автоколебательной системы имела типичный характер.
Предложены способы плавного изменения коэффициента преобразования в разработанных генераторных преобразователях.
Разработаны математические и компьютерные модели для всех предложенных генераторных преобразователей, которые адекватно отображают динамические процессы возбуждения колебаний и переходные процессы в режиме управления колебаниями.
Разработан способ реализации генераторных преобразователей повышенной чувствительности в цифровой, виртуальной форме в реальном времени без использования аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей для ввода и вывода информации.
Практическая значимость. Решаемые в диссертационной работе задачи сформулированы исходя из практической потребности совершенствования систем контроля и управления.
Работа выполнена в рамках фундаментальных исследований с госбюджетным финансированием, которые велись и ведутся в Тольяттинском государственном университете сервиса (госбюджетные НИР: ГР №1.1.05; ГР
№1.1.06) и в Тольяттинском государственном университете (госбюджетные НИР: ГР№ 01.9.70006557; ГР№ 01.2.000101673; ГР№ 01.2.006.06016) Основными практическими результатами работы являются:
Структуры нормирующих генераторных преобразователей девиации частоты и девиации фазы для частотно-фазовых систем управления и контроля, исключающие использование сигналов с амплитудной модуляцией
Структуры преобразователей повышенной чувствительности с параметрическим управлением в контуре автоколебательной системы и параметрическим управлением по цепи сигнала возбуждения.
3. Методика реализации условий устойчивой генерации, необходимая для
настройки автоколебательных систем в режиме повышенной чувствительно
сти.
Универсальная схема аналогового фильтра, с помощью которой можно получить любой наклон ФЧХ фильтра, в том числе нулевой и инверсный.
Технология настройки необходимого коэффициента преобразования в разработанных генераторных преобразователях.
Технология отладки генераторных преобразователей повышенной чувствительности с помощью компьютерных моделей.
Алгоритм инвертирования ФЧХ цифровых фильтров.
Методика синтеза и отладки виртуальных генераторных преобразователей повышенной чувствительности с помощью цифровых компьютерных моделей.
Комплекс программ для реализации генераторных виртуальных преобразователей, работающих в реальном времени.
Положения и результаты, выносимые на защиту. 1. Новые методы генераторных преобразований девиации частоты и девиации фазы с плавной регулировкой коэффициента преобразования в широких пределах.
Условия реализации нового эффекта повышенной чувствительности в автоколебательных системах и условия устойчивости колебаний в этом режиме.
Метод синтеза структур генераторных параметрических преобразователей повышенной чувствительности с угловой модуляцией выходного сигнала.
Метод синтеза структур генераторных усилителей девиации частоты и девиации фазы периодического сигнала.
Математические и компьютерные модели новых генераторных преобразователей и усилителей повышенной чувствительности.
Метод синтеза цифровых (виртуальных) генераторных преобразователей и усилителей повышенной чувствительности.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной НТК "Новые технологии в промышленности, экономике и социально-культурной сфере" (Москва, 2001 г.); на I и II Международных НТК "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 2001 г, 2003 г.); на III Международной НТК "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики" (Новочеркасск, 2002 г.); на VI Всесоюзной НТК "Методы и средства измерений" (Н. Новгород, 2002 г.); на V и VI международных НПК "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права (Москва, 2002 г., 2003 г.); на Всероссийской НТК "Сварка-XXI век" (Тольятти, 2002 г.); на Международных симпозиумах "Надежность и качество" (Пенза, 2002г., 2003 г.); на XIV и XVI конференциях с международным участием "Датчик-2002" и "Датчик-2004" (Судак, 2002 г., 2004 г.); на Всероссийской НТК "Прогрессивные техпроцессы в машиностроении" (Тольятти, 2002 г.); на III Международной НТК "Компьютерные методы и обратные задачи в не-разрушающем контроле и диагностике" (Москва, 2002 г.); на VI Международной НПК "Наука - индустрии сервиса" (Москва, 2002 г.); на VI Всероссийской НТК "Новые информационные технологии" (Москва, 2003 г.); на Всероссийской НТК "Современные тенденции развития автомобилестроения
в России" (Тольятти, 2003 г.); на НТК "Наука и практика, диалоги нового века" (Набережные Челны, 2003г.); на III Межвузовской НТК "Научное программное обеспечение" (Санкт-Петербург, 2005 г.); на VII Международной НПК "Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права" (Москва, 2004 г.); на Всероссийской НТК "Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии" (Тольятти, 2004 г.); на Всероссийской НТК "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций" (Самара, 2005 г.); на Региональной НТК "Практика применения научного программного обеспечения в образовании и научных исследованиях" (Санкт-Петербург, 2006 г.); на Международной НТК "Автоматизация технологических процессов и производственный контроль" (Тольятти, 2006 г.).
