Примеры импульсных и цифровых систем

Радиолокационный дальномер. Дальномер используется для измерения расстояния до различных движущихся объектов. Функциональная схема радиолокационного дальномера изображена на рис. 15.3. Здесь обозначено А – антенна; ПРП – приемопередатчик; – инвертор; И₁, И₂ – схемы И; ГСИ – генератор стробирующих импульсов; ВМ – времяимпульсный модулятор.

Приемопередатчик периодически формирует и через антенну излучает в пространство зондирующие радиоимпульсы (ЗИ). Он же принимает отражённые радиоимпульсы и формирует их огибающую (ОИ). Генератор стробирующих импульсов формирует стробирующий импульс (СИ), который запаздывает по отношению к зондирующему на время, пропорциональное напряжению на выходе интегратора. Поэтому, если на схему сравнения, образованную инвертором , двумя схемами И₁, И₂ и инвертирующим сумматором, стробирующий импульс СИ приходит раньше отражённого ОИ, то под действием импульса со схемы И₁ напряжение на интеграторе уменьшается на величину, которая будет меньше, чем та, на которую увеличится под действием импульса, поступающего со схемы И₂.

Если же стробирующий импульс СИ приходит позже отражённого сигнала, то напряжение на интеграторе уменьшается под действием сигнала с И₁ на большую величину, чем оно увеличится под действием сигнала с И₂. И только в установившемся режиме, т.е. когда запаздывание стробирующего импульса равно запаздыванию отражённого, напряжение на интеграторе остаётся неизменным после прихода импульсов с И₁ и с И₂. Поэтому в установившемся режиме напряжение на интеграторе будет прямо пропорционально дальности до цели. Это обусловлено тем, что запаздывание отражённого импульса по отношению к зондирующему можно считать прямо пропорциональным дальности до цели.

Совокупность блоков ПРП, И₁, И₂, ГСИ, ВМ образует импульсный элемент (ИЭ). Можно считать, что этот ИЭ формирует прямоугольные импульсы, амплитуда которых пропорциональна отклонению , т.е. разности между действительной дальностью d до цели и дальностью, измеренной радиодальномером, которая равна . Здесь – коэффициент пропорциональности. Это позволяет представить структурную схему радиолокационного дальномера, как показано на рис. 15.4, где НЧ – непрерывная часть рассмотренного радиолокационного дальномера, состоящая из инвертирующего сумматора, интегратора и не показанных на схеме дополнительных устройств. Как видно, дальномер представляет собою замкнутую импульсную систему, выходная переменная которой в установившемся режиме прямо пропорциональна дальности d до цели.

Система регулирования температуры с импульсным преобразователем отклонения.Данная система предназначена для регулирования температуры в камере, снабженной нагревателем (Н) и резистивным датчиком температуры . В этой системе (рис. 15.5) импульсным элементом (ИЭ) является импульсный преобразователь отклонения (рассогласования), показанный на рис. 15.5 штриховой линией. На его вход с электрического моста поступает непрерывная переменная , пропорциональная отклонению температуры в камере от заданного значения , а его выходная переменная является последовательностью импульсов постоянной длительности и переменной амплитуды. Частота следования этих импульсов определяется частотой вращения кулачка 2, а их длительность – временем прижатия стрелки 4 к потенциометру с помощью «падающей дужки» 3. Амплитуда импульсов зависит от угла отклонения рамки магнитоэлектрического прибора МЭП. Этот угол пропорционален напряжению .

Остальные элементы системы являются обычными непрерывными элементами. Они образуют непрерывную часть (НЧ) рассматриваемой импульсной системы, структурная схема которой приведена на рис. 15.6.

Отметим, что в данную систему импульсный элемент ИЭ введён искусственно с целью расширения возможностей регулирующей части. Эта система может работать и без импульсного элемента, если напряжение с моста подать непосредственно на вход усилителя У. Однако в этом случае двигатель М будет все время находиться под напряжением, что приведет к большим потерям энергии. Кроме того, потребуются дополнительные корректирующие устройства, позволяющие снизить быстродействие электрической части системы, соотнеся его с большой инерционностью нагревательной камеры.

Система с ЦВМ. В настоящее время всё более широко применяются системы с цифровыми управляющими машинами (УВМ). Функциональная схема такой системы приведена на рис. 15.7. Необходимыми устройствами системы с УВМ являются аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи. АЦП осуществляет преобразование непрерывных переменных , в последовательность цифровых кодов , поступающих затем в УВМ. С другой стороны, последовательность кодов управляющего воздействия , вычисленных УВМ, преобразуется ЦАП в кусочно-постоянное (импульсное) управляющее воздействие , которое через исполнительные устройства поступает на объект управления.

АЦП, кроме квантования по времени, осуществляет и квантование по уровню. Величина кванта по уровню определяется числом разрядов АЦП. В настоящее время АЦП имеют 8 – 10 разрядов и выше, поэтому на первой стадии анализа цифровых систем квантованием по уровню обычно пренебрегают и считают, что их выходные сигналы точно соответсвуют дискретным значениям соответствующих величин, т.е. , . Кроме того, и АЦП, и ЦАП, и УВМ требуют некоторого времени для обработки поступающих переменных, поэтому цифровые элементы всегда вносят некоторое запаздывание по времени. Если запаздывание мало по сравнению с периодом следования импульсов (менее 0,1Т), то им обычно пренебрегают. Если же запаздывание соизмеримо с периодом Т, то его необходимо учитывать при исследовании цифровых систем.

Как видно из приведенных примеров, в большинстве случаев структурную схему импульсных и цифровых систем в разомкнутом состоянии можно представить, как показано на рис. 15.8, т.е. состоящей из последовательно соединённых импульсного элемента и непрерывной части. Замкнутая система образуется путём охвата этих элементов отрицательной единичной обратной связью. Однако эта связь замыкается только в моменты времени t_k = kT, k = 0, 1 …