УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ЗАДАННОЙ ЧАСТОТЫ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ В САМОНАСТРАИВАЮЩЕЙСЯ СИСТЕМЕ Советский патент 1968 года по МПК G05B13/02 

Известны устройства для автоматической стабилизации заданной частоты собственных колебании в самонастраивающейся системе, содержащие связанные через пассивную дифференцирующую цепь триггер Шмитта и ждущий мультивибратор, выполненные на транзисторах.

Для повышения быстродействия устройства и обеспечения пропорциональности между выходным сигналом и отклонением собственной частоты от эталонной в коллекторных цепях выходных транзисторов триггера Шмитта и ждущего мультивибратора установлены две пары встречно включенных диодов. Аноды первой пары соединены с катодами второй пары, причем катоды первой пары диодов подсоединены к первому выходному зажиму, а аноды второй пары диодов - ко второму выходному зажиму.

Основным принципом действия предлагаемого устройства является сравнение времени полупериода Т действительных колебаний системы со временем полупериода Т_э колебаний эталонной частоты. При некоторых условиях разность времен указанных полупериодов прямо пропорциональна разности соответствующих частот:

Очевидно, что при малых расстройках это выражение преобразуется к виду:

При малом рассогласовании по частоте его можно измерять сравнением времен полупериодов действительных и эталонных колебаний в системе.

Схема устройства представлена на фиг. 1, где: 1 - триггер Шмитта; 2 - мультивибратор, 3 - дифференцирующая цепочка как цепь синхронизации срабатывания и 4, 5 - две схемы совпадений, выступающие в роли сумматора. Схема совпадения 4 собрана таким образом, что сигнал на ее выходе (отрицательный импульс напряжения) появляется тогда, когда на ее входах одновременно имеются отрицательные импульсы. Сигнал на выходе схемы совпадения 5 (положительный импульс) появляется лишь в том случае, если на входы схемы 5 одновременно поступают положительные импульсы. Исходное состояние блоков 1 и 2 таково, что на выходе первого имеется отрицательный импульс, а на выходе второго - положительный.

При поступлении на вход триггера 1 положительной полуволны анализируемого сигнала (U_вx~), он перебросится. На его выходе появится положительный импульс, передний фронт которого с помощью дифференцирующей цепочки запускает ждущий мультивибратор. На выходе мультивибратора появляется отрицательный импульс. Положительный импульс на выходе триггера 1 и отрицательный импульс на выходе мультивибратора 2 появляются практически одновременно: длительность первого равна Т - полупериоду действительных колебаний системы, а длительность второго Т_э - полупериоду колебаний эталонной частоты (см. временные диаграммы, приведенные на фиг. 2). На фиг. 2 - Е_к - напряжение источника питания коллекторных цепей транзисторов блоков 1, 2. Если частота входного сигнала меньше эталонной частоты, то Т>Т_э. Мультивибратор 2 в этом случае вернется в свое исходное состояние раньше, чем триггер 1. На его выходе появляется положительный импульс. На выходе триггера в это время также будет положительный импульс, так как триггер еще не вернулся в исходное состояние. В этом случае срабатывает схема 5, и на ее выходе появляется положительный импульс, который будет существовать до тех пор, пока триггер не вернется в свое исходное состояние. Длительность положительного импульса на выходе схемы 5 будет равна разности Т-Т_э. Чем больше отклонение частоты входного сигнала от эталонной, тем больше разность Т-Т_э, тем больше длительность (ширина) положительного импульса на выходе I. При Т<Т_э триггер вернется в свое исходное состояние раньше, чем мультивибратор. С момента возврата триггера в исходное состояние на выходах блоков 1 и 2 будут отрицательные импульсы. Тогда откроется схема 4, и на ее выходе появляется отрицательный импульс, который будет существовать до тех пор, пока мультивибратор не возвратится в свое исходное состояние. Длительность отрицательного импульса на выходе схемы 4 будет равна разности Т_э-Т. Чем больше отклонение частоты, тем больше эта разность, тем больше длительность (ширина) отрицательного импульса на выходе II. Выходные импульсы такого характера будут наблюдаться тогда, когда Т_э<2Т. Если же Т_э>2Т, то на выходе устройства в некоторых случаях возможны ложные импульсы, вызванные тем, что мультивибратор не успевает возвратиться в исходное положение к моменту повторного переброса триггера (иначе говоря, в этом случае повторный переброс триггера не приведет к повторному запуску мультивибратора).

Предлагаемое устройство целесообразно использовать в диапазоне частот Применение в схеме потенциального триггера Шмитта, формирующего прямоугольные импульсы из синусоидального сигнала, позволяет значительно уменьшить влияние амплитуды входного сигнала на точность работы устройства.