Реализация результатов работы. Полученные результаты использованы в устройствах вибродиагностики изделий электронной техники в Ульяновском филиале Института радиотехники и электроники РАН, использованы в рамках проекта РНП.2.1.2.75 (ЮРГУЭС-1.06.Ф) в Проблемной лаборатории перспективных технологий и процессов Центра исследований проблзм безопасности РАН в Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса, использованы в рамках научно-исследовательской работы, ведущейся во ФГУП Самарского отделения научно-исследовательского института радио, использованы в системе диагностики в Научно-техническом центре "Наука" при Самарском государственном авиационном университете, использованы в системе контроля параметров электромагнитных полей в Научно-техническом центре ОАО АВТОВАЗ, использованы в разработках Научно-исследовательского центра "МЕТА" (г. Тольятти). Часть результатов передана для использования в Московское конструкторское бюро "КОМПАС", в Отдел программного обеспечения ООО "ОЛВИКО-ПЛЮС" (г. Тольятти). Отдельные новые результаты используются в учебном процессе Тольяттинского государственного университета сервиса, в учебном процессе Тольяттинского государственного университета, в учебном процессе
Поволжской государственной академии телекоммуникаций и информатики (г. Самара), в учебном процессе Димитровградского института технологии, управления и дизайна.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 61 работа, в том числе 1 монография, 3 научно-технических отчёта, получено 9 патентов на изобретения. Принята к публикации 1 статья. 18 материалов опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 238 наименований, и 8 приложений. Общий объём работы 335 страниц, в том числе 182 страницы текста, 178 рисунков, 23 страницы списка литературы, 56 страниц приложений.
В первой главе дается оценка основным структурам автоколебательных систем (АКС) с целью использования их в генераторных преобразователях. Показывается, что увеличение чувствительности генераторных преобразователей связано с чувствительностью точки пересечения эквивалентной ФЧХ разомкнутой цепи генератора оси частот к управляющему воздействию. Описывается новый эффект сверхчувствительности (далее повышенной чувствительности), при реализации которого изменение частоты, для которой выполняется баланс фаз оказывается значительно большим, чем например изменение резонансной частоты одного из фильтров. Определяются условия реализации нового эффекта повышенной чувствительности. Рассматривается способ синтеза полосного фильтра, имеющего ФЧХ с инвертированным наклоном, что необходимо для реализации эффекта повышенной чувствительности. Приводятся результаты исследования устойчивости колебаний в режиме повышенной чувствительности. Делаются выводы о необходимости сохранения естественного (типичного) характера наклона эквивалентной ФЧХ разомкнутой автоколебательной системы. Исследуются основные структуры автоколебательных систем в новом режиме повышенной чувствительности.
Во второй главе разрабатываются и исследуются математические модели и структуры генераторных преобразователей в режиме повышенной чувствительности. Определяются и исследуются возможные способы управления АКС с однопетлевой обратной связью, при которых сохраняется режим повышенной чувствительности. Определяются и исследуются возможные способы управления АКС с двухпетлевой обратной связью, при которых сохраняется режим повышенной чувствительности. Показано, что добавление в автоколебательную систему второй петли обратной связи с суммированием обоих сигналов обратной связи позволяет использовать для управления автоколебательной системой вариацию коэффициентов передачи цепей обратной связи. Определяются и исследуются возможные способы управления комбинационным трёхчастотным генератором, при которых сохраняется режим повышенной чувствительности. Показано, что дополнительно появляется возможность управления комбинационным генератором вариацией параметров сигнала возбуждения (сигнала синхронизации). Это позволило разработать новые виды преобразований девиации частоты и девиации фазы периодического сигнала.
В третьей главе исследуются характеристики разработанных выше генераторных преобразователей повышенной чувствительности. Рассматриваются характеристики параметрических преобразователей на базе АКС однопетлевой обратной связью с частотным и фазовым выходом при выбранных выше способах управления. Оценивается погрешность от нелинейности характеристик, определяются условия, при выполнении которых характеристики линеаризуются. Рассматриваются характеристики параметрических преобразователей на базе АКС с двухпетлевой обратной связью с частотным и фазовым выходом. Оценивается погрешность от нелинейности характеристик, определяются условия, при выполнении которых характеристики линеаризуются. Определяются условия минимизации дополнительной погрешности характеристик преобразователей. В обоих случаях оценивается эффективность частотного и фазового управления автоколебательными системами.
В случае фазового управления, условием линейности характеристик преобразования является использование фильтров с линейными ФЧХ, крутизна которых должна быть постоянной.
В четвёртой главе исследуются характеристики разработанных выше структур генераторных преобразователей повышенной чувствительности на базе трёхчастотного комбинационного генератора. Исследуются характеристики преобразователей девиации частоты, преобразователей девиации фазы, преобразователей частота - фаза и преобразователей фаза - частота. Рассматриваются погрешности преобразователей, условия линейности характеристики преобразования. Исследуются характеристики параметрических преобразователей повышенной чувствительности на базе комбинационного генератора. Рассматриваются условия минимизации погрешности параметрических преобразователей.
В пятой главе приводятся компьютерные модели разработанных генераторных преобразователей повышенной чувствительности. Исследуются условия возбуждения автоколебательных систем преобразователей. Рассматриваются статические характеристики преобразователей, полученные с помощью компьютерных моделей. Показывается адекватность компьютерных моделей и математических моделей разработанных генераторных преобразователей повышенной чувствительности. Рассматриваются динамические характеристики преобразователей как реакции преобразователей на приращение управляющего параметра, полученные с помощью компьютерных моделей. Приводятся аппроксимации переходных характеристик генераторных преобразователей.
В шестой главе рассматриваются условия реализации генераторных преобразователей повышенной чувствительности в цифровой (виртуальной) форме. Обосновывается выбор полосных цифровых фильтров с линейными ФЧХ. Рассматривается реализация цифрового фильтра с инвертированной эквивалентной ФЧХ. Приводятся особенности структур цифровых генераторных преобразователей повышенной чувствительности, выделяются воз-
можные способы управления. Приводятся компьютерные модели цифровых автоколебательных систем и цифровых преобразователей. Показывается, что все основные теоретические положения, полученные для аналоговых генераторных преобразователей, справедливы и для цифровых генераторных преобразователей. Оцениваются преимущества и недостатки цифровых генераторных преобразователей.
В заключении подведены итоги диссертационной работы, даётся общая характеристика полученных научных и практических результатов и результатов их использования в промышленности.
В приложения вынесены компьютерные модели измерителе частоты и фазового сдвига, программы расчёта цифровых фильтров, примеры реализации различных блоков преобразователей и сведения о внедрении и использовании результатов работы.
Генератор с многопетлевой обратной связью в режиме повышенной чувствительности
Оценим реализуемость полученных аналитических характеристик в преобразователе, использующем генератор с двухпетлевой обратной связью в режиме повышенной чувствительности.