В качестве генератора прямоугольных импульсов эталонной длительности в той же схеме целесообразно применять моностабильную схему, выполненную на основе симметричного триггера с автоматическим смещением (ждущий мультивибратор). На фиг. 1 видно, что положительная полуволна анализируемого напряжения поступает на вход триггера, собранного на транзисторах Т₁ и Т₂. Триггер реагирует на изменение напряжения на входе, вызванное началом и концом полуволны. Таким образом, триггер запускается при прохождении переднего фронта синусоиды и возвращается в исходное состояние при прохождении ее заднего фронта. В результате в коллекторной цепи транзистора Т₂ появится положительный импульс, по длительности равный половине периода синусоидального сигнала, поступающего на вход устройства (см. временные диаграммы, представленные на фиг. 2). Этот импульс, продифференцированный цепью C₁R₁, передним фронтом через диод Д₁ (играет роль знакоразличителя) запускает электронное реле (ждущий мультивибратор), собранное на транзисторах Т₃ и Т₄ и формирующее импульс эталонной длительности. Мультивибратор позволяет получить импульсы прямоугольной формы длительностью до нескольких секунд (длительность импульсов можно плавно регулировать с помощью времязадающей цепочки C₂R₂). Импульсы с блоков 1, 2 подаются на две схемы совпадения на диодах Д₂ и Д₃ и резисторе R₃ (первая схема) и на диодах Д₄ и Д₅ и резисторе R₄ (вторая), построенные таким образом, что первая из них пропускает на выход лишь отрицательный импульс разности между импульсами, поступающими с выходов блоков 1, 2, а вторая из них пропускает на выход лишь положительный импульс разности между импульсами, поступающими с выходов блоков 1, 2. Действительно, в исходном состоянии транзистор Т₂ закрыт и плюсовой вывод диода Д₂ (точка а) имеет потенциал практически равный - Е_к. В то же время транзистор T₄ открыт, и потенциал плюсового вывода диода Д₃ (точка б) практически равен - Е_к/к, где . В результате этого диод Д₃ открыт (ток протекает по цепи Д₃-R₃) и потенциал точки с (минусового вывода диодов Д₂ и Д₃) практически равен - Е_к/к. Таким образом, в исходном состоянии диод Д₃ открыт, а диод Д₂ закрыт. Аналогично в исходном состоянии ток течет по цепи R₄-Д₅ (в связи с тем, что потенциал минусового вывода диода Д₅ равен - E_к).Так как диод Д₅ открыт, потенциал точки ∂ практически равен - Е_к. Как уже отмечалось, в это же время потенциал точки б равен - Е_к/к. Это указывает на то, что в исходном состоянии диод Д₄ закрыт. Таково исходное состояние схемы.

После переброса триггера 1 транзистор T₂ открывается, потенциал точки а изменяется и становится равным - E_к/к при условии, что . Но потенциалы точке с и ∂ не изменяются, так как импульс, созданный в результате переброса триггера, своим передним фронтам с помощью цепочки C₁R₁ запускает мультивибратор. Транзистор T₄ закрывается и потенциал точки б изменяется до - Е_к. Диод Д₃ закрывается, однако диод Д₂ открывается, благодаря чему потенциал точки с остается равным - Е_к/к. Диод Д₅ закрывается, но зато открывается диод Д₄, благодаря чему потенциал точки ∂ остается равным - Е_к. Далее если длительность входного сигнала больше длительности импульса мультивибратора, то есть, если Т>Т_э, то триггер возвратится в свое исходное состояние позже, чем мультивибратор. Как только транзистор Т₄ откроется, потенциал точки б становится равным - Е_к/к. В связи с этим диод Д₃ открывается, а диод Д₄ закрывается. Тогда потенциал точки с не изменится, а потенциал точки ∂ изменится до - Е_к/к. Таким образом, на выходе 1 появляется положительный импульс длительностью Т-Т_э. Если же длительность импульса входного сигнала Т меньше длительности импульса мультивибратора Т_э, то триггер возвратится в свое исходное состояние раньше, чем блок 2. При этом транзистор Т₂ закроется, потенциал точки а изменится до - Е_к, откроется диод Д₅ и закроется диод Д₂. Потенциал точки ∂ не изменится, а потенциал точки с изменится до - Е_к и будет оставаться таким до тех пор, пока мультивибратор не придет в свое исходное состояние. Таким образом, на выходе II появится отрицательный импульс длительностью Т_э-Т.

Съем сигналов (выходных импульсов) с выходов I и II предлагаемого устройства может осуществляться, например, через разделительные емкости. Очевидно, что для поддержания в системе заданного значения собственной частоты колебаний в систему необходимо вводить «пробные» возмущения (если система неавтоколебательная), затем после анализа собственной частоты предлагаемым устройством необходимо осуществлять корректировку соответствующего коэффициента усиления. Алгоритм корректировки коэффициента усиления системы для настройки на заданную частоту имеет вид:

K_n=K_n-1+b(Т-Т_э),

где K_n - значение настраиваемого коэффициента после n-ной корректировки;

K_n-1 - значение настраиваемого коэффициента после (n-1)-й корректировки;

b - шаг изменения настраиваемого коэффициента.

Устройство для автоматической стабилизации заданной частоты собственных колебаний в самонастраивающейся системе, содержащее связанные через пассивную дифференцирующую цепь триггер Шмитта и ждущий мультивибратор, выполненные на транзисторах, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия устройства и обеспечения пропорциональности между выходным сигналом и отклонением собственной частоты от эталонной, в коллекторных цепях выходных транзисторов триггера Шмитта и ждущего мультивибратора установлены две пары встречно включенных диодов, аноды первой пары соединены с катодами второй пары, причем катоды первой пары диодов подсоединены к первому выходному зажиму, а аноды второй пары диодов - ко второму выходному зажиму.