Представим коэффициенты передачи цепи обратной связи в следующем виде. Для выполнения условия баланса фаз необходимо, чтобы результирующий коэффициент передачи был положительным. Характер результирующей ФЧХ должен быть типичным. Отсюда следует условие Характеристику преобразования можно разбить на три интервала: х Ь, х а, а х Ъ.
В первом интервале изменений управляющего параметра оба коэффициента передачи положительные, а К\ Кг. Отсюда, характер результирующей ФЧХ будет всегда типичным. Следовательно, режим генерации колебаний в генераторе будет стабильным и управляемым.
Во втором интервале оба коэффициента передачи будут отрицательными, следовательно, не будет выполнено условие баланса фаз. Генерация колебаний невозможна.
На третьем интервале между средними частотами фильтров коэффициенты передачи имеют разные знаки. Анализ результата, полученного при сложении сигналов обратной связи на комплексной плоскости, показывает, что баланс фаз на этом интервале не выполняется. Кроме этого есть точка, в которой сигнал обратной связи равен нулю.
Таким образом, для практического использования возможен только первый интервал. При этом полоса пропускания цепей обратной связи используется меньше чем на половину.
Полученные результаты подтверждают возможность синтеза преобразователей на базе генераторов с двухпетлевой обратной связью в режиме повышенной чувствительности, у которых управление частотой генерируемых колебаний осуществляется путём вариации коэффициентов передачи в цепях обратной связи.
Основными способами управления автоколебательной системой являются частотный и фазовый, которые реализуются воздействием управляющего параметра на средние частоты полосных усилителей или величину фазового сдвига. В качестве выходного сигнала выступает либо частота генерируемого сигнала (преобразователь с частотным выходом), либо фазовый сдвиг между первым и вторым полосным усилителем (преобразователь с фазовым выходом).
Более эффективными для одноконтурных преобразователей является фазовое управление из-за линейности характеристики преобразования при повышенной чувствительности преобразователя. В тоже время при управлении средними частотами полосных усилителей есть возможность частичной компенсации влияния возмущающего фактора, а при управлении дополнительным фазовым сдвигом такой возможности нет.
Использование фильтров с нелинейными ФЧХ даёт ломанные характеристики преобразования с большой чувствительностью в области малых отклонений управляющего параметра и малой чувствительностью при больших отклонениях управляющего воздействия. Следовательно, для реализации эффекта повышенной чувствительности в широком диапазоне необходимо использовать фильтры с линейными ФЧХ в полосе пропускания. С этой точки зрения наиболее эффективным является использование цифровых фильтров.
Наиболее эффективным для двухконтурных преобразователей является дифференциальное управление вариацией средних частот фильтров, при которой крутизна характеристики преобразователя увеличивается, а погрешность от нелинейности характеристики частично компенсируется. Здесь так- же минимальна погрешность от вариации дополнительного фазового сдвига и от вариации крутизны ФЧХ первого и второго фильтров при одинаковых относительных приращениях.
Использование вариации коэффициента передачи в цепях обратной связи для настройки характеристики преобразователя, для случая частотного управления, малоэффективно, так как быстро уменьшается участок характеристики с допустимой погрешностью, в которой превалирует мультипликативная нелинейная составляющая.
В случае фазового управления условием линейности характеристик преобразования является использование фильтров с линейными ФЧХ, крутизна которых должна быть постоянной.
Погрешность характеристик преобразователей имеет преимущественно линейную мультипликативную составляющую. Практически во всех случаях существуют возможности компенсации погрешностей путём подбора параметров преобразователей и способов управления.
Параметрические преобразователи с частотным выходом
Для исследования характеристик параметрических преобразователей с частотным и фазовым выходом разработана компьютерная модель, которая приведена на рис. 5.3. Она соответствует структурным схемам, приведенным на рис. 2.2 и рис. 2.3.
Модель усилителя с нетипичной ФЧХ включает в себя смесители 1 и 2, блок выделения постоянной составляющей, вычитающее устройство, усилитель и полосный фильтр 1. Эквивалентная ФЧХ соответствует инвертированной ФЧХ фильтра 1. Модель усилителя с типичной ФЧХ включает в себя фильтры 2 и 3 и ограничитель. Автоколебательная система обладает жёстким возбуждением из-за смесителей, поэтому в модель введён блок раскачки. Для контроля формы генерируемого сигнала введён осциллограф.
При исследовании преобразователя с частотным выходом в качестве выходного используется сигнал на входе фильтра 1. При исследовании преобразователя с фазовым выходом используются сигналы на входе и выходе фильтра 1.
Исследуем характеристики параметрического преобразователя с частотным выходом. Управление автоколебательной системой осуществляем смещением средней частоты фильтра 1. Полосу пропускания фильтра поддерживаем постоянной, то есть крутизна ФЧХ фильтра не меняется. На рис. 5.4 приведены две характеристики.
Фильтры настраивались следующим образом. Полоса пропускания фильтров 2 и 3 лежит в области 900 - 1100 Гц. Полоса пропускания фильтра 1 в первом случае (более крутая характеристика, рис. 5.4) в области 940 -1060 Гц, во втором случае в области 930 - 1070 Гц. Видно, что характер нелинейности характеристики совпадает с характером нелинейности ФЧХ фильтров. Полученные характеристики подтверждают режим повышенной чувствительности преобразователя. Усреднённый коэффициент преобразования у полученных характеристик примерно равен двум и пяти.
Смещение общей точки характеристик из точки, соответствующей нулевой расстройке, в точку с расстройкой AF = -4 Гц можно компенсировать введением элемента задержки. Убедимся в этом с помощью численного эксперимента (рис. 5.6), в котором ц/ 0. Видно, что все три характеристики имеют смещённую общую точку.
Смещение характеристик при моделировании очевидно вызвано смещением ФЧХ фильтров Чебышева (рис. 5.2). Учитывая повышенную чувствительность автоколебательной системы, эффект от небольшого смещения ФЧХ должен быть усилен и дать заметное смещение частоты генерируемого сигнала.
Исследуем характеристики параметрического преобразователя с фазовым выходом. Управление автоколебательной системой осуществляем аналогично смещением средней частоты фильтра 1. Все настройки остаются прежними. На рис. 5.5 приведены две характеристики преобразователя.
Видно, что характер нелинейности характеристик остался прежним. Так же реализуется и режим повышенной чувствительности.
В компьютерной модели преобразователя (рис. 5.3) блок выделения постоянной составляющей можно заменить широкополосным фильтром, ФЧХ которого учитывается при настройке крутизны фильтра 1. Соответствующая модель приведена на рис. 5.8. Характеристики преобразователей, полученные с помощью данной модели, аналогичны полученным выше.
Исследуем преобразователь, в котором используется управление вариацией дополнительного фазового сдвига. Введём в компьютерную модель между фильтром 2 и ограничителем элемент задержки, позволяющий имитировать вносимый управляемый фазовый сдвиг (рис. 5.9). При нулевом дополнительном фазовом сдвиге преобразователь настраивается таким образом, чтобы частота генерируемых колебаний находилась у границы полосы пропускания разомкнутой цепи автоколебательной системы.
Линеаризованная модель преобразователей на генераторе с двухпетлевой обратной связью
Выполним компьютерное моделирование преобразователей с управлением вариацией коэффициентов передачи петель обратной связи и убедимся в справедливости выводов, сделанных в разделе 3.2.5. Остальные режимы управления рассмотрены выше.
На рис. 5.16 приведена компьютерная модель, позволяющая получить статические характеристики преобразования управляющего параметра, с помощью которого варьируются коэффициенты передачи обеих петель обратной связи в частоту генерируемого сигнала.
Нелинейный усилитель в компьютерной модели (рис. 5.16) представлен усилителем 1 и ограничителем. Петля обратной связи, имеющая типичную ФЧХ, содержит два фильтра 6 и 7. Петля обратной связи с нетипичной ФЧХ выполнена по разработанной ранее схеме, которая уже использовалась выше во всех компьютерных моделях. ФЧХ этой петли соответствует инвертированной ФЧХ одного фильтра. Каждая петля обратной связи содержит одинаково настроенные фильтры.
Для реализации функций управления автоколебательной системой в каждую петлю обратной связи введены два усилителя и вычитающее устройство. Усилители 3 и 5 имеют коэффициенты передачи Ъ и а (3.51) соответст венно. Усилители 4 и 6 имеют варьируемый коэффициент передачи, равный величине управляющего параметра х
На рис. 5.17. приведены характеристики, полученные при следующих условиях. Средняя частота фильтров первой петли обратной связи 1000 Гц. Средняя частота фильтров второй петли обратной связи 1050 Гц. Характеристика 1 получена при значениях а = 0,9 и 6 = 1. Для достижения приемлемой линейности характеристики варьировалась полоса пропускания фильтров 6 и 7. Нелинейная характеристика 2 является примером неоптимального выбора полосы пропускания фильтров 6 и 7. Данный эксперимент подтверждает возможность минимизации погрешности от нелинейности характеристики преобразования путём вариации полосы пропускания фильтров. Это соответствует вариации коэффициентов S в выражении (3.50).
Характеристика 3 получена при а = 0,95. Крутизна характеристики увеличилась примерно в два раза. Это соответствует сделанным ранее теоретическим выводам. При JC 1 мы переходим в область неустойчивой генерации. В первом случае срыв генерации наступает при х 0,96. Во втором случае при х 1. Это подтверждает сделанные ранее теоретические выводы.
Таким образом, компьютерное моделирование подтверждает возможность синтеза преобразователей повышенной чувствительности на базе генераторов с двухпетлевой обратной связью. Отличием режима повышенной чувствительности от обычного режима заключается в диапазоне частот, который занимает характеристика. В обычном режиме это диапазон частот между средними частотами расстроенных фильтров в первой и второй петле обратной связи. В режиме повышенной чувствительности это диапазон частот между одной из средних частот фильтров и соответствующей границей полосы пропускания. Кроме этого, появилась возможность раздельного регулирования чувствительности преобразователя и линейности его характеристики.
Для реализации модели с фазовым выходом необходимо взять в качестве выходных сигналов генерируемые колебания на входе и выходе фильтров, которые находятся в первой петле обратной связи. В этом случае фазовый сдвиг между выходными сигналами будет начинаться с нулевого значения.
Оценим быстродействие рассматриваемых преобразователей. Оно связано с длительностью переходных процессов, возникающих при быстрых изменениях управляющего сигнала. При этом будут изменяться коэффициенты передачи цепей обратной связи, что приведёт к изменению фазового сдвига в каждой петле обратной связи. Баланс фаз будет нарушен, а на его восстановление понадобится некоторое время.
Снова воспользуемся методом численного компьютерного моделирования и определим характер переходного процесса при скачкообразном изменении управляющего сигнала.
Характеристики параметрических преобразователей с фазовым выходом
Полосы пропускания всех фильтров в модели первого полосного усилителя одинаковые и соответствуют интервалу 280-320 Гц. Полоса пропускания фильтра второго полосного усилителя варьировалась. Полоса пропускания третьего усилителя 180-220 Гц. Полученные характеристики близки к линейным. Более крутая характеристика получена при полосе пропускания второго усилителя в интервале 484-516 Гц, а другая характеристика при полосе 485-515 Гц.
Видно, что в преобразователе проявляется эффект повышенной чувствительности, так как изменения частот генерируемых автоколебательной системой колебаний во много раз больше, чем возможные изменения частоты колебаний в обычном генераторе при внесении аналогичного дополнительного фазового сдвига в петлю генератора.
На рис. 5.33 приведены две характеристики, полученные при втором режиме настройки, когда частота сигналов генераторов равна разности частот генерируемых автоколебательной системой колебаний.
Значения средних частот полосных усилителей и частота сигнала возбуждения взяты из примера, где исследовался преобразователь девиации частоты: /з=Ао-/іо, 300 = 800-500.
Полосы пропускания всех фильтров в модели первого полосного усилителя одинаковые и соответствуют интервалу 780-820 Гц. Полоса пропускания фильтра второго полосного усилителя варьировалась. Полоса пропускания третьего усилителя 1280-1320 Гц. Как и выше, видно, что изменение полосы пропускания второго полосного усилителя приводит к изменению коэффициента преобразования фазового сдвига сигналов возбуждения относительно друг друга в девиацию частоты выходного сигнала преобразователя. Более крутая характеристика получена при полосе пропускания второго полосного усилителя в интервале 484-516 Гц, а другая при полосе 485-515 Гц. В обоих случаях имеет место эффект повышенной чувствительности. Кроме этого наблюдается смещение общей точки характеристик семейства относительно теоретической при нулевом фазовом сдвиге. На рис. 5.32 общая точка при нулевом фазовом сдвиге теоретически должна быть на частоте 200 Гц, а на рис. 5.33 - на частоте 1300 Гц. Исследуем свойства преобразователя девиации фазы с помощью компьютерной модели, приведённой на рис. 5.34. Как и в предыдущем случае, фазовый сдвиг между сигналами возбуждения моделируется с помощью двух генераторов, имеющих одинаковую частоту сигнала, но разные начальные фазы, которые можно установить предварительно. Модель усилителя 1 имеет нетипичную ФЧХ, модель усилителя 2 имеет типичную ФЧХ, а модель усилителя 3 имеет нулевую ФЧХ. С помощью моделей соответствующих измерительных приборов можно определить искомый фазовый сдвиг в заданный момент времени. Осциллограф позволяет контролировать форму сигналов в разных точках схемы преобразователя.
Исследуем статические характеристики преобразователя в двух режимах настройки автоколебательной системы. На рис. 5.35 показаны две характеристики, полученные при настройке автоколебательной системы, когда частота сигналов возбуждения равна сумме частот генерируемых сигналов.
Соотношения частот взяты аналогичные предыдущим примерам. Полосы пропускания всех фильтров в модели первого полосного усилителя одинаковые и соответствуют интервалу 280-320 Гц. Полоса пропускания фильтра второго полосного усилителя варьировалась. Полоса пропускания третьего усилителя 780-820 Гц. Частота сигналов возбуждения 800 Гц. Полученные характеристики близки к линейным. Более крутая характеристика получена при полосе пропускания второго полосного усилителя в интервале 483-517 Гц, а другая при полосе 485-515 Гц.
Видно, что в преобразователе проявляется эффект повышенной чувствительности, так как девиация фазы выходного сигнала значительно больше девиации фазы одного из сигналов возбуждения автоколебательной системы преобразователя.
На рис. 5.36 показаны две характеристики, полученные при настройке автоколебательной системы, когда частота сигналов возбуждения равна разности частот генерируемых сигналов.
Соотношения частот взяты аналогичные. Полосы пропускания всех фильтров в модели первого полосного усилителя одинаковые и соответствуют интервалу 780-820 Гц. Полоса пропускания фильтра второго полосного усилителя варьировалась. Частота сигналов возбуждения 300 Гц. Полоса пропускания третьего усилителя 280-320 Гц. Более крутая характеристика получена при полосе пропускания второго полосного усилителя в интервале 484-516 Гц, а другая при полосе 485-515 Гц.